某高層住宅的超限框支轉(zhuǎn)換設(shè)計

雷 洋

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，甘肅，蘭州，730030）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程不斷加速，城市商業(yè)價值不斷提高，提高住宅建筑物底層商業(yè)的使用價值及利用率，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)使建筑功能更加靈活多變，可以適應(yīng)各種不同類型的建筑需求。眾多學(xué)者以實際案例及理論軟件分析，對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)取得了一定的研究成果，如文獻[1]基于項目特點及不規(guī)則項，制定了相應(yīng)的抗震性能化設(shè)計目標與加強措施，并對結(jié)構(gòu)總體抗震性能以及大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架的抗震性能、關(guān)鍵節(jié)點、振動舒適度做了專項分析。文獻[2]通過大量工程實例，對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞路徑的選取依據(jù)和工程實踐的總結(jié)，得到了豎向荷載兩類傳遞的結(jié)構(gòu)適用跨度與范圍。文獻[3]通過SAP2000 有限元分析軟件模擬框支結(jié)構(gòu)在地震作用下地震反應(yīng)，得出以下結(jié)論：轉(zhuǎn)換層位置提高及等效側(cè)向剛度比過低會造成轉(zhuǎn)換層及其下面一層成為軟弱層概率增大；對于高位轉(zhuǎn)換應(yīng)重視轉(zhuǎn)換層及其下面一層的剛度保證，結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比應(yīng)接近1.0；短肢剪力墻設(shè)置比例增大，能有效降低轉(zhuǎn)換層位置處側(cè)向剛度突變；高位轉(zhuǎn)換時應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)短肢剪力墻過多情況。

在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于眾多建筑項目中，取得了良好的效果和應(yīng)用價值。本文將結(jié)合實際案例介紹轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本原則和步驟。

1 工程概況

本工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)，采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，為B 級高度的超限高層建筑，地上29 層，房屋高度為89.1m，地上主要建筑使用功能為：一、二層為商業(yè)，三層以上層為住宅，通過在商業(yè)和住宅之間設(shè)置轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)建筑功能的需求，首層層高4.5m，二層為框支層層高為5.4m，11～12 層層高為3.1m，標準層層高為2.9m。

建筑抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為8 度，地震基本加速度為0.20g，地震分組第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期多遇地震0.45s，罕遇地震0.50s。基本風壓為0.30kN/m2，承載力計算時1.1 倍，地面粗糙度為C 類。

2 結(jié)構(gòu)超限類別及判定

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（以下簡稱《超限審查要點》），超限類別統(tǒng)計如下。

2.1 房屋高度超限判定

對于結(jié)構(gòu)體系為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)在8 度設(shè)防烈度區(qū)的A 級最大適用高度為80m，B 級最大適用高度為100m，本工程建筑總高度為89.1m，屬B 級高度的高層建筑，為高度超限的高層建筑。

2.2 不規(guī)則超限判定

根據(jù)計算結(jié)果存在以下不規(guī)則項：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則[4]：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比YJK 為1.28，Midas 為1.21；（2）剛度突變：相鄰層最大剛度比為0.9797；（3）構(gòu)件間斷：存在上下墻、柱、支撐不連續(xù)。

2.3 超限綜合判定

按照《超限審查要點》的規(guī)定，本工程為B 級高度高位轉(zhuǎn)換的鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的超限高層建筑，且具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變、構(gòu)件間斷不規(guī)則項。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)場地所處的位置、土層的巖性特征及物理力學(xué)性質(zhì)的差異，從上至下為①雜填土層、②細砂層、③卵石層、④砂巖層。其中④砂巖層地基承載力特征值fak=450kPa，變形模量Es=35MPa。基礎(chǔ)選用持力層為砂巖層，主樓地基基礎(chǔ)的設(shè)計等級為甲級，基礎(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)。基礎(chǔ)埋深18.90m，為建筑高度的1/4.67，滿足規(guī)范要求。

