某超高層框支剪力墻高位轉換結構設計

張猜兵， 肖 志， 高明宇， 劉 琳

(1 中機國際工程設計研究院有限責任公司， 長沙 410007；2 長沙職業(yè)技術學院建筑與藝術設計分院， 長沙 410217)

0 引言

隨著對建筑功能要求的提高，結構底部樓層要求做商業(yè)用途時，若建筑上部、下部采用相同的結構形式往往不滿足底層商業(yè)大空間的需求，設計時通常會采用轉換結構，以此來解決其功能及使用要求[1-3]。超高層轉換結構應用較少，故本文針對某超高層框支剪力墻高位轉換結構進行了分析。

1 工程概況

本項目位于長沙濱江新城片區(qū)，為一棟超高層公寓，建筑面積36 896m2，建筑總高度144.55m，地下2層，地上31層，1,2層為商業(yè)，商業(yè)及標準層層高均為4.5m。設兩個避難層，避難層層高為3.3m，建筑效果圖見圖1，建筑剖面圖見圖2，結構標準層布置圖見圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

圖3 結構標準層布置圖

2 結構布置

方案初期，對于上部公寓式辦公樓層的結構布置，提出了框架-剪力墻結構及剪力墻結構兩種方案。采用框架-剪力墻結構時，雖然大部分框架可延伸至基礎，且對底部商業(yè)的使用功能影響較小，但是框架柱對上部辦公樓層的使用功能有較大的影響。采用剪力墻結構時，上部結構布置中無凸出建筑墻體的結構柱，能夠減少框架柱對上部使用空間的不利影響，但若剪力墻均延伸至基礎，將對底部商業(yè)大空間的使用功能產生較大的不利影響。如何同時解決上述兩個問題，是項目設計的重點。

為了能夠既不影響上部辦公的舒適性，也不影響底部商業(yè)大空間的使用要求，選用部分框支剪力墻結構體系，即上部采用剪力墻結構，除樓、電梯間位置剪力墻落地外，其余剪力墻均在3層進行轉換，利用住宅與商業(yè)之間的設備轉換層做高位梁式轉換[4]，設備轉換層層高2.2m(含結構轉換層1.6m)，其中包括結構轉換梁高1.6m以及排水立管轉彎高度0.6m，如圖4所示。轉換層結構平面如圖5所示。為方便建筑有效利用走廊上方空間，將兩側分戶位置的梁設置在走廊中間，詳見圖3。

圖4 轉換層剖面示意圖

圖5 轉換層結構平面圖

3 超限分析

根據《超限高層建筑工程抗震設防管理規(guī)定》(建設部令第111號)、《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)，本項目存在以下不規(guī)則情況：1)高度超限：建筑總高度144.55m，大于B級高度限值140m，超3.14%；2)扭轉不規(guī)則：考慮偶然偏心最大扭轉位移比X向1.28，Y向1.34；3)平面不規(guī)則：平面呈L形不規(guī)則平面；4)多塔：因地下1層三面開敞，無嵌固條件，故取地下2層頂板為結構嵌固部位，存在多塔情況；5)構件間斷：豎向構件不連續(xù)，存在構件轉換，上部標準層除樓、電梯間剪力墻及端跨少量剪力墻落地，其余剪力墻均在3層樓面設轉換梁轉換。

綜上，本工程屬于高度超限且同時具有4項不規(guī)則項的高層建筑，屬于“特別不規(guī)則”結構，按要求進行了抗震設防專項設計，并通過了超限審查。

4 多遇地震彈性分析

4.1 反應譜分析

本工程屬于復雜超限高層建筑，采用YJK作為主要計算分析軟件，并采用MIDAS Building對YJK分析結果進行校核。兩軟件計算的主要結果差值均在5%以內。

4.2 單塔分算與大底盤多塔整體計算結果比較

建立單塔與多塔計算模型，見圖6。從表1中結果可以看出，在標高±0.000處，大底盤多塔結構整體計算的地震基底剪力略小于單塔分算結果，兩者差值在5%以內。反應譜法設計時，采取大底盤多塔結構整體計算與單塔計算結果包絡設計。

圖6 單塔與多塔計算模型示意圖

單塔與多塔小震計算結果對比 表1

5 設防地震作用下結構抗震性能驗算

針對本工程結構類型，采用結構抗震性能設計方法進行補充分析和論證，根據結構可能出現的薄弱部位及需要加強的關鍵構件，依據本工程特點及規(guī)范，選定結構性能目標為C級，相應的抗震性能水準，具體詳見表2。利用YJK軟件，采用等效彈性分析，對中震作用下不同類型構件進行中震校核。

