某部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

李希鍇

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣東省深圳市福田區(qū)，開(kāi)發(fā)建設(shè)用地面積約29 000 m2。計(jì)容積率建筑面積376 000 m2，目前分兩期開(kāi)發(fā)，其中一期為重點(diǎn)開(kāi)放項(xiàng)目，建設(shè)用地面積20 966.58 m2，其中商業(yè)24 000 m2，辦公152 000 m2、商業(yè)公寓93 900 m2，公交首末站3 000 m2、社區(qū)管理用房300 m2，包括辦公樓2 棟、商務(wù)公寓2 棟、商業(yè)裙房、地下商業(yè)、地下室車庫(kù)部分；二期包括商務(wù)公寓、裙房、地下商業(yè)、地下車庫(kù)部分。

本工程抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35 s。上部由裙房以及，4 棟塔樓組成，4 棟塔樓在地面以上均為分開(kāi)的建筑，塔樓同裙房在地面以上通過(guò)結(jié)構(gòu)縫分開(kāi)。地下室為5層，埋深25 m，主要功能為停車、商業(yè)、設(shè)備用房及人防等。

本文對(duì)其中1 棟塔樓轉(zhuǎn)換層進(jìn)行分析，塔樓地面以上53 層，結(jié)構(gòu)高度為242.15 m，最大高寬比為11.1。采用帶部分框支轉(zhuǎn)換的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，建筑立面如圖1所示（虛線圈出為本次分析的塔樓）。

圖1 建筑效果Fig.1 The Construction Effect Chart

2 結(jié)構(gòu)體系及轉(zhuǎn)換層布置

由于底部樓層有建筑商業(yè)功能的要求，不允許塔樓上部剪力墻落下，于是在裙房頂部位置（即5層樓面位置）設(shè)置轉(zhuǎn)換層。為了達(dá)到減少轉(zhuǎn)換、傳力直接、強(qiáng)化下部且弱化上部的目的［1］，本項(xiàng)目采用梁式轉(zhuǎn)換［2-3］，通過(guò)框支轉(zhuǎn)換梁承托塔樓部分不能落下的上部剪力墻，框支轉(zhuǎn)換梁再通過(guò)框支轉(zhuǎn)換柱將塔樓上部剪力墻傳來(lái)的重力荷載傳遞到基礎(chǔ)；且整個(gè)框支轉(zhuǎn)換框架需要承擔(dān)及抵抗上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的側(cè)向力。框支轉(zhuǎn)換柱采用矩形截面的型鋼混凝土柱，尺寸為1 900 mm×（1 900 mm～2 200 mm）×2 300 mm，含鋼率為4%左右?？蛑мD(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁，尺寸為（1 600 mm～1 800 mm）×2 200 mm。轉(zhuǎn)換層布置如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Layout of Transition Floor Structure

圖3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)模型示意Fig.3 Model of Transition Floor Structure

由于受力較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)換層樓板在地震作用下，需要承受部分拉力，需單獨(dú)分析。

由于本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-92—2013》［4］第3.11 節(jié)的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C。在各地震水準(zhǔn)條件下的抗震性能水準(zhǔn)及關(guān)鍵構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)控制目標(biāo)如表1所示。

表1 抗震性能水準(zhǔn)及關(guān)鍵構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)控制目標(biāo)Tab.1 Seismic Performance Levels and Performance Objectives for the Key Parts of Structure

3 轉(zhuǎn)換層動(dòng)力彈塑性分析

為達(dá)到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)［5-6］，采用以抗震性能化為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想和以位移為基準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行分析，并相應(yīng)提取轉(zhuǎn)換層部分的計(jì)算內(nèi)容。

對(duì)于整體來(lái)說(shuō)，根據(jù)文獻(xiàn)［4］C 級(jí)性能目標(biāo)的要求，在罕遇地震作用下，按以下條件控制結(jié)構(gòu)位移：

⑴結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求；

⑵鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角≤1/150。

轉(zhuǎn)換層的相應(yīng)構(gòu)件均為關(guān)鍵構(gòu)件，根據(jù)C 級(jí)性能目標(biāo)的要求，需達(dá)到性能水準(zhǔn)4（輕度損壞）。通過(guò)SAUSAGE 軟件進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，與YJK 計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比校核，在確保計(jì)算模型的正確性的同時(shí)，得出結(jié)構(gòu)的位移情況及轉(zhuǎn)換層構(gòu)件在罕遇地震作用下的損傷情況。

