高層建筑轉換層抗震設計分析

張旭濤 齊能斌

洛陽智中建筑設計院有限公司 河南洛陽 471000

摘要：本文主要是對高層建筑轉換層整體抗震性能及設計原則，以及應用SATWE軟件對帶短肢剪力墻的轉換層結構抗震設計進行分析。

關鍵詞：轉換層；抗震設計原則；剪力墻；SATWE軟件

一、轉換層整體抗震性能及設計原則

帶轉換層的高層建筑，轉換層上下的豎向結構體系或形式有較大差異，沿建筑物高度方面剛度的均勻性受到破壞，豎向承力構件不連續，墻、柱截面發生突變，導致傳力路線曲折，變形和應力集中，且轉換層自身剛度和質量較大，地震作用下的地震反應力很大，導致帶轉換層的高層建筑的抗震性能較差。從整體受力的角度，可以總結出一些改善轉換層結構抗震性能的方法及設計原則：

1、控制轉換層下部框支結構的等效側向剛度（即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度）。當轉換層設置位置較高時，易使整體結構在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發生突變，尤其是當轉換層位于3層以上時，按彈性動力時程分析得出的結構層間位移角包絡線在轉換層處產生明顯突變，其主要原因就是結構設計中沿用了底層框支剪力墻結構的抗震設計概念，僅控制上部剪力墻結構與下部框支結構的層剪切剛度比γ [γ=（Gi+1* Ai+1 ）*hi/（Gi* Ai ）*hi+1 ] 。事實上，當轉換層位置較高時，下部框支結構在側向力的作用下，由于構件自身彎曲變形以及側向力作用平面內兩端構件的拉伸和壓縮軸向變形所造成的整個下部框支結構的側向位移加大，加上原有的由于剪切變形所造成的側移，相同的側向力作用下，綜合側移加大導致綜合側移剛度減小，轉換層上下的剛度突變加大，轉換層間位移角包絡發生突變。因此，《高規》附錄E提出了一個等效側向剛度γe的概念，用單位側向力作用下下部框支結構的側移與同樣高度的上部剪力墻結構的側移的比值來綜合反映彎曲、剪切和軸向變形對側移剛度的影響。其實質就是使下部框支結構的變形特征及綜合剛度與上部剪力墻結構接近，以避免剛度突變。

2、加強框支柱的強度和延性，以彌補彈性理論分析計算的不足。按照彈性理論的分析結果，在地震作用下，上部剪力墻結構傳遞下來的水平地震剪力通過轉換層樓板的間接傳力途徑在下部框支框架和落地剪力墻之間進行完全的剪力重分配，由于框支框架和落地剪力墻的側向剛度相差懸殊，即使理論分析時考慮了轉換層樓板在平面內的變形及平面外的剛度，框支框架所受水平剪力的理論計算值仍然是比較小的。事實上，由于以下兩個主要原因導致下部框支框架所受的實際水平剪力遠大于彈性計算值：①、部分水平剪力通過抗側力結構自身的直接傳力途徑進行傳遞。地震作用的持續時間僅為30～60S，地面運動加速度正、反方向的變化時間一般在零點幾秒之內，在如此快速的動力作用下，全部內力通過樓板的間接傳力途徑進行傳遞是難以實現的。結構模型振動臺試驗的結果證實：轉換層下部的大部分框支柱出現裂縫，上部剪力墻所受的剪力并未全部通過樓板的間接傳力途徑傳遞到落地筒體，部分內力直接傳給下部與之相連的框支柱上，導致框支柱所受水平剪力遠大于彈性靜力分析結果，對抗震十分不利。②、轉換層下部的落地剪力墻容易出現彎曲、彎剪裂縫，隨著裂縫的出現和發展，落地剪力墻的剛度迅速遞減。剪跨比較大的剪力墻當層間位移達到1/500時，其剛度降低60%，而轉換層下部的支承框架當層間位移達到1/500時，其剛度基本上仍未降低，這將導致整個框支剪力墻結構的剪力和傾覆力矩分配情況與彈性分析結果有較大差異。也就是說，隨著落地剪力墻剛度的降低轉換層附近的剪力突變進一步加劇，框支框架所受的剪力和傾覆力矩大幅增加，形成薄弱部位，對抗震十分不利。因此，當轉換層較高時，框支柱宜采用型鋼混凝土結構，以提高柱的強度和延性。落地剪力墻宜形成筒體，并增強落地墻的承載能力和延性，加強端部約束，且落地剪力墻的間距和數量均嚴于底層框支剪力墻結構，必要時可在落地墻端部配置型鋼，以避免或推遲落地剪力墻出現裂縫和剛度退化。另外，在條件和預算允許的情況下，采用箱形轉換層加大轉換層平面內剛度，可使下部框支柱受力均勻，接近彈性分析的計算假定。

