某高位轉換超限高層結構設計要點研究

張亮

摘 要：某高層建筑結構，同時存在扭轉不規則、構件間斷、凹凸不規則、體型收進、穿層柱五項一般不規則項，為超限高層建筑。針對其結構設計特點，對相應的結構布置、小震及風荷載下承載力及變形能力、中震及大震下結構抗震性能進行分析判斷。

關鍵詞：超限高層;結構;抗震性能

中圖分類號：TU973.31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-123-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.054

該項目位于珠海市香洲區南屏灣一路北側，仙橋路東側。項目占地約8 264.84m2，建筑形態為一棟99.65m的高層酒店，底部配有三層商業裙房。商業裙房建筑功能包含商業、會議中心、大型餐廳和宴會廳。高層酒店分別在46.60m（13層）和50.20m（14層）高度存在分級體型收進及高位轉換，兩級收進尺度分別為7.45m和4.55m。

該塔樓的設計使用年限是50年;結構設計的安全等級是2級;結構抗震的設防類別是丙類;抗震的設防烈度是7度。

1 結構布置、設計要點分析

1.1 抗側結構體系及豎向不規則

基于建筑與結構相結合考慮，采用框架-剪力墻結構體系，該結構在13、14層樓面局部體型收進，收進尺寸分別為7.45m和4.55m。在14、15層樓面，部分柱子被轉換，其被轉換柱子數量分別為七根和兩根。這樣的設計方式是考慮到建筑物自身特點及其設計結構兩方面相結合的情況進行的相關結構轉換，轉換層上下均由框架和剪力墻共同承擔側向力和豎向力;在轉換部位，上部側向力和豎向力通過轉換梁傳給下部豎向構件，一轉換部位（14層）構件布置圖如圖1所示，第二轉換部位（15層）構件布置圖如圖2所示。

1.2 樓蓋結構體系

該項目酒店各層功能復雜，其樓蓋結構體系的確定因素主要有：機電要求、建筑平面功能布置、整體結構及層高等。同時，需要結合該項目工程的經濟性、工期進度、框剪體系等要求和特點，確保三方面的考慮原則：確保工程項目的安全可靠;實現該項目的經濟效益目標;確保工程施工在規定工期內可以順利完工。除此之外，該項目建筑凈高因為受到層高限制，因此需要與機電、建筑等相關設計協調相關的梁高、梁格及影響梁跨的柱網。綜合上述所有考慮原因和設計要求，進而可以選擇采用現澆式的鋼筋混凝土作為梁板施工方案[1]。

1.3 嵌固層

嵌固端作為結構計算的重要假定，使其具備相應平面內的剛度方面的水平方向變形，以更好地進行地震基底剪力傳遞。規范對嵌固層有諸多規定，包括概念和力學定量。本項目為全埋地下室，頂板無大開洞，且為梁板結構，概念上面滿足嵌固端要求。負一層與一層側向剛度比分別為γx=4.71>2.0，γy=3.06>2.0，力學指標滿足嵌固條件。

2 抗震及風載彈性要點分析

2.1 小震及風載彈性要點分析

采用兩種軟件分別進行對比驗算，用PKPM和ETABS軟件分別建立三維計算模型的方法，就風荷載及小震下結構的變形及承載力進行驗算分析。小震下除振型分解反應譜方法進行分析外，另由于結構不規則的存在，要采用彈性時程分析法進行補充。

2.1.1 陣型分解反應譜法與彈性時程法

采用陣型分解反應譜法，計算得到結構的模態、重力、位移角、扭轉位移比、剪重比、層剛度比、傾覆力矩、重力二階效應與結構穩定判斷、構件軸壓比等結果。采用PKPM軟件分析五組自然波及兩組人工波下結構相應的加速度時程曲線、層剪力、層間位移角等指標，與CQC結果相比較。

2.1.2 分析結果

本項目中，采用兩種分析方法相互對比和補充，即可得到以下結論：結構在風和多遇地震的相互作用下，可以保持較好的抗側性能以及抗扭轉能力，主要指標都可以滿足極限狀態的設計，以及抗震設計中第一階段的性能設計目標要求。

