某高層住宅的超限框支轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

雷 洋

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅，蘭州，730030）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，城市商業(yè)價(jià)值不斷提高，提高住宅建筑物底層商業(yè)的使用價(jià)值及利用率，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)使建筑功能更加靈活多變，可以適應(yīng)各種不同類(lèi)型的建筑需求。眾多學(xué)者以實(shí)際案例及理論軟件分析，對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)取得了一定的研究成果，如文獻(xiàn)[1]基于項(xiàng)目特點(diǎn)及不規(guī)則項(xiàng)，制定了相應(yīng)的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)與加強(qiáng)措施，并對(duì)結(jié)構(gòu)總體抗震性能以及大跨轉(zhuǎn)換鋼桁架的抗震性能、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、振動(dòng)舒適度做了專(zhuān)項(xiàng)分析。文獻(xiàn)[2]通過(guò)大量工程實(shí)例，對(duì)復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載傳遞路徑的選取依據(jù)和工程實(shí)踐的總結(jié)，得到了豎向荷載兩類(lèi)傳遞的結(jié)構(gòu)適用跨度與范圍。文獻(xiàn)[3]通過(guò)SAP2000 有限元分析軟件模擬框支結(jié)構(gòu)在地震作用下地震反應(yīng)，得出以下結(jié)論：轉(zhuǎn)換層位置提高及等效側(cè)向剛度比過(guò)低會(huì)造成轉(zhuǎn)換層及其下面一層成為軟弱層概率增大；對(duì)于高位轉(zhuǎn)換應(yīng)重視轉(zhuǎn)換層及其下面一層的剛度保證，結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比應(yīng)接近1.0；短肢剪力墻設(shè)置比例增大，能有效降低轉(zhuǎn)換層位置處側(cè)向剛度突變；高位轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)短肢剪力墻過(guò)多情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于眾多建筑項(xiàng)目中，取得了良好的效果和應(yīng)用價(jià)值。本文將結(jié)合實(shí)際案例介紹轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本原則和步驟。

1 工程概況

本工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)，采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，為B 級(jí)高度的超限高層建筑，地上29 層，房屋高度為89.1m，地上主要建筑使用功能為：一、二層為商業(yè)，三層以上層為住宅，通過(guò)在商業(yè)和住宅之間設(shè)置轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)建筑功能的需求，首層層高4.5m，二層為框支層層高為5.4m，11～12 層層高為3.1m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.9m。

建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8 度，地震基本加速度為0.20g，地震分組第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，特征周期多遇地震0.45s，罕遇地震0.50s?；撅L(fēng)壓為0.30kN/m2，承載力計(jì)算時(shí)1.1 倍，地面粗糙度為C 類(lèi)。

2 結(jié)構(gòu)超限類(lèi)別及判定

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《超限審查要點(diǎn)》），超限類(lèi)別統(tǒng)計(jì)如下。

2.1 房屋高度超限判定

對(duì)于結(jié)構(gòu)體系為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)在8 度設(shè)防烈度區(qū)的A 級(jí)最大適用高度為80m，B 級(jí)最大適用高度為100m，本工程建筑總高度為89.1m，屬B 級(jí)高度的高層建筑，為高度超限的高層建筑。

2.2 不規(guī)則超限判定

根據(jù)計(jì)算結(jié)果存在以下不規(guī)則項(xiàng)：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則[4]：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比YJK 為1.28，Midas 為1.21；（2）剛度突變：相鄰層最大剛度比為0.9797；（3）構(gòu)件間斷：存在上下墻、柱、支撐不連續(xù)。

2.3 超限綜合判定

按照《超限審查要點(diǎn)》的規(guī)定，本工程為B 級(jí)高度高位轉(zhuǎn)換的鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的超限高層建筑，且具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變、構(gòu)件間斷不規(guī)則項(xiàng)。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地所處的位置、土層的巖性特征及物理力學(xué)性質(zhì)的差異，從上至下為①雜填土層、②細(xì)砂層、③卵石層、④砂巖層。其中④砂巖層地基承載力特征值fak=450kPa，變形模量Es=35MPa。基礎(chǔ)選用持力層為砂巖層，主樓地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，基礎(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)?；A(chǔ)埋深18.90m，為建筑高度的1/4.67，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

