某高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

韋會強

上海建筑設(shè)計研究院有限公司（200041）

某高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

韋會強

上海建筑設(shè)計研究院有限公司（200041）

以某具體高層工程為對象，結(jié)合高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的特點，對其抗震設(shè)計方法進行了探討。

高位轉(zhuǎn)換；高層；抗震設(shè)計

0　引言

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》），底部空間部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)在地面上的大空間層數(shù)，8度不宜超過3層，7度不宜超過5層，6度時層數(shù)可適當(dāng)提高，對于高位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層附近剛度、內(nèi)力突變，易形成薄弱層，不同于底層的框支剪力墻，這里通過一個七層轉(zhuǎn)換的例子，探討有關(guān)高位轉(zhuǎn)換的一些問題。

1　工程概況

某項目位于無錫市郊，III類場地，為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，共31層，轉(zhuǎn)換層位于7層，層高4.5 m；轉(zhuǎn)換層以上為設(shè)備層，層高2.9 m，設(shè)備層以上為住宅，層高2.9 m；轉(zhuǎn)換層以下為辦公，地下一層4.8 m，1層層高為6.15 m，2～6層各層層高為4 m，總高度98.60 m，樓蓋為現(xiàn)澆板，基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)，坐落在地下車庫之上，并且地下室頂板為嵌固端。根據(jù)抗震規(guī)范，設(shè)防烈度為6度，設(shè)計分組為第一組，加速度0.05 g，根據(jù)荷載規(guī)范，地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓Wo=0.45 kN/m2，房屋高度＞60 m，承載力設(shè)計時按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。基本雪壓So=0.4 kN/ m2。

2　超限情況說明

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，存在樓層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2。

2）構(gòu)件間斷，8號樓存在7層轉(zhuǎn)換，為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

3）在轉(zhuǎn)換層處，上部結(jié)構(gòu)樓層收進部位到室外地面的高度H1與房屋高度H之比H1/H=28.96/ 98.6=0.29＞0.2，樓層收進后的水平尺寸B1/B=18.2/ 28.6=0.64＜0.75，超過《高規(guī)》3.5.5條規(guī)定。

4）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.4.3條關(guān)于側(cè)向剛度不規(guī)則的規(guī)定，樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值為80%。因2層層高6.15 m，層剛度比不滿足，為滿足規(guī)范對層間受剪承載力的要求，柱內(nèi)插入型鋼，使剛度軟弱層與承載力薄弱層不在同一層，計算時樓層地震力放大1.25倍。

綜合各不規(guī)則項，該樓為超限復(fù)雜高層建筑。

3　抗震參數(shù)及抗震性能目標的確定

綜合考慮結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和造價因素。該結(jié)構(gòu)最終的性能目標為：整體性能目標選為C，框支框架、轉(zhuǎn)換層樓板是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件，該建筑又為高位轉(zhuǎn)換，框支框架和轉(zhuǎn)換層樓板做到中震彈性。

表1　抗震參數(shù)及抗震性能目標

4　針對超限情況的抗震措施

4.1計算方面

1）整體計算模型

本單體嵌固于地下室頂板，計算分析時，與其他樓間相互影響，按單獨進行計算分析。

2）整體分析

對該結(jié)構(gòu)分別進行三階段抗震設(shè)計，以確保建筑物的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目標：

小震分析：利用SATWE、ETABS分別進行振型分解反應(yīng)譜法分析，并做對比；用彈性時程分析法作為補充計算。

中震分析：利用SATWE進行振型分解反應(yīng)譜法分析。

大震分析：利用PUSH&EPDA對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析（PUSH-OVER），進行罕遇地震作用下的變形驗算。

3）樓板應(yīng)力分析

采用PMSAP對8號樓轉(zhuǎn)換層及上、下一層樓板，進行各級地震作用及風(fēng)荷載作用下樓板應(yīng)力分析。

4）框支框架應(yīng)力分析用框支有限元（FEQ）進行框支框架應(yīng)力分析。

4.2構(gòu)造措施方面

1）框支框架。為了提高框支框架的抗震性能目標，框支柱、框支梁按照中震彈性，并驗算大震作用下，抗剪截面驗算。體型收進部位即轉(zhuǎn)換層上下各兩層根據(jù)《高規(guī)》10.6.5條，抗震等級由一級宜提高為特一級。

