超限高層公寓型鋼混凝土轉換框支梁結構設計

陳敢超

（廣東中山建筑設計院股份有限公司）

1 工程概況

我國建筑物的高度不斷地向超高方向發展，同時由于業主對建筑層高和空間使用有限制和要求，因此越來越多的高層建筑通過采用帶轉換層結構來實現，而型鋼混凝土轉換層的設計和施工也日益得到大力推廣。本項目位于中山市長江北路和孫文東路交匯處，總建筑面積28萬m2，地下室共3層，地上由3棟高層塔樓和5層商業裙房組成。建筑抗震設防分類裙樓為乙類，裙樓天面以上的三棟高層塔樓為丙類。設計使用年限為50 年，抗震設防烈度為7 度，地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.1g，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類，結構安全等級為二級。其中1#公寓塔樓結構高度最大為168.4m，屬于超B級高度、大底盤多塔結構，而且存在豎向構件間斷、平面扭轉及樓板不連續等多項不規則項，本項目已通過了抗震設防超限專項審查并且施工已完成主體結構封頂。本文主要對超限的1#高層公寓的部分框支剪力墻結構中的型鋼混凝土框支轉換梁的設計進行詳細介紹。

轉換層位于第7 層樓面，屬于高位轉換，由于建筑層高的限制，框支轉換梁梁高需要控制在1800mm 以內，通過多方案分析計算和綜合比較，最終確定選用抗震性能優越的型鋼混凝土框支轉換梁（以下正文中簡稱框支梁）。框支梁最大截面為2000×1800，含型鋼率為1.6%。落地剪力墻（以下正文中簡稱落地墻）厚度為500～800mm，轉換層以上剪力墻（7 層以上）墻厚自下而上由300mm漸變為200mm。框支轉換層和標準層結構平面布置圖如圖1 和圖2 所示。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）[1]（簡稱《高規》）規定，本工程落地墻和框支框架抗震等級為特一級，其余為一級。

圖1 轉換層結構平面

圖2 標準層結構平面

2 結構整體計算分析

本工程建筑結構高度超限，為超B 級高度，設計中分別采用《多層及高層建筑結構空間有限元分析和設計軟件（墻元模型）SATWE》[2]（簡稱SATWE）和《盈建科建筑結構分析與設計軟件YJK》[3]（簡稱YJK）兩個軟件進行結構整體計算對比分析，計算內力時全樓采用彈性樓板假定和相同的計算參數，兩個程序的分析結果基本吻合一致，模型符合實際，可作為本項目結構設計的依據[4]。

3 框支梁設計

3.1 剪壓比限值分析

轉換框支梁受力復雜，它并不是傳統意義上的拉彎構件，而且它屬于關鍵構件，為保證其安全可靠，《組合結構設計規范》（JGJ 138-2016）[5]（簡稱《組合規》）5.2.4 條對框支梁抗震設計時的受剪截面有明確規定，地震設計狀況下剪壓比為0.3。在重力荷載、水平荷載共同作用下，為了確保建筑結構的抗震延性和安全度，控制好高層建筑各類結構構件受剪截面的剪壓比是重要措施，同時也符合強剪弱彎的設計原則。

為保證建筑結構的安全，控制轉換框支梁的剪壓比的無疑是有利于彌補計算差異所帶來的結構隱患。型鋼混凝土框支梁作為復雜高層建筑結構轉換梁其中一種結構形式，具有承載力高、延性好等優點，其承受上部結構傳來的垂直和水平荷載時受力復雜而且十分重要。

3.2 截面設計

框支梁因受力不同各取不同截面尺寸，梁高受建筑使用凈空要求只能采用1800mm，寬度按計算確定。例如經分析計算后，KZL1 截面尺寸采用2000×1800，混凝土強度等級取C70。由于采用寬翼緣工字型鋼會對梁內箍筋設置擺放產生較大影響，施工也非常困難。經多方案綜合比較，最終確定內置型鋼不需考慮受彎，僅考慮提高框支梁的抗剪能力，在滿足梁支座抗剪前提下選擇無翼緣型鋼（鋼板），在框支梁內對稱配置兩塊一字型鋼板，截面尺寸為-1200×24，型鋼牌號采用Q420B，框支梁含型鋼率為1.6%。這樣配置的抗剪鋼板基本不影響梁內的箍筋設置綁扎，對施工并無太大影響，大大提高施工效率。框支梁配筋和鋼板做法大樣如圖3所示。

圖3 框支梁KZL1配筋大樣

3.3 計算分析

1#高層公寓計算模型如圖4 所示，采用YJK 和SATWE 兩個有限元軟件分別對全樓棟整體進行分析計算，從框支梁的內力和配筋計算結果可知：梁高范圍內配置了一字型型鋼的框支梁，由于內置鋼板提供了抗彎貢獻，縱筋數量明顯少于未配置型鋼的普通鋼筋混凝土轉換梁，梁截面尺寸也由于梁內設置的型鋼提高了框支梁抗剪能力從而得到優化。《組合規》5.5.2 條中規定了型鋼混凝土框支梁的縱筋最小配筋率為0.3%，在正截面承載力計算時，縱筋和內置型鋼在框支梁內充分發揮共同作用，但在內力配筋計算時，《組合規》對框支梁縱筋在地震作用時卻沒有作出增大調整。