2.2 中震主要構件性能驗算

2.2.1 中震主要構件性能驗算步驟

本項目的性能目標為：對關鍵構件——轉換柱、轉換梁及12～15層體型收進周邊豎向構件要求無損壞，底部加強部位處的剪力墻可以有輕微損壞;其他普通構件可以有輕微損壞;耗能構件的連梁及框架梁等允許輕度損壞或部分中度損壞等。

其次，中震驗算是通過小震設計得到各主要構件的受彎與受剪的承載力，驗算構件的震后性能狀況是否達到預期性能水準要求。鋼筋混凝土柱受到的承載力采用空間的N-M-M包絡面來反映;剪力墻面內受彎承載力采用N-M相關曲線進行描述;采用安全系數衡量框架柱及剪力墻受剪承載力的安全儲備。

2.2.2 驗算結論

通過Satwe軟件進行中震對比分析，可得出以下結論：剪力墻壓彎富余度較大，底部外圈個別墻肢彎矩較大，可加強其邊緣構件配筋;全部剪力墻均滿足抗剪截面的要求，其中部分剪力墻水平筋中震要比小震大，施工圖設計時取包絡值;底部個別墻肢受拉且拉應力要在一倍和二倍的混凝土的抗拉強度標準值之間;剪力墻滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈性能要求。轉換柱兩個方向壓彎富余度較大，抗剪彈性;轉換柱滿足中震抗剪以及抗彎彈性特點。轉換梁按小震及風計算配筋均滿足中震抗剪、抗彎彈性。框架梁、連梁滿足中震抗彎部分屈服、抗剪不屈服的性能目標[2]。

2.3 大震彈塑性動力的時程分析

通常情況下，在結構遭遇罕遇的地震作用過程中，將使其局部、部分或者絕大部分進入到彈塑性狀態。為了更好地滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求，需要深入了解結構在小震作用下的彈性狀態，慢慢隨著地震作用的不斷增大而進入到彈塑性狀態，就是結構在中震和大震作用下的工作性能，可應用相應的抗震措施以更好地確保結構具有穩定的抗震安全性。

對大震的分析軟件，本項目主要采用結構動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE，從模型結構、地震波峰值及調整系數、動力彈塑性計算結果三個方面進行分析。最終得出相應的結論。

對于本項目的結論如下：塔樓轉換柱、轉換梁、剪力墻在大震下大多處于輕度損壞程度，多數連梁能進入彈塑性階段耗散地震能量，主要抗側力構件均沒有出現脆性破壞，結構的整體性能滿足防止倒塌的要求，達到C類抗震性能目標。

3 結語

通過對本項目結構設計要點進行分析，得出了相應的合理性和安全性結論。同時，對抗震性能給予相應建議：轉換柱、轉換梁、12～15層體型的收進周邊豎向構件的抗震等級為一級。轉換層及弱連接樓蓋加厚至180mm，實現雙層雙向配筋，單向單層鋼筋配筋率為0.3%;其他樓層弱連接樓蓋加厚至150mm，實現雙層雙向配筋，單向單層鋼筋配筋率為0.25%。該建筑體型的收進部位以及上一層樓板的加厚至150mm，實現雙層雙向配筋，單向單層鋼筋配筋率為0.25%。弱連接樓蓋部位的梁應設置腰筋，單側不宜少于2根，單側腰筋截面積不應小于腹板截面積的0.2%，且其間距不宜大于150mm。部分轉換梁（編號為ZHL2、ZHL4和ZHL11）的主拉應力值較大，施工圖設計應適當加大其縱筋配筋率。

參考文獻

[1] 杜明軍，許平，胡振杰，等.某高位大跨連體超限高層建筑結構設計[J].建筑結構，2019，49（05）：83-89.

[2] 王鵬，許平，胡振杰.某高位轉換超限高層辦公樓結構設計與分析[J].建筑結構，2016，46（08）：23-27，32.