某超高层搭接块转换层结构受力性能研究

陈 虎， 张良平， 谢亚驹

(1 深圳招商房地产有限公司， 深圳 518067； 2 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司， 深圳 518054；3 深圳华侨城房地产有限公司， 深圳 518053)

1 工程概况

项目位于广东省珠海市，结构高度190m，地上46层，首层层高6.5m，2，3层层高均为5.3m,办公标准层(4～22层)层高4.8m；公寓标准层(23～46层)层高3.3m；地下共5层，地下5层～地下1层层高分别为3.5，3.5，3.5，5.3，6.0m；结构体系为框架-核心筒结构，嵌固端为首层板面。建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图

地基土类型为软弱土；场地类别为Ⅳ类，设计地震分组为第一组；风荷载取50年一遇的基本风压0.85kN/m2，地面粗糙度类别为A类；区域抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g[1-2]。

2 方案比选

由于建筑外立面要求达到底部内收和上部外伸的建筑体型效果，因此需采用结构柱进行转换。从节省材料、对建筑空间使用影响小、楼层刚度变化小的角度考虑，采取斜柱转换和搭接块转换两种转换形式均较为可行。结构标准层平面布置如图2所示。

图2 结构标准层平面布置图

斜柱转换方案为在6～8层设置斜柱过渡(图3)。斜柱的线刚度与相邻杆件相比不会显著增大，不易出现侧向刚度突变的问题，且传力清晰直接，对节点的保护程度高，容易实现“强节点”的设计原则[3-4]。

图3 斜柱转换示意图

搭接块转换方案为在6～8层板面之间设置搭接块过渡(图4)。由于轴心错位，上部柱子向下传递的竖向荷载会使下部柱子产生很大的弯矩，使下部柱子和搭接块受力复杂。

图4 搭接块转换示意图

通过计算得到，斜柱转换和搭接块转换方案整体计算指标差别不大，均可满足规范要求。竖向荷载作用下，搭接块及相邻上下层框架承担剪力比，与斜柱、搭接块相连的梁轴力对比分别见图5,6。

由图5可以看出，斜柱转换方案由于柱倾斜后轴向刚度对侧向刚度的贡献明显增加，从而对水平地震作用下的结构受力特性产生显著影响，以致框架部分承担的剪力骤增。由图6可以看出，竖向荷载作用下，与搭接块相连的梁拉力及压力最大分别为328，-980kN，与斜柱相连的梁拉力及压力最大分别为2 459，-1 883kN，前者明显比后者要小。

图5 竖向荷载作用下层框架承担剪力比

图6 竖向荷载作用下5～7层梁轴力

两种结构方案均满足设计要求，考虑搭接块转换方案在建筑立面及室内效果方面的优势，最终选择搭接转换结构方案。如图7所示，在6～8层两层范围设置搭接块，以实现建筑在6层以上沿建筑立面外扩的目的。

图7 搭接块立面详图

3 搭接块的整体设计

在竖向荷载作用下，搭接块的基本受力特点是与搭接块上下端相连的水平构件承受大小基本相等、方向相反的轴力，该轴力力偶形成的力矩抵抗了上下柱偏位产生的倾覆力矩，结构上梁受拉，下梁受压。

竖向荷载作用下，搭接块的主拉应力和主压应力轨迹如图8所示。具体为搭接块的顶部水平受拉，下柱的竖直延伸段作为竖直压杆，上柱底端与下柱顶端连线上的混凝土作为斜压杆。

图8 搭接块主应力轨迹示意图

搭接块转换体系的主要设计要点包括以下几个方面：1)下柱是转换体系的关键构件，承受了很大的轴力、弯矩和剪力，由于下柱刚度远小于搭接块，从局部来看，此区域是一个上强下弱的抗震薄弱部位，应对其进行适当加强；2)搭接块转换的可靠度取决于与搭接块相连梁板的承载能力和轴向刚度。8层梁板应按拉弯构件设计，而6层梁板应按压弯构件设计，由于混凝土抗拉强度低，因此受拉梁板的设计更为关键；3)应确保与8层梁、6层梁远端相连竖向构件的水平力的可靠传递。

