高层建筑带转换层的抗震设计

韩 杰

盐城市规划市政设计院有限公司，江苏 盐城 224001

0 引言

基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个重要发展，与传统的“三水准、二阶段”设计相比，基于性能的抗震设计从宏观定性的目标转为具体量化的多重目标，对不同的设防烈度、场地条件及建筑的重要性可采用不同的性能目标和抗震措施，业主(设计师)选择所需的性能目标，并对性能目标作深入分析和认证。这里的性能目标是针对结构体系的，是综合考虑社会的经济水平、建筑物的重要性以及建筑物造价、保养、维修和可能遭受地震作用下的直接和间接损失来优化确定的，目标就是在结构的整个生命周期内总费用最小。性能目标确定后，设计师可创造性的进行设计，利用新技术、新材料，结合新工艺、新方法，最终完美实现预定设计目标。代表未来设计方向的基于性能的抗震设计思想正逐步在我国超限高层建筑中尝试运用[2]。毋庸置疑，带转换层高层建筑工程设计适宜采用基于性能的抗震设计方法。

1 带转换层高层建筑结构采用基于性能抗震设计思想的设计方法

1.1 建筑结构抗震性能目标

建筑结构抗震设计的性能目标指某一设定的地震地面运动下建筑结构的预期性能水准。通常，结构的抗震性能可分为表1所示几个水准。

性能水准 人员安全与使用情况、结构破坏情况1a 人员安全可立即使用，结构完好无损伤1b 人员安全，个别构件稍加修理即可使用，结构基本完好2 重要构件完好，部分选定的延性构件出现明显裂缝，修理后使用3 重要构件轻微损伤，部分选定的延性构件屈服，修理并采取安全措施后使用4多数构件屈服，部分构件严重损坏，但结构不倒塌，不危及生命多数构件轻微破坏，部分构件屈服，经修理加固后使用，人员不能安全出入5

对于每个建筑物，可根据具体的设防烈度、场地条件、房屋高度、不规则的部位和程度以及业主的经济实力，选择结构在3个水准地震下的性能水准，从而实现设计目标。表2为一些可供选择的性能目标方案。

地震水准 结构性能水准1a 1b 2 3 4 5第一（小震） ABCDE - - - - -第二（小震） A B C D E -第三（小震） - A B C D E

性能目标A，小震和中震均满足性能水准1a，大震满足性能水准1b，整体结构完好。

性能目标B，小震满足性能水准1a，中震满足性能水准1b，大震满足性能水准2，整体结构基本完好。

性能目标C，小震满足性能水准1a，中震满足性能水准2，大震满足性能水准3，部分结构构件损坏。

性能目标D，小震满足性能水准1a，中震满足性能水准3，大震满足性能水准4，结构中等破坏。

性能目标E，小震满足性能水准1a，中震满足性能水准4，大震满足性能水准5，结构损坏但不危及生命安全。

1.2 带转换层高层建筑结构抗震性能目标的选取

选择合适的性能目标是基于性能的抗震设计理论的核心内容。性能目标选取的依据是“投资-效益”准则，即在社会的经济水平、地区差异、建筑物重要性及其造价、保养、维修和可能遭受地震作用下的直接和间接损失、可接受人员的伤亡程度等多种因素综合考虑的基础上费用最小，其关键是结构设计的安全性和经济性的合理平衡。震害经验及试验和理论研究表明，在中震、大震下，结构既具有合适的承载力又能发挥一定的延性性能是比较合适的，对于带转换层的复杂高层结构，一般情况下可选用性能目标“C”、“D”、“E”，这3种目标的具体选用还应结合前述多种因素，结合选用的结构体系本身的合理性和结构新材料、新技术的应用等等因素综合考虑。