二、應用SATWE軟件進行帶短肢剪力墻的轉換層結構抗震設計

《高規》定義帶轉換層的高層建筑結構為復雜高層建筑結構，SATWE軟件在總信息中相對應的提供了“復雜高層”這種結構體系可供選擇，針對短肢剪力墻結構則相對應的提供了“短肢剪力墻”結構體系可供選擇，認真分析后即可知道，在這兩種結構體系中只有剪力墻在《高規》中有不同的規定，而SATWE計算結果中也確實有不同之處，而其中又尤以轉換層下的落地剪力墻區別較大，且對結構的安全影響也大，故重點分析一下在兩種結構體系中轉換層以下的落地剪力墻的不同之處。（以一棟7度區30層高，轉換層位于第5層的高層建筑為例，轉換層以下既有短肢剪力墻也有普通剪力墻。）

1、抗震等級。《高規》規定短肢剪力墻的抗震等級應提高一級；當轉換層的位置在3層及3層以上時，其框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級宜提高一級。從SATWE的計算結果可以看出，用“短肢剪力墻”結構體系計算的落地短肢剪力墻的抗震等級為特一級，落地普通剪力墻的抗震等級為一級；而用“復雜高層”結構體系計算的兩種剪力墻均為一級。對于轉換層為3層或3層以上的結構，兩種結構體系均要求提高一級，而“短肢剪力墻”結構體系針對短肢剪力墻又提高了一級，故由二級提高到特一級。而對于“復雜高層”結構體系，由于程序不能自動判斷短肢剪力墻，所以抗震等級僅提高了一級。

2、內力分析。從SATWE的計算結果可以看出，在地震組合作用下“復雜高層”結構體系計算出的剪力墻彎矩值一般大于“短肢剪力墻”結構體系計算出的彎矩值。這是因為《高規》規定，對于復雜高層結構其特一、一、二級落地剪力墻底部加強部位的彎矩設計值，應按墻體底截面有地震組合的彎矩值乘以增大系數1.8、1.5、1.25，而短肢剪力墻并沒有要求對底部加強部位的彎矩設計值進行調整。對于短肢剪力墻，兩種結構體系均要求在底部加強部位對剪力設計值進行調整，一級和特一級應分別放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墻”結構體系中落地短肢剪力墻的抗震等級為特一級，而在“復雜高層”結構體系中則為一級，二者的剪力設計值因此相差近20%。另外，在“短肢剪力墻”結構體系中非底部加強部位的短肢剪力墻也提高到一級，其剪力設計值放大1.4，而在“復雜高層”結構體系中非底部加強部位的短肢剪力墻仍為二級，且剪力設計值不放大，二者相差40%。

綜上所述，對于帶短肢剪力墻的轉換層結構如果用SATWE的“復雜高層”結構體系來分析，則可能導致落地短肢剪力墻的抗剪性能受到影響，而如果采用SATWE的“短肢剪力墻”結構體系來分析，則可能導致落地剪力墻的筋量不足。可見，單純按某一種結構體系計算都有可能帶來不安全的隱患，只有按兩種結構體系分別計算，才能充分考慮到規范規定的所有不同因素，得到一個完整的結構設計。因此，對于處于底部加強部位的剪力墻，無論是落地剪力墻還是轉換層以上兩層內的上部剪力墻，若采用了“復雜高層”結構體系計算，就必須手工復核短肢剪力墻的縱筋配筋率。

參考文獻：

[1]陳勇.帶梁式轉換層的高層建筑抗震性能的研究[D]. 西南交通大學，2008

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