合景木瀆商業二號樓結構設計

趙建忠 王 干 周慧鑫 孫 磊

（蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，蘇州215021）

合景木瀆商業二號樓結構設計

趙建忠*王 干 周慧鑫 孫 磊

（蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，蘇州215021）

合景木瀆商業二號樓屬于有高位轉換層的鋼筋混凝土框支剪力墻結構，其結構復雜，扭轉不規則，樓層剛度突變。根據抗震規范的要求，采用基于性能的抗震設計方法，對主體結構進行了彈性時程分析和靜力彈塑性分析，結果表明主體結構能夠較好地滿足抗震性能目標。對轉換層樓板進行有限元分析，考察其在地震作用下的平面內受力情況，提出轉換層及附近幾層的抗震加強措施。本項目對高層轉換結構的設計具有一定的參考與指導意義。

高位轉換層，性能化設計，時程分析，靜力彈塑性分析

1 工程概況

合景木瀆商業項目位于蘇州市吳中區竹園路南，金楓路西，總占地面積為55 503.79 m2，一期總建筑面積約為102 130 m2，主要由一號樓和二號樓組成。其中，二號樓建筑面積約65 635 m2，設兩層地下室，局部有夾層，地下室底板標高為－11.600 m。圖1為建筑效果圖。

二號樓主樓為地上22層，高度98.8m，裙房為3層，高度13.49 m，主樓與裙房間設置抗震縫，底層層高4.5 m，主樓標準層層高4.49 m。主樓標準層平面形狀為折線形。地下室埋深13.4 m。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural design

本工程結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，建筑結構防火等級為一級，地基基礎的設計等級為甲級。抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05 g，場地類別為Ⅲ類，地震設計分組為第一組；基本風壓按50年重現期的風壓W0＝0.45 kN／m2，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用，地面粗糙類別為B類，風荷載體型系數取1.4。

本工程主樓下采用樁筏基礎，承壓樁采用預應力混凝土管樁，樁徑500 mm，有效樁長25 m，單樁承載力特征值為2 200 kN；抗拔樁采用鉆孔灌注樁，樁側后注漿，樁徑700 mm，有效樁長17 m，其抗拔承載力特征值為1 200 kN。

2 結構布置

本工程上部結構采用鋼筋混凝土框支剪力墻結構。標準軸網尺寸為7.8 m×9.2 m，一、二、三層層高分別為4.5 m、3.5 m、5.5 m，其余樓層層高均為4.49 m。剪力墻的布置結合建筑功能需要沿四周樓、電梯間布置，厚度為350～200 mm；標準層框架梁截面尺寸為250 mm×600 mm，次梁截面尺寸為200 mm×500 mm；樓板厚度為120 mm。墻、柱等豎向構件的混凝土強度等級為C40～C55，各樓面梁、板混凝土強度等級為C30（轉換層為C40）。圖2為標準層結構布置示意圖。

圖2 標準層結構布置示意圖Fig.2 Structural layout diagram of a standard story

地下室首層樓面采用框架梁＋大板結構，無次梁。由于頂板的厚度較大該做法能充分利用厚板的受力性能，經濟性較好，且施工方便；地下一層采用帶柱帽的無梁樓蓋結構形式減少地下室層高以減小開挖深度，從而達到合理受力性能目的同時獲得較好的經濟效果。

為了滿足下部大空間、上部小空間的建筑需求，在結構第四層設置轉換層。轉換梁截面尺寸為1 000 mm×1 200／1 800 mm，框支柱尺寸為1 000 mm×1 400／3 000 mm，轉換層樓板厚度為180 mm。由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，力的傳遞途徑有很大的改變，設計中特別加強轉換層及其相鄰層關鍵構件的抗震措施，保證結構該部位的延性，尤其轉換梁需選擇合適的含箍率，避免發生脆性破壞。圖3為轉換層結構布置示意圖。由于轉換層設置在第四層，框支柱與相鄰落地剪力墻的距離均控制在10 m之內，滿足規范要求。

圖3 轉換層層結構布置示意圖Fig.3 Structural layout diagram ofa transfer story

3 結構抗震性能目標

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（以下簡稱《抗規》）和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規》）的有關條文，本工程主要存在以下超限情況：①標準層平面為折線形，屬于平面形狀不規則；②在偶然偏心地震荷載作用下，最大扭轉位移比為1.35，屬扭轉不規則；③存在轉換層，豎向抗側力構件不連續；④層間位移角曲線在轉換層有較明顯的突變，說明結構在轉換層處出現樓層剛度突變。根據上述超限情況以及與業主、抗震審查專家溝通的結果，設定結構各關鍵部位性能目標見表1。