1.3 带转换层高层建筑结构采用基于性能抗震设计思想的设计方法

在基于“投资-效益”准则的结构最优目标性能水平确定的基础上，控制结构造价是结构抗震性能优化设计的第二个关键。具有很高冗余度的建筑结构，结构体系的特性要比结构构件的特性重要的多。因此，在具体设计中如何考虑结构体系的特性是一个非常关键的问题。作者认为，对于诸如带转换层等复杂高层建筑，可按下述3个步骤来进行抗震性能优化设计：

1）结构总体方案的优化选择。在与建筑充分协商配合，保证建筑功能、建筑效果的基础上，采取合理的结构体系，尽可能使结构抗侧力构件布置在平面内均匀、竖向连续。因建筑功能需要而竖向必须转换的，转换结构体系应充分保证其竖向承载力，保证足够的延性，避免刚度突变。

2）转换结构体系确定后，根据所采用转换结构的特点，分析确定该部位结构抗震性能和总体结构抗震性能的关系，保证转换部位抗震性能优于整体结构抗震性能。两者的失效概率应处于一个合适的比例，不会因转换构件先失效而导致整体结构破坏。

3）各构件性能设计，包括承载力设计和延性设计，也即配筋计算和构造措施。怎样把基于性能抗震设计理念合理并且简单实用地应用到实际设计中，目前理论界主要有两种方法，一是基于位移的抗震设计方法；二是基于传统的设计方法，不论是哪一种，相对于传统抗震设计，基于性能的抗震设计对于结构计算分析要求更为详尽，从结构总体承载力、变形、屈服机制、屈服后性能到各构件尤其是转换构件承载力、变形等均应建立在合理分析精确计算的基础上。

2 工程实例

2.1 工程概况

本市某高层双塔住宅楼，地下一层，地上二十一层。一、二层为大底盘商场及会所，夹层为非机动车停车库，二层以上为高层住宅。该工程始建于2003年，设计采用了大柱网框架-剪力墙结构。因规划调整等原因，工程进展至地下室完工后搁置。2005年，开发商根据市场需求重新设计了户型。为满足建筑新要求，上部结构改为小柱网框架-剪力墙结构。转换部位上下层结构平面如下图 1、2。

图1 转换部位上层(三层)结构平面

图2 转换部位下层(二层)结构平面

2.2 性能目标的选择和性能设计

该工程为7度设防的框架-剪力墙结构高层民用住宅，房屋高度、高厚比及不规则性均不超过规范限值，由此，结构抗震性能目标选定为“E”，即中震下部分构件屈服，大震下多数构件屈服。剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为二级，转换结构适当加强。该工程结构体系的特性是带有转换层，转换结构抗震性能的优劣直接影响了整体结构的抗震性能，所以，转换层的性能设计是该工程抗震性能设计的关键。

为保证转换层的抗震性能，首先应合理选择转换层的结构体系。一方面确保有效地传递上部建筑传来的巨大自重和活荷载；另一方面满足设计规范对侧向荷载和抗震动等力的要求。与此同时，充分利用转换层空间，提高使用效率，节约投资也应认真考虑。转换结构常见的型式主要有:深梁式、平板式、箱梁式、桁架式等等，这些型式都有各自的优缺点，适合不同的情况使用，应具体工程具体分析。在本工程中，因应建筑户型调整，结构柱网改变。经与业主和建筑师协商，将下部结构的竖向构件（框柱、剪力墙）全部延续到上部，这样最大限度地保证了结构抗震性能合理。对于几榀边框梁上抬柱，在综合比较上述各种转换体系的优劣，结合业主对转换层景观及使用（转换层要求能通透）的要求，确定采用桁架转换结构体系。与其它几种转换结构相比，桁架式转换结构性能优点明显：节省材料和成本，通风采光良好，转换层利用率高，且不会发生突然的破坏过程。作为整体结构抗震性能的关键点，设计要求转换层中震弹性，位移也应从严控制。

2.3 结构的计算和构造

具有较好抗震性能的桁架转换结构是一种轻型的结构转换体系，与传统的结构力学概念不同的是，这里的桁架杆系不是只有轴向拉压力，而是每一个杆件和节点都可能存在拉压、弯、剪、扭等各种复杂的受力和传力特性。为能较好的解决这个轻型结构转换体系复杂内力，该工程设计时在计算和构造上采取了下列几个措施。