結構抗震性能設計目標 表2

5.1 豎向構件抗剪彈性、抗彎不屈服驗算

通過上部結構配筋結果可以得知，剪力墻、框支柱配筋并未發(fā)生超筋現象，未出現抗剪截面不滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2](簡稱高規(guī))式(3.11.3-1)要求的構件，表明底部加強區(qū)剪力墻、框支柱能滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能目標，各構件滿足高規(guī)性能水準3的要求。設計時按中震輸出結果與多遇地震計算結果包絡進行配筋。

5.2 耗能構件受剪不屈服驗算

中震作用下耗能構件的受剪不屈服驗算需滿足高規(guī)式(3.11.3-2)要求，滿足高規(guī)性能水準3的要求。

5.3 墻柱受拉驗算

查看剪力墻中震的偏拉驗算結果，底部及上部樓層核心筒局部墻肢出現大偏拉。經換算，轉換層以下(含轉換層)大偏拉最大值為混凝土抗拉強度標準值的1.55倍，而轉換層以上大偏拉最大值為混凝土抗拉強度標準值的1.12倍，均小于2。當出現大偏拉時，墻肢按特一級構造。

6 罕遇地震彈塑性時程分析

本工程罕遇地震彈塑性時程分析時，選取2條天然波與1條人工波，采用SAUSAGE軟件進行分析。

彈塑性時程分析結果：1)結構在X向的層間位移角最大值為1/360，在Y向的層間位移角最大值為1/380，均滿足不大于1/100的規(guī)范限值要求；2)各類構件均能滿足各性能水準下性能要求。

7 設計重難點專項分析

7.1 轉換層上下層剛度比驗算

本工程轉換層位于3層樓面，3層及以上為公寓，層高4.5m；2層為商業(yè)，層高為4.5m。2,3層之間有設備轉換層，設備轉換層層高2.2m，轉換梁設置在設備轉換層范圍內。

為使轉換層上下層結構剛度比更易滿足高規(guī)的要求，把轉換層樓板設置在轉換梁頂面，轉換層結構板面標高比建筑樓層標高低600mm，相對于建筑完成面降板部分采用陶?；炷粱靥睿瞬糠指叨葢嬋朕D換層上層層高,具體詳見圖4、圖7。為加強轉換層的整體剛度，轉換層梁頂與梁底標高處均設結構板，兩層板之間采用泡沫芯模填充(圖4)。

驗算轉換層上下層結構剛度比時，結構計算采用以下兩種方案建模(圖7)：1)設備轉換層不單獨建標準層，2層與3層層高均取至轉換梁梁高中心線處；2)設備轉換層不單獨建標準層，2層與3層層高均取至轉換梁梁頂。

圖7 剛度比計算時層高取值示意圖

因轉換層剪力墻數量比上部樓層減少較多，導致兩層剛度差別較大。當層高均取梁頂、且轉換層上一層不降板時，剛度比與規(guī)范限值差別較大。故設計時，結合設備專業(yè)要求，利用設備專業(yè)立管需在設備層進行轉彎的高度，將此轉彎高度歸于轉換層上一層，可減小轉換層上層剛度，結果表明此方法對剛度比提高較大。同時，樓層面剛度主要由板和梁共同提供，尤其是本項目梁高達到1 600mm，樓層的剛度可取在梁腹板位置，可依此進行補充計算。由表3結果可知，在采取增加轉換層上層層高和層高取梁的中間位置這兩個措施來計算轉換層剛度時，樓層剛度及轉換層上下層剛度比均滿足高規(guī)附錄E的限值要求。

層高取值對剛度比影響 表3

7.2 型鋼在轉換梁及轉換柱中的應用

受建筑條件的限制，本工程轉換層梁截面高度不能大于1.6m。為滿足轉換梁抗彎與抗剪承載力的要求，采用內置型鋼混凝土轉換梁。為便于型鋼梁的連接，同時滿足柱軸壓比要求，框支柱也采用內置型鋼的混凝土柱[5]。

柱角兩道箍筋均采用拉筋形式，便于柱鋼筋綁扎(圖8)。柱混凝土采用自密實微膨脹免振搗混凝土，增強框支柱混凝土澆筑的密實度。

圖8 型鋼與鋼筋布排示意圖

梁縱向鋼筋與型鋼柱翼緣預留的套筒采用機械連接，或與型鋼柱翼緣預留的節(jié)點板單面焊接。梁拉筋與內置型鋼預留的耳板孔洞連接(圖8)。轉換梁截面混凝土屬于大體積混凝土，澆筑時須做好混凝土內部的降溫措施，梁截面內預埋冷凝水導管[6]。

7.3 轉換層上層剪力墻抗剪承載力分析

在計算轉換層上一層剪力墻時，容易出現剪力墻抗剪承載力超限的情況，主要原因是該層剪力墻上下端無法與轉換梁協(xié)調變形一致，導致剪力墻產生較大的剪力，所以通過增加轉換梁的剛度能夠有效地解決轉換層上一層剪力墻超限的問題。