基礎(chǔ)計(jì)算選用YJK（盈建科），筏板的受沖切承載力和受剪承載力均滿(mǎn)足要求，筏板的配筋基本以構(gòu)造配筋為主。

4 上部結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)布置

本工程結(jié)構(gòu)體系選用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，第2 層為框支層，框支柱和框支梁均采用型鋼混凝，為便于施工，支撐較短剪力墻的部分框支梁由于受力較小。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為保證框支層剪力墻具有足夠的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。剪力墻應(yīng)盡量保持豎向連續(xù)，落地剪力墻應(yīng)增加其截面厚度，同時(shí)應(yīng)盡量保證轉(zhuǎn)換層的框支柱、梁及框支梁上部剪力墻三者軸線(xiàn)對(duì)齊，更大限度地避免偏心扭矩的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換層樓板厚度加厚為180mm，與轉(zhuǎn)換層相鄰的上下樓層樓板厚度加厚為150mm。同時(shí)在結(jié)構(gòu)平面凹口處均設(shè)寬拉梁，并在拉梁相對(duì)應(yīng)的樓板內(nèi)設(shè)置暗梁。

抗震等級(jí)：地下4～5 層抗震等級(jí)為三級(jí)，地下3 層抗震等級(jí)為二級(jí)，地下2 層抗震等級(jí)為一級(jí)，地下1 層至地上4 層為特一級(jí)，地上5 層及以上為一級(jí)。

5 超限抗震設(shè)計(jì)計(jì)算及分析論證

5.1 計(jì)算軟件

（1）小震彈性計(jì)算采用YJK 的有限元程序，同時(shí)采用MIDAS-Building（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Midas）進(jìn)行第2 套軟件的對(duì)比計(jì)算。

（2）小震彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算采用YJK 軟件。

（3）中震、大震等效彈性計(jì)算采用YJK 軟件。

（4）大震彈塑性動(dòng)力分析采用PKPM/SAUSAGE 軟件。

5.2 質(zhì)量分布分析

豎向布置規(guī)則，各層質(zhì)量沿高度變化均勻，建筑物總質(zhì)量?jī)蓚€(gè)程序算出的總質(zhì)量及單位面積質(zhì)量比較接近，相差在5%之內(nèi)，兩個(gè)程序的計(jì)算較為準(zhǔn)確并可以進(jìn)行互相驗(yàn)證。

5.3 剛重比計(jì)算

剛重比計(jì)算結(jié)果X 方向7.3076，Y 方向3.8797，兩個(gè)方向剛重比均大于1.4，對(duì)高度超限的高層建筑而言，可保證其整體穩(wěn)定性，并可不考慮重力二階效應(yīng)的影響。

5.4 動(dòng)力特性分析

在小震作用下彈性計(jì)算所得的前6 個(gè)振型周期及第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 周期統(tǒng)計(jì)表

從表1 中可見(jiàn)，本工程在兩個(gè)程序中第1、2、4、5 周期均為平動(dòng)周期，第3、6 周期均為扭轉(zhuǎn)周期，周期比滿(mǎn)足要求，周期構(gòu)成比較相似，兩個(gè)程序計(jì)算出的各振型周期有相似的規(guī)律，計(jì)算結(jié)果具有可比性。

5.5 嵌固端剛度比分析

本工程嵌固部位設(shè)在地下室頂板處，地下一層與地上一層側(cè)向剛度比X 方向?yàn)?.3076，Y 方向?yàn)?.8797。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]要求，嵌固端下層側(cè)向剛度不宜小于上層側(cè)向剛度的2 倍，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5.6 移和扭轉(zhuǎn)位移比分析

在小震作用下彈性計(jì)算所得的最大層間位移角和最大位移比兩個(gè)程序計(jì)算得到的各樓最大層間位移角及最大位移比比較接近，最大層間位移角均小于1/1 000，最大位移比均＜1.40，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5.7 地震剪力系數(shù)分析

地震作用下基底剪力和傾覆彎矩兩個(gè)程序的地震剪力系數(shù)比較接近，且從底部樓層向上部樓層逐漸增大，所有樓層的地震剪力系數(shù)大于3.2%，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5.8 樓層受剪承載力分析

