寬扁梁在高位轉換結構中的應用與分析

程曉杰， 王文勇

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化不斷提高，城市中心地帶為提高土地利用率，現代高層建筑如雨后春筍般拔地而起，其中不乏帶有轉換層的高層建筑，包括轉換層處在高位（通常指轉換層所在位置，8度時超過三層，7度時超過五層，6度時可適當提高［1］）時的復雜高層建筑。

高層建筑為適應逐漸增多的信息化、智能化等現代建筑技術設施管線的需求，樓層高度不斷增加。將轉換層樓板局部加厚可形成寬扁梁。普通轉換梁采用增加寬度降低高度的措施也可形成寬扁梁［2］。這種介于梁式轉換與厚板轉換之間的結構形式，有利于增加建筑使用空間，降低層高，可以提高建筑的綜合經濟效益。

本文以工程案例為背景，采用SATWE軟件對高位轉換中寬扁梁作為轉換梁的部分框支剪力墻結構在多遇地震作用下結構的整體抗震性能進行分析，然后補充采用EPDA軟件進行罕遇地震下靜力彈塑性（Pushover）分析，探索寬扁梁作為轉換梁在高層建筑結構中的應用特性，為以后此類高層建筑的設計提供一定的參考依據。

1 工程概況

本工程位于安徽省合肥市，7度設防地區(qū)，結構類型為部分框支剪力墻結構，其中地上29層，地下二層。一～六層商業(yè)，層高均為4.5m。七層為附屬辦公，層高3.9m。八層以上為住宅，層高均2.9m。建筑室內外高差為0.3m，建筑總高度95.0m。

第七層以上部分豎向剪力墻的抗側作用力通過高位轉換結構向下傳遞，第六層頂板為本工程的結構轉換層。轉換層處框支梁支撐的上部剪力墻與下部的框支柱相比較，抗側剛度發(fā)生突變［3］。故在結構計算時，將轉換層指定為薄弱層。

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質［2010］109號）、《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011－2010）（簡稱《抗規(guī)》）和《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3－2010）（簡稱《高規(guī)》）中涉及結構不規(guī)則性相關條文的規(guī)定，本工程屬A級高度，且為帶有高位轉換層的不規(guī)則高層建筑，是豎向特別不規(guī)則的超限高層建筑。因此該工程必須進行抗震專項審查，滿足抗震設防要求后方可施工。

本工程建筑最大平面尺寸55m×16.1m（長×寬），受建筑條件的限制，轉換梁最高只能做到1.0m，因此采用寬扁梁作為框支轉換梁。框支梁最大跨度8.7m，跨高比為8.70＞8（略超規(guī)范規(guī)定限值）。其結構布置X向沿中軸對稱，Y向不對稱。本結構方案選用寬扁梁（2500mm×1000mm），并對該轉換結構與普通梁（1000mm×2100mm）轉換結構作對比分析。

參照《高規(guī)》和《型鋼混凝土組合技術規(guī)程》要求，兩種方案豎向轉換構件（框支柱）均采用截面尺寸為1000mm×1000mm，內置600mm×250mm×16mm×25mm十字型型鋼的鋼筋混凝土柱。

兩種方案不同之處是在轉換層標準層分別采用寬扁梁和普通梁作為轉換梁，同時保持轉換層建筑凈高不變，轉換層標準層及其余標準層信息均不變。結構平面圖布置見圖1。

圖1 各標準層結構平面布置圖

2 結構主要設計參數

本工程采用SATWE軟件分別對兩種轉換結構方案進行對比分析，主要參數保持不變，如下表1：

結構設計時所采用的材料強度等級：鋼筋采用HRB400，型鋼采用Q345鋼，各層混凝土強度等級見表2：

表1 結構設計主要參數

表2 結構混凝土強度等級

結構各層除框支構件以外主要構件截面尺寸見表3：

表3 結構主要構件截面尺寸 （mm）

3 結構整體分析

帶高位轉換的高層建筑，結構在轉換層處樓層的抗側剛度發(fā)生突變是導致發(fā)生破環(huán)的主要原因之一。轉換結構采用薄壁桿單元、墻元模型對結構進行三維空間整體模型分析。結構計算的整體模型如圖2：

