带转换层的高层建筑结构抗震设计

带转换层的高层建筑结构抗震设计

李淑娟

香港华艺设计顾问(深圳)有限公司广东深圳518000

摘要：高层建筑采用了转换层以满足不同建筑功能的需求，但带转换层的高层建筑结构抗震设计也逐渐引起了工程界的广泛关注。本文结合工程实例，介绍该工程结构布置的特点和结构抗震性能目标，对转换结构抗震性能设计进行详细的阐述，以期能为今后带转换层的高层建筑抗震结构设计提供一定的参考价值。

关键词：转换层；结构；抗震性能；设计

引言

随着经济的不断发展，为了满足建筑使用功能的要求，建筑底部需要设置大空间，上部楼层的部分剪力墙不能直接连续贯通落地，从而需要设置转换层，这种结构形式称为带转换层高层建筑结构。高层建筑转换层的设计造成建筑物的刚度发生突变，在水平地震荷载作用下，转换层上下易形成薄弱环节。建筑转换层结构的抗震设计一直是建筑结构设计的重点，要使工程建设真正能够减轻甚至避免地震带来的危害，把握好抗震设计是关键。因此，高层建筑转换层的抗震设计必须科学合理。下文就对带转换层高层建筑抗震设计进行研究。

1工程概况

该旧改项目由高层住宅、商业裙房、幼儿园和地下室四部分组成，总建筑面积约186271m2。1栋B座采用部分框支剪力墙结构，地上41层，转换层位于第3层，结构主屋面高度为128.20m，建筑高宽比为5.8；商业裙房共2层，屋面高度为9.500m；地下室3层，底板面标高为-14.800m。1层层高为6.2m，2层层高为4.8m，3层架空层(转换层)层高为6.6m，转换层上一层层高为3.25m，标准层层高均为2.95m。建筑剖面图见图1。

该工程设计基准期及结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级；工程设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg及最大地震影响系数αmax分别为0.35s和0.087s(安评报告取值)；框支框架和底部加强部位剪力墙抗震等级为特一级，框架及一般部位剪力墙抗震等级为一级；地面粗糙度为C类，风荷载作用下结构水平位移计算时基本风压为0.75kN/m2，承载能力计算时取基本风压的1.1倍；采用人工挖孔或机械钻孔灌注桩基础，选择中～微风化粗粒花岗岩作为桩端持力层。

2结构布置

本工程结构布置采取如下措施:1)在建筑端部布置落地剪力墙，在增加整体结构侧向刚度的同时，增大了结构的抗扭承载能力；2)沿核心筒周边布置框支柱，减小了转换梁的跨度从而减小梁高，同时避免了二次以上的转换，可有效地降低转换层的造价；3)由于采取了第2)条措施，核心筒墙厚承受竖向荷载明显较小，墙厚得以减薄，有效地减小了对建筑走廊净宽的影响；4)标准层剪力墙对齐布置，形成连肢墙受力提供更大的侧向刚度，从而减小了墙厚对套内有效使用面积、设备管线竖向布管及凸出墙体影响美观的影响。转转层、标准层结构平面布置图见图2，3，主要结构构件截面尺寸和混凝土强度等级见表1。

3结构抗震性能目标

该工程存在高度超限、竖向不规则、扭转不规则、楼板不连续、4层以下存在穿层柱等不规则项，属于超A级高度的特别不规则结构，于2012年3月进行申报并通过超限高层建筑工程抗震设防专项审查。综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑物的功能、结构的特征、构件的部位和重要程度以及发展商的需求，结构抗震性能目标选定为C级。针对抗震性能目标的不同抗震性能水准，设计时具体计算控制指标见表2。

结构抗震性能目标表2

4结构抗震性能设计

结构抗震性能设计分析论证是通过深入的计算分析和工程判断，找出结构有可能出现的薄弱部位和薄弱构件，提出有针对性的抗震加强措施，分析论证结构可达到预期的抗震性能目标。

4.1多遇地震作用下的弹性计算分析

4.1.1多遇地震和风荷载基本组合下整体分析

采用SATWE及MIDAS/GEN两种三维空间结构分析程序按振型分解反谱法进行抗震计算分析，整体计算分析结果见表3。

整体计算分析主要计算结果表3

通过计算数据分析，两种模型的位移响应和内力计算结果比较接近，控制指标出现楼层的位置也比较一致；周期比、层间位移角、最大扭转位移比、层间刚度比、剪重比、楼层侧向刚度比、楼层受剪承载力、刚重比及框支框架倾覆弯矩百分比等各项指标均满足规范要求。