樓層受剪承載力比的最小值各層比值均大于《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》 JGJ3 第3.5.3 條B 級(jí)高度限值0.75，且較為均勻，符合規(guī)范要求。

5.9 轉(zhuǎn)換層剛度比分析

《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》[6]附錄E 規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1、2 層時(shí)，可近似采用轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比γe1 表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化，γe1宜接近1，抗震設(shè)計(jì)時(shí)γe1 不應(yīng)小于0.5。按照《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》附錄E 控制轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比不小于0.60，γe1 不小于0.6。驗(yàn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換層與上層等效剪切剛度比X 向?yàn)?.7452、Y 向?yàn)?.6043，均大于0.60，滿(mǎn)足《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》和加強(qiáng)措施的要求。

5.10 軸壓比分析

剪力墻最大軸壓比：YJK（組合軸壓比）為0.33，Building為0.35，設(shè)計(jì)限值為0.50。（1）軸壓比均符合《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，墻肢變截面樓層處軸壓比也均滿(mǎn)足規(guī)范要求。（2）YJK 和Midas 的計(jì)算結(jié)果基本接近。

5.11 小震作用下的彈性時(shí)程分析

計(jì)算采用的5 組天然地震波、2 組人工地震波，并分別以X、Y 向作為主方向施加激勵(lì)。多遇地震下的補(bǔ)充時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果表明，時(shí)程分析結(jié)果總體上略小于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果，以振型分解反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏安全的。

5.12 框支框架豎向地震作用計(jì)算

本工程通過(guò)對(duì)框支框架考慮豎向地震作用與不考慮豎向地震作用進(jìn)行對(duì)比，得出對(duì)于考慮豎向地震作用的框支梁，其彎矩和剪力均有不同程度的增大，基本上在2%～4%之間，相應(yīng)的配筋也有所增大。

5.13 設(shè)防地震下的框支梁應(yīng)力分析

在設(shè)防地震作用下，框支梁及其上部墻體應(yīng)力分析云圖?？蛑Я旱撞靠v向最大拉應(yīng)力約為6MPa，考慮框支梁最小配筋率為0.6%及內(nèi)置型鋼，可以判斷框支梁在中震時(shí)抗彎彈性。由于邊門(mén)洞的影響，洞口邊靠近梁端部剪應(yīng)力最大，最大值約為5MPa，能夠滿(mǎn)足《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.4 和5.2.5 條對(duì)框支梁抗剪截面限制條件和抗剪承載力的要求。為進(jìn)一步保證安全性，采取框支梁豎向加腋和增大框支墻洞口連梁剛度的措施，框支墻在加強(qiáng)配筋的前提下確保剪力墻豎向鋼筋在框支梁中的錨固要求，同時(shí)框支柱在框支墻范圍內(nèi)的縱向鋼筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)不少于一層。

5.14 設(shè)防地震下轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，除樓板在其與剪力墻端部、電梯井道等交點(diǎn)處由于剛度較大而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象造成應(yīng)力值異常外，絕大部分樓板應(yīng)力值未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，框支梁附近最大樓板應(yīng)力值約為3MPa，僅考慮鋼筋（雙層雙向C12@150）抗拉作用的樓板抗拉能力約為3.35MPa（折算應(yīng)力），可保證樓板中震不屈服。樓板最大剪應(yīng)力值不超過(guò)1.2MPa，能夠滿(mǎn)足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.2.24 對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板的抗剪要求。

分析表明該層樓板具有足夠的面內(nèi)剛度，可滿(mǎn)足既定的“中震不屈服”的設(shè)防目標(biāo)，確保水平力的有效傳遞。在滿(mǎn)足“中震不屈服”的情況下，通過(guò)適當(dāng)?shù)臉?gòu)造加強(qiáng)，增加樓板的抗裂性能。

5.15 框支框架中震不屈服驗(yàn)算

設(shè)防地震作用下，按正截面不屈服、斜截面彈性（框支框架按正截面彈性、斜截面彈性）計(jì)算所得的底部加強(qiáng)部位墻體和框支框架配筋，框支框架抗彎抗剪、墻體抗剪截面及配筋均能符合承載力彈性設(shè)計(jì)要求。其余構(gòu)件的截面及配筋也均能符合承載力彈性或屈服設(shè)計(jì)要求。

