高位轉(zhuǎn)換超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳 靖 坤

(南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210005)

高位轉(zhuǎn)換超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳 靖 坤

(南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210005)

以北京房山某高層建筑為例，通過對(duì)該工程超限情況的論述，介紹了此類超限高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)，包括其結(jié)構(gòu)布置、抗震分析方法及性能化目標(biāo)的選取等，對(duì)類似的商住綜合樓的設(shè)計(jì)有借鑒意義。

超限高層，高位轉(zhuǎn)換，性能化目標(biāo)

1 工程概況

本工程位于北京房山商業(yè)核心區(qū)，為集商業(yè)、住宅為一體的城市綜合體。建筑層數(shù)：地上13層，地下2層加非機(jī)動(dòng)車庫(kù)局部夾層。總建筑面積約2萬m2，其中地下2層及夾層為停車庫(kù)和設(shè)備用房，地下1層～5層為商場(chǎng)，6層～13層為住宅，房屋總高度為51.40 m，建筑效果圖如圖1所示。

裙樓單層面積較小，長(zhǎng)方向約70 m，共8跨柱網(wǎng)，柱距8.8 m；寬度方向約25 m，只有2跨～3跨，進(jìn)深分別為9.3 m，8.1 m，7.5 m。作為電器賣場(chǎng)，需要較大的開敞空間。6層～13層為普通住宅，建筑要求房間角部不能鼓出結(jié)構(gòu)柱。另外，由于項(xiàng)目較小，甲方要求主裙樓間不設(shè)縫。

2 結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)取值

2.1 結(jié)構(gòu)選型

受建筑條件的制約，本項(xiàng)目6層及以上只能做成剪力墻結(jié)構(gòu)，而1層～5層，因?yàn)樽錾虡I(yè)賣場(chǎng)用，要求設(shè)置大開間柱網(wǎng)，僅樓梯間處允許設(shè)置剪力墻。因此大多數(shù)剪力墻都要轉(zhuǎn)換。整體形成一個(gè)框支剪力墻的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2.2 抗震分析參數(shù)選取

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第6.0.5條規(guī)定本項(xiàng)目的商業(yè)部分是-1層～5層，總建筑面積為8 180 m2，不屬于大型商場(chǎng)。其抗震設(shè)防類別劃為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)。

北京地區(qū)屬8度區(qū)，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以后簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)表3.9.3條對(duì)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，底部加強(qiáng)部位剪力墻及框支框架抗震等級(jí)為一級(jí)，非底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻為二級(jí)。第10.2.5條對(duì)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置設(shè)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)宜按本規(guī)程表3.9.3和表3.9.4條提高一級(jí)采用。因此本項(xiàng)目將框支框架取為特一級(jí)，裙樓普通框架取為一級(jí)，剪力墻地下1層～7層(底部加強(qiáng)區(qū))為特一級(jí)，7層以上二級(jí)。

需要說明的裙樓普通框架套60 m以下框剪結(jié)構(gòu)中框架，本應(yīng)取為二級(jí)，但根據(jù)3.9.6條相關(guān)范圍(主樓外延不少于3跨)不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí)。本工程裙樓較小，基本都在3跨范圍內(nèi)。所以設(shè)計(jì)分析時(shí)將裙樓普通框架抗震等級(jí)均取為一級(jí)。

本工程因采用了型鋼混凝土梁柱，根據(jù)《型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.2.3條混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)阻尼比宜取為0.04，但考慮到本工程只有框支柱和框支梁為型鋼混凝土，其他絕大多數(shù)抗震構(gòu)件均為普通混凝土構(gòu)件。所以綜合考慮仍按混凝土結(jié)構(gòu)，不作為混合結(jié)構(gòu)分析，將阻尼比取為0.05。

根據(jù)帶地下室的整體計(jì)算，不考慮土層約束的剪切剛度，地下室的樓層側(cè)向剛度與一層側(cè)向剛度的比值X向和Y向分別為：12.5和8.1，均大于2。達(dá)到《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.4.2條和《高規(guī)》第5.3.7條要求。由于首層滿足嵌固端條件，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，將嵌固端定在±0.00處。

3 超限情況

本工程雖然項(xiàng)目面積不算大，總高度也不算高，但存在多項(xiàng)超限內(nèi)容，具有多層商場(chǎng)加高層住宅的典型特征。

1)高位轉(zhuǎn)換?！陡咭?guī)》10.2.6條規(guī)定，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)在地面以上設(shè)置轉(zhuǎn)換層的位置，8度時(shí)不宜超過3層。本工程為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，8度設(shè)防，轉(zhuǎn)換層為第5層，根據(jù)建質(zhì)[2010]109號(hào)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(2010年7月)附錄一表三，屬高位轉(zhuǎn)換超限。

