某高位转换结构抗震设计

韦会强

上海建筑设计研究院有限公司（200041）

某高位转换结构抗震设计

韦会强

上海建筑设计研究院有限公司（200041）

以某具体高层工程为对象，结合高位转换结构的特点，对其抗震设计方法进行了探讨。

高位转换；高层；抗震设计

0　引言

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》），底部空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面上的大空间层数，8度不宜超过3层，7度不宜超过5层，6度时层数可适当提高，对于高位转换，转换层附近刚度、内力突变，易形成薄弱层，不同于底层的框支剪力墙，这里通过一个七层转换的例子，探讨有关高位转换的一些问题。

1　工程概况

某项目位于无锡市郊，III类场地，为部分框支剪力墙结构，共31层，转换层位于7层，层高4.5 m；转换层以上为设备层，层高2.9 m，设备层以上为住宅，层高2.9 m；转换层以下为办公，地下一层4.8 m，1层层高为6.15 m，2～6层各层层高为4 m，总高度98.60 m，楼盖为现浇板，基础为桩筏基础，坐落在地下车库之上，并且地下室顶板为嵌固端。根据抗震规范，设防烈度为6度，设计分组为第一组，加速度0.05 g，根据荷载规范，地面粗糙度为B类，基本风压Wo=0.45 kN/m2，房屋高度＞60 m，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。基本雪压So=0.4 kN/ m2。

2　超限情况说明

1）扭转不规则，存在楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2。

2）构件间断，8号楼存在7层转换，为框支剪力墙结构。

3）在转换层处，上部结构楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比H1/H=28.96/ 98.6=0.29＞0.2，楼层收进后的水平尺寸B1/B=18.2/ 28.6=0.64＜0.75，超过《高规》3.5.5条规定。

4）根据《建筑抗震设计规范》第3.4.3条关于侧向刚度不规则的规定，楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值为80%。因2层层高6.15 m，层刚度比不满足，为满足规范对层间受剪承载力的要求，柱内插入型钢，使刚度软弱层与承载力薄弱层不在同一层，计算时楼层地震力放大1.25倍。

综合各不规则项，该楼为超限复杂高层建筑。

3　抗震参数及抗震性能目标的确定

综合考虑结构的规则性和造价因素。该结构最终的性能目标为：整体性能目标选为C，框支框架、转换层楼板是关键结构构件，该建筑又为高位转换，框支框架和转换层楼板做到中震弹性。

表1　抗震参数及抗震性能目标

4　针对超限情况的抗震措施

4.1计算方面

1）整体计算模型

本单体嵌固于地下室顶板，计算分析时，与其他楼间相互影响，按单独进行计算分析。

2）整体分析

对该结构分别进行三阶段抗震设计，以确保建筑物的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目标：

小震分析：利用SATWE、ETABS分别进行振型分解反应谱法分析，并做对比；用弹性时程分析法作为补充计算。

中震分析：利用SATWE进行振型分解反应谱法分析。

大震分析：利用PUSH&EPDA对结构进行静力弹塑性分析（PUSH-OVER），进行罕遇地震作用下的变形验算。

3）楼板应力分析

采用PMSAP对8号楼转换层及上、下一层楼板，进行各级地震作用及风荷载作用下楼板应力分析。

4）框支框架应力分析用框支有限元（FEQ）进行框支框架应力分析。

4.2构造措施方面

1）框支框架。为了提高框支框架的抗震性能目标，框支柱、框支梁按照中震弹性，并验算大震作用下，抗剪截面验算。体型收进部位即转换层上下各两层根据《高规》10.6.5条，抗震等级由一级宜提高为特一级。

2）落地剪力墙。控制落地剪力墙承担的地震倾覆力矩大于总地震倾覆力矩的50%。底部加强部位剪力墙抗震等级为一级。

3）转换层处楼板厚200 mm。转换层及下一层楼板板厚150 mm。

4）短肢剪力墙。控制轴压比及全截面配筋率满足《高规》7.2.2条。

5）框支柱水平地震剪力标准值调整。每层框支柱承受剪力之和应至少取结构基底剪力的30%。

5　结构分析的主要结果汇总及比较

5.1小震计算结果

1）周期比SATWE计算结果T1=2.313 2，T3= 1.789 3，T3/T1=0.77。

周期比 ETABS计算结果 T1=2.406 8，T3= 1.808 0，T3/T1=0.75。

2）弹性位移角及位移比

图1　地震波0度角作用下最大楼层剪力及位移曲线图

反应谱法结构地震响应位移计算结果风力作用及地震作用下均满足规范要求，位移比小于1.4。

3）反应谱法底部地震剪力、地震倾覆力矩、底部剪力系数计算结果相当，有效质量系数大于90%。

4）转换层上、下层侧向刚度比，X向=1.00，Y向= 0.87，均大于规范限值0.6；X向=4.981 1，Y向= 3.938 2，均大于规范限值0.8；时程法选取地震波0度、90度角进行分析，因篇幅，仅列出0度结果，如图1。

5.2中震计算结果

1）分析结果

表2　反应谱法结构地震响应位移计算结果

表3　反应谱法底部地震剪力、地震倾覆力矩、底部剪力系数计算结果

5.3大震弹塑性分析

该工程虽位于6度区，考虑到结构规则性与结构所处的位置无关。且实际地震时，发生超过设防烈度的地震作用，不在少数，如汶川、玉树等。为得到全面的弹塑性认识，补充7度大震作用下结构破坏状态。

图2　弹塑性分析

5.4专项计算分析（楼板应力分析）

表4为该楼各级地震及风荷载作用下转换层及上、下层楼板最大主应力（采用PMSAP）。

表4　

6　结构抗震性能的综合评价

根据报告的分析以及计算结果，结合《建筑结构抗震设计规范》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》等有关规定，对该结构抗震性能的综合评价如下：

1）我们对本超限超高层结构在小震作用下采用了弹性反应谱和动力时程两种方法进行弹性内力分析，并进行了第一阶段设计；在中震作用下采用了弹性反应谱进行弹性内力分析对重要结构构件进行第二阶段设计；在罕遇地震作用下，采用了弹塑性静力（PUSHOVER）分析方法，对结构进行了进一步的弹塑性受力变形分析，即第三阶段设计。大震时该结构处于“轻微破坏”至“中等破坏”状态间，连梁及局部剪力墙进入屈服状态。结构达到了预期的抗震性能目标。结构弹塑性发展情况表明该结构具有良好的屈服机制，基本构架了结构多道防线，并起到耗能作用。大震时最大层间位移角均小于1/ 120，结果表明可以满足“大震不倒”抗震设防目标要求，也满足抗震性能目标。

2）该结构虽存在刚度软弱层和竖向构件转换层（不在同一层），对刚度软弱层和转换层楼层地震力放大1.25倍，且加强落地剪力墙、框支框架及转换层上、下楼板。经大震分析表明，结构不存在明显的结构薄弱层。刚度柔软层和转换层均不是结构承载力薄弱层，无塑性变形集中现象。

综上所述，根据各项指标结果，可得出以下结论：该楼存在高位转换，且存在竖向刚度不规则（超限），但经过采取适当的加强措施并进行三阶段设计，完全能够达到现行规范规定的三水准设防目标。

［1］建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.