某框支轉換高層結構設計以及啟示

楊奕芬

(上海天華建筑設計有限公司，上海200235)

1 工程概況

瑞虹新城9號地塊地處上海市虹口區，其中一單體T11-12號樓為帶底商的高層住宅，如圖1、圖2。建筑地上27層，一層二層功能為商業，層高4.5m，三層以上為普通住宅，層高3.15m;結構大屋面標高89.15m;塔樓地下兩層，與周邊塔樓地下室相互連通形成一體式的地下車庫，地下一層層高4.8m，地下二層層高4.1m。

建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級。設計基準期為50年，抗震設防烈度7度(0.10g)，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類，特征周期0.90s。重現周期50年基本風壓為0.55kN/m2，地面粗糙度為C類，風荷載體型系數取1.4。

2 結構布置及結構體系

結構平面(圖3)尺寸56.00m×19.52m，結構高度為89.15m，高寬比4.6。上部住宅采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，為保證底部兩層商業對空間的要求，需在3層樓面轉換部分上部剪力墻。因此，上部結構剪力墻布置除要滿足豎向支撐和結構剛度的要求外，還應兼顧轉換層的布置。設計時盡量集中布置剪力墻，形成較長墻肢，避免出現間距過近，過于分散凌亂的小墻肢，既保證上部結構的剛度，也更容易設計出受力直接，傳力明確的轉換結構。此外，為增強主體結構抗側、抗扭剛度，外圍剪力墻加厚至350mm，建筑內部剪力墻厚度仍為200mm。轉換層(圖4)采用框支框架結構，框支柱距7m左右，框支梁高度控制在2m以內;工程師保留了樓電梯間處以及部分外圍剪力墻，轉換掉其余大部分剪力墻，同時保證落地剪力墻承受的傾覆力矩百分比不小于50%。上部結構的嵌固端設定在地下室頂板。

圖1 建筑效果圖

圖2 結構模型圖

圖3 標準層結構平面圖

圖4 轉換層結構平面

3 結構超限情況及對策

3.1 結構不規則情況

上部剪力墻在3層樓面進行轉換，屬于豎向抗側力構件不連續;結構北面凹進尺寸超平面寬度的40%，屬于平面凹凸不規則;樓層最大彈性水平位移超過樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，屬于扭轉不規則。綜合上述情況，該結構屬于超限高層[1][2]。

3.2 結構計算分析

3.2.1 小震彈性反應譜分析

根據規范要求，對超限工程應采用兩種不同的力學模型進行結構整體內力、位移計算。本工程采用YJK和PMSAP兩種程序進行獨立建模計算，均采用整體空間結構模型。其中YJK采用空間框架單元模擬梁、柱及支撐等桿系單元，采用超單元來模擬剪力墻、彈性板及轉換梁。詳細分析結果見表1。

表1 主要結果及分析匯總一覽表

兩種程序計算得到的質量、周期，位移等參數均較為接近，說明所選擇的分析模型能較準確地反應結構的實際受力情況，可以作為結構設計的依據;周期比，位移比，剪重比等參數滿足相關規范要求，其中首層及轉換層落地剪力墻在X、Y方向上承擔的地震傾覆力矩均大于50%，滿足部分框支剪力墻結構的要求。同時，結構具有清晰的振型，足夠的側向剛度和良好的動力特性。

3.2.2 小震時程分析

為了驗證反應譜法的可靠性，補充小震下的彈性時程分析，與反應譜法的結果進行了對比，計算軟件采用YJK。選擇五條天然波和兩條人工波，其峰值加速度按《建筑抗震設計規范》表5.1.2-2取35cm/s2。彈性時程分析時，考慮雙向水平地震作用，同一組地震波的兩個水平分量的加速度比值取為1:0.85。在波形選擇上，除符合有效峰值、持續時間、頻譜特性等方面的要求外，還應滿足規范對底部剪力方面的相關要求。

計算結果表明，本單體X、Y方向七條時程曲線分析結果的平均值均小于反應譜法的分析結果，故振型分解反應譜法分析結果可用于結構設計。

3.2.3 關鍵構件的中震分析

對于轉換結構的關鍵構件框支框架，工程師對其提出了較高的性能要求，即框支框架中震不屈服[3][4]。

中震不屈服設計地震最大影響系數按中震考慮，取0.23，地震作用效應的組合均按《高規》第5.6.4條進行(不考慮風荷載參與組合)，但分項系數均取1.0，不考慮地震組合內力調整系數，鋼筋和混凝土材料強度取標準值。