4 結構彈性計算分析

結構彈性計算分析分別采用中國建筑科學研究院編制的SATWE軟件和美國CSI公司的ETABS軟件進行整體計算分析，以保證力學分析的可靠性。計算地震作用時，考慮偶然偏心地震作用，雙向地震作用，扭轉耦聯，以及施工模擬加載的影響，并增加一層結構層以模擬幕墻增加的風力。

表1 結構或構件抗震性能目標Table 1 Seism ic performance goals for the structure and structural components

4.1 小震下的主要計算結果

通過對比兩種分析軟件的計算結果可知計算結果均滿足規范的限值要求。自振周期、基底剪力、層間位移角等性能參數的差異均比較小，說明結構的計算模型可靠，分析結果可信。小震作用下部分控制指標計算結果見表2。

表2 小震計算指標匯總Table 2 Small earthquake calculation index

計算結果分析可知：第一扭轉周期與第一平動周期之比均小于0.85，滿足《高規》4.3.5條要求，說明結構具有良好的扭轉剛度；有效質量系數均大于90%，說明所取振型數足夠；在偶然偏心地震荷載作用下，最大扭轉位移比為1.35，小于限值1.4，說明能夠較好地控制地震作用下的扭轉效應；層間抗側力結構的受剪承載力大于其上一層受剪承載力的80%，說明結構無薄弱層，滿足《抗規》第3.4.2條樓層承載力均勻性要求；框支框架承擔的地震傾覆力矩比例滿足《高規》第10.2.16條中的50%的限值要求。由于本工程平面布置的原因，且轉換層設置在第4層，因此對其側向剛度進行適當加強。

4.2 彈性時程分析計算結果

根據《抗規》第5.1.2條表5.1.2-1規定，采用SATWE軟件對主體結構進行了多遇地震作用下的彈性動力時程分析補充計算。按照地震波選取三要素，即頻譜特性、有效峰值和持續時間，選取Ⅲ類場地上兩組實際強震記錄天然波1（圖4）和天然波2（圖5），以及一組人工模擬的場地波（RH1TG045）（圖6）進行彈性時程分析。圖7、圖8為樓層剪力及層間位移角曲線。

圖4 天然波1Fig.4 Natural earthquake wave 1

圖5 天然波2Fig.5 Natural earthquake wave 2

圖6 人工波Fig.6 Artificial seismic wave

圖7 X向與Y向樓層剪力曲線圖Fig.7 Shear force diagram under X direction and Y direction excitation

結果分析可知：

（1）每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的80%，說明地震波的選取滿足《抗規》的要求。

（2）天然波1、天然波2和人工波的樓層剪力曲線和層間位移曲線基本在反應譜曲線范圍內，僅天然波1的X向樓層剪力曲線在頂部略大于反應譜，故設計時將頂部三層地震作用放大10%。

（3）剪力曲線在轉換層處出現較為明顯的變化，這反映了設計時為保證轉換層上下剛度比的要求，加大了轉換層及以下框支柱截面而引起的地震內力變化。

（4）層間位移角曲線在轉換層有較明顯的突變，說明結構在轉換層處出現樓層剛度突變，因此設計中特別加強轉換層及其相鄰層關鍵構件的抗震措施，保證結構該部位的延性。

圖8 X向與Y向層間位移角曲線圖Fig.8 Inter-story displacement angle curves under X direction and Y direction excitation

4.3 中震作用下構件驗算

考慮工程結構的復雜性以及重要性，需要對中震作用下關鍵構件的承載力進行復核，考察框支框架在中震下是否滿足性能設計目標［4，5］。對于轉換梁和轉換層樓板，除滿足SATWE計算要求外，還采用ETABS進行了中震彈性下的有限元分析，分析時轉換梁、柱按殼單元進行模擬。圖9為中震作用下轉換層樓板應力分布圖。由于平面結構較不規則，因此本工程的樓板在施工圖設計時采用了中震作用下產生的樓板平面內應力疊加正常使用下樓板平面外受彎產生的應力進行配筋。

結果表明：轉換柱可以滿足中震彈性的抗震性能目標；轉換梁通過加強配筋也可滿足中震彈性的設計要求；轉換層樓板在中震作用下的分布力較小，樓板均未出現開裂，說明在中震作用下協調各分塊之間的連接樓板仍保持彈性。

圖9 轉換層樓板X方向與Y方向分布力圖（應力沿板厚方向積分）Fig.9 Stress distribution of the transfer floor under X direction and Y direction excitation