2.3.1 结构计算

首先采用目前国内最通用的标准软件SATWE进行规范规定的计算，即小震弹性计算。计算中为克服软件自身的不足，对转换层楼板和桁架杆件刚度作了合理调整。从计算结果来看，本工程的抗侧刚度与扭转刚度比例合理，柱、墙分别承担的抗倾覆弯矩比例合适。除了屋面塔楼与转换部位，地震反应力曲线连续平滑，符合框剪结构的受力特征。

其次，考虑到该工程设计时SATWE软件非线性静力分析功能（施工模拟加载）的欠缺，将转换层上部结构独立计算，所得柱底力作用于桁架上按结构力学原理手算，确保常态下桁架安全。

第三，进行结构中震计算，着重考察转换层结构构件和转换层相对层间位移。计算结果表明，各转换桁架构件中震下均未屈服，转换层相对层间位移X向为1/323，Y向为1/357，均小于轻微破坏1/200的标准，保证中震弹性。

2.3.2 转换层结构构造措施

桁架中既有拉杆又有压杆，还有在地震作用下可能出现拉压力转变的杆件。为了减缓在复杂受力下杆件裂缝的开展，提高桁架的延性，在转换层部位采取了一系列针对性构造措施：

1）桁架采用掺量为1.2%的钢纤维混凝土浇筑；2）转换桁架上下弦杆平面内楼板加厚加强；3）下弦杆两侧各600mm宽范围板面板底配置抗拉钢筋；4）弦杆、腹杆交接处加腋。这些措施消除了应力集中，提高了延性，保证了节点区承载力，同时减缓了杆件裂缝开展。

2.4 转换层实体监测及结果分析

正如前文所述，本工程在设计时作了充分的计算和分析，转换层采取了多项保证措施。但是，理论分析总是在理想化的模型和一定假设基础上进行的，理论分析替代不了实测，实测既可验证理论分析，更可直观发现问题，判断问题。实测和试验也是性能设计的一个显著特点。

我们要求的第三方监测主要内容是： 1）综合沉降监测、不均匀沉降监测；2）关键部位的钢筋应力，混凝土内部及表面的应力应变监测，相应的梁柱交接点、斜撑、下弦杆和混凝土表面4种不同类型的应力应变计预埋监测。测试数据表明，测试期间大楼整体稳定，沉降和不均匀沉降量很小，钢筋和混凝土的应力应变值都在预期允许的范围内，各种监测数据之间的相互关系正常。

测试表明：在桁架转换层体系中，除柱、梁、撑等交接点受复杂的三维应力作用外，所有的桁架杆件，也都不再是简单的拉压构件，它包含有弯矩、偏心，甚至因地基与桩基的沉降及不均匀沉降，建筑物形心和重心的不相重合都会引起附加的平面内及平面外弯曲和扭转，这些因素相互耦合在一起，使结构的实际受力状态与预定的计算状态有一定的偏差，因此，要消除各种附加因素的不利影响，合理设计、施工精心、加强监测都是必不可少的。

3 结论

基于性能的结构抗震设计中，规范给出的第一类目标性能水平是抗震设计所有结构都必须遵循的最低要求，是结构抗震设计的“共性”，而根据结构的用途及业主的特殊要求，由设计师和业主共同研究制定的第二类目标性能水平是针对具体结构的，可以因结构而异，是结构抗震设计的“个性”。在“投资-效益”准则基础上，考虑结构“共性”与“个性”的基于可靠度的结构优化设计，是基于性能的结构抗震设计的特点，有别于以保障生命安全为目标的传统设计，具有明显的优点。

基于性能的抗震设计强调具体工程性能水准的判别、性能目标的选用和深入仔细的分析，在诸如带转换层高层建筑结构之类复杂高层建筑设计中采用该种设计理念和方法是可行的。