根据以上分析，结合抗震概念，拟将搭接块、与搭接块所处层的核心筒墙体及下层柱的抗震性能目标设定为中震弹性，同时提高6层和8层梁的加强措施。

3.1 下柱的承载力验算

下柱选取型钢混凝土结构柱，结构柱截面尺寸为1 600×1 600，内置型钢截面为H1 200×400×35×35，混凝土强度等级为C60，采用Q345钢，采用MIDAS Building模型计算搭接块下层柱在小震和中震基本组合下的内力，如图9所示。由图9可以看出，搭接块下层柱压弯验算能够满足中震弹性的性能目标。

图9 下层柱的压弯验算

在施工图阶段采取的加强措施包括：从严控制轴压比(在普通框架柱轴压比限值的基础上减小0.1)、按转换柱配箍率要求配置箍筋、箍筋全高加密。

3.2 与搭接块相连的框架梁受拉、受压分析

在MIDAS Building分析中按两种计算模型考虑，模型一为搭接块在6～8层区域不考虑楼板的抗拉贡献；模型二为将楼板设为弹性膜，考虑楼板的抗拉贡献，考察6层及8层平面与搭接块相连的框架梁轴力水平[5]，梁编号如图10所示。设计取二者包络，计算结果如表1，2所示。

图10 搭接块与连梁关系示意图

通过对比考虑楼板抗拉贡献与不考虑楼板抗拉贡献的计算复核结果可知，楼板会分担搭接块传来的水平分量，考虑到搭接转换柱上层梁对整个转换体系的关键性，在设计梁时不考虑楼板分担的拉应力，依据大震下梁的拉力配置纵向钢筋，并沿梁截面的周边均匀布置钢筋，梁的顶、底面配筋与纵向受力筋合并考虑，见表3。

与搭接块相连的框架梁轴力(不考虑楼板抗拉贡献) 表1

与搭接块相连的框架梁轴力(考虑楼板的抗拉贡献) 表2

与搭接块相连的框架梁实际配筋 表3

设计时应适当加大图10中上、下梁的截面。同时梁的主筋和腰筋通长配置，并满足受拉钢筋锚固要求。上梁、中梁按拉弯构件验算，下梁按压弯构件验算，验算结果见图11。由图11可以看出，框架梁均满足承载力要求。

图11 框架梁的承载力验算结果

3.3 与上梁、下梁远端相连竖向构件的设计

与拉压梁相连的核心筒承受梁板传来的水平力，设计时应保证其水平力的可靠传递。核心筒墙肢编号见图12，通过计算得到与拉、压梁相连的核心筒墙体承载力满足中震弹性的性能目标，其中代表性墙体验算结果如图13所示。

图12 搭接块结构层核心筒墙肢编号

图13 中震作用下墙体的弹性承载力验算

3.4 搭接块的设计

参考文献[6]，搭接块及其附近构件受力大小与搭接块高宽比有关。搭接块悬臂长度宜满足：a/h≤0.7，其中h为搭接块竖向高度，a为搭接块悬臂长度。本项目塔楼搭接块a/h=1.6/9.6=0.17。搭接块斜截面计算控制截面1-1位置见图14。

图14 斜截面计算控制截面1-1位置示意图

3.4.1 搭接块的斜裂缝控制要求

竖向荷载下，斜截面抗剪需满足下式：

Vk≤βftkbh

式中：Vk为搭接块正常使用状态竖向剪力标准值；β为裂缝控制系数；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值；b为搭接块厚度；h为搭接块竖向高度。

由于搭接块正常使用中不能因混凝土受斜向压力过大而出现裂缝，因此，应将搭接块在正常使用极限状态下不出现斜裂缝作为截面尺寸的控制条件。

在正常使用状态下搭接块竖向剪力标准值Vk=37 795.75kN<0.85×2.85×3 200×6 400×0.001=49 612.8kN，满足截面抗剪要求。

搭接块体本身要抵抗较大的剪力，为使斜截面可以起到安全抵抗剪力的作用，搭接块斜截面抗剪应满足如下截面控制条件：

V≤(1/γRE)0.15fcbh

式中：V为搭接块竖向剪力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度标准值；γRE为承载力抗震调整系数，取0.85。

搭接块上层柱考虑大震作用时组合轴力设计值V=67 096kN<0.15×27.5×1 600×9 600×1.176×0.001=74 511.36kN，满足截面抗剪要求。