分析過(guò)程中，質(zhì)量、周期和振型是模型校核的基本內(nèi)容之一［7］。不同軟件計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和前3 階周期如表2所示。

表2 SAUSAGE模型YJK模型質(zhì)量和周期對(duì)比Tab.2 Comparison of Calculation Results of Quality and Period，between the SAUSAGE Model and the YJK Model

結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角X向?yàn)?/228，Y向?yàn)?/171，滿足文獻(xiàn)［4］C 級(jí)性能目標(biāo)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系1/150的限值要求。

由上述結(jié)果可知，模型總體指標(biāo)滿足文獻(xiàn)［4］對(duì)位移、周期等指標(biāo)的控制。根據(jù)SAUSAGE 的計(jì)算結(jié)果，相應(yīng)輸出轉(zhuǎn)換層部分性能水平結(jié)果如圖4 所示。由結(jié)果可知：①剪力墻連梁大部分已進(jìn)入屈服階段，大部分輕度損壞，部分中度損壞；②樓面梁大部分均已屈服，構(gòu)件輕度損壞，部分中度損壞；③剪力墻墻肢受彎和受剪均未屈服，構(gòu)件基本上無(wú)損壞；④轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱均未屈服，構(gòu)件基本上無(wú)損壞。滿足文獻(xiàn)［4］C 級(jí)性能目標(biāo)中，各類構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)控制目標(biāo)［8］。

圖4 轉(zhuǎn)換層SAUSAGE模型性能水平示意Fig.4 SAUSAGE Model Performance Levels of Transition Floor Structure

4 轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析

利用YJK 對(duì)樓板應(yīng)力進(jìn)行了分析［9］，框支轉(zhuǎn)換層樓板典型厚度采用180 mm，混凝土等級(jí)C40，鋼筋等級(jí)HRB400。樓板的設(shè)計(jì)需滿足以下目標(biāo)：

在頻遇地震（小震）荷載工況下，鋼筋混凝土樓板處于彈性。在設(shè)防烈度地震（中震）荷載工況下，樓板允許開(kāi)裂，但抗拉鋼筋應(yīng)保持彈性，最大拉應(yīng)力小于鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；最大壓應(yīng)力小于鋼筋混凝土樓板抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得：

⑴框支轉(zhuǎn)換層樓板小震作用下的拉應(yīng)力水平均較小，框支層樓板一般拉應(yīng)力水平均小于0.5 MPa，遠(yuǎn)小于2.39 MPa，即小于C40 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土保持良好。局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域（豎向構(gòu)件與樓板的節(jié)點(diǎn)區(qū)域）樓板拉應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為1.07 MPa，但仍不超過(guò)2.39 MPa。

⑵樓板小震作用下的壓應(yīng)力水平也較小，最大為1.01 MPa，混凝土仍處于彈性工作狀態(tài)下。

⑶框支轉(zhuǎn)換層樓板中震作用下的拉應(yīng)力水平，框支層樓板大部分區(qū)域拉應(yīng)力約為0.5～1.0 MPa，局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域（豎向構(gòu)件與樓板的節(jié)點(diǎn)區(qū)域）樓板拉應(yīng)力較大，最大峰值應(yīng)力為2.07 MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，相應(yīng)加強(qiáng)板配筋筋，采用雙層雙向拉通鋼筋，配筋率大于0.5%，局部應(yīng)力集中部位相應(yīng)增加附加鋼筋。

⑷依據(jù)樓板中震壓應(yīng)力水平，框支層樓板壓應(yīng)力水平整體較低，遠(yuǎn)低于鋼筋混凝土樓板抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

5 結(jié)論

綜上所述，本項(xiàng)目轉(zhuǎn)換層通過(guò)合理設(shè)置轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁組成梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并通過(guò)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層樓板來(lái)平衡轉(zhuǎn)換層的變形協(xié)調(diào)，具有合理的傳力路徑和變形協(xié)調(diào)能力。通過(guò)彈塑性分析可得出，本結(jié)構(gòu)體系屈服機(jī)制合理，且具有良好的彈塑性耗能能力，可以達(dá)到預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)［10］。彈塑性耗能基本集中在剪力墻連梁、樓面梁等耗能構(gòu)件，轉(zhuǎn)換構(gòu)件在罕遇地震作用下基本處于彈性狀態(tài)，無(wú)損壞，滿足關(guān)鍵構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，具有較好的彈性變形能力以及充足的承載能力。結(jié)合上述分析的基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件及轉(zhuǎn)換樓板補(bǔ)充了加強(qiáng)措施，目前本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)已完工。