對比小震彈性和中震不屈服配筋計算結果可看出，框支柱如果采用小震彈性的配筋結果，在中震下，抗剪能力要求能夠得到滿足，但是抗彎配筋不足[5]。為了達到抗震性能目標，施工圖設計時框支柱全部按中震不屈服配筋結果來進行，并加強箍筋配置，以提高框支柱的延性。

3.2.4 針對超限采取的其他措施

本工程除按規范要求設計外，還采取以下加強措施，以下僅列出其中關鍵幾項:

1)控制剪力墻底部加強區的軸壓比以保證延性，落地剪力墻的配筋率不小于0.6%;

2)加大凹口邊連接板厚度至130mm，按中震彈性下應力圖進行配筋設計，采用雙層雙向加強配筋，并且每層每方向配筋率不小于0.25%[6];

3)對凹口附近豎向構件和框架梁按剛性樓板和彈性樓板兩種情況進行包絡設計，同時凹口附近剪力墻設置約束邊緣構件，框架梁配筋適當放大，箍筋全長加密，并配置扭筋[7-8]。

經過上述計算分析以及構造加強措施，我們認為本工程結構具有良好的抗震性能，計算各項指標滿足現行規范要求，并將該相關報告送交超限高層抗震設防專項審查。

4 超限審查意見修改

項目超限高層審查會中，專家組提出意見:“應補充塔樓在罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析，并根據結構設計概念以及分析結果，對底部加強部位框架和剪力墻提出進一步提高延性設計的抗震措施。”

根據審查意見，重新考量該結構的性能化設計。在確定性能目標之前，工程師首先需要對結構進行屈服機制的預判和耗能路徑的設計。

眾所周知，剪力墻結構合理的構件屈服順序應該是連梁-框架梁-底部墻肢，對整個結構而言則是底部屈服，通過逐步的彈塑性變形消耗地震能量[9][10]。對于框支剪力墻結構，由于存在豎向構件轉換，樓層水平力在轉換層重新分配。若轉換構件(包括框支框架和落地剪力墻)屈服產生二次內力重分配，引起的后果難以估計;而框支框架的破壞，可能會導致其承托的上部剪力墻成片倒塌。故框支剪力墻結構合理的構件屈服順序應該是連梁-框架梁-框支層上部墻肢，對整個結構而言則是轉換層以上屈服;因此必須嚴格把握框支框架的承載力水平，保證其始終晚于上部結構進入塑性狀態。

基于此，工程師確定整個結構在罕遇地震作用下的性能目標為:框支框架保持彈性，落地剪力墻基本保持彈性，轉換層以上墻體可以屈服，主要屈服部位應出現在轉換層以上兩層。

采用中國建筑科學研究院開發的PUSH進行靜力彈塑性分析，藉此來考察結構的彈塑性變形過程，驗證整個結構屈服機制和性能設計目標，并指導后期施工圖設計。靜力彈塑性分析主要結論如下:

1)結構處于大震性能點時所對應結構層間位移角X向為1/260，Y向為1/246，小于規范1/120的限值，說明該結構能滿足“大震不倒”的抗震要求。基底剪力—頂層位移曲線均光滑飽滿，表明結構延性較好，在達到罕遇地震性能點后，曲線上升態勢還比較明顯，可以認為結構仍具有較穩定的剛度，能夠承受罕遇地震的考驗;

2)對于整個結構體系中最為關鍵的框支框架，大震作用下框支梁和框支柱均未出現塑性鉸，仍處于彈性狀態;底部的落地剪力墻僅出現局部拉壓破壞點，基本保持彈性;而轉換層上部，拉壓破壞點遍布于長墻之中;表明整個轉換結構具備足夠的承載力，且不先于上部樓層屈服;靜力彈塑性分析的結果顯示結構滿足專家組提出的對底部加強部位框架和剪力墻更高目標的要求，結構整體屈服情況也與之前的預期相符。

