某框支轉(zhuǎn)換高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及啟示

楊奕芬

(上海天華建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海200235)

1 工程概況

瑞虹新城9號地塊地處上海市虹口區(qū)，其中一單體T11-12號樓為帶底商的高層住宅，如圖1、圖2。建筑地上27層，一層二層功能為商業(yè)，層高4.5m，三層以上為普通住宅，層高3.15m;結(jié)構(gòu)大屋面標(biāo)高89.15m;塔樓地下兩層，與周邊塔樓地下室相互連通形成一體式的地下車庫，地下一層層高4.8m，地下二層層高4.1m。

建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類，特征周期0.90s。重現(xiàn)周期50年基本風(fēng)壓為0.55kN/m2，地面粗糙度為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。

2 結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)平面(圖3)尺寸56.00m×19.52m，結(jié)構(gòu)高度為89.15m，高寬比4.6。上部住宅采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，為保證底部兩層商業(yè)對空間的要求，需在3層樓面轉(zhuǎn)換部分上部剪力墻。因此，上部結(jié)構(gòu)剪力墻布置除要滿足豎向支撐和結(jié)構(gòu)剛度的要求外，還應(yīng)兼顧轉(zhuǎn)換層的布置。設(shè)計(jì)時(shí)盡量集中布置剪力墻，形成較長墻肢，避免出現(xiàn)間距過近，過于分散凌亂的小墻肢，既保證上部結(jié)構(gòu)的剛度，也更容易設(shè)計(jì)出受力直接，傳力明確的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。此外，為增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)、抗扭剛度，外圍剪力墻加厚至350mm，建筑內(nèi)部剪力墻厚度仍為200mm。轉(zhuǎn)換層(圖4)采用框支框架結(jié)構(gòu)，框支柱距7m左右，框支梁高度控制在2m以內(nèi);工程師保留了樓電梯間處以及部分外圍剪力墻，轉(zhuǎn)換掉其余大部分剪力墻，同時(shí)保證落地剪力墻承受的傾覆力矩百分比不小于50%。上部結(jié)構(gòu)的嵌固端設(shè)定在地下室頂板。

圖1 建筑效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面

3 結(jié)構(gòu)超限情況及對策

3.1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況

上部剪力墻在3層樓面進(jìn)行轉(zhuǎn)換，屬于豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù);結(jié)構(gòu)北面凹進(jìn)尺寸超平面寬度的40%，屬于平面凹凸不規(guī)則;樓層最大彈性水平位移超過樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。綜合上述情況，該結(jié)構(gòu)屬于超限高層[1][2]。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.2.1 小震彈性反應(yīng)譜分析

根據(jù)規(guī)范要求，對超限工程應(yīng)采用兩種不同的力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力、位移計(jì)算。本工程采用YJK和PMSAP兩種程序進(jìn)行獨(dú)立建模計(jì)算，均采用整體空間結(jié)構(gòu)模型。其中YJK采用空間框架單元模擬梁、柱及支撐等桿系單元，采用超單元來模擬剪力墻、彈性板及轉(zhuǎn)換梁。詳細(xì)分析結(jié)果見表1。

表1 主要結(jié)果及分析匯總一覽表

兩種程序計(jì)算得到的質(zhì)量、周期，位移等參數(shù)均較為接近，說明所選擇的分析模型能較準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，可以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù);周期比，位移比，剪重比等參數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范要求，其中首層及轉(zhuǎn)換層落地剪力墻在X、Y方向上承擔(dān)的地震傾覆力矩均大于50%，滿足部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的要求。同時(shí)，結(jié)構(gòu)具有清晰的振型，足夠的側(cè)向剛度和良好的動力特性。

3.2.2 小震時(shí)程分析

為了驗(yàn)證反應(yīng)譜法的可靠性，補(bǔ)充小震下的彈性時(shí)程分析，與反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行了對比，計(jì)算軟件采用YJK。選擇五條天然波和兩條人工波，其峰值加速度按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.2-2取35cm/s2。彈性時(shí)程分析時(shí)，考慮雙向水平地震作用，同一組地震波的兩個水平分量的加速度比值取為1:0.85。在波形選擇上，除符合有效峰值、持續(xù)時(shí)間、頻譜特性等方面的要求外，還應(yīng)滿足規(guī)范對底部剪力方面的相關(guān)要求。

計(jì)算結(jié)果表明，本單體X、Y方向七條時(shí)程曲線分析結(jié)果的平均值均小于反應(yīng)譜法的分析結(jié)果，故振型分解反應(yīng)譜法分析結(jié)果可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2.3 關(guān)鍵構(gòu)件的中震分析

對于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件框支框架，工程師對其提出了較高的性能要求，即框支框架中震不屈服[3][4]。