圖2 PKPM中結構計算模型三維視圖

結構整體分析采用SATWE計算軟件，計算參數參照規(guī)范及安評報告合理選取，分別進行兩種轉換結構的彈性振型分解反應譜法計算。計算結果如表4、圖3、圖4所示：

表4 結構整體分析指標（SATWE）

圖3 兩種轉換結構最大層間位移對比

圖4 兩種轉換結構最大層間位移角對比

（1）由表4和圖4可見在地震作用下兩種轉換結構體系的陣型均滿足設計要求（即第一、二陣型為結構平動，第三陣型為結構扭轉）。寬扁梁轉換結構的周期比較普通梁轉換結構略大，且寬扁梁轉換結構的主要周期稍小一些。據此可知寬扁轉換梁結構體系的柔性較好。

扭轉位移比是反應結構抗扭剛度和衡量結構平面布置不規(guī)則性的重要指標，本工程在一個方向采用大面積的轉換結構，由表中扭轉位移比的對比分析可見，兩種轉換結構均滿足規(guī)范要求。

結構的層間位移是反應結構側向剛度的一個指標，現階段國內通常通過控制最大層間位移角宏觀控制。對于高層建筑，特別是復雜高層建筑在彈性計算階段應從嚴［4］。由表中數據可見寬扁梁轉換結構最大層間位移角滿足規(guī)范要求，且其小于普通梁轉換結構，可見采用寬扁梁轉換結構可以減小框支結構的地震作用。

分別對比圖3中兩種轉換結構X、Y方向的最大層間位移的變化曲線，在Y方向普通轉換梁結構在轉換層處層間位移相對于寬扁梁轉換結構突變大，說明框支梁大面積采用寬扁梁可有效地減小層間變形突變。

（2）帶高位轉換的高層建筑應嚴格控制轉換層上下剛度變化，本工程受條件限制僅采用加厚底部落地剪力墻的措施，加強底部大空間結構的剛度，使轉換層上下等效剪切剛度盡量接近。

調查統計國內外歷次震害發(fā)現，在罕遇地震作用下，結構薄弱層是建筑結構整體倒塌破壞的主要原因。由表5可見，兩種結構均能滿足《高規(guī)》規(guī)定。即轉換層上、下部結構等效側向剛度比接近1，且抗震設計時不小于0.8，轉換層計算樓層側向剛度不應小于相鄰上層側向剛度的60%［1］。

表5 轉換層上下結構側向剛度

對比分析表中數據發(fā)現：兩種不同的轉換梁結構轉換層的側向剛度均達到相鄰上層側向剛度的0.60以上。寬扁梁轉換結構轉換層的側向剛度，在X方向為普通轉換梁結構的1.20倍，在Y方向為1.18倍。說明寬扁梁轉換結構更有利于增大轉換層本層的側向剛度。從表中數據綜合比較后看出，寬扁梁大面積用作轉換梁，轉換層上部與下部的等效剪切剛度比更能滿足抗震設計時小于2的要求［5］，且過度變化平緩。

4 彈性時程分析

選用STAWE軟件對結構進行多遇地震下彈性時程分析，選用軟件中一條人工波（RH2TG035）和《安全評估報告》中兩條天然波（user1416，user1418），峰值加速度為3800cm／s2，按7度多遇地震Ⅱ類場地計算。規(guī)范譜與地震波譜、彈性時程法與振型分解反應譜法對比見表6和圖5。

表6 結構彈性時程與振型分解反應分析結果對比

圖5 規(guī)范普與地震波普對比圖

由上述分析得：計算結果滿足規(guī)范中關于選擇地震波標準的要求，即每條波計算所得結構基底剪力不小于振型分解反應譜法所得基底剪力的65%，所有波計算所得基底剪力平均值不小于振型分解反應譜法所得基底剪力的80%［6］。地震作用下三條彈性時程曲線能被振型分解反應譜法計算所得曲線包絡。

5 靜力彈塑性推覆分析

5.1 靜力彈塑性分析［7］［8］

Pushover分析方法（非線性靜力分析法）是按指定模式加載，直到結構達到控制目標，得到加速度－位移格式的能力譜與需求譜，需求譜和能力譜在同一個坐標系中，其中兩條譜曲線的交點（性能控制點）對應結構性能狀態(tài)應處在目標控制性能范圍內。分析前處理時，應對梁、柱和墻等結構構件合理定義不同的塑性鉸，其中鉸的設置見下表7。

