某帶轉換層高層建筑的抗震設計分析

趙煥金 任家福

（陜西省建筑設計研究院有限責任公司 710018）

前言

隨著現代建筑技術的不斷發展，高層建筑應運而生，高層建筑能夠將人類對地表空間的應用從傳統的橫向應用轉化到縱向應用上，極大程度上解決了有限的地表空間對人類活動的影響。現代高層建筑結構設計過程中存在著一定程度的結構設計沖突，從結構合理層面來講，高層建筑自下而上應當是下部空間小剛度大，而上部空間大剛度小；但是功能性需求卻要求建筑上層空間大剛度小，下層空間大剛度小[1～2]。這種建筑功能性需求要求高層建筑需要通過轉換層來解決建筑結構設計和布局問題。隨著人類對地震的認識及地震對人類生命財產的影響不斷嚴重，越來越多的學者認為結構抗震是現代建筑必須重視的一個領域，但是目前的研究證明，針對高層建筑的抗震研究仍然需要結合工程案例具體分析。

1 工程概況

某高層建筑分為地上結構與地下結構，地下結構為1層，主要作為停車場及設備室，高度4.50m；地上結構為30層，總高度99.00m，建筑面積14535.82m2，其中1～6層位商用層，7～30層位住宅層，轉換層設置于6層。因為轉換層設置處于較高層，根據相關規范[3]中的規定，本工程應當為帶高位轉換層的不規則項的超高層建筑結構。該工程的一層、轉換層及標準層平面圖如圖1所示。

圖1 結構不同層的平面布置圖

工程的結構主要參數分析如下：

結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級二級，抗震設防類別丙類，抗震設防烈度Ⅶ度，場地類別II類，特征周期0.35s，周期折減系數0.85，阻尼比0.05。建筑50年一遇基本風壓0.35kN/m2，50年一遇基本雪壓0.35kN/m2，根據《高規》中相關規定，建筑高度超過60m時設計過程需按基本風壓的1.1倍取值。

2 計算結果

利用振型分解反應譜法（CQC法）對本方案的抗震性能進行模擬計算，現將計算結果整理如下：

2.1 基本動力特征

計算過程中為了保證振型參與質量大于總質量的95%，并且驗證復雜高層建筑的結構抗震情況，振型選擇數量為36個。前9個振型作用相對明顯，周期與振型關聯情況如表1所示。

表1 周期與振型匯總表

第一振型均為X方向為主的平動，第二振型為Y方向為主的平動，第三振型為以扭轉為主的振動形態，后續振型均為復合地震振型。通過計算我們發現本次案例的震動周期比滿足《高規》中相關要求。

2.2 X向及Y向地震作用

本案例的X向及Y向地震作用情況如圖2所示。

圖2 X向及Y向地震作用曲線圖

從地震作用曲線圖上分析我們不難看出在樓蓋部分（30層）及轉換層（6層）部分地震作用出現了比較明顯的增大。因為任何建筑高度越高則會造成剛度越小，地震作用表現明顯是符合要求的。但是轉換層部分的地震作用明顯則代表轉換層及轉換層上下基層是建筑結構抗震設計和驗算的重點。

2.3 地震剪力計算情況

根據大量研究顯示，在進行抗震結構設計過程中，轉換層附近極易出現剪力的突變，因為轉換層的上下層結構形式和剛度差異較大，在地震作用下容易出現結構的薄弱層或薄弱點，所以在進行抗震結構設計時需要對轉換層附近的地震剪力進行驗算，并且根據計算結果進行加強。故此需要對轉換層的構件進行加強設計。

2.4 地震作用下的結構變形

《抗規》《高規》都對高層建筑，尤其是結構復雜的高層建筑變形情況進行了規定，因為在地震作用下如果結構發生較大變形，極有可能造成結構變形而失去承載力，進而受損。《高規》中規定對于A級高度的高層建筑，樓層豎向構件水平位移及層間位移不宜大于該樓層均值的1.2倍，不應大于該樓層均值的1.5倍。樓層層間最大位移與層高比值不大于1/1000。

通過數據分析發現，無論是X向還是在Y向地震作用下，轉換層下部結構的樓層位移情況增速相對具備規律性，可以用近似的直線進行表示，轉換層上部結構的樓層位移也具備規律性，但是在轉換層部分卻有一定程度的突變，轉換層下部過度到轉換層上部時，樓層位移曲線的斜率有明顯減小的趨勢。

3 結論

本案例是一個在高位轉換的復雜結構高層建筑，通過CQC法計算結構的基本動力特征、地震作用、地震剪力和結構變形等情況，對照其他學者對轉換層抗震結構的研究后筆者發現，高層建筑抗震設計的轉換層位置在同等轉換層結構形式下對建筑抗震能力有明顯的影響。轉換層越高的建筑結構樓層的地震作用、地震剪力都會有明顯的增大，進而容易影響建筑結構（尤其是轉換層）的樓層位移，容易造成建筑結構的薄弱層，所以在帶高位轉換層的高層建筑抗震設計過程中要做好驗算工作，尤其是轉換層附近的樓層部分，適當采用加強設計，避免高層建筑在地震作用下出現損壞情況。

通過本次設計，筆者對帶高位轉換層的高層建筑進行了抗震能力的計算，結果表明本案例設計是成功的，滿足規范要求。