3.4.2 搭接块配筋设计

搭接块竖向及水平钢筋按照抗剪要求配置，按大震作用下弹性计算结果组合配筋，配筋示意见图15。

图15 搭接块配筋示意图

(1)竖向钢筋配置

竖向荷载下，竖向钢筋配置需满足下式：

式中：V1为地震组合下搭接块竖向剪力设计值；fy为钢筋受拉强度设计值；Asv为配置在同一截面内竖向钢筋的截面面积；s为竖向钢筋间距。

搭接块考虑大震作用组合时的剪力设计值V1=55 823.19kN≤360×1.176 5×Asv×9 600×0.01×0.001，得Asv/s≥16.2mm2/mm，最后搭接块竖向钢筋按14@150(16)配置。

(2)水平钢筋配置

横向荷载下，水平钢筋配置需满足下式：

式中：V2为地震组合下搭接块水平剪力设计值；Ash为配置在同一截面内水平钢筋的截面面积；s′为水平钢筋间距；c为搭接块宽度。

搭接块考虑大震作用组合时的剪力设计值V2=3 055.784kN≤360×1.176 5×Ash×3 200×0.001；Ash/s′≥2.26mm2/mm，最后搭接块水平钢筋按12@200(8)配置。

3.5 搭接块楼层楼板分析

与转换层梁另一端相连的是核心筒，转换层梁中的拉力自搭接块一端向核心筒传递的过程中，由于楼板的扩散作用，相当一部分拉力已由楼板承担。考虑到楼盖平面本身具有对称性，因此应充分利用楼板的抗拉能力，尤其应重视核心筒及其楼板的传力作用[7]。因此6～8层楼板混凝土采用C40，楼板加厚至250～300mm，楼板配筋双层双向拉通，以保证搭接块产生的水平力能可靠地传递给核心筒。

在ETABS，ABAQUS模型中，对于搭接块相关范围(6～8层)楼板，考察其在小震、中震反应谱及大震动力弹塑性时程分析下的应力水平，如图16,17所示。由图16,17可以看出，中震反应谱下竖向构件附近的楼板出现局部区域应力集中，但未超过楼板的混凝土抗拉强度标准值，满足小震弹性、中震作用下不屈服的要求。大震下，楼板大部分受压损伤值<0.1，属于轻度损伤(图18)。

图16 6层楼板小震、中震作用下Y向正应力/MPa

图17 8层楼板小震、中震作用下正应力/MPa

图18 8层楼板大震下混凝土受压 损伤和钢筋应力

3.6 搭接块节点设计及应力分析

搭接块节点设计应使应力有效地在转换柱区域均匀过渡且不产生较大应力，以保证在最不利工况下节点区域保持弹性。采用ABAQUS软件对搭接块进行计算分析[8]。

罕遇地震作用下，搭接块应力云图如图19所示。由图19可以看出，最上层(8层)梁板受拉应力较大，但未超过规范限值。因此，8层的结构梁钢筋应完全伸入搭接块，并在上柱范围内满足锚固长度要求，避免搭接块顶部上柱所在区域箍筋受拉而导致的应力过高。

图19 搭接块应力云图/MPa

罕遇地震作用下，搭接块混凝土损伤云图如图20所示。由图20可以看出，中间层(7层)和最上层(8层)混凝土梁和楼板协调作用下受拉，其中8层梁板受拉损伤较大。在应力云图中，楼板应力在靠近搭接块顶部(8层)最大，沿着梁跨度方向板应力慢慢减小。在混凝土受拉损伤图中也有相同的趋势，搭接块顶部(8层)楼板受拉损伤较为严重，沿着梁跨度方向楼板受拉损伤逐渐减少。设计时，可考虑局部拉应力较大处楼板采用后浇的措施。

图20 搭接块混凝土损伤云图

罕遇地震作用下，楼板混凝土应力云图及受拉损伤云图如图21所示。由图21可以看出，搭接块与下柱相连处出现小区域应力集中，设计时在此处采取加腋处理。在楼板与核心筒交界处沿四周增设暗梁以加强核心筒整体性，楼板与核心筒连接节点做法见图22。

图21 楼板混凝土应力云图及受拉损伤云图

图22 楼板与核心筒连接节点图

4 结语

搭接块转换层结构是整个工程的关键构件，构成此转换结构层的搭接块、楼板、梁、柱及筒体的承载力设计与延性控制非常关键。通过对搭接块转换区域构件进行详细分析计算及合理的设计和构造加强措施，该部位可实现延性设计。