2）落地剪力墻?？刂坡涞丶袅Τ袚?dān)的地震傾覆力矩大于總地震傾覆力矩的50%。底部加強部位剪力墻抗震等級為一級。

3）轉(zhuǎn)換層處樓板厚200 mm。轉(zhuǎn)換層及下一層樓板板厚150 mm。

4）短肢剪力墻?？刂戚S壓比及全截面配筋率滿足《高規(guī)》7.2.2條。

5）框支柱水平地震剪力標準值調(diào)整。每層框支柱承受剪力之和應(yīng)至少取結(jié)構(gòu)基底剪力的30%。

5　結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總及比較

5.1小震計算結(jié)果

1）周期比SATWE計算結(jié)果T1=2.313 2，T3= 1.789 3，T3/T1=0.77。

周期比 ETABS計算結(jié)果 T1=2.406 8，T3= 1.808 0，T3/T1=0.75。

2）彈性位移角及位移比

圖1　地震波0度角作用下最大樓層剪力及位移曲線圖

反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)位移計算結(jié)果風(fēng)力作用及地震作用下均滿足規(guī)范要求，位移比小于1.4。

3）反應(yīng)譜法底部地震剪力、地震傾覆力矩、底部剪力系數(shù)計算結(jié)果相當(dāng)，有效質(zhì)量系數(shù)大于90%。

4）轉(zhuǎn)換層上、下層側(cè)向剛度比，X向=1.00，Y向= 0.87，均大于規(guī)范限值0.6；X向=4.981 1，Y向= 3.938 2，均大于規(guī)范限值0.8；時程法選取地震波0度、90度角進行分析，因篇幅，僅列出0度結(jié)果，如圖1。

5.2中震計算結(jié)果

1）分析結(jié)果

表2　反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)位移計算結(jié)果

表3　反應(yīng)譜法底部地震剪力、地震傾覆力矩、底部剪力系數(shù)計算結(jié)果

5.3大震彈塑性分析

該工程雖位于6度區(qū)，考慮到結(jié)構(gòu)規(guī)則性與結(jié)構(gòu)所處的位置無關(guān)。且實際地震時，發(fā)生超過設(shè)防烈度的地震作用，不在少數(shù)，如汶川、玉樹等。為得到全面的彈塑性認識，補充7度大震作用下結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)。

圖2　彈塑性分析

5.4專項計算分析（樓板應(yīng)力分析）

表4為該樓各級地震及風(fēng)荷載作用下轉(zhuǎn)換層及上、下層樓板最大主應(yīng)力（采用PMSAP）。

表4　

6　結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合評價

根據(jù)報告的分析以及計算結(jié)果，結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》等有關(guān)規(guī)定，對該結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合評價如下：

1）我們對本超限超高層結(jié)構(gòu)在小震作用下采用了彈性反應(yīng)譜和動力時程兩種方法進行彈性內(nèi)力分析，并進行了第一階段設(shè)計；在中震作用下采用了彈性反應(yīng)譜進行彈性內(nèi)力分析對重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行第二階段設(shè)計；在罕遇地震作用下，采用了彈塑性靜力（PUSHOVER）分析方法，對結(jié)構(gòu)進行了進一步的彈塑性受力變形分析，即第三階段設(shè)計。大震時該結(jié)構(gòu)處于“輕微破壞”至“中等破壞”狀態(tài)間，連梁及局部剪力墻進入屈服狀態(tài)。結(jié)構(gòu)達到了預(yù)期的抗震性能目標。結(jié)構(gòu)彈塑性發(fā)展情況表明該結(jié)構(gòu)具有良好的屈服機制，基本構(gòu)架了結(jié)構(gòu)多道防線，并起到耗能作用。大震時最大層間位移角均小于1/ 120，結(jié)果表明可以滿足“大震不倒”抗震設(shè)防目標要求，也滿足抗震性能目標。

2）該結(jié)構(gòu)雖存在剛度軟弱層和豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換層（不在同一層），對剛度軟弱層和轉(zhuǎn)換層樓層地震力放大1.25倍，且加強落地剪力墻、框支框架及轉(zhuǎn)換層上、下樓板。經(jīng)大震分析表明，結(jié)構(gòu)不存在明顯的結(jié)構(gòu)薄弱層。剛度柔軟層和轉(zhuǎn)換層均不是結(jié)構(gòu)承載力薄弱層，無塑性變形集中現(xiàn)象。

綜上所述，根據(jù)各項指標結(jié)果，可得出以下結(jié)論：該樓存在高位轉(zhuǎn)換，且存在豎向剛度不規(guī)則（超限），但經(jīng)過采取適當(dāng)?shù)募訌姶胧┎⑦M行三階段設(shè)計，完全能夠達到現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的三水準設(shè)防目標。

［1］建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.