某带转换层高层建筑的抗震设计分析

赵焕金 任家福

（陕西省建筑设计研究院有限责任公司 710018）

前言

随着现代建筑技术的不断发展，高层建筑应运而生，高层建筑能够将人类对地表空间的应用从传统的横向应用转化到纵向应用上，极大程度上解决了有限的地表空间对人类活动的影响。现代高层建筑结构设计过程中存在着一定程度的结构设计冲突，从结构合理层面来讲，高层建筑自下而上应当是下部空间小刚度大，而上部空间大刚度小；但是功能性需求却要求建筑上层空间大刚度小，下层空间大刚度小[1～2]。这种建筑功能性需求要求高层建筑需要通过转换层来解决建筑结构设计和布局问题。随着人类对地震的认识及地震对人类生命财产的影响不断严重，越来越多的学者认为结构抗震是现代建筑必须重视的一个领域，但是目前的研究证明，针对高层建筑的抗震研究仍然需要结合工程案例具体分析。

1 工程概况

某高层建筑分为地上结构与地下结构，地下结构为1层，主要作为停车场及设备室，高度4.50m；地上结构为30层，总高度99.00m，建筑面积14535.82m2，其中1～6层位商用层，7～30层位住宅层，转换层设置于6层。因为转换层设置处于较高层，根据相关规范[3]中的规定，本工程应当为带高位转换层的不规则项的超高层建筑结构。该工程的一层、转换层及标准层平面图如图1所示。

图1 结构不同层的平面布置图

工程的结构主要参数分析如下：

结构设计使用年限50年，建筑结构安全等级二级，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度Ⅶ度，场地类别II类，特征周期0.35s，周期折减系数0.85，阻尼比0.05。建筑50年一遇基本风压0.35kN/m2，50年一遇基本雪压0.35kN/m2，根据《高规》中相关规定，建筑高度超过60m时设计过程需按基本风压的1.1倍取值。

2 计算结果

利用振型分解反应谱法（CQC法）对本方案的抗震性能进行模拟计算，现将计算结果整理如下：

2.1 基本动力特征

计算过程中为了保证振型参与质量大于总质量的95%，并且验证复杂高层建筑的结构抗震情况，振型选择数量为36个。前9个振型作用相对明显，周期与振型关联情况如表1所示。

表1 周期与振型汇总表

第一振型均为X方向为主的平动，第二振型为Y方向为主的平动，第三振型为以扭转为主的振动形态，后续振型均为复合地震振型。通过计算我们发现本次案例的震动周期比满足《高规》中相关要求。

2.2 X向及Y向地震作用

本案例的X向及Y向地震作用情况如图2所示。

图2 X向及Y向地震作用曲线图

从地震作用曲线图上分析我们不难看出在楼盖部分（30层）及转换层（6层）部分地震作用出现了比较明显的增大。因为任何建筑高度越高则会造成刚度越小，地震作用表现明显是符合要求的。但是转换层部分的地震作用明显则代表转换层及转换层上下基层是建筑结构抗震设计和验算的重点。

2.3 地震剪力计算情况

根据大量研究显示，在进行抗震结构设计过程中，转换层附近极易出现剪力的突变，因为转换层的上下层结构形式和刚度差异较大，在地震作用下容易出现结构的薄弱层或薄弱点，所以在进行抗震结构设计时需要对转换层附近的地震剪力进行验算，并且根据计算结果进行加强。故此需要对转换层的构件进行加强设计。

2.4 地震作用下的结构变形

《抗规》《高规》都对高层建筑，尤其是结构复杂的高层建筑变形情况进行了规定，因为在地震作用下如果结构发生较大变形，极有可能造成结构变形而失去承载力，进而受损。《高规》中规定对于A级高度的高层建筑，楼层竖向构件水平位移及层间位移不宜大于该楼层均值的1.2倍，不应大于该楼层均值的1.5倍。楼层层间最大位移与层高比值不大于1/1000。

通过数据分析发现，无论是X向还是在Y向地震作用下，转换层下部结构的楼层位移情况增速相对具备规律性，可以用近似的直线进行表示，转换层上部结构的楼层位移也具备规律性，但是在转换层部分却有一定程度的突变，转换层下部过度到转换层上部时，楼层位移曲线的斜率有明显减小的趋势。

3 结论

本案例是一个在高位转换的复杂结构高层建筑，通过CQC法计算结构的基本动力特征、地震作用、地震剪力和结构变形等情况，对照其他学者对转换层抗震结构的研究后笔者发现，高层建筑抗震设计的转换层位置在同等转换层结构形式下对建筑抗震能力有明显的影响。转换层越高的建筑结构楼层的地震作用、地震剪力都会有明显的增大，进而容易影响建筑结构（尤其是转换层）的楼层位移，容易造成建筑结构的薄弱层，所以在带高位转换层的高层建筑抗震设计过程中要做好验算工作，尤其是转换层附近的楼层部分，适当采用加强设计，避免高层建筑在地震作用下出现损坏情况。

通过本次设计，笔者对带高位转换层的高层建筑进行了抗震能力的计算，结果表明本案例设计是成功的，满足规范要求。