高層建筑轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計(jì)分析

張旭濤 齊能斌

洛陽(yáng)智中建筑設(shè)計(jì)院有限公司 河南洛陽(yáng) 471000

摘要：本文主要是對(duì)高層建筑轉(zhuǎn)換層整體抗震性能及設(shè)計(jì)原則，以及應(yīng)用SATWE軟件對(duì)帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換層；抗震設(shè)計(jì)原則；剪力墻；SATWE軟件

一、轉(zhuǎn)換層整體抗震性能及設(shè)計(jì)原則

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑，轉(zhuǎn)換層上下的豎向結(jié)構(gòu)體系或形式有較大差異，沿建筑物高度方面剛度的均勻性受到破壞，豎向承力構(gòu)件不連續(xù)，墻、柱截面發(fā)生突變，導(dǎo)致傳力路線曲折，變形和應(yīng)力集中，且轉(zhuǎn)換層自身剛度和質(zhì)量較大，地震作用下的地震反應(yīng)力很大，導(dǎo)致帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的抗震性能較差。從整體受力的角度，可以總結(jié)出一些改善轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震性能的方法及設(shè)計(jì)原則：

1、控制轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度（即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度）。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置較高時(shí)，易使整體結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于3層以上時(shí)，按彈性動(dòng)力時(shí)程分析得出的結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)線在轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生明顯突變，其主要原因就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沿用了底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)概念，僅控制上部剪力墻結(jié)構(gòu)與下部框支結(jié)構(gòu)的層剪切剛度比γ [γ=（Gi+1* Ai+1 ）*hi/（Gi* Ai ）*hi+1 ] 。事實(shí)上，當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，下部框支結(jié)構(gòu)在側(cè)向力的作用下，由于構(gòu)件自身彎曲變形以及側(cè)向力作用平面內(nèi)兩端構(gòu)件的拉伸和壓縮軸向變形所造成的整個(gè)下部框支結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移加大，加上原有的由于剪切變形所造成的側(cè)移，相同的側(cè)向力作用下，綜合側(cè)移加大導(dǎo)致綜合側(cè)移剛度減小，轉(zhuǎn)換層上下的剛度突變加大，轉(zhuǎn)換層間位移角包絡(luò)發(fā)生突變。因此，《高規(guī)》附錄E提出了一個(gè)等效側(cè)向剛度γe的概念，用單位側(cè)向力作用下下部框支結(jié)構(gòu)的側(cè)移與同樣高度的上部剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移的比值來(lái)綜合反映彎曲、剪切和軸向變形對(duì)側(cè)移剛度的影響。其實(shí)質(zhì)就是使下部框支結(jié)構(gòu)的變形特征及綜合剛度與上部剪力墻結(jié)構(gòu)接近，以避免剛度突變。

2、加強(qiáng)框支柱的強(qiáng)度和延性，以彌補(bǔ)彈性理論分析計(jì)算的不足。按照彈性理論的分析結(jié)果，在地震作用下，上部剪力墻結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的水平地震剪力通過(guò)轉(zhuǎn)換層樓板的間接傳力途徑在下部框支框架和落地剪力墻之間進(jìn)行完全的剪力重分配，由于框支框架和落地剪力墻的側(cè)向剛度相差懸殊，即使理論分析時(shí)考慮了轉(zhuǎn)換層樓板在平面內(nèi)的變形及平面外的剛度，框支框架所受水平剪力的理論計(jì)算值仍然是比較小的。事實(shí)上，由于以下兩個(gè)主要原因?qū)е孪虏靠蛑Э蚣芩艿膶?shí)際水平剪力遠(yuǎn)大于彈性計(jì)算值：①、部分水平剪力通過(guò)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)自身的直接傳力途徑進(jìn)行傳遞。地震作用的持續(xù)時(shí)間僅為30～60S，地面運(yùn)動(dòng)加速度正、反方向的變化時(shí)間一般在零點(diǎn)幾秒之內(nèi)，在如此快速的動(dòng)力作用下，全部?jī)?nèi)力通過(guò)樓板的間接傳力途徑進(jìn)行傳遞是難以實(shí)現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)：轉(zhuǎn)換層下部的大部分框支柱出現(xiàn)裂縫，上部剪力墻所受的剪力并未全部通過(guò)樓板的間接傳力途徑傳遞到落地筒體，部分內(nèi)力直接傳給下部與之相連的框支柱上，導(dǎo)致框支柱所受水平剪力遠(yuǎn)大于彈性靜力分析結(jié)果，對(duì)抗震十分不利。②、轉(zhuǎn)換層下部的落地剪力墻容易出現(xiàn)彎曲、彎剪裂縫，隨著裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，落地剪力墻的剛度迅速遞減。剪跨比較大的剪力墻當(dāng)層間位移達(dá)到1/500時(shí)，其剛度降低60%，而轉(zhuǎn)換層下部的支承框架當(dāng)層間位移達(dá)到1/500時(shí)，其剛度基本上仍未降低，這將導(dǎo)致整個(gè)框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力和傾覆力矩分配情況與彈性分析結(jié)果有較大差異。也就是說(shuō)，隨著落地剪力墻剛度的降低轉(zhuǎn)換層附近的剪力突變進(jìn)一步加劇，框支框架所受的剪力和傾覆力矩大幅增加，形成薄弱部位，對(duì)抗震十分不利。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)換層較高時(shí)，框支柱宜采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，以提高柱的強(qiáng)度和延性。落地剪力墻宜形成筒體，并增強(qiáng)落地墻的承載能力和延性，加強(qiáng)端部約束，且落地剪力墻的間距和數(shù)量均嚴(yán)于底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可在落地墻端部配置型鋼，以避免或推遲落地剪力墻出現(xiàn)裂縫和剛度退化。另外，在條件和預(yù)算允許的情況下，采用箱形轉(zhuǎn)換層加大轉(zhuǎn)換層平面內(nèi)剛度，可使下部框支柱受力均勻，接近彈性分析的計(jì)算假定。