5.16 動(dòng)力彈塑性分析

（1）分析方法

本工程均采用基于顯式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法，并考慮雙向地震作用，其中主次方向峰值加速度比為1:0.85。

（2）分析軟件

采用PKPM/SAUSAGE。

（3）地震波選取

地震波的選取考慮建筑場(chǎng)地類(lèi)別及特征周期，本模型選用1 條人工波和2 條天然波。罕遇地震輸入地震加速度的最大值取400 cm/s2。人工波與天然波計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)均滿(mǎn)足規(guī)范

要求，其反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)意義上相符。

（4）罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果

罕遇地震時(shí)程分析的基底剪力（三條波包絡(luò)值）：X 方向?yàn)?4277.9 kN，Y 方向?yàn)?5641.9 kN，分別為多遇地震下基底剪力的4.77 倍和5.17 倍。

（5）罕遇地震層間位移角

結(jié)構(gòu)在大震下X、Y 兩個(gè)方向的最大層間位移角為1/173（第10 層）、1/177（第16 層），滿(mǎn)足1/135 的規(guī)范限值，滿(mǎn)足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.7.5 條規(guī)定。

（6）能量圖及等效阻尼比

X向：結(jié)構(gòu)初始阻尼比：5.0%，附加等效阻尼比：結(jié)構(gòu)彈塑性：2.3%，總等效阻尼比：7.3%。

Y 向：結(jié)構(gòu)初始阻尼比：5.0%，附加等效阻尼比：結(jié)構(gòu)彈塑性：1.9%，總等效阻尼比：6.9%。

從以上分析結(jié)果可以看出：

罕遇地震下，3 組時(shí)程波計(jì)算得到的最大層間位移角均小于1/135，符合規(guī)范目標(biāo)要求，且結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的薄弱部位，變形基本均勻連續(xù)。X 方向基底剪力為34277.9 kN，Y 方向基底剪力為45641.9 kN，分別為多遇地震下基底剪力的4.77 倍和5.17 倍。等效總阻尼比為7.3%，與大震等效線(xiàn)性化方法采用的阻尼比7%相當(dāng)。

大部分耗能構(gòu)件（墻梁）的損傷較重，部分框架梁有中度損傷，起到了耗能作用?？蚣苤蜆前鍝p傷較輕，大部分構(gòu)件未損傷，關(guān)鍵構(gòu)件框支梁和框支柱未見(jiàn)屈服。絕大部分墻柱的損傷在輕度及以下?lián)p傷程度，即最大壓應(yīng)變未超過(guò)屈服應(yīng)變，僅極個(gè)別短墻肢（底部外圍短墻肢、個(gè)別連梁兩側(cè)墻肢）產(chǎn)生中度以上損傷，設(shè)計(jì)中采取內(nèi)置型鋼或加強(qiáng)配筋等措施。

結(jié)構(gòu)整體損傷機(jī)制符合規(guī)范要求，具有較好的耗能性能，宏觀上可保證結(jié)構(gòu)不大于中度損壞，符合規(guī)范基本要求。

5.17 基底零應(yīng)力區(qū)分析

在重力荷載代表值與多遇水平地震標(biāo)準(zhǔn)值共同作用下：

（1）基底未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，符合《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ3 第12.1.7 條規(guī)定。

（2）抗傾覆彎矩Mr/ 傾覆彎 矩Mov：YJK 為3.81，Building 為4.274，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.5，符合《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》JGJ6 第5.5.2 條規(guī)定。

6 結(jié)論

本工程為高度超限（超A 級(jí)高度，小于B 級(jí)高度）、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的超限高層建筑工程。在設(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)措施，在抗震分析中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震彈性、中大震等效彈性和大震動(dòng)力彈塑性計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，多項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范及性能目標(biāo)要求，除了能保證結(jié)構(gòu)在小震作用下完全處于彈性狀態(tài)之外，還能保證關(guān)鍵構(gòu)件在中、大震作用下處于設(shè)定的性能狀況。對(duì)各超限項(xiàng)采取了有針對(duì)性的加強(qiáng)措施，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱構(gòu)件作了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，以充分保證其在地震作用下的承載力和延性。

因此，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體性能除能滿(mǎn)足規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求外，亦能滿(mǎn)足設(shè)定的性能目標(biāo)要求，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震能力高于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)是可行和安全的。