基礎(chǔ)計算選用YJK（盈建科），筏板的受沖切承載力和受剪承載力均滿足要求，筏板的配筋基本以構(gòu)造配筋為主。

4 上部結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)布置

本工程結(jié)構(gòu)體系選用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，第2 層為框支層，框支柱和框支梁均采用型鋼混凝，為便于施工，支撐較短剪力墻的部分框支梁由于受力較小。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為保證框支層剪力墻具有足夠的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。剪力墻應(yīng)盡量保持豎向連續(xù)，落地剪力墻應(yīng)增加其截面厚度，同時應(yīng)盡量保證轉(zhuǎn)換層的框支柱、梁及框支梁上部剪力墻三者軸線對齊，更大限度地避免偏心扭矩的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換層樓板厚度加厚為180mm，與轉(zhuǎn)換層相鄰的上下樓層樓板厚度加厚為150mm。同時在結(jié)構(gòu)平面凹口處均設(shè)寬拉梁，并在拉梁相對應(yīng)的樓板內(nèi)設(shè)置暗梁。

抗震等級：地下4～5 層抗震等級為三級，地下3 層抗震等級為二級，地下2 層抗震等級為一級，地下1 層至地上4 層為特一級，地上5 層及以上為一級。

5 超限抗震設(shè)計計算及分析論證

5.1 計算軟件

（1）小震彈性計算采用YJK 的有限元程序，同時采用MIDAS-Building（以下簡稱Midas）進行第2 套軟件的對比計算。

（2）小震彈性時程分析補充計算采用YJK 軟件。

（3）中震、大震等效彈性計算采用YJK 軟件。

（4）大震彈塑性動力分析采用PKPM/SAUSAGE 軟件。

5.2 質(zhì)量分布分析

豎向布置規(guī)則，各層質(zhì)量沿高度變化均勻，建筑物總質(zhì)量兩個程序算出的總質(zhì)量及單位面積質(zhì)量比較接近，相差在5%之內(nèi)，兩個程序的計算較為準確并可以進行互相驗證。

5.3 剛重比計算

剛重比計算結(jié)果X 方向7.3076，Y 方向3.8797，兩個方向剛重比均大于1.4，對高度超限的高層建筑而言，可保證其整體穩(wěn)定性，并可不考慮重力二階效應(yīng)的影響。

5.4 動力特性分析

在小震作用下彈性計算所得的前6 個振型周期及第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比統(tǒng)計見表1。

表1 周期統(tǒng)計表

從表1 中可見，本工程在兩個程序中第1、2、4、5 周期均為平動周期，第3、6 周期均為扭轉(zhuǎn)周期，周期比滿足要求，周期構(gòu)成比較相似，兩個程序計算出的各振型周期有相似的規(guī)律，計算結(jié)果具有可比性。

5.5 嵌固端剛度比分析

本工程嵌固部位設(shè)在地下室頂板處，地下一層與地上一層側(cè)向剛度比X 方向為7.3076，Y 方向為3.8797。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]要求，嵌固端下層側(cè)向剛度不宜小于上層側(cè)向剛度的2 倍，滿足規(guī)范要求。

5.6 移和扭轉(zhuǎn)位移比分析

在小震作用下彈性計算所得的最大層間位移角和最大位移比兩個程序計算得到的各樓最大層間位移角及最大位移比比較接近，最大層間位移角均小于1/1 000，最大位移比均＜1.40，滿足規(guī)范要求。

5.7 地震剪力系數(shù)分析

地震作用下基底剪力和傾覆彎矩兩個程序的地震剪力系數(shù)比較接近，且從底部樓層向上部樓層逐漸增大，所有樓層的地震剪力系數(shù)大于3.2%，滿足規(guī)范要求。

5.8 樓層受剪承載力分析

樓層受剪承載力比的最小值各層比值均大于《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》 JGJ3 第3.5.3 條B 級高度限值0.75，且較為均勻，符合規(guī)范要求。

