高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

【摘要】近年來高層建筑的逐步增多，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)工程已成為現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨向之一。文中論述了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，探討了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的布置，計算分析了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度比。

【關(guān)鍵詞】梁式轉(zhuǎn)換層；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震設(shè)計

隨著城市化的不斷推進和城市建設(shè)突飛猛進，各種功能多樣化、綜合化、全面化的，體型復(fù)雜化的高層建筑成為發(fā)展趨向。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以其施工方便、傳力直接、明確和清楚等優(yōu)點，已成為實現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式在高層建筑中被廣泛應(yīng)用。

1、工程概況

某高層住宅項目規(guī)劃用地面積5082.6m2，建筑總面積30665.2m2。地上部分為29層，地下部分2層。地上部分由裙樓連接兩個塔樓構(gòu)成，裙樓頂板以上設(shè)置伸縮縫將兩座塔樓分開。建筑總高度91.8m，其中1～2層為裙樓，1層層高6.0m，用于架空層與管理用房；2層層高4.5m，用于商業(yè)開發(fā)鋪面；3～29層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高3.0m，均是住宅。地下部分為設(shè)備用房與地下車庫，每層層高3.5m。工程結(jié)構(gòu)形式采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

2、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

2.1建筑參數(shù)

本工程建筑高度70.5m，屬于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）（以下簡稱《高規(guī)》）規(guī)定的A級高度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑。且高寬比4.5，滿足《高規(guī)》中規(guī)定的高層建筑結(jié)構(gòu)最大高寬比要求。

2.2地震參數(shù)（見表1）

2.3風(fēng)荷載參數(shù)

根據(jù)《高規(guī)》，風(fēng)荷載取值規(guī)定：對于特別重要或?qū)︼L(fēng)荷載比較敏感的高層建筑，其基本風(fēng)壓應(yīng)按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用，一般情況下，房屋高度大于60m的高層建筑可按100年一遇的風(fēng)壓值采用，故本工程采用100年一遇的基本風(fēng)壓0.60KN/m2。

2.4結(jié)構(gòu)抗震等級參數(shù)

根據(jù)《高規(guī)》中表4.8.2規(guī)定，本工程框支柱、框架柱、框架梁、剪力墻的抗震等級參數(shù)設(shè)計見表2。

剪力墻截面高度與厚度之比為5～8的短肢剪力墻提高一級，按一級抗震等級采用。如剪力墻厚度不小于300mm，且層高與剪力墻截面高度之比大于4的剪力墻，仍視為一般剪力墻，其抗震等級亦按一般剪力墻的抗震等級采用，連梁抗震等級同與其相連之剪力墻。

3、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置

3.1平面布置力求規(guī)則簡單，對稱均衡，盡量使水平荷載的合力中心與結(jié)構(gòu)的剛度中心重合，避免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等不利影響。

3.2剪力墻中心線宜與框支梁中心線重合，框支梁截面中心線宜與框支柱截面中心線重合，以避免荷載偏心，框支梁上一層墻體內(nèi)不宜設(shè)邊門洞，也不宜在中柱上方設(shè)門洞。

3.3底部大空間必須有落地的落地筒體或剪力墻作支撐，落地剪力墻的數(shù)量不宜少于剪力墻總數(shù)的50%。通?？山Y(jié)合建筑平面，將剪力墻在樓梯間或電梯間處落地圍成筒體，并對落地剪力墻和筒體底部墻體適當(dāng)加厚。

3.4落地剪力墻間距應(yīng)不大于2倍樓蓋寬度，且不大于24m。

3.5落地剪力墻與相鄰框支柱的間距，不宜大于12m。

3.6轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比應(yīng)符合《高規(guī)》附錄E的規(guī)定。按規(guī)定本工程地上2層為框支柱層，上下層的側(cè)向剛度比Y不應(yīng)大于2。