2)塔樓偏置。本工程在X向和Y向，裙樓與塔樓的質(zhì)心偏心距分別占到底盤相應(yīng)邊的19.7%和22.5%。Y向超過20%的限值，因此屬于塔樓偏置。

3)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。Y+方向考慮偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大位移為1.39(底層)，裙樓多層最大位移大于1.2。屬于《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(以下簡(jiǎn)稱《超限要點(diǎn)》)1a類不規(guī)則。由于塔樓位于裙樓的東北角，整體偏置，偏心率大。同樣也屬于1b類偏心布置。偏心率大于0.15或相鄰質(zhì)心相差大于相應(yīng)邊長(zhǎng)15%。最大的偏心出現(xiàn)在第5層，偏心率為 0.20。綜合判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

4)豎向收進(jìn)。塔樓相對(duì)裙樓的寬度比例在X向?yàn)?7%，Y方向?yàn)?3%，收進(jìn)比例均大于25%。屬于《超限要點(diǎn)》中4b項(xiàng)尺寸突變，豎向不規(guī)則。

綜合上述4條，本工程屬于超限高層，需要進(jìn)行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 根據(jù)超限特點(diǎn)，合理布置結(jié)構(gòu)形式

針對(duì)高位轉(zhuǎn)換的情況，在滿足側(cè)移變形承載力的前提下盡可能均勻布置塔樓剪力墻、減薄墻體，隔墻采用輕質(zhì)材料，盡可能減輕上部塔樓重量；讓塔樓剪力墻盡量落地，不能落地的盡量落在連接框架柱的轉(zhuǎn)換梁上。經(jīng)協(xié)商將陽臺(tái)邊的磚墻也改為剪力墻，使盡可能多的剪力墻的端頭直壓到框支柱上，減少禿頭柱數(shù)量。對(duì)完全不在軸線上的兩片剪力墻，用兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)換次梁共同抬起；轉(zhuǎn)換梁及框支柱均采用型鋼混凝土以提高其延性，對(duì)轉(zhuǎn)換梁一側(cè)相連的電梯井筒邊也設(shè)型鋼端柱，以便與型鋼轉(zhuǎn)換梁相接，在電梯筒與樓梯間剪力墻之間拉上連梁，使之形成整體；控制墻體厚度變化使轉(zhuǎn)換層上下層剛度接近，不出現(xiàn)突變，上下均勻；使用高強(qiáng)混凝土，嚴(yán)控豎向構(gòu)件的軸壓比，以提高抗震延性。控制目標(biāo)為框支柱小于0.40，剪力墻軸壓比小于0.2(規(guī)范限值分別為0.6和0.5)；加厚轉(zhuǎn)換層樓板(取200厚)，提高樓板配筋率，框支層混凝土標(biāo)號(hào)取為C40，雙層雙向通長(zhǎng)配筋，同時(shí)亦適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層上下層的樓板，確保地震剪力有效傳遞；將轉(zhuǎn)換層定義為薄弱層，放大該層的地震剪力，剪力放大系數(shù)取為1.25。

針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的情況，通過裙房?jī)?nèi)最西邊和西南角分別布置兩道較厚較長(zhǎng)的剪力墻使樓層偏心率控制在25%以內(nèi)；查找出平扭位移比最大點(diǎn)，對(duì)該處的構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。

針對(duì)豎向收進(jìn)的情況，控制上下層的剛度比，抗剪承載力比，轉(zhuǎn)換層剛度比滿足規(guī)范要求；對(duì)裙樓的屋頂樓板加強(qiáng)，負(fù)筋拉通；按《高規(guī)》說明10.6.3條文說明，對(duì)塔樓與裙樓相連的外圍柱墻，在構(gòu)造上予以特別加強(qiáng)。