4.1.2多遇地震弹性时程计算分析

采用《场地安评报告》提供五条天然波及两条人工模拟的加速度时程曲线进行弹性时程分析，七条时程曲线计算所得基底总剪力均大于振型分解反应谱求得的基底总剪力的65%(最小比值75%)；七条时程曲线计算所得基底总剪力的平均值大于振型分解反应谱求得的基底总剪力的80%(最小比值93%)。根据弹性时程分析的楼层位移曲线、层间位移角曲线、剪力曲线、弯矩曲线(从略)结果显示，七条时程曲线计算所得各指标值均小于振型分解反应谱的相应值，因此规范反应谱的计算结果可以作为结构设计的依据。

4.2设防烈度地震作用下弹性及不屈服计算分析

采用弹性楼盖模型，地震影响系数最大值αmax和特征周期按安评报告取值、取消组合内力调整、连梁刚度折减系数取0.5、并不考虑风荷载效应。其中，中震弹性分析时材料强度取设计值、荷载作用分项系数及材料分项系数和承载力抗震调整系数同小震取值；中震不屈服分析时材料强度取标准值、荷载作用分项系数及材料分项系数和抗震承载力调整系数均取1.0，整体计算指标见表4。可以看出，结构体系部分连梁达到屈服阶段但整体结构满足性能水准3规定的层间变形控制条件；基底总剪力水平也说明结构在中震下具有足够的刚度和承载能力。

中震整体计算指标表4

4.2.1普通竖向构件及耗能构件的中震不屈服分析

(1)非底部加强部位剪力墙

选取剪力墙受力较大或变截面处楼层作为墙身最大应力分析的控制楼层，考虑剪力墙平面外翼缘的影响。压应力最大值为15.56MPa，剪应力最大值为1.51MPa，均小于对应混凝土的抗压和抗拉承载力设计值，未出现墙肢整体受拉情况。

(2)连梁、框架梁和次梁

8～33层部分连梁的抗弯配筋较小震作用下的配筋有所增加，出现抗弯屈服，但未出现抗剪屈服；框架梁和次梁的抗弯、抗剪均为弹性。

4.2.2关键构件的中震弹性分析

(1)底部加强部位剪力墙和框支柱

框支柱和剪力墙轴压比较小震结果稍有增大，轴压比最大值:框支柱0.62，落地剪力墙0.34，转换层上一层剪力墙0.47；计算配筋较小震结果稍有减小；压应力最大值为20.48MPa，剪应力最大值为1.98MPa，均小于对应混凝土的抗压和抗拉承载力设计值，未出现墙肢整体受拉情况。

(2)框支梁

部分跨度较大框支梁支座配筋结果较小震结果增大，大部分框支梁仍是构造配筋。考虑到框支梁在本体系结构中的重要性，且通常体积较大、应力状态复杂、受力多为受拉弯构件。故采用ETABS的壳单元来模拟框支梁，对其在小震和中震作用下的应力分布进行详细补充分析，并根据计算结果进行配筋设计，确保框支梁的受剪截面和所有工况下足够的承载能力。框支梁应力分析工况和目标要求见表5。

转换层楼板及结构拉板应力分析结果表5

各工况下计算的X向应力分布，小震作用下最大正应力约为6.3MPa，最大剪应力约为4.2MPa；中震反应谱组合下最大正应力约为6.8MPa，最大剪应力约为4.5MPa。各工况最大剪应力均小于按《混凝土规范》附录G.0.3深受弯构件极限剪应力1/60(7+Lo/h)βcfck=6.65MPa，框支梁未发生抗剪破坏，而全截面拉压应力小于2.85MPa。在配置适当的钢筋后，其极限承载力和正常使用功能均能满足规范要求。

4.2.3转换层楼板及结构拉板的中震不屈服分析

计算采用反应谱法:在小震基本组合和中震作用下，选择同时考虑楼板面内、面外刚度的壳单元来模拟弹性楼板进行楼板应力分析；大震作用下楼板采用膜单元模拟，不考虑平面外刚度，来近似模拟部分楼板出现裂缝而引起的刚度退化。各工况的楼板应力图从略，计算结果见表6。

转换层楼板及结构拉板应力分析结果表6

由表6可以看出，小震和中震作用下大部分区域楼板的正应力较小，小于混凝土抗拉强度标准值，面内没有产生贯通性裂缝；大震作用下最大剪应力小于按《混凝土规范》附录G.0.3深受弯构件极限剪应力6.65MPa，楼板并不会发生受剪破坏。

