高位轉換超限高層結構設計

吳 靖 坤

(南京市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210005)

高位轉換超限高層結構設計

吳 靖 坤

(南京市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210005)

以北京房山某高層建筑為例，通過對該工程超限情況的論述，介紹了此類超限高層結構的設計方法及注意事項，包括其結構布置、抗震分析方法及性能化目標的選取等，對類似的商住綜合樓的設計有借鑒意義。

超限高層，高位轉換，性能化目標

1 工程概況

本工程位于北京房山商業核心區，為集商業、住宅為一體的城市綜合體。建筑層數：地上13層，地下2層加非機動車庫局部夾層。總建筑面積約2萬m2，其中地下2層及夾層為停車庫和設備用房，地下1層～5層為商場，6層～13層為住宅，房屋總高度為51.40 m，建筑效果圖如圖1所示。

裙樓單層面積較小，長方向約70 m，共8跨柱網，柱距8.8 m；寬度方向約25 m，只有2跨～3跨，進深分別為9.3 m，8.1 m，7.5 m。作為電器賣場，需要較大的開敞空間。6層～13層為普通住宅，建筑要求房間角部不能鼓出結構柱。另外，由于項目較小，甲方要求主裙樓間不設縫。

2 結構形式及參數取值

2.1 結構選型

受建筑條件的制約，本項目6層及以上只能做成剪力墻結構，而1層～5層，因為做商業賣場用，要求設置大開間柱網，僅樓梯間處允許設置剪力墻。因此大多數剪力墻都要轉換。整體形成一個框支剪力墻的結構體系，結構模型如圖2所示。

2.2 抗震分析參數選取

根據《建筑工程抗震設防分類標準》第6.0.5條規定本項目的商業部分是-1層～5層，總建筑面積為8 180 m2，不屬于大型商場。其抗震設防類別劃為標準設防類(丙類)。

北京地區屬8度區，《高層建筑混凝土結構技術規程》(以后簡稱《高規》)表3.9.3條對部分框支剪力墻結構，底部加強部位剪力墻及框支框架抗震等級為一級，非底部加強區的剪力墻為二級。第10.2.5條對部分框支剪力墻結構，當轉換層的位置設置在3層及3層以上時，其框支柱，剪力墻底部加強部位的抗震等級宜按本規程表3.9.3和表3.9.4條提高一級采用。因此本項目將框支框架取為特一級，裙樓普通框架取為一級，剪力墻地下1層～7層(底部加強區)為特一級，7層以上二級。

需要說明的裙樓普通框架套60 m以下框剪結構中框架，本應取為二級，但根據3.9.6條相關范圍(主樓外延不少于3跨)不應低于主樓的抗震等級。本工程裙樓較小，基本都在3跨范圍內。所以設計分析時將裙樓普通框架抗震等級均取為一級。

本工程因采用了型鋼混凝土梁柱，根據《型鋼混凝土混合結構技術規程》第4.2.3條混合結構的結構阻尼比宜取為0.04，但考慮到本工程只有框支柱和框支梁為型鋼混凝土，其他絕大多數抗震構件均為普通混凝土構件。所以綜合考慮仍按混凝土結構，不作為混合結構分析，將阻尼比取為0.05。

根據帶地下室的整體計算，不考慮土層約束的剪切剛度，地下室的樓層側向剛度與一層側向剛度的比值X向和Y向分別為：12.5和8.1，均大于2。達到《建筑抗震設計規范》第6.1.4.2條和《高規》第5.3.7條要求。由于首層滿足嵌固端條件，在進行結構整體分析時，將嵌固端定在±0.00處。

3 超限情況

本工程雖然項目面積不算大，總高度也不算高，但存在多項超限內容，具有多層商場加高層住宅的典型特征。

1)高位轉換。《高規》10.2.6條規定，部分框支剪力墻結構在地面以上設置轉換層的位置，8度時不宜超過3層。本工程為部分框支剪力墻結構，8度設防，轉換層為第5層，根據建質[2010]109號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(2010年7月)附錄一表三，屬高位轉換超限。

2)塔樓偏置。本工程在X向和Y向，裙樓與塔樓的質心偏心距分別占到底盤相應邊的19.7%和22.5%。Y向超過20%的限值，因此屬于塔樓偏置。

3)扭轉不規則。Y+方向考慮偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大位移為1.39(底層)，裙樓多層最大位移大于1.2。屬于《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(以下簡稱《超限要點》)1a類不規則。由于塔樓位于裙樓的東北角，整體偏置，偏心率大。同樣也屬于1b類偏心布置。偏心率大于0.15或相鄰質心相差大于相應邊長15%。最大的偏心出現在第5層，偏心率為 0.20。綜合判定為扭轉不規則。