中震不屈服設(shè)計(jì)地震最大影響系數(shù)按中震考慮，取0.23，地震作用效應(yīng)的組合均按《高規(guī)》第5.6.4條進(jìn)行(不考慮風(fēng)荷載參與組合)，但分項(xiàng)系數(shù)均取1.0，不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，鋼筋和混凝土材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

對比小震彈性和中震不屈服配筋計(jì)算結(jié)果可看出，框支柱如果采用小震彈性的配筋結(jié)果，在中震下，抗剪能力要求能夠得到滿足，但是抗彎配筋不足[5]。為了達(dá)到抗震性能目標(biāo)，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)框支柱全部按中震不屈服配筋結(jié)果來進(jìn)行，并加強(qiáng)箍筋配置，以提高框支柱的延性。

3.2.4 針對超限采取的其他措施

本工程除按規(guī)范要求設(shè)計(jì)外，還采取以下加強(qiáng)措施，以下僅列出其中關(guān)鍵幾項(xiàng):

1)控制剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的軸壓比以保證延性，落地剪力墻的配筋率不小于0.6%;

2)加大凹口邊連接板厚度至130mm，按中震彈性下應(yīng)力圖進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，采用雙層雙向加強(qiáng)配筋，并且每層每方向配筋率不小于0.25%[6];

3)對凹口附近豎向構(gòu)件和框架梁按剛性樓板和彈性樓板兩種情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，同時(shí)凹口附近剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，框架梁配筋適當(dāng)放大，箍筋全長加密，并配置扭筋[7-8]。

經(jīng)過上述計(jì)算分析以及構(gòu)造加強(qiáng)措施，我們認(rèn)為本工程結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，并將該相關(guān)報(bào)告送交超限高層抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

4 超限審查意見修改

項(xiàng)目超限高層審查會中，專家組提出意見:“應(yīng)補(bǔ)充塔樓在罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念以及分析結(jié)果，對底部加強(qiáng)部位框架和剪力墻提出進(jìn)一步提高延性設(shè)計(jì)的抗震措施?！?/p>

根據(jù)審查意見，重新考量該結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)。在確定性能目標(biāo)之前，工程師首先需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈服機(jī)制的預(yù)判和耗能路徑的設(shè)計(jì)。

眾所周知，剪力墻結(jié)構(gòu)合理的構(gòu)件屈服順序應(yīng)該是連梁-框架梁-底部墻肢，對整個結(jié)構(gòu)而言則是底部屈服，通過逐步的彈塑性變形消耗地震能量[9][10]。對于框支剪力墻結(jié)構(gòu)，由于存在豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換，樓層水平力在轉(zhuǎn)換層重新分配。若轉(zhuǎn)換構(gòu)件(包括框支框架和落地剪力墻)屈服產(chǎn)生二次內(nèi)力重分配，引起的后果難以估計(jì);而框支框架的破壞，可能會導(dǎo)致其承托的上部剪力墻成片倒塌。故框支剪力墻結(jié)構(gòu)合理的構(gòu)件屈服順序應(yīng)該是連梁-框架梁-框支層上部墻肢，對整個結(jié)構(gòu)而言則是轉(zhuǎn)換層以上屈服;因此必須嚴(yán)格把握框支框架的承載力水平，保證其始終晚于上部結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)。

基于此，工程師確定整個結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能目標(biāo)為:框支框架保持彈性，落地剪力墻基本保持彈性，轉(zhuǎn)換層以上墻體可以屈服，主要屈服部位應(yīng)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層以上兩層。

采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PUSH進(jìn)行靜力彈塑性分析，藉此來考察結(jié)構(gòu)的彈塑性變形過程，驗(yàn)證整個結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制和性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，并指導(dǎo)后期施工圖設(shè)計(jì)。靜力彈塑性分析主要結(jié)論如下:

1)結(jié)構(gòu)處于大震性能點(diǎn)時(shí)所對應(yīng)結(jié)構(gòu)層間位移角X向?yàn)?/260，Y向?yàn)?/246，小于規(guī)范1/120的限值，說明該結(jié)構(gòu)能滿足“大震不倒”的抗震要求?；准袅Α攲游灰魄€均光滑飽滿，表明結(jié)構(gòu)延性較好，在達(dá)到罕遇地震性能點(diǎn)后，曲線上升態(tài)勢還比較明顯，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)仍具有較穩(wěn)定的剛度，能夠承受罕遇地震的考驗(yàn);

2)對于整個結(jié)構(gòu)體系中最為關(guān)鍵的框支框架，大震作用下框支梁和框支柱均未出現(xiàn)塑性鉸，仍處于彈性狀態(tài);底部的落地剪力墻僅出現(xiàn)局部拉壓破壞點(diǎn)，基本保持彈性;而轉(zhuǎn)換層上部，拉壓破壞點(diǎn)遍布于長墻之中;表明整個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具備足夠的承載力，且不先于上部樓層屈服;靜力彈塑性分析的結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)滿足專家組提出的對底部加強(qiáng)部位框架和剪力墻更高目標(biāo)的要求，結(jié)構(gòu)整體屈服情況也與之前的預(yù)期相符。