4.3罕遇地震动力弹塑性时程分析

选用两条场地记录波和一条人工模拟地震波，配筋数据采用基于小震和抗风分析的实配结果，采用MIDASBuilding的结构大师进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

4.3.1结构的整体反应指标(人工模拟地震波结果)

从顶点位移及基底剪力时程曲线可以看出，在9s左右出现顶点峰值后基本趋于稳定；从层间位移角曲线查的X、Y向最大层间位移角为1/249和1/269，均远小于层间弹塑性位移角规范限值的要求；大震作用下的最大基底剪力与小震基底剪力的比值均在4～5之间。说明结构在大震后还保持足够的刚度，最终能保持基本直立，满足规范“大震不倒”的抗震设防基本要求。

4.3.2结构构件的损伤状态性能分析

评估结构构件抗震性能，结合程序特点，对于钢筋混凝土梁、柱杆系构件，其采用的三折线铰类型输出两种状态:第1状态是开裂及开裂到屈服前状态，第2状态是屈服及屈服后状态。

(1)根据在X、Y向地震作用下框支柱弹塑性铰分布图(从略)可以看出，框支柱均未发生弯曲屈服和剪切破坏，基本处于弹性工作状态。

(2)剪力墙在X向地震作用下应变等级(Y向地震作用下应变等级从略)。

由此可以看出，落地剪力墙和一般部位剪力墙竖向均处于弹性应力状态，没有发生抗压及弯曲屈服；绝大部分剪力墙未发生剪切屈服，少量剪切屈服的墙肢经抗剪截面复核满足《高规》相关要求；个别出现拉应力的小墙肢，拉应力均小于钢筋抗拉强度标准值，不会出现钢筋受拉屈服的情况。

(3)框支梁在X向地震作用下弹塑性状态及材料拉压应变状态见图4。

由图4可以看出，作为关键构件的框支梁混凝土受压均处于弹性状态，钢筋的拉压也处于弹性状态。由于框支柱采用的杆系单元模拟，框支梁在框支柱(或部分落地剪力墙)截面范围内的纤维单元出现少量的4～5及以上等级的剪切屈服状态，忽略此因素，仅个别位置的框支梁剪切向进入了轻微屈服状态，但其最大剪应力小于《混凝土规范》附录G.0.3深受弯构件极限剪应力6.65MPa。

(4)大部分楼层连梁及框架梁梁端形成弯曲屈服进入塑性状态，但均未发生剪切破坏。连梁普遍先于框架梁进入屈服状态，结构具有良好的多道防线和耗能体系。

4.4抗震性能设计的构造及加强措施

根据结构的受力特点、计算分析结果及构件损伤状态，采取了以下结构加强措施:

(1)穿层框支柱采用型钢混凝土柱，其他框支柱加设芯柱。

(2)适当加大框支梁配箍率或局部位置加设水平加腋，以提高其抗剪承载力和延性能力。

(3)在剪力墙底部加强部位及上一层，设置约束边缘构件；约束边缘构件上两层设为过渡层。

(4)提高底部加强区墙身水平分布筋的最小配筋率及个别剪切屈服应变等级较高剪力墙边缘构件的纵筋配筋率，以增加其延性能力。

(5)适当提高少量剪力过大连梁的配箍率及腰筋，以满足强剪弱弯的抗震概念设计要求。

(6)对楼板应力较大的部位板厚取150mm，拉板板厚取200mm，并采用双层双向贯通方式配筋；根据楼板应力计算配筋，并控制钢筋应力，确保楼板不出现贯通裂缝及有效地传递水平力。

5结束语

总之，带转换层高层建筑结构抗震设计已成为了现代城市建筑结构设计的关注点，其设计质量的好坏会直接影响到整个高层建筑的抗震质量与水平。在本工程中，通过对结构在不同抗震设防水准下的计算分析和工程判断，找出了结构的薄弱部位和薄弱构件，采取了针对性的结构抗震加强措施，有效保证了结构具有良好的抗震性能，达到了结构抗震性能目标。随着建筑结构的复杂化、功能的多样化，带转换层的建筑结构抗震设计方法也必须与时俱进，只有这样才能更好的在不同抗震设防水准下保证结构具有良好的抗震性能。

参考文献

[1]李成.带转换层的高层建筑结构的抗震设计[J].城市理论研究:电子版.2013

[2]孙怀春.浅谈结构抗震设计中的概念设计[J].山西建筑.2011

[3]康磊,葛尧,杨宁雄.带转换层的建筑结构的抗震设计[J].建筑工程技术与设计.2014