某高位轉換結構抗震設計

韋會強

上海建筑設計研究院有限公司（200041）

某高位轉換結構抗震設計

韋會強

上海建筑設計研究院有限公司（200041）

以某具體高層工程為對象，結合高位轉換結構的特點，對其抗震設計方法進行了探討。

高位轉換；高層；抗震設計

0　引言

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》），底部空間部分框支剪力墻高層建筑結構在地面上的大空間層數，8度不宜超過3層，7度不宜超過5層，6度時層數可適當提高，對于高位轉換，轉換層附近剛度、內力突變，易形成薄弱層，不同于底層的框支剪力墻，這里通過一個七層轉換的例子，探討有關高位轉換的一些問題。

1　工程概況

某項目位于無錫市郊，III類場地，為部分框支剪力墻結構，共31層，轉換層位于7層，層高4.5 m；轉換層以上為設備層，層高2.9 m，設備層以上為住宅，層高2.9 m；轉換層以下為辦公，地下一層4.8 m，1層層高為6.15 m，2～6層各層層高為4 m，總高度98.60 m，樓蓋為現澆板，基礎為樁筏基礎，坐落在地下車庫之上，并且地下室頂板為嵌固端。根據抗震規范，設防烈度為6度，設計分組為第一組，加速度0.05 g，根據荷載規范，地面粗糙度為B類，基本風壓Wo=0.45 kN/m2，房屋高度＞60 m，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用。基本雪壓So=0.4 kN/ m2。

2　超限情況說明

1）扭轉不規則，存在樓層考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2。

2）構件間斷，8號樓存在7層轉換，為框支剪力墻結構。

3）在轉換層處，上部結構樓層收進部位到室外地面的高度H1與房屋高度H之比H1/H=28.96/ 98.6=0.29＞0.2，樓層收進后的水平尺寸B1/B=18.2/ 28.6=0.64＜0.75，超過《高規》3.5.5條規定。

4）根據《建筑抗震設計規范》第3.4.3條關于側向剛度不規則的規定，樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值為80%。因2層層高6.15 m，層剛度比不滿足，為滿足規范對層間受剪承載力的要求，柱內插入型鋼，使剛度軟弱層與承載力薄弱層不在同一層，計算時樓層地震力放大1.25倍。

綜合各不規則項，該樓為超限復雜高層建筑。

3　抗震參數及抗震性能目標的確定

綜合考慮結構的規則性和造價因素。該結構最終的性能目標為：整體性能目標選為C，框支框架、轉換層樓板是關鍵結構構件，該建筑又為高位轉換，框支框架和轉換層樓板做到中震彈性。

表1　抗震參數及抗震性能目標

4　針對超限情況的抗震措施

4.1計算方面

1）整體計算模型

本單體嵌固于地下室頂板，計算分析時，與其他樓間相互影響，按單獨進行計算分析。

2）整體分析

對該結構分別進行三階段抗震設計，以確保建筑物的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目標：

小震分析：利用SATWE、ETABS分別進行振型分解反應譜法分析，并做對比；用彈性時程分析法作為補充計算。

中震分析：利用SATWE進行振型分解反應譜法分析。

大震分析：利用PUSH&EPDA對結構進行靜力彈塑性分析（PUSH-OVER），進行罕遇地震作用下的變形驗算。

3）樓板應力分析

采用PMSAP對8號樓轉換層及上、下一層樓板，進行各級地震作用及風荷載作用下樓板應力分析。

4）框支框架應力分析用框支有限元（FEQ）進行框支框架應力分析。

4.2構造措施方面

1）框支框架。為了提高框支框架的抗震性能目標，框支柱、框支梁按照中震彈性，并驗算大震作用下，抗剪截面驗算。體型收進部位即轉換層上下各兩層根據《高規》10.6.5條，抗震等級由一級宜提高為特一級。

2）落地剪力墻。控制落地剪力墻承擔的地震傾覆力矩大于總地震傾覆力矩的50%。底部加強部位剪力墻抗震等級為一級。

3）轉換層處樓板厚200 mm。轉換層及下一層樓板板厚150 mm。

4）短肢剪力墻。控制軸壓比及全截面配筋率滿足《高規》7.2.2條。

5）框支柱水平地震剪力標準值調整。每層框支柱承受剪力之和應至少取結構基底剪力的30%。

5　結構分析的主要結果匯總及比較

5.1小震計算結果

1）周期比SATWE計算結果T1=2.313 2，T3= 1.789 3，T3/T1=0.77。

周期比 ETABS計算結果 T1=2.406 8，T3= 1.808 0，T3/T1=0.75。

2）彈性位移角及位移比

圖1　地震波0度角作用下最大樓層剪力及位移曲線圖

反應譜法結構地震響應位移計算結果風力作用及地震作用下均滿足規范要求，位移比小于1.4。

3）反應譜法底部地震剪力、地震傾覆力矩、底部剪力系數計算結果相當，有效質量系數大于90%。

4）轉換層上、下層側向剛度比，X向=1.00，Y向= 0.87，均大于規范限值0.6；X向=4.981 1，Y向= 3.938 2，均大于規范限值0.8；時程法選取地震波0度、90度角進行分析，因篇幅，僅列出0度結果，如圖1。

5.2中震計算結果

1）分析結果

表2　反應譜法結構地震響應位移計算結果

表3　反應譜法底部地震剪力、地震傾覆力矩、底部剪力系數計算結果

5.3大震彈塑性分析

該工程雖位于6度區，考慮到結構規則性與結構所處的位置無關。且實際地震時，發生超過設防烈度的地震作用，不在少數，如汶川、玉樹等。為得到全面的彈塑性認識，補充7度大震作用下結構破壞狀態。

圖2　彈塑性分析

5.4專項計算分析（樓板應力分析）

表4為該樓各級地震及風荷載作用下轉換層及上、下層樓板最大主應力（采用PMSAP）。

表4　

6　結構抗震性能的綜合評價

根據報告的分析以及計算結果，結合《建筑結構抗震設計規范》和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》等有關規定，對該結構抗震性能的綜合評價如下：

1）我們對本超限超高層結構在小震作用下采用了彈性反應譜和動力時程兩種方法進行彈性內力分析，并進行了第一階段設計；在中震作用下采用了彈性反應譜進行彈性內力分析對重要結構構件進行第二階段設計；在罕遇地震作用下，采用了彈塑性靜力（PUSHOVER）分析方法，對結構進行了進一步的彈塑性受力變形分析，即第三階段設計。大震時該結構處于“輕微破壞”至“中等破壞”狀態間，連梁及局部剪力墻進入屈服狀態。結構達到了預期的抗震性能目標。結構彈塑性發展情況表明該結構具有良好的屈服機制，基本構架了結構多道防線，并起到耗能作用。大震時最大層間位移角均小于1/ 120，結果表明可以滿足“大震不倒”抗震設防目標要求，也滿足抗震性能目標。

2）該結構雖存在剛度軟弱層和豎向構件轉換層（不在同一層），對剛度軟弱層和轉換層樓層地震力放大1.25倍，且加強落地剪力墻、框支框架及轉換層上、下樓板。經大震分析表明，結構不存在明顯的結構薄弱層。剛度柔軟層和轉換層均不是結構承載力薄弱層，無塑性變形集中現象。

綜上所述，根據各項指標結果，可得出以下結論：該樓存在高位轉換，且存在豎向剛度不規則（超限），但經過采取適當的加強措施并進行三階段設計，完全能夠達到現行規范規定的三水準設防目標。

［1］建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［2］高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.