談高位轉換建筑的結構設計

張 輝

(運城市建筑設計研究院，山西 運城 044000)

0 引言

現以7度區一棟商住建筑為例，該建筑采用框支剪力墻結構，轉換層位于地面以上第6層，房屋總高度大于80 m，結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，屬于標準設防類(丙類建筑)。該工程所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組。根據JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱《高規》)，底部加強區剪力墻和框支柱抗震等級為特一級，框架梁(框支梁)為一級，上部剪力墻為二級。基本風壓為0.45 kN/m2(按50年一遇概率取值)，設計采用的基本風壓為0.50 kN/m2(因該建筑總高度大于60 m,故設計時按基本風壓的1.1倍采用,即0.45×1.1=0.50)。地面粗糙度按B類考慮。

以下就該建筑的結構設計，淺談一下高位轉換結構的構件設計原則及計算參數的注意事項，供設計師們參考。

1 高位轉換結構設計時的注意事項

1.1 構件布置時的注意事項

底部大空間建筑最主要的地震震害表現為底部剛度較柔，上部較剛，一般發生地震時建筑底部薄弱層出現應力集中、變形集中，使底部出現過大的側移造成嚴重的破壞，從而坍塌。所以為避免發生此類震害，最為關鍵的就是如何控制此類建筑的上下層剛度比。7度區轉換層位置不宜超過地面以上5層，因該建筑轉換層位于地面以上第6層，故屬于高位轉換。

構件布置時應注意落地剪力墻，如核心筒底部的墻體應該加厚，且開洞不宜設置在四角。轉換層板厚不宜小于180 mm，雙層雙向配筋，且配筋率不宜小于0.25%；轉換層上、下一層的樓板板厚也應較其他樓面適當加強，設置為130 mm。轉換梁宜盡量與轉換柱的中心線重合，梁高根據建筑凈高要求盡量控制在2 m以內(初步設置時可按1/4梁跨取值，不宜小于計算跨度的1/8)，梁寬按實際情況在轉換梁受力較復雜時適當加大。當轉換梁與上部墻體偏位時，須設置垂直方向的次梁。轉換層必須嚴格考慮轉換構件的偏心，以計算對轉換梁的扭矩影響。剪力墻尤其是某些帶小墻肢的，必須局部設置剛性桿，確保上部剪力墻荷載傳遞到轉換梁上。剪力墻轉換時盡量避免在轉換梁端部及框支中柱上方開洞，避免應力集中，如圖1所示。

一般框支剪力墻結構中的轉換層屬于薄弱樓層，不論其剛度比值如何，按《高規》第3.5.8條規定，轉換層必須強制設置為薄弱層，地震力放大系數應取1.25的增大系數。

1.2 規范、計算模型的參數判別

根據《高規》附錄E.0.1～E.0.3條及3.5.2條規定，可以判斷低位轉換時轉換層所在位置上、下層的側向剛度比應為等效剪切剛度比，而高位轉換時上、下部結構的側向剛度比則為剪彎剛度比。且PKPM自動選擇的剛度計算方法也是選擇此兩項參數。

轉換結構就本身概念而言，即為轉換，上下層豎向構件不連續，剛度發生突變，導致應力集中，先天條件不足。對于低位轉換，《高規》的側重點在于轉換層與其上一層的剛度變化突變值。規范要求此剛度比宜接近1，就是結構剛度盡量不要產生突變。《高規》3.5.2條也是基于同樣的道理。對于高位轉換，轉換層設置的位置越高，其發生剛度改變的區域高度就越大，故下部的轉換結構區與上部非轉換結構區的對比就越大，僅僅滿足之前相鄰層的剛度比明顯不合理，也不安全。故《高規》的側重點在于上下部結構的剪彎剛度比，不僅為了反映整個區域的剛度變化，也同時為了控制轉換層位置不宜太高，轉換豎向構件所在的區域也不宜太高。對于沒有剛度突變的結構，比如純框架結構、剪力墻結構，就很少存在此類問題。

2 高位轉換的計算要求

2.1 結構周期比、剪重比、位移角等主要參數要求

本工程結構計算采用中國建筑科學研究院編寫的《PKPM》系列軟件(2010版)SATWE，其結構計算主要參數見表1。

表1 結構計算參數

周期比：T3/T1=1.797 0/2.400 0=0.749<0.85。

剪重比：X向樓層最小剪重比=2.00%>1.6%；X向的有效質量系數:95.57%>90%;Y向樓層最小剪重比=2.00%>1.6%；Y向的有效質量系數:95.57%>90%。