5 靜力彈塑性分析發現的問題

結構在小震下的位移角為1/1008(Y向)，對應大震時為1/246，約為小震4倍，彈塑性變形并不大。根據以往經驗判斷，這可能表明該結構在大震作用下未充分進入屈服狀態，剛度退化不足;由于耗能不充分會使得結構在大震作用下遭受更大的破壞，應仔細分析其原因并加以改進。觀察靜力彈塑性分析中結構的加載和變形過程，發生罕遇地震時，轉換層以上連梁和框架梁并未大面積出現塑性鉸，而大部分長墻肢則充滿了拉壓破壞點(如圖5)，說明該結構梁未能充分發揮其作為“耗能構件”的作用，結構主要憑借長墻肢的屈服來實現有限的耗能，由于長墻肢尚承擔著承載豎向荷載的作用，將其作為主要耗能構件，對結構不利。

分析結構平面布置，不難找出其中的原因。首先，上海地區高度接近90m的剪力墻結構，由于墻厚限制(內墻多數只能為200mm厚)，常常必須做成整片長墻才能滿足剛度需要。其次，由于轉換的存在，也要求上部剪力墻盡可能集中、長片布置，這樣對框支框架體系的架設和框支梁的受力，都比較有利。再者，建筑平面布置的限制，使得南北向墻肢不能對齊，也就未能通過連梁連接形成成片的抗側力體系。由于以上原因，結構主要側向剛度的來源不是聯肢墻體系，而是一片片單獨的長墻，框架梁和連梁在整個抗側力體系中的作用并不大，當結構承受超過自身承載力的作用時，提供主要側向剛度的長墻就會首先屈服，通過墻體剛度退化來消耗地震能量，整個結構的屈服機制不盡合理。

由于結構轉換、剛度以及建筑平面的原因，再來調整結構布置已不現實。工程師只能接受結構耗能構件不足，罕遇地震下必須通過長墻肢塑性變形來消耗地震能量的現狀。如何更好地設計長墻肢，是擺在工程師前面的問題。構件設計必須服從于整個結構的屈服機制和性能目標，如前所述，大震作用下，轉換層上部墻體應首先出現屈服，故不能過分提高墻體承載力，而應采用針對性的設計手段來提高墻體的延性和耗能能力。在確定了以提高構件延性為主的設計方向后，工程師決定采取以下措施:

1)在轉換層以上兩層的范圍內，加強約束邊緣構件的配筋率、配箍率，并在層高處設置600mm高的邊框梁，與約束邊緣構件形成帶邊框剪力墻;

2)在轉換層以上兩層的范圍內，對長片墻肢適當設置結構開洞，洞口大小600mm×800mm，既改善這兩層墻肢的受力性能，又不對整體剛度造成太大影響，并按規范要求對洞口進行補強。

6 結論

1)通過對結構進行各地震水準下的計算分析以及針對性設計，該轉換結構能滿足性能目標要求，具有合適的承載能力和延性。

2)該結構由于兼顧轉換，剛度和建筑布置，形成了以長片墻肢為主要剛度來源的情況，設計師采用一定的措施來保證墻肢的延性。如何更好地設計此類轉換結構，值得進一步研究。

3)構件設計必須服從于整個結構的屈服機制和性能目標，應該在承載力設計和延性設計中找到合適的平衡點。

圖5 3層塑性鉸分布圖

[1]GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[2]JGJ 3-2010.高層建筑混凝土技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[3]徐培福，戴國瑩.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].土木工程學報，2005，38(1):1.

[4]扶長生，張小勇，鞠進，等.高層建筑合理性能目標的選取和實現[J].建筑結構，2011，41(S1)，1-8.

[5]扶長生，張小勇，朱鳳濤.對中震不屈服設防目標的討論[J].建筑結構，2010(8):83-89.

[6]張根俞，朱炳寅，張路等.某大底盤多塔框支剪力墻結構設計與分析[J].建筑結構，2014，44(5):57-61.

[7]扶長生.抗震設計中的平扭耦聯問題[J].建筑結構學報，2006，27(2):40-46.

[8]扶長生，鞠進.樓板不規則及其對結構抗震設計的影響[J].建筑結構，2010，40(6):85-89.

[9]林同炎，S·D·斯多臺斯伯利.結構概念和體系[M].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[10]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2005