5 結構彈塑性計算分析

本工程大震下抗震性能目標為：連梁比較嚴重損壞；部分普通剪力墻可比較嚴重損壞，但滿足最小受剪截面；底部加強部位剪力墻輕度損壞，且抗剪不屈服；轉換框架輕度損壞，且抗剪、抗彎不屈服。為了掌握地震時結構的變形和構件的破壞程度，對結構的彈塑性性能進行可靠的預測，本工程采用靜力彈塑性計算，分別對結構的X向和Y向進行推覆分析，驗算結構的彈塑性層間位移，評定結構的抗倒塌能力，保證整體結構實現基于性能的抗震目標，滿足規范的設防要求。

本工程靜力彈塑性分析軟件采用PKPM2010版PUSHOVER來進行。彈塑性計算模型中構件尺寸、層高、混凝土強度等均同彈性計算模型。側推荷載沿結構豎向呈倒三角形分布，總側推荷載取結構總重量的10%，逐步增加荷載，使結構由彈性工作狀態逐步進入彈塑性工作狀態。需求譜的地震影響系數最大值取0.28，特征周期取0.50 s，彈性狀態阻尼比取0.05。圖10為罕遇地震作用下結構的抗倒塌驗算圖。

通過提取結構典型構件的塑性鉸分布情況可知：X軸的典型抗側力構件在與性能點對應的加載步均未出現塑性鉸；Y軸的典型抗側力構件在與性能點對應的第54加載步塑性鉸較少，結構輕微損壞，在第83加載步連梁出現塑性鉸，且范圍較廣（圖11）。從結構靜力彈塑性推覆分析的結果可見，結構的屈服順序符合設定的抗震性能要求，觀察結構在大震下的宏觀損壞程度和各類構件的損壞程度，結構能夠滿足設定的抗震性能目標。

圖10 X向與Y向結構抗倒塌驗算Fig.10 Structural collapse resistance calculation under X direction and Y direction excitation

圖11 Y向典型軸構件塑性鉸圖Fig.11 Typical plastic hinges under Y direction excitation

6 結 論

（1）從結構傳力方式看，本工程選擇的梁式轉換層結構具有傳力直接明確、傳力途徑清楚的優點；轉換梁受力性能好、工作可靠、構造簡單、施工方便，結構計算分析也相對容易。

（2）設計采取了基于性能的抗震設計方法，對主體結構進行了小震、中震彈性分析和大震靜力彈塑性分析，結果顯示整體結構和關鍵構件均能達到預定的抗震性能目標，符合規范要求，滿足抗倒塌驗算。

（3）加強轉換層及其相鄰層關鍵構件的抗震措施（加強轉換梁、轉換柱的配筋；選擇合適的含箍率；加厚轉換層樓板等）是保證結構具有足夠的延性，避免結構在轉換層首先屈服，確保結構安全的有效措施。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2010.（in Chinese）

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2010.（in Chinese）

［3］ 傅學怡.帶轉換層高層建筑結構設計建議［J］.建筑結構學報，1999，20（2）：22-26.Fu Xueyi.The structural design advice of tall building with conversion layer［J］.Journal of Building Structures，1999，20（2）：22-26.（in Chinese）

［4］ 唐興榮，姚江峰.帶轉換層高層建筑結構的彈塑性地震反應分析［J］.南京工業大學學報，2006，28（3）：33-38.Tang Xingrong，Yao Jiangfeng.The elastic-plastic seismic response analysis of tall building structure with conversion layer［J］.Journalof Nanjing University of Technology，2006，28（3）：33-38.（in Chinese）

［5］ 黃勤勇，呂西林.轉換層上、下剛度比對框支剪力墻結構抗震性能的影響［J］.結構工程師，2003（1）：17-23.Huang Qinyong，Lu Xilin.The effect of ratio of stiffhess on seismic behavior of shear wall structure with supporting frames［J］.Structural Engineers，2003（1）：17-23.（in Chinese）

Structural Design of the Hejing No.2 Building in M udu

ZHAO Jianzhong*WANG Gan ZHOU Huixin SUN Lei
（Suzhou Industrial Park Design＆Research Institute Co.Ltd.，Suzhou 215021，China）

The No.2 Building of Hejing in Mudu is a tall building with high-level transfer storey.This complex-structure has torsional irregularity and the change of inter-storey stiffness.According to‘Code for seismic design of buildings’，elastic time-history analysis and elastic-plastic pushover analysis of the main structure were carried out，using the performance-based seismic designmethod.The results showed that themain structuremeets the seismic performance targets.By finite element analysis of the floor in the transfer storey，the force distribution under earthquakewas studied and the seismic strengtheningmeasureswere suggested.References and guidances to the design of structure with high-level transfer storey were provided in this project.

high-level transfer storey，performance-based seismic design，time-history analysis，pushover analysis

2013－09－25

*聯系作者，Email：zhaojianzhong＠sipdri.com