某高位转换超限高层结构设计要点研究

张亮

摘 要：某高层建筑结构，同时存在扭转不规则、构件间断、凹凸不规则、体型收进、穿层柱五项一般不规则项，为超限高层建筑。针对其结构设计特点，对相应的结构布置、小震及风荷载下承载力及变形能力、中震及大震下结构抗震性能进行分析判断。

关键词：超限高层;结构;抗震性能

中图分类号：TU973.31 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-123-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.054

该项目位于珠海市香洲区南屏湾一路北侧，仙桥路东侧。项目占地约8 264.84m2，建筑形态为一栋99.65m的高层酒店，底部配有三层商业裙房。商业裙房建筑功能包含商业、会议中心、大型餐厅和宴会厅。高层酒店分别在46.60m（13层）和50.20m（14层）高度存在分级体型收进及高位转换，两级收进尺度分别为7.45m和4.55m。

该塔楼的设计使用年限是50年;结构设计的安全等级是2级;结构抗震的设防类别是丙类;抗震的设防烈度是7度。

1 结构布置、设計要点分析

1.1 抗侧结构体系及竖向不规则

基于建筑与结构相结合考虑，采用框架-剪力墙结构体系，该结构在13、14层楼面局部体型收进，收进尺寸分别为7.45m和4.55m。在14、15层楼面，部分柱子被转换，其被转换柱子数量分别为七根和两根。这样的设计方式是考虑到建筑物自身特点及其设计结构两方面相结合的情况进行的相关结构转换，转换层上下均由框架和剪力墙共同承担侧向力和竖向力;在转换部位，上部侧向力和竖向力通过转换梁传给下部竖向构件，一转换部位（14层）构件布置图如图1所示，第二转换部位（15层）构件布置图如图2所示。

1.2 楼盖结构体系

该项目酒店各层功能复杂，其楼盖结构体系的确定因素主要有：机电要求、建筑平面功能布置、整体结构及层高等。同时，需要结合该项目工程的经济性、工期进度、框剪体系等要求和特点，确保三方面的考虑原则：确保工程项目的安全可靠;实现该项目的经济效益目标;确保工程施工在规定工期内可以顺利完工。除此之外，该项目建筑净高因为受到层高限制，因此需要与机电、建筑等相关设计协调相关的梁高、梁格及影响梁跨的柱网。综合上述所有考虑原因和设计要求，进而可以选择采用现浇式的钢筋混凝土作为梁板施工方案[1]。

1.3 嵌固层

嵌固端作为结构计算的重要假定，使其具备相应平面内的刚度方面的水平方向变形，以更好地进行地震基底剪力传递。规范对嵌固层有诸多规定，包括概念和力学定量。本项目为全埋地下室，顶板无大开洞，且为梁板结构，概念上面满足嵌固端要求。负一层与一层侧向刚度比分别为γx=4.71>2.0，γy=3.06>2.0，力学指标满足嵌固条件。

2 抗震及风载弹性要点分析

2.1 小震及风载弹性要点分析

采用两种软件分别进行对比验算，用PKPM和ETABS软件分别建立三维计算模型的方法，就风荷载及小震下结构的变形及承载力进行验算分析。小震下除振型分解反应谱方法进行分析外，另由于结构不规则的存在，要采用弹性时程分析法进行补充。

2.1.1 阵型分解反应谱法与弹性时程法

采用阵型分解反应谱法，计算得到结构的模态、重力、位移角、扭转位移比、剪重比、层刚度比、倾覆力矩、重力二阶效应与结构稳定判断、构件轴压比等结果。采用PKPM软件分析五组自然波及两组人工波下结构相应的加速度时程曲线、层剪力、层间位移角等指标，与CQC结果相比较。

2.1.2 分析结果

本项目中，采用两种分析方法相互对比和补充，即可得到以下结论：结构在风和多遇地震的相互作用下，可以保持较好的抗侧性能以及抗扭转能力，主要指标都可以满足极限状态的设计，以及抗震设计中第一阶段的性能设计目标要求。