4.2 選用合適的分析方法，找出結(jié)構(gòu)不足之處加以調(diào)整

1)按規(guī)范要求采用兩種三維空間分析軟件進(jìn)行整體內(nèi)力和位移分析，并考慮偶然偏心及雙向地震作用。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1?？蛑е募袅φ{(diào)整，按其從屬面積所分擔(dān)的樓層剪力作為調(diào)整基數(shù)。2)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，分析結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯的薄弱環(huán)節(jié)。3)大底盤的設(shè)計(jì)中考慮底盤各層按考慮高低塔聯(lián)合模型的地震剪力修正同時(shí)補(bǔ)充底盤按少墻框架的單獨(dú)模型(塔樓質(zhì)量按荷載輸入在裙樓模型上)計(jì)算，承載力包絡(luò)設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，單獨(dú)裙樓模型中部分豎向結(jié)構(gòu)件比整體模型有10%左右的增加。4)上部塔樓設(shè)計(jì)中，縱向短墻補(bǔ)充按框架柱的模型計(jì)算，滿足傾覆力矩和二道防線的要求。5)中部樓電梯部位相關(guān)樓板應(yīng)采用彈性板計(jì)算。

表1 計(jì)算分析主要結(jié)果指標(biāo)

4.3 進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)分析

性能化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)由一系列可以取得的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)來表示，主要針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)并采用基于能力的設(shè)計(jì)原理。根據(jù)《高規(guī)》第3.11.1條要求，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建筑建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)的難易程度等各項(xiàng)因素，可選定針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的局部部位或關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件重要構(gòu)件、次要構(gòu)件的性能控制目標(biāo)。本工程的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選定為：轉(zhuǎn)換梁的承載力大震不屈服；框支柱和相鄰落地墻(端柱或暗柱)承載力中震彈性，并滿足大震截面控制條件。轉(zhuǎn)換梁性能目標(biāo)的承載力計(jì)算不考慮空間作用，手算復(fù)核，按照實(shí)際承擔(dān)區(qū)域面積手算確定荷載。

5 結(jié)語

高位轉(zhuǎn)換高層最重要的就是框支結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，此部分的構(gòu)件需要有足夠的安全儲(chǔ)備，通過性能化設(shè)計(jì)對(duì)此部分選定合適的性能化目標(biāo)，并分析實(shí)現(xiàn)，是類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)布置盡量減少禿頭柱的情況，轉(zhuǎn)換梁兩頭均抬墻時(shí)，轉(zhuǎn)換比較容易實(shí)現(xiàn)，安全性要高得多。

要提高轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的普通混凝土梁柱構(gòu)件的承載力，需要加大截面，而加大截面將會(huì)承擔(dān)更多的地震力，更多的地震力又需要加大截面，容易限入死循環(huán)。而選用高強(qiáng)的勁性混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，能很好地解決這一問題，從純混凝土到勁性型鋼混凝土，在剛度有限提高的情況下，強(qiáng)度會(huì)有大幅度的提高。因此勁性混凝土構(gòu)件是做轉(zhuǎn)換構(gòu)件的最佳選擇。

對(duì)上部偏置塔樓與裙樓總體量相當(dāng)或接近的結(jié)構(gòu)，選擇單塔樓模型補(bǔ)充計(jì)算，是對(duì)全樓模型分析結(jié)果的有益補(bǔ)充。這種方法有利于發(fā)現(xiàn)潛在的不足之處，更簡(jiǎn)易客觀地反映出扭轉(zhuǎn)變形的影響，使得關(guān)鍵構(gòu)件得到加強(qiáng)。

當(dāng)塔樓平面面積占裙樓面積比較小時(shí)，如果對(duì)數(shù)目較少的框支柱按全樓地震剪力進(jìn)行剪力0.2Q0調(diào)整，調(diào)整的剪力往往會(huì)很大，難以實(shí)現(xiàn)。因此剪力調(diào)整按框支范圍面積所對(duì)應(yīng)的剪力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整比較合理。

另外，由于進(jìn)行了多重加強(qiáng)，與非超限的常規(guī)項(xiàng)目相比，本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性較差。因此，在項(xiàng)目的前期，建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換，塔樓偏置這些嚴(yán)重不規(guī)則的情況出現(xiàn)。雖然通過各種措施來成功實(shí)現(xiàn)了這一方案，但也不得不說，這不是一個(gè)好的選擇。

[1] 徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 楊學(xué)林.復(fù)雜超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)指南及工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[3] 韓小雷，季 靜.基于性能的超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)——理論研究與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

The high conversion transfinite high-rise structure design

Wu Jingkun

(NanjingArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd，Nanjing210005，China)

Taking a high-rise building in Beijing Fangshan as an example, through the discussion on the transfinite situation of the project, this paper introduced the design methods and matters needing attention of this transfinite high-rise structure, including the structure layout, seismic analysis method and performance-based objective selection, had reference for similar design of residential and commercial complex building.

transfinite high-level, high conversion, performance-based objective

1009-6825(2015)28-0036-03

2015-07-27

吳靖坤(1974- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU973

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