4、層側(cè)向剛度比計算分析

由于本工程梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上部住宅的剪力墻較多，而建筑底部是大空間，因此，部分剪力墻不能直接落地。并且此工程部分轉(zhuǎn)換層層高較大，若設(shè)計中不加以注意，通常容易造成下部抗側(cè)剛度遠遠小于上部的情況。為保證轉(zhuǎn)換層下部大空間結(jié)構(gòu)有適宜的剛度、強度、延性和抗震能力，應(yīng)盡量弱化轉(zhuǎn)換層上部主體結(jié)構(gòu)、強化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度，使轉(zhuǎn)換層上、下主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特征盡量相近。

目前在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，對于帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，往往通過控制轉(zhuǎn)換層上、下主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度比來避免豎向剛度差異較大。規(guī)范對層側(cè)向剛度比計算，主要有3種方法：（1）地震剪力與地震層間位移比；（2）剪切剛度；（3）剪彎剛度。

計算方法1地震剪力與地震層間位移比是在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）條文說明中提供的層剛度比計算方法。

計算方法2剪切剛度是在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）附錄E.0.1中提供的層剛度比計算方法，適用于底部大空間為1層的情況?！陡咭?guī)》附錄E.0.1規(guī)定：當(dāng)?shù)撞看罂臻g為1層時，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比Y表示轉(zhuǎn)換層上下層結(jié)構(gòu)剛度的變化；Y宜接近1，非抗震設(shè)計時不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計時不應(yīng)大于2，按下列公式計算：

但是這種剛度比計算方法存在著一定的問題：（1）沒有考慮豎向構(gòu)件的布置問題，布置在中間的剪力墻和布置在外圍的剪力墻對層剛度的貢獻是不同的，抗側(cè)剛度中彎曲剛度的作用是不可忽略的。（2）特殊結(jié)構(gòu)布置情況下（如與剪力墻相連的框支柱，短肢墻，斜向布置的剪力墻等）剪切面積的取值不明確。

計算方法3剪彎剛度是在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）附錄E.0.2中提供的層剛度比計算方法，適用于底部大空間大于1層的情況。附錄E.0.2規(guī)定：當(dāng)?shù)撞看罂臻g大于1層時，其轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比Ye，宜接近1，非抗震設(shè)計時不應(yīng)大于2，抗震設(shè)計時不應(yīng)大于1.3。按以下公式計算：

同時規(guī)定當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時，其樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于上部樓層側(cè)向剛度的60%。以上公式綜合考慮了抗剪剛度和抗彎剛度層間側(cè)移量的影響，考慮了豎向構(gòu)件的布置問題，可適用于梁式轉(zhuǎn)換層和絎架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

總之，當(dāng)Ye<1時，結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線屬于剪切形。此時轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小于下部抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)布置合理。當(dāng)Ye≥1時，結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線屬于彎曲形。此時轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大于下部抗側(cè)剛度，應(yīng)控制Ye在合理范圍內(nèi)，并采取有效結(jié)構(gòu)措施，避免因上、下部結(jié)構(gòu)豎向剛度差異大帶來抗震不利影響。本工程采用以上3種方法計算，結(jié)果見表3。

從計算結(jié)果可以看出：采用3種方法計算層剛度比，其結(jié)果差別較大。如本工程采用方法2剪切剛度來計算轉(zhuǎn)換層上、下層剛度比，Y>2不能滿足《高規(guī)》要求，因此在具體實際工程中對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度比計算須選用正確的計算方法。本工程在地上2層頂轉(zhuǎn)換，底部大空間層數(shù)為2層，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）附錄E.0.2規(guī)定，應(yīng)采用剪彎剛度計算層剛度比。從上述結(jié)果可知本工程轉(zhuǎn)換層上下側(cè)向剛度比通過剪彎剛度計算的結(jié)果Ye<1.3，滿足《規(guī)范》要求。

5、結(jié)語

隨著我國城市化進程的加快，城市用地愈加緊張，高層、超高層建筑在城市建設(shè)中逐漸普及。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)以其傳力直接、明確和清楚的優(yōu)點，在目前高層建筑中被廣泛使用。設(shè)計人員要注重概念設(shè)計，并在設(shè)計過程中通過查閱數(shù)據(jù)，反復(fù)比較調(diào)整，以得到最為合理的設(shè)計。