超高層住宅轉(zhuǎn)換構(gòu)件超限設(shè)計分析

謝鴻文

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 工程概況

某商住綜合體位于抗震設(shè)防烈度7 度區(qū)，設(shè)計基本地震加速度值0.1g，1～5 棟住宅塔樓共42 層（主屋面結(jié)構(gòu)高度138.5m），構(gòu)架層共1 層（結(jié)構(gòu)高度144.2m），轉(zhuǎn)換層位于第4 層（根據(jù)《高規(guī)》中“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7 度時不宜超過5 層”規(guī)定，不屬于高位轉(zhuǎn)換），本項目塔樓屬于超B 級高度的超限高層建筑，建筑效果如圖1 所示。

圖1 建筑效果

2 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系布置

核心筒為鋼筋混凝土剪力墻，框支柱主要為型鋼混凝土柱，框支梁為型鋼混凝土梁，樓蓋為鋼筋混凝土樓蓋。重力荷載通過樓面水平構(gòu)件傳遞給剪力墻和框支柱，最終傳遞至基礎(chǔ)，水平荷載產(chǎn)生的剪力和傾覆彎矩由框支柱與剪力墻共同承擔(dān)[1]，模型三維如圖2 所示。

3 抗震等級及性能要求

圖2 模型三維

根據(jù)《高規(guī)》要求，底部帶轉(zhuǎn)換的高層建筑結(jié)構(gòu)，底部加強區(qū)取至轉(zhuǎn)換層以上兩層（第6 層），對于本項目結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位置位于4 層，剪力墻底部加強部位抗震等級按規(guī)范提高一級為特一級，B 級高度框支框架已為特一級，可不提高。非底部加強區(qū)墻、柱、梁抗震等級為一級。本工程結(jié)構(gòu)以“三個水準(zhǔn)”為抗震類設(shè)防目標(biāo)，選定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)C 級，即多遇地震按第1 性能水準(zhǔn)，設(shè)防烈度地震按第3 性能水準(zhǔn)，罕遇地震按第4 性能水準(zhǔn)[2]。

4 特一級框支柱、框支梁計算要求

框支柱采用型鋼混凝土柱，框支梁采用型鋼混凝土梁。在小震計算時需滿足彈性要求，且計算時，框支柱、底層柱下端及轉(zhuǎn)換層相連的柱上端的彎矩增大系數(shù)ηc=1.8，柱端剪力增大系數(shù)ηcv=1.68，地震作用產(chǎn)生的柱軸力增大1.8 倍。對于角柱應(yīng)該按上述增大后的彎矩、剪力設(shè)計值再行放大1.1 倍。轉(zhuǎn)換層框支柱承受剪力之和應(yīng)不小于結(jié)構(gòu)基底剪力的30%，框支柱彎矩應(yīng)相應(yīng)調(diào)整，框支梁剪力、彎矩可不調(diào)整；中震計算時滿足：SGEK+1.05×，其中為中震作用標(biāo)準(zhǔn)值，剪、壓計算時承載力利用系數(shù)ξ=0.74，拉、彎計算時ξ=0.87；大震受剪截面計算時滿足：，其中為大震作用的構(gòu)件剪力標(biāo)準(zhǔn)值[3]。

5 轉(zhuǎn)換層樓板計算要求

轉(zhuǎn)換層（第5 層）樓面板厚取值180mm，配筋為HRB400（Ⅲ級鋼筋）14@150（配筋率5.7%）雙層雙向拉通。通過采用殼單元模擬該層樓板，了解框支轉(zhuǎn)換層在不同工況作用下的樓板截面剪應(yīng)力情況。根據(jù)《高層》第10.2.24 條，樓板剪應(yīng)力應(yīng)滿足Vf≤通過計算后樓板的剪應(yīng)力控制上下限位定為[-3.25MPa，3.25MPa]。從各剪應(yīng)力云圖可知，大部分區(qū)域應(yīng)力在控制范圍內(nèi)，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在核心筒的角部、核心筒內(nèi)剪力墻端部、轉(zhuǎn)換柱周邊以及轉(zhuǎn)換梁的交接部位，需通過有限元配筋計算結(jié)果進行配筋補強[1]。

表1 基底最大總剪力及最大層間位移角

6 時程分析

根據(jù)《高層》規(guī)定，需采用彈性時程分析程序?qū)ㄖ镌诙嘤龅卣鹱饔眠M行補充驗算。輸入地震波為兩組實際地震記錄和一條場地合成人工波進行彈性動力時程分析。進行彈性動力分析時按7 度地震Ⅲ類土，50 年時限內(nèi)超越概率為63.2%（小震），阻尼比為0.05 考慮，如表1 所示。

（1）時程分析結(jié)果滿足底部剪力包絡(luò)值不小于CQC 法計算結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于CQC 法計算結(jié)果的65%的條件。

（2）多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%。

（3）塔樓位移曲線以彎曲型為主，位移曲線光滑無突變，反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較為均勻。

7 大震PUSH-OVER 分析（EPDA&PUSH）

靜力推覆分析分析可以通過施加逐步增大的水平力來模擬水平地震的作用，水平力的施加采用三角荷載模式。在材料非線性和幾何非線性的計算中，隨著推覆力的增加，結(jié)構(gòu)各部分從彈性階段逐漸發(fā)展到塑性階段，然后部分結(jié)構(gòu)破壞，直到整體結(jié)構(gòu)的倒塌。從中可以了解整個結(jié)構(gòu)的受力特性以及各個構(gòu)件的破壞機制，如圖3 所示。

圖3 0 度、90 度方向轉(zhuǎn)換層性能點處塑性鉸分布

分析可知，轉(zhuǎn)換層剪力墻連梁剛度明顯退化，個別剪力墻進入塑性，塑性程度較淺，框支柱、框支梁未出現(xiàn)塑性鉸，均處與彈性階段，滿足性能水準(zhǔn)要求。

8 轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計及施工注意事項

框支柱箍筋應(yīng)沿柱全高加密，柱最小配箍率特征值λV 應(yīng)按規(guī)范要求值再增大0.03，且箍筋體積配箍率不小于1.6%，全部縱向鋼筋配筋率不應(yīng)小于1.6%，框支柱在上部剪力墻范圍內(nèi)的縱筋應(yīng)伸入上部剪力墻體內(nèi)一層，其余從柱邊計起，錨入轉(zhuǎn)換梁內(nèi)或板內(nèi)LaE[4]。

框支梁縱向鋼筋最小配筋率不小于0.6%，箍筋最小面積配筋率滿足特一級要求1.3ft/fyv。偏心受拉的轉(zhuǎn)換梁支座上部鋼筋應(yīng)有50%沿梁全長貫通，下部鋼筋全部直通錨入柱內(nèi)。轉(zhuǎn)換梁鋼筋第一排縱向鋼筋應(yīng)向柱內(nèi)彎折錨固，且應(yīng)延伸過梁底LaE，轉(zhuǎn)換梁縱向鋼筋同一連接區(qū)段的接頭率不宜超過50%。

9 結(jié)論

塔樓本身為存在凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向構(gòu)件不連續(xù)四項超限的超高層建筑，對關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)，并在抗震設(shè)計中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行彈性、彈塑性計算分析，除保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件在小震下完全處于彈性階段外，還補充了關(guān)鍵構(gòu)件在中震和大震下的驗算。計算結(jié)果表明，多項指標(biāo)均表現(xiàn)良好，塔樓各構(gòu)件除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，亦能實現(xiàn)設(shè)定的整體抗震性能目標(biāo)——達到C級抗震性能目。