5.9 轉(zhuǎn)換層剛度比分析

《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》[6]附錄E 規(guī)定，當轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1、2 層時，可近似采用轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比γe1 表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化，γe1宜接近1，抗震設(shè)計時γe1 不應(yīng)小于0.5。按照《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》附錄E 控制轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比不小于0.60，γe1 不小于0.6。驗算結(jié)果轉(zhuǎn)換層與上層等效剪切剛度比X 向為0.7452、Y 向為0.6043，均大于0.60，滿足《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》和加強措施的要求。

5.10 軸壓比分析

剪力墻最大軸壓比：YJK（組合軸壓比）為0.33，Building為0.35，設(shè)計限值為0.50。（1）軸壓比均符合《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，墻肢變截面樓層處軸壓比也均滿足規(guī)范要求。（2）YJK 和Midas 的計算結(jié)果基本接近。

5.11 小震作用下的彈性時程分析

計算采用的5 組天然地震波、2 組人工地震波，并分別以X、Y 向作為主方向施加激勵。多遇地震下的補充時程分析計算結(jié)果表明，時程分析結(jié)果總體上略小于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果，以振型分解反應(yīng)譜的計算結(jié)果進行設(shè)計是偏安全的。

5.12 框支框架豎向地震作用計算

本工程通過對框支框架考慮豎向地震作用與不考慮豎向地震作用進行對比，得出對于考慮豎向地震作用的框支梁，其彎矩和剪力均有不同程度的增大，基本上在2%～4%之間，相應(yīng)的配筋也有所增大。

5.13 設(shè)防地震下的框支梁應(yīng)力分析

在設(shè)防地震作用下，框支梁及其上部墻體應(yīng)力分析云圖。框支梁底部縱向最大拉應(yīng)力約為6MPa，考慮框支梁最小配筋率為0.6%及內(nèi)置型鋼，可以判斷框支梁在中震時抗彎彈性。由于邊門洞的影響，洞口邊靠近梁端部剪應(yīng)力最大，最大值約為5MPa，能夠滿足《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第5.2.4 和5.2.5 條對框支梁抗剪截面限制條件和抗剪承載力的要求。為進一步保證安全性，采取框支梁豎向加腋和增大框支墻洞口連梁剛度的措施，框支墻在加強配筋的前提下確保剪力墻豎向鋼筋在框支梁中的錨固要求，同時框支柱在框支墻范圍內(nèi)的縱向鋼筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)不少于一層。

5.14 設(shè)防地震下轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析

根據(jù)計算結(jié)果，除樓板在其與剪力墻端部、電梯井道等交點處由于剛度較大而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象造成應(yīng)力值異常外，絕大部分樓板應(yīng)力值未超過混凝土的抗拉強度標準值，框支梁附近最大樓板應(yīng)力值約為3MPa，僅考慮鋼筋（雙層雙向C12@150）抗拉作用的樓板抗拉能力約為3.35MPa（折算應(yīng)力），可保證樓板中震不屈服。樓板最大剪應(yīng)力值不超過1.2MPa，能夠滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.2.24 對轉(zhuǎn)換層樓板的抗剪要求。

分析表明該層樓板具有足夠的面內(nèi)剛度，可滿足既定的“中震不屈服”的設(shè)防目標，確保水平力的有效傳遞。在滿足“中震不屈服”的情況下，通過適當?shù)臉?gòu)造加強，增加樓板的抗裂性能。

5.15 框支框架中震不屈服驗算

設(shè)防地震作用下，按正截面不屈服、斜截面彈性（框支框架按正截面彈性、斜截面彈性）計算所得的底部加強部位墻體和框支框架配筋，框支框架抗彎抗剪、墻體抗剪截面及配筋均能符合承載力彈性設(shè)計要求。其余構(gòu)件的截面及配筋也均能符合承載力彈性或屈服設(shè)計要求。

5.16 動力彈塑性分析

（1）分析方法

本工程均采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法，并考慮雙向地震作用，其中主次方向峰值加速度比為1:0.85。