二、應(yīng)用SATWE軟件進(jìn)行帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

《高規(guī)》定義帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，SATWE軟件在總信息中相對(duì)應(yīng)的提供了“復(fù)雜高層”這種結(jié)構(gòu)體系可供選擇，針對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)則相對(duì)應(yīng)的提供了“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系可供選擇，認(rèn)真分析后即可知道，在這兩種結(jié)構(gòu)體系中只有剪力墻在《高規(guī)》中有不同的規(guī)定，而SATWE計(jì)算結(jié)果中也確實(shí)有不同之處，而其中又尤以轉(zhuǎn)換層下的落地剪力墻區(qū)別較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響也大，故重點(diǎn)分析一下在兩種結(jié)構(gòu)體系中轉(zhuǎn)換層以下的落地剪力墻的不同之處。（以一棟7度區(qū)30層高，轉(zhuǎn)換層位于第5層的高層建筑為例，轉(zhuǎn)換層以下既有短肢剪力墻也有普通剪力墻。）

1、抗震等級(jí)?！陡咭?guī)》規(guī)定短肢剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)；當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置在3層及3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)宜提高一級(jí)。從SATWE的計(jì)算結(jié)果可以看出，用“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的落地短肢剪力墻的抗震等級(jí)為特一級(jí)，落地普通剪力墻的抗震等級(jí)為一級(jí)；而用“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的兩種剪力墻均為一級(jí)。對(duì)于轉(zhuǎn)換層為3層或3層以上的結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)體系均要求提高一級(jí)，而“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系針對(duì)短肢剪力墻又提高了一級(jí)，故由二級(jí)提高到特一級(jí)。而對(duì)于“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系，由于程序不能自動(dòng)判斷短肢剪力墻，所以抗震等級(jí)僅提高了一級(jí)。

2、內(nèi)力分析。從SATWE的計(jì)算結(jié)果可以看出，在地震組合作用下“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算出的剪力墻彎矩值一般大于“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算出的彎矩值。這是因?yàn)椤陡咭?guī)》規(guī)定，對(duì)于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)其特一、一、二級(jí)落地剪力墻底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計(jì)值，應(yīng)按墻體底截面有地震組合的彎矩值乘以增大系數(shù)1.8、1.5、1.25，而短肢剪力墻并沒(méi)有要求對(duì)底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于短肢剪力墻，兩種結(jié)構(gòu)體系均要求在底部加強(qiáng)部位對(duì)剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整，一級(jí)和特一級(jí)應(yīng)分別放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系中落地短肢剪力墻的抗震等級(jí)為特一級(jí)，而在“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系中則為一級(jí)，二者的剪力設(shè)計(jì)值因此相差近20%。另外，在“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系中非底部加強(qiáng)部位的短肢剪力墻也提高到一級(jí)，其剪力設(shè)計(jì)值放大1.4，而在“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系中非底部加強(qiáng)部位的短肢剪力墻仍為二級(jí)，且剪力設(shè)計(jì)值不放大，二者相差40%。

綜上所述，對(duì)于帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)如果用SATWE的“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系來(lái)分析，則可能導(dǎo)致落地短肢剪力墻的抗剪性能受到影響，而如果采用SATWE的“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系來(lái)分析，則可能導(dǎo)致落地剪力墻的筋量不足?？梢?jiàn)，單純按某一種結(jié)構(gòu)體系計(jì)算都有可能帶來(lái)不安全的隱患，只有按兩種結(jié)構(gòu)體系分別計(jì)算，才能充分考慮到規(guī)范規(guī)定的所有不同因素，得到一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于處于底部加強(qiáng)部位的剪力墻，無(wú)論是落地剪力墻還是轉(zhuǎn)換層以上兩層內(nèi)的上部剪力墻，若采用了“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算，就必須手工復(fù)核短肢剪力墻的縱筋配筋率。

參考文獻(xiàn)：

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