本項目由于梁高受限，在限定梁高且寬度合理的情況下無法滿足截面抗剪要求，故采用型鋼轉換梁。通過計算可得，內置型鋼轉換梁與未設置型鋼轉換梁的抗彎剛度比達到1.3，同時通過調整剪力墻布置，將被轉換剪力墻的兩端均落在轉換柱或落地剪力墻上，以此減小轉換梁變形對被轉換墻的影響。

經驗算，本工程僅個別墻肢翼緣出現剪壓比超限的情況，對該部分剪力墻設置內置鋼板提高其抗剪承載力。

7.4 罕遇地震作用下整體穩(wěn)定性分析

根據大震作用下的計算結果，結構抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值，X向為8.63、Y向為6.88，基底不存在零應力區(qū)，結構抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。在大震作用下，單樁水平承載力均大于樁的計算水平力，表明結構滿足抗滑移驗算。

7.5 框支柱抗彎承載力驗算

本工程底部框支柱均采用內置型鋼的混凝土柱，框支柱截面主要采用三種(表4)。

典型框支柱截面 表4

采用XTRACT軟件根據框支柱截面形式建模，生成框支柱極限承載力的M-N相關曲線，在相關曲線坐標軸中，繪出柱各偏壓組合工況下的M-N。經復核，M-N坐標值均位于M-N相關曲線內。故在中震和大震作用下，框支柱的抗壓彎承載力能滿足中震不屈服和大震不屈服的要求，結果詳見圖9，此處僅示意KZZ1結果。

圖9 框支柱(KZZ1)大震下M-N相關曲線

7.6 框支梁抗彎承載力驗算

本工程框支梁大部分采用內置型鋼的混凝土梁，少量采用普通混凝土梁，典型框支梁截面見表5。

典型框支梁截面及內力 表5

采用XTRACT軟件根據框支梁截面建模，形成框支梁極限彎矩曲線，核查各框支梁的彎矩內力，與極限彎矩比對，確定框支梁是否達到屈服彎矩(圖10)。經復核，框支梁的抗彎承載力能滿足中震不屈服和大震不屈服的要求。

圖10 框支梁極限彎矩曲線

8 結構設計加強措施

根據各地震效應下構件的性能分析，針對性地采取以下結構加強措施：

(1)底部加強區(qū)范圍從地下2層延伸至5層樓面。

(2)基礎至5層樓面抗震等級按特一級，6層樓面及以上抗震等級為一級。

(3)提高轉換層以下剪力墻剛度，滿足轉換層上下層剛度比；框支柱及轉換層以下的剪力墻均按關鍵構件設計配筋，轉換層采用型鋼混凝土梁、柱，提高構件的承載力和延性。

(4)地下1層按嵌固層設計，最小板厚180mm，1層按多塔大底盤頂層樓板設計，最小板厚160mm，并考慮溫度應力、中震應力驗算校核配筋。

(5)轉換層樓板適當加厚至200mm，加強轉換層樓板配筋，落地剪力墻核心筒周邊不宜開洞，以保證水平剪力有效傳遞；相鄰轉換層上部兩層樓板厚度不小于120mm，且需在樓板邊緣、孔道邊緣結合邊梁予以加強。

(6)通過中震承載力計算，使框支柱滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能要求，框支梁滿足大震作用下性能要求；控制框支層的框架剪力分配，使其滿足二道防線的要求；嚴格控制框支柱的軸壓比限值，保證框支柱具有足夠的延性。

(7)延性保證措施：按抗震等級滿足軸壓比要求；滿足小、中、大震下剪壓比要求；滿足墻肢中震下受拉應力要求，當拉應力水平較大時，墻肢及約束邊緣構件增加縱筋及箍筋。

9 結論

(1)在地震作用下，該項目各項計算指標、承載能力、變形能力能夠滿足規(guī)范要求，且通過兩個軟件對比，計算結果基本保持一致，具有一定的可靠性。

(2)在有限的條件下，型鋼在轉換梁柱中的使用，能較大幅度地減小梁柱截面，滿足建筑對使用功能及空間尺寸的要求。同時，型鋼的采用提高了轉換梁剛度，可有效解決轉換層上層剪力墻超限問題。

(3)利用設備轉換的空間增加轉換層上層層高，并結合梁剛度作用點等計算措施，可有效解決轉換層上下層剛度比超限問題。

(4)本項目同時具有高度超限及扭轉不規(guī)則、平面不規(guī)則、多塔、構件間斷(高位轉換)等4項不規(guī)則。通過超限判斷、抗震性能設計、專項分析等方法，判斷該結構能夠滿足抗震性能的各項指標要求，具有安全可靠且又經濟的特點。