圖4 整體計算模型

考慮到在高位轉換結構中框支梁的重要性及其復雜性，為確保其有充裕的設計安全儲備，而且應具有良好延性的抗震性能，依據超限審查報告的計算分析結論，確定本項目的特一級框支梁縱筋最小配筋率為0.6%。施工圖配筋設計時取YJK、SATWE 模型和高精度有限元框支剪力墻計算軟件FEQ 模型計算結果包絡值配置框支梁縱筋，符合滿足設計要求。

框支梁的內置型鋼腹板僅考慮抗剪驗算，在普通鋼筋和型鋼的協同作用下框支梁的抗彎以及抗剪承載力均能滿足設計要求。依據《組合規》5.3.2 條條文和公式，考慮型鋼局部腹板作用，按荷載的準永久值并考慮長期作用影響，分析計算框支梁的最大裂縫寬度，由計算結果知ωmax=0.216mm＜[ω]=0.3mm，滿足設計要求。

由結構平面可知，框支梁與上部托換的剪力墻上下錯位并不能對齊同一軸線，這樣必定會對框支梁產生較大的扭矩作用，但轉換層的厚板及與框支梁垂直相交的框支次梁能有效約束由于墻、梁偏心所產生的較大扭矩，因此除了計算，還可以通過抗震構造措施來解決抗扭問題，這樣會得到更經濟有效的結果。對框支梁采取的主要構造措施如下：⑴框支梁第一排面筋沿梁縱向方向全長貫通，貫通率必需達50%以上；⑵將轉換層樓板配筋率從0.25%增大至0.3%，有效提高轉換層樓板和框支梁協同能力，從而增強框支框架的整體抗震性能；⑶在滿足規范的前提下，框支梁單側腰筋配筋率適當增大為0.12%，除了能增強框支梁的抗扭作用外，還能有效控制由于澆筑C70 高標號混凝土而產生垂直于梁軸線的梁表面收縮裂縫；⑷適當加強與框支梁垂直方向的框架梁或次梁的截面尺寸，提高轉換層的整體抗扭能力。

3.4 構造設計

3.4.1 高強混凝土的使用

為完美達到業主對建筑空間的使用要求，框支梁和轉換柱同時采用C70 高強混凝土。混凝土強度越高粘性越大，生產上需要更長的攪拌時間才能讓膠材與外加劑充分反應，而且在轉換層內直徑為36mm 的高強度鋼筋多達420 多噸，鋼筋分布密集、間距小，框支梁中還設有型鋼鋼板，轉換柱中設有芯柱，尤其在梁柱抗震節點處，梁柱鋼筋層層疊疊、密密麻麻，對混凝土泵送的和易性和塌落度也提出了要求和挑戰。另外，由于框支梁和轉換柱的尺寸已達到大體積混凝土的標準，混凝土供應商通過材料的預檢預存預降溫度以及配合比調整等措施，有效化解高強混凝土的高膠凝材與大體積控水化熱之間的矛盾關系，并且采取合理的施工措施以降低混凝士硬化過程中產生的水化熱，控制收縮裂縫的產生。本項目轉換層的C70、C60混凝土澆筑了2400立方米，總耗時共20.5 小時，在短時間內完成如此大方量的高強混凝土的生產、澆筑、施工，在建筑行業上實屬罕見。尤其是1850 多立方米的C70 混凝土用量，刷新了中山市C70混凝土一次性澆筑方量的最高紀錄。

3.4.2 剪力連接件的設置

框支梁抗震設計時受力復雜，為保證型鋼與混凝土之間能協調變形，共同承受外力工況荷載，需在型鋼鋼板上設置抗剪連接件。本項目為減少型鋼與框支梁箍筋綁扎沖突的施工難度，型鋼選用一字型鋼板，而非傳統的工字型型鋼，因而沒有常規翼緣能設置栓釘作為柔性抗剪連接件，因此在鋼板兩側加焊沿鋼板長度方向布置的直徑25mm 鋼筋作為剛性抗剪連接件，排放尺寸如圖3所示。

3.4.3 拉筋的設置

由于框支梁中型鋼鋼板的存在，鋼板上每隔一段距離需要預留固定梁側模板用的對拉螺桿開孔就是為了滿足施工工藝需要。為了盡量減少開孔對型鋼腹板的影響，鋼板不宜再增加開孔讓拉筋穿過綁扎，因此在鋼板兩側增加輔助筋用于綁扎拉筋，輔助筋則跟鋼板焊接連接，如圖3 所示，這樣構造處理不僅能有效降低抗剪鋼板截面的開孔率，同時也保證了框支梁普通鋼筋骨架的整體性。

4 結論

⑴超高層建筑結構復雜，豎向構件不連續，高位轉換層的框支梁采用型鋼混凝土后，減小結構的變形，承載力和關鍵構件的耗能能力大大提高，抗震性能得到顯著改善，截面尺寸大大優化，從而能更好地實現“強剪弱彎、強柱弱梁、強節點弱構件”抗震設計理念。

⑵框支梁受力復雜且十分重要，為保證計算分析結果的正確性，采用盈建科YJK 和PKPM 系列SATWE 兩個軟件相互比對計算，結果基本一致。在結構整體計算分析基礎上，還局部對框支梁進行FEQ 高精度有限元分析，彌補了整體分析的不足，多方面保證其安全使用可靠。

⑶通過設置合理的抗震構造加強措施，使轉換結構具有良好的抗震延性，而且能更好保證框支梁內置型鋼鋼板與鋼筋混凝土協同工作的性能，實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震性能目標。