5 靜力彈塑性分析發(fā)現(xiàn)的問題

結(jié)構(gòu)在小震下的位移角為1/1008(Y向)，對應(yīng)大震時(shí)為1/246，約為小震4倍，彈塑性變形并不大。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)判斷，這可能表明該結(jié)構(gòu)在大震作用下未充分進(jìn)入屈服狀態(tài)，剛度退化不足;由于耗能不充分會使得結(jié)構(gòu)在大震作用下遭受更大的破壞，應(yīng)仔細(xì)分析其原因并加以改進(jìn)。觀察靜力彈塑性分析中結(jié)構(gòu)的加載和變形過程，發(fā)生罕遇地震時(shí)，轉(zhuǎn)換層以上連梁和框架梁并未大面積出現(xiàn)塑性鉸，而大部分長墻肢則充滿了拉壓破壞點(diǎn)(如圖5)，說明該結(jié)構(gòu)梁未能充分發(fā)揮其作為“耗能構(gòu)件”的作用，結(jié)構(gòu)主要憑借長墻肢的屈服來實(shí)現(xiàn)有限的耗能，由于長墻肢尚承擔(dān)著承載豎向荷載的作用，將其作為主要耗能構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)不利。

分析結(jié)構(gòu)平面布置，不難找出其中的原因。首先，上海地區(qū)高度接近90m的剪力墻結(jié)構(gòu)，由于墻厚限制(內(nèi)墻多數(shù)只能為200mm厚)，常常必須做成整片長墻才能滿足剛度需要。其次，由于轉(zhuǎn)換的存在，也要求上部剪力墻盡可能集中、長片布置，這樣對框支框架體系的架設(shè)和框支梁的受力，都比較有利。再者，建筑平面布置的限制，使得南北向墻肢不能對齊，也就未能通過連梁連接形成成片的抗側(cè)力體系。由于以上原因，結(jié)構(gòu)主要側(cè)向剛度的來源不是聯(lián)肢墻體系，而是一片片單獨(dú)的長墻，框架梁和連梁在整個抗側(cè)力體系中的作用并不大，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受超過自身承載力的作用時(shí)，提供主要側(cè)向剛度的長墻就會首先屈服，通過墻體剛度退化來消耗地震能量，整個結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制不盡合理。

由于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、剛度以及建筑平面的原因，再來調(diào)整結(jié)構(gòu)布置已不現(xiàn)實(shí)。工程師只能接受結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件不足，罕遇地震下必須通過長墻肢塑性變形來消耗地震能量的現(xiàn)狀。如何更好地設(shè)計(jì)長墻肢，是擺在工程師前面的問題。構(gòu)件設(shè)計(jì)必須服從于整個結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和性能目標(biāo)，如前所述，大震作用下，轉(zhuǎn)換層上部墻體應(yīng)首先出現(xiàn)屈服，故不能過分提高墻體承載力，而應(yīng)采用針對性的設(shè)計(jì)手段來提高墻體的延性和耗能能力。在確定了以提高構(gòu)件延性為主的設(shè)計(jì)方向后，工程師決定采取以下措施:

1)在轉(zhuǎn)換層以上兩層的范圍內(nèi)，加強(qiáng)約束邊緣構(gòu)件的配筋率、配箍率，并在層高處設(shè)置600mm高的邊框梁，與約束邊緣構(gòu)件形成帶邊框剪力墻;

2)在轉(zhuǎn)換層以上兩層的范圍內(nèi)，對長片墻肢適當(dāng)設(shè)置結(jié)構(gòu)開洞，洞口大小600mm×800mm，既改善這兩層墻肢的受力性能，又不對整體剛度造成太大影響，并按規(guī)范要求對洞口進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

6 結(jié)論

1)通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行各地震水準(zhǔn)下的計(jì)算分析以及針對性設(shè)計(jì)，該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能滿足性能目標(biāo)要求，具有合適的承載能力和延性。

2)該結(jié)構(gòu)由于兼顧轉(zhuǎn)換，剛度和建筑布置，形成了以長片墻肢為主要剛度來源的情況，設(shè)計(jì)師采用一定的措施來保證墻肢的延性。如何更好地設(shè)計(jì)此類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，值得進(jìn)一步研究。

3)構(gòu)件設(shè)計(jì)必須服從于整個結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和性能目標(biāo)，應(yīng)該在承載力設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)中找到合適的平衡點(diǎn)。

圖5 3層塑性鉸分布圖

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