超高層住宅轉換構件超限設計分析

謝鴻文

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 工程概況

某商住綜合體位于抗震設防烈度7 度區，設計基本地震加速度值0.1g，1～5 棟住宅塔樓共42 層（主屋面結構高度138.5m），構架層共1 層（結構高度144.2m），轉換層位于第4 層（根據《高規》中“部分框支剪力墻結構在地面以上設置轉換層的位置7 度時不宜超過5 層”規定，不屬于高位轉換），本項目塔樓屬于超B 級高度的超限高層建筑，建筑效果如圖1 所示。

圖1 建筑效果

2 部分框支剪力墻結構體系布置

核心筒為鋼筋混凝土剪力墻，框支柱主要為型鋼混凝土柱，框支梁為型鋼混凝土梁，樓蓋為鋼筋混凝土樓蓋。重力荷載通過樓面水平構件傳遞給剪力墻和框支柱，最終傳遞至基礎，水平荷載產生的剪力和傾覆彎矩由框支柱與剪力墻共同承擔[1]，模型三維如圖2 所示。

3 抗震等級及性能要求

圖2 模型三維

根據《高規》要求，底部帶轉換的高層建筑結構，底部加強區取至轉換層以上兩層（第6 層），對于本項目結構，轉換層位置位于4 層，剪力墻底部加強部位抗震等級按規范提高一級為特一級，B 級高度框支框架已為特一級，可不提高。非底部加強區墻、柱、梁抗震等級為一級。本工程結構以“三個水準”為抗震類設防目標，選定結構抗震性能目標C 級，即多遇地震按第1 性能水準，設防烈度地震按第3 性能水準，罕遇地震按第4 性能水準[2]。

4 特一級框支柱、框支梁計算要求

框支柱采用型鋼混凝土柱，框支梁采用型鋼混凝土梁。在小震計算時需滿足彈性要求，且計算時，框支柱、底層柱下端及轉換層相連的柱上端的彎矩增大系數ηc=1.8，柱端剪力增大系數ηcv=1.68，地震作用產生的柱軸力增大1.8 倍。對于角柱應該按上述增大后的彎矩、剪力設計值再行放大1.1 倍。轉換層框支柱承受剪力之和應不小于結構基底剪力的30%，框支柱彎矩應相應調整，框支梁剪力、彎矩可不調整；中震計算時滿足：SGEK+1.05×，其中為中震作用標準值，剪、壓計算時承載力利用系數ξ=0.74，拉、彎計算時ξ=0.87；大震受剪截面計算時滿足：，其中為大震作用的構件剪力標準值[3]。

5 轉換層樓板計算要求

轉換層（第5 層）樓面板厚取值180mm，配筋為HRB400（Ⅲ級鋼筋）14@150（配筋率5.7%）雙層雙向拉通。通過采用殼單元模擬該層樓板，了解框支轉換層在不同工況作用下的樓板截面剪應力情況。根據《高層》第10.2.24 條，樓板剪應力應滿足Vf≤通過計算后樓板的剪應力控制上下限位定為[-3.25MPa，3.25MPa]。從各剪應力云圖可知，大部分區域應力在控制范圍內，應力較大的區域主要集中在核心筒的角部、核心筒內剪力墻端部、轉換柱周邊以及轉換梁的交接部位，需通過有限元配筋計算結果進行配筋補強[1]。

表1 基底最大總剪力及最大層間位移角

6 時程分析

根據《高層》規定，需采用彈性時程分析程序對建筑物在多遇地震作用進行補充驗算。輸入地震波為兩組實際地震記錄和一條場地合成人工波進行彈性動力時程分析。進行彈性動力分析時按7 度地震Ⅲ類土，50 年時限內超越概率為63.2%（小震），阻尼比為0.05 考慮，如表1 所示。

（1）時程分析結果滿足底部剪力包絡值不小于CQC 法計算結果的80%，每條地震波底部剪力不小于CQC 法計算結果的65%的條件。

（2）多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%。

（3）塔樓位移曲線以彎曲型為主，位移曲線光滑無突變，反映結構側向剛度較為均勻。

7 大震PUSH-OVER 分析（EPDA&PUSH）

靜力推覆分析分析可以通過施加逐步增大的水平力來模擬水平地震的作用，水平力的施加采用三角荷載模式。在材料非線性和幾何非線性的計算中，隨著推覆力的增加，結構各部分從彈性階段逐漸發展到塑性階段，然后部分結構破壞，直到整體結構的倒塌。從中可以了解整個結構的受力特性以及各個構件的破壞機制，如圖3 所示。

圖3 0 度、90 度方向轉換層性能點處塑性鉸分布

分析可知，轉換層剪力墻連梁剛度明顯退化，個別剪力墻進入塑性，塑性程度較淺，框支柱、框支梁未出現塑性鉸，均處與彈性階段，滿足性能水準要求。

8 轉換構件設計及施工注意事項

框支柱箍筋應沿柱全高加密，柱最小配箍率特征值λV 應按規范要求值再增大0.03，且箍筋體積配箍率不小于1.6%，全部縱向鋼筋配筋率不應小于1.6%，框支柱在上部剪力墻范圍內的縱筋應伸入上部剪力墻體內一層，其余從柱邊計起，錨入轉換梁內或板內LaE[4]。

框支梁縱向鋼筋最小配筋率不小于0.6%，箍筋最小面積配筋率滿足特一級要求1.3ft/fyv。偏心受拉的轉換梁支座上部鋼筋應有50%沿梁全長貫通，下部鋼筋全部直通錨入柱內。轉換梁鋼筋第一排縱向鋼筋應向柱內彎折錨固，且應延伸過梁底LaE，轉換梁縱向鋼筋同一連接區段的接頭率不宜超過50%。

9 結論

塔樓本身為存在凹凸不規則、扭轉不規則、樓板不連續、豎向構件不連續四項超限的超高層建筑，對關鍵構件設定抗震性能化目標，并在抗震設計中，采用多種程序對結構進行彈性、彈塑性計算分析，除保證轉換構件在小震下完全處于彈性階段外，還補充了關鍵構件在中震和大震下的驗算。計算結果表明，多項指標均表現良好，塔樓各構件除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，亦能實現設定的整體抗震性能目標——達到C級抗震性能目。