2.2 中震主要构件性能验算

2.2.1 中震主要构件性能验算步骤

本项目的性能目标为：对关键构件——转换柱、转换梁及12～15层体型收进周边竖向构件要求无损坏，底部加强部位处的剪力墙可以有轻微损坏;其他普通构件可以有轻微损坏;耗能构件的连梁及框架梁等允许轻度损坏或部分中度损坏等。

其次，中震验算是通过小震设计得到各主要构件的受弯与受剪的承载力，验算构件的震后性能状况是否达到预期性能水准要求。钢筋混凝土柱受到的承载力采用空间的N-M-M包络面来反映;剪力墙面内受弯承载力采用N-M相关曲线进行描述;采用安全系数衡量框架柱及剪力墙受剪承载力的安全储备。

2.2.2 验算结论

通过Satwe软件进行中震对比分析，可得出以下结论：剪力墙压弯富余度较大，底部外圈个别墙肢弯矩较大，可加强其边缘构件配筋;全部剪力墙均满足抗剪截面的要求，其中部分剪力墙水平筋中震要比小震大，施工图设计时取包络值;底部个别墙肢受拉且拉应力要在一倍和二倍的混凝土的抗拉强度标准值之间;剪力墙满足中震抗剪弹性、抗弯不屈性能要求。转换柱两个方向压弯富余度较大，抗剪弹性;转换柱满足中震抗剪以及抗弯弹性特点。转换梁按小震及风计算配筋均满足中震抗剪、抗弯弹性。框架梁、连梁满足中震抗弯部分屈服、抗剪不屈服的性能目标[2]。

2.3 大震弹塑性动力的时程分析

通常情况下，在结构遭遇罕遇的地震作用过程中，将使其局部、部分或者绝大部分进入到弹塑性状态。为了更好地满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，需要深入了解结构在小震作用下的弹性状态，慢慢随着地震作用的不断增大而进入到弹塑性状态，就是结构在中震和大震作用下的工作性能，可应用相应的抗震措施以更好地确保结构具有稳定的抗震安全性。

对大震的分析软件，本项目主要采用结构动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE，从模型结构、地震波峰值及调整系数、动力弹塑性计算结果三个方面进行分析。最终得出相应的结论。

对于本项目的结论如下：塔楼转换柱、转换梁、剪力墙在大震下大多处于轻度损坏程度，多数连梁能进入弹塑性阶段耗散地震能量，主要抗侧力构件均没有出现脆性破坏，结构的整体性能满足防止倒塌的要求，达到C类抗震性能目标。

3 结语

通过对本项目结构设计要点进行分析，得出了相应的合理性和安全性结论。同时，对抗震性能给予相应建议：转换柱、转换梁、12～15层体型的收进周边竖向构件的抗震等级为一级。转换层及弱连接楼盖加厚至180mm，实现双层双向配筋，单向单层钢筋配筋率为0.3%;其他楼层弱连接楼盖加厚至150mm，实现双层双向配筋，单向单层钢筋配筋率为0.25%。该建筑体型的收进部位以及上一层楼板的加厚至150mm，实现双层双向配筋，单向单层钢筋配筋率为0.25%。弱连接楼盖部位的梁应设置腰筋，单侧不宜少于2根，单侧腰筋截面积不应小于腹板截面积的0.2%，且其间距不宜大于150mm。部分转换梁（编号为ZHL2、ZHL4和ZHL11）的主拉应力值较大，施工图设计应适当加大其纵筋配筋率。

参考文献

[1] 杜明军，许平，胡振杰，等.某高位大跨连体超限高层建筑结构设计[J].建筑结构，2019，49（05）：83-89.

[2] 王鹏，许平，胡振杰.某高位转换超限高层办公楼结构设计与分析[J].建筑结构，2016，46（08）：23-27，32.