4)豎向收進。塔樓相對裙樓的寬度比例在X向為47%，Y方向為53%，收進比例均大于25%。屬于《超限要點》中4b項尺寸突變，豎向不規則。

綜合上述4條，本工程屬于超限高層，需要進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查。

4 應對措施

4.1 根據超限特點，合理布置結構形式

針對高位轉換的情況，在滿足側移變形承載力的前提下盡可能均勻布置塔樓剪力墻、減薄墻體，隔墻采用輕質材料，盡可能減輕上部塔樓重量；讓塔樓剪力墻盡量落地，不能落地的盡量落在連接框架柱的轉換梁上。經協商將陽臺邊的磚墻也改為剪力墻，使盡可能多的剪力墻的端頭直壓到框支柱上，減少禿頭柱數量。對完全不在軸線上的兩片剪力墻，用兩個方向的轉換次梁共同抬起；轉換梁及框支柱均采用型鋼混凝土以提高其延性，對轉換梁一側相連的電梯井筒邊也設型鋼端柱，以便與型鋼轉換梁相接，在電梯筒與樓梯間剪力墻之間拉上連梁，使之形成整體；控制墻體厚度變化使轉換層上下層剛度接近，不出現突變，上下均勻；使用高強混凝土，嚴控豎向構件的軸壓比，以提高抗震延性。控制目標為框支柱小于0.40，剪力墻軸壓比小于0.2(規范限值分別為0.6和0.5)；加厚轉換層樓板(取200厚)，提高樓板配筋率，框支層混凝土標號取為C40，雙層雙向通長配筋，同時亦適當加強轉換層上下層的樓板，確保地震剪力有效傳遞；將轉換層定義為薄弱層，放大該層的地震剪力，剪力放大系數取為1.25。

針對扭轉不規則的情況，通過裙房內最西邊和西南角分別布置兩道較厚較長的剪力墻使樓層偏心率控制在25%以內；查找出平扭位移比最大點，對該處的構件進行加強。

針對豎向收進的情況，控制上下層的剛度比，抗剪承載力比，轉換層剛度比滿足規范要求；對裙樓的屋頂樓板加強，負筋拉通；按《高規》說明10.6.3條文說明，對塔樓與裙樓相連的外圍柱墻，在構造上予以特別加強。

4.2 選用合適的分析方法，找出結構不足之處加以調整

1)按規范要求采用兩種三維空間分析軟件進行整體內力和位移分析，并考慮偶然偏心及雙向地震作用。計算結果對比見表1。框支柱的剪力調整，按其從屬面積所分擔的樓層剪力作為調整基數。2)進行彈性時程分析，分析結果未發現明顯的薄弱環節。3)大底盤的設計中考慮底盤各層按考慮高低塔聯合模型的地震剪力修正同時補充底盤按少墻框架的單獨模型(塔樓質量按荷載輸入在裙樓模型上)計算，承載力包絡設計。計算結果表明，單獨裙樓模型中部分豎向結構件比整體模型有10%左右的增加。4)上部塔樓設計中，縱向短墻補充按框架柱的模型計算，滿足傾覆力矩和二道防線的要求。5)中部樓電梯部位相關樓板應采用彈性板計算。

表1 計算分析主要結果指標

4.3 進行性能化設計分析

性能化結構抗震設計是指結構的設計標準由一系列可以取得的結構性能目標來表示，主要針對混凝土結構并采用基于能力的設計原理。根據《高規》第3.11.1條要求，綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建筑建造費用、震后損失和修復的難易程度等各項因素，可選定針對整個結構、結構的局部部位或關鍵部位結構的關鍵部件重要構件、次要構件的性能控制目標。本工程的結構抗震性能目標選定為：轉換梁的承載力大震不屈服；框支柱和相鄰落地墻(端柱或暗柱)承載力中震彈性，并滿足大震截面控制條件。轉換梁性能目標的承載力計算不考慮空間作用，手算復核，按照實際承擔區域面積手算確定荷載。

5 結語

高位轉換高層最重要的就是框支結構的設計，此部分的構件需要有足夠的安全儲備，通過性能化設計對此部分選定合適的性能化目標，并分析實現，是類似結構設計的關鍵。結構布置盡量減少禿頭柱的情況，轉換梁兩頭均抬墻時，轉換比較容易實現，安全性要高得多。

要提高轉換結構的普通混凝土梁柱構件的承載力，需要加大截面，而加大截面將會承擔更多的地震力，更多的地震力又需要加大截面，容易限入死循環。而選用高強的勁性混凝土結構構件，能很好地解決這一問題，從純混凝土到勁性型鋼混凝土，在剛度有限提高的情況下，強度會有大幅度的提高。因此勁性混凝土構件是做轉換構件的最佳選擇。

對上部偏置塔樓與裙樓總體量相當或接近的結構，選擇單塔樓模型補充計算，是對全樓模型分析結果的有益補充。這種方法有利于發現潛在的不足之處，更簡易客觀地反映出扭轉變形的影響，使得關鍵構件得到加強。

當塔樓平面面積占裙樓面積比較小時，如果對數目較少的框支柱按全樓地震剪力進行剪力0.2Q0調整，調整的剪力往往會很大，難以實現。因此剪力調整按框支范圍面積所對應的剪力進行相應調整比較合理。

另外，由于進行了多重加強，與非超限的常規項目相比，本項目的經濟性較差。因此，在項目的前期，建筑方案設計時應盡量避免高位轉換，塔樓偏置這些嚴重不規則的情況出現。雖然通過各種措施來成功實現了這一方案，但也不得不說，這不是一個好的選擇。

[1] 徐培福，傅學怡，王翠坤，等.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2] 楊學林.復雜超限高層建筑抗震設計指南及工程實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[3] 韓小雷，季 靜.基于性能的超限高層建筑結構抗震設計——理論研究與工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

The high conversion transfinite high-rise structure design

Wu Jingkun

(NanjingArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd，Nanjing210005，China)

Taking a high-rise building in Beijing Fangshan as an example, through the discussion on the transfinite situation of the project, this paper introduced the design methods and matters needing attention of this transfinite high-rise structure, including the structure layout, seismic analysis method and performance-based objective selection, had reference for similar design of residential and commercial complex building.

transfinite high-level, high conversion, performance-based objective

1009-6825(2015)28-0036-03

2015-07-27

吳靖坤(1974- )，男，碩士，高級工程師

TU973

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