表7 塑性鉸布置狀況

在加載過程中，得到各鉸性能曲線，將曲線分為線性上升、強化、下降、水平四段，而且分別對應構件彈性、屈服強化、達到強度極限和承載力下降（部分構件退出工作）狀態(tài)。由于本工程X、Y兩個方向結構布置差異大，為更準確分析地震作用對結構兩個方向的影響，分別進行罕遇地震作用下兩個主方向的Pushover分析。

本工程采用FEMA－273（1997）中推薦的目標位移法進行推覆分析，根據FEMA－273（1997）和ATC－40（1996）報告中的建議方法評價結構是否達到控制目標。

5.2 靜力彈塑性計算結果分析

本工程采用X、Y兩個正方向彈性多遇地震下振型疊加反應譜法計算的地震作用作為側向加載模式輸入，同時考慮P－Δ效應，采用ATC－40推薦方法迭代得到的性能點。分析結果如圖6所示。

圖6 結構體系的能力譜－需求譜曲線

由圖6可見罕遇地震下，X向性能點對應的結構頂點位移為0.3239m，基底剪力約為22760kN。頂點最大位移為建筑總高度的1／293，遠小于規(guī)范規(guī)定的1／110限值；且最大層間位移角為1／173滿足規(guī)范1／100限值要求。Y向性能點對應的結構頂點位移為0.2009m，基底剪力約為25702.9kN。頂點最大位移為建筑總高度的1／473，遠小于規(guī)范規(guī)定的1／110限值；且最大層間位移角為1／359滿足規(guī)范1／120限值要求。在推覆分析中需求譜與能力譜兩個方向都有交點，即罕遇地震性能點。由結構能力曲線發(fā)展看出，結構性能控制點距離性能曲線的下降點還較遠；也就是說結構過性能控制點后，仍然處于強度上升階段。

整個推覆過程中，寬扁梁轉換結構轉換層及底部加強層局部連梁出現塑性鉸，關鍵構件框支梁柱未破壞。驗證了結構滿足規(guī)范規(guī)定的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

6 結 論

本文針對一幢帶高位轉換層的部分框支剪力墻結構，運用STAWE對寬扁梁轉換結構與普通梁轉換結構進行多遇地震下整體結構抗震性能對比分析，并采用EPDA對轉換結構方案作靜力彈塑性分析，研究轉換結構在罕遇地震作用下的地震反應，論證寬扁梁轉換結構選型的可行性，結果表明：

（1）通過兩種結構體系整體抗震性能對比分析，可見在梁式高位轉換的高層建筑中采用寬扁轉換梁亦能達到采用普通轉換梁的抗震性能要求，且能夠減弱結構豎向不規(guī)則的不利狀況。

（2）寬扁梁大面積用作轉換梁，轉換層上部與下部的側向剛度過度變化平緩，有效的避免了轉換層處軟弱層出現，同時減小薄弱層效應，可更好的為上部結構提供了嵌固。

（3）通過補充靜力彈塑性分析，得到寬扁梁轉換結構的性能點，根據ATC－40對性能點定義，表明結構具有足夠的抗倒塌能力，保證“大震不倒”。當寬扁梁轉換結構達到大震性能控制點后，如果繼續(xù)加載，結構不會立即倒塌，具有一定抗震能力儲備。

1 中華人民共和國建設部.JGJ3－2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

2 顧 磊，傅學怡，陳宋良.寬扁梁轉換結構在深圳大學科技樓中的應用［J］.建筑結構，2006，36（9）：50－85.

3 程曉杰，王思棋，方 瑋.高位轉換結構中寬扁梁的抗震性能分析［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版），2013，11（2）：20－23.

4 榮維生，王亞勇.層間位移角比在高層轉換結構抗震設計中的應用［J］.建筑結構，2007（8）：1－4.

5 羅方欣，劉文華.高層結構中寬扁梁轉換層的設計應用與整體抗震分析［J］.建筑設計管理，2006（6）：62－64.

6 中華人民共和國建設部.GB50011－2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010.

7 FEMA－273NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of building［R］.Washington D.C，1997.

8 ATC－40Seismic evaluation and retrofit of concrete building［R］.Applied Technology Council，Redwood City，California，1997.