位移角：X向最大值層間位移角:1/1 205<1/1 000;Y向最大值層間位移角:1/1 266<1/1 000。

經計算，本工程的周期比、剪重比、位移角均能滿足規范要求。

2.2 剛度比參數要求

模型計算結果給出三種側向剛度值(其中第6結構層為轉換層)：

剪切剛度：RJX1，RJY1；

剪彎剛度：RJX2，RJY2；

地震剪力與地震層間位移的比：RJX3，RJY3。

由本文1.2節對規范的理解，再根據相關規定，得出以下關于高位轉換剛度比的幾點要求：

1)地震剪力與地震層間位移的比：RJX3(6)/RJX3(7)>0.6；RJY3(6)/RJY3(7)>0.6。

比值計算：4.840 0E+06/6.870 8E+06=0.704；4.560 2E+06/6.051 5E+06=0.754，故滿足要求。

2)剪切剛度：RJX1(6)/RJX1(7)>0.5；RJY1(6)/RJY1(7)>0.5。

比值計算：2.403 4E+07/7.698 9E+07=0.312；3.522 8E+07/7.617 8E+07=0.462。

當無法滿足時，須要求1)中X，Y向比值大于0.7，故本工程仍滿足要求。

3)高位轉換剪彎剛度比：轉換層以下結構剪彎剛度/轉換層以上結構剪彎剛度比大于0.8(按1.0控制)。計算結果如下：

X向下部剛度=0.877 3E+07；X向上部剛度=0.765 9E+07；X向等效剛度比=1.145 4；

Y向下部剛度=0.120 2E+08；Y向上部剛度=0.709 7E+07；Y向等效剛度比=1.693 7。

故滿足要求。

4)高度修正后剪彎剛度比：RJX2(6)×H(6)/RJX2(7)×H(7)>1.1。

比值計算：(3.189 6E+07×6.5)/(5.203 1E+07×3.3)=1.207，故滿足要求。

通過以上各項指標的計算結果，可以初步判定本工程側向剛度比滿足要求。

3 高位轉換的其他計算要求

3.1 彈性時程分析

《高規》5.1.13條規定應采用彈性時程分析法對結構進行補充計算。其目的就是通過采用實際地震波(1條人工波，2條天然波)驗證在多遇地震作用下結構底部及各層地震剪力是否與振型分解反應譜法一致，如不一致，對振型分解反應譜法(CQC法)計算的地震剪力進行修正。步驟如下：

1)選波。

按照多遇地震作用的特征周期進行選波，并與CQC法計算的地震剪力“在統計意義上相符”。選取地震波結構底部剪力單波值不小于CQC值的65%，多波平均值不小于CQC值的80%。實際操作時讓各條波底部剪力在CQC值的80%～100%左右，即使其計算結果與CQC吻合，且調整數值不要過大。且時程波與振型反應譜法所用的地震影響系數曲線比對應在結構主要振型的周期點(即T1,T2,T3)上相差不大于20%。

2)根據位移比、位移角曲線、剪力曲線等判斷結構薄弱層是否與CQC計算相符。

3)根據計算結果將各層X,Y向地震剪力調整系數回代入CQC計算參數設置中重新計算，并使高位轉換的側向剛度比滿足要求。

3.2 第二種不同力學模型軟件復核計算

《高規》5.1.12規定體型復雜的高層建筑應至少采用兩個不同力學模型軟件復核計算，故本工程采用PKPM中的PMSAP對計算模型進行補充復核計算，側向剛度比仍然要滿足要求，且設計時應注意各項參數、配筋取包絡值。

3.3 罕遇地震作用下彈塑性分析

《高規》5.1.13規定宜采用彈塑性靜力、動力分析來補充計算。其目的就是為了計算薄弱部位的位移反應和變形能力，即考察層間位移角，并判斷薄弱層和薄弱構件所在位置。通過考察塑性角出現的位置,判斷強剪弱彎、強柱弱梁的實施情況，并給出結構設計時的加強對策。

4 結語

在面對復雜高層設計時，除了需要熟悉相關的設計規范和圖集外，還應多交流多學習。設計人員更應在滿足規范的前提下，理解規范的出發點，利用正確的概念進行設計，使結構設計更完善，保證房屋的安全、適用和經濟性。