（2）分析軟件

采用PKPM/SAUSAGE。

（3）地震波選取

地震波的選取考慮建筑場地類別及特征周期，本模型選用1 條人工波和2 條天然波。罕遇地震輸入地震加速度的最大值取400 cm/s2。人工波與天然波計算得到的結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范

要求，其反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜滿足統(tǒng)計意義上相符。

（4）罕遇地震動力彈塑性分析結(jié)果

罕遇地震時程分析的基底剪力（三條波包絡(luò)值）：X 方向為34277.9 kN，Y 方向為45641.9 kN，分別為多遇地震下基底剪力的4.77 倍和5.17 倍。

（5）罕遇地震層間位移角

結(jié)構(gòu)在大震下X、Y 兩個方向的最大層間位移角為1/173（第10 層）、1/177（第16 層），滿足1/135 的規(guī)范限值，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.7.5 條規(guī)定。

（6）能量圖及等效阻尼比

X向：結(jié)構(gòu)初始阻尼比：5.0%，附加等效阻尼比：結(jié)構(gòu)彈塑性：2.3%，總等效阻尼比：7.3%。

Y 向：結(jié)構(gòu)初始阻尼比：5.0%，附加等效阻尼比：結(jié)構(gòu)彈塑性：1.9%，總等效阻尼比：6.9%。

從以上分析結(jié)果可以看出：

罕遇地震下，3 組時程波計算得到的最大層間位移角均小于1/135，符合規(guī)范目標要求，且結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的薄弱部位，變形基本均勻連續(xù)。X 方向基底剪力為34277.9 kN，Y 方向基底剪力為45641.9 kN，分別為多遇地震下基底剪力的4.77 倍和5.17 倍。等效總阻尼比為7.3%，與大震等效線性化方法采用的阻尼比7%相當。

大部分耗能構(gòu)件（墻梁）的損傷較重，部分框架梁有中度損傷，起到了耗能作用。框架柱和樓板損傷較輕，大部分構(gòu)件未損傷，關(guān)鍵構(gòu)件框支梁和框支柱未見屈服。絕大部分墻柱的損傷在輕度及以下?lián)p傷程度，即最大壓應(yīng)變未超過屈服應(yīng)變，僅極個別短墻肢（底部外圍短墻肢、個別連梁兩側(cè)墻肢）產(chǎn)生中度以上損傷，設(shè)計中采取內(nèi)置型鋼或加強配筋等措施。

結(jié)構(gòu)整體損傷機制符合規(guī)范要求，具有較好的耗能性能，宏觀上可保證結(jié)構(gòu)不大于中度損壞，符合規(guī)范基本要求。

5.17 基底零應(yīng)力區(qū)分析

在重力荷載代表值與多遇水平地震標準值共同作用下：

（1）基底未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，符合《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ3 第12.1.7 條規(guī)定。

（2）抗傾覆彎矩Mr/ 傾覆彎 矩Mov：YJK 為3.81，Building 為4.274，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.5，符合《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》JGJ6 第5.5.2 條規(guī)定。

6 結(jié)論

本工程為高度超限（超A 級高度，小于B 級高度）、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的超限高層建筑工程。在設(shè)計中充分利用概念設(shè)計方法進行設(shè)計，并對關(guān)鍵構(gòu)件進行了具體的設(shè)計措施，在抗震分析中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行了小震彈性、中大震等效彈性和大震動力彈塑性計算分析。計算結(jié)果表明，多項指標均滿足規(guī)范及性能目標要求，除了能保證結(jié)構(gòu)在小震作用下完全處于彈性狀態(tài)之外，還能保證關(guān)鍵構(gòu)件在中、大震作用下處于設(shè)定的性能狀況。對各超限項采取了有針對性的加強措施，對關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱構(gòu)件作了適當?shù)募訌姡猿浞直ＷC其在地震作用下的承載力和延性。

因此，可以認為結(jié)構(gòu)整體性能除能滿足規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求外，亦能滿足設(shè)定的性能目標要求，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震能力高于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)是可行和安全的。