高層建筑帶轉換層的抗震設計

韓 杰

鹽城市規(guī)劃市政設計院有限公司，江蘇 鹽城 224001

0 引言

基于性能的抗震設計是建筑結構抗震設計的一個重要發(fā)展，與傳統(tǒng)的“三水準、二階段”設計相比，基于性能的抗震設計從宏觀定性的目標轉為具體量化的多重目標，對不同的設防烈度、場地條件及建筑的重要性可采用不同的性能目標和抗震措施，業(yè)主(設計師)選擇所需的性能目標，并對性能目標作深入分析和認證。這里的性能目標是針對結構體系的，是綜合考慮社會的經(jīng)濟水平、建筑物的重要性以及建筑物造價、保養(yǎng)、維修和可能遭受地震作用下的直接和間接損失來優(yōu)化確定的，目標就是在結構的整個生命周期內總費用最小。性能目標確定后，設計師可創(chuàng)造性的進行設計，利用新技術、新材料，結合新工藝、新方法，最終完美實現(xiàn)預定設計目標。代表未來設計方向的基于性能的抗震設計思想正逐步在我國超限高層建筑中嘗試運用[2]。毋庸置疑，帶轉換層高層建筑工程設計適宜采用基于性能的抗震設計方法。

1 帶轉換層高層建筑結構采用基于性能抗震設計思想的設計方法

1.1 建筑結構抗震性能目標

建筑結構抗震設計的性能目標指某一設定的地震地面運動下建筑結構的預期性能水準。通常，結構的抗震性能可分為表1所示幾個水準。

性能水準 人員安全與使用情況、結構破壞情況1a 人員安全可立即使用，結構完好無損傷1b 人員安全，個別構件稍加修理即可使用，結構基本完好2 重要構件完好，部分選定的延性構件出現(xiàn)明顯裂縫，修理后使用3 重要構件輕微損傷，部分選定的延性構件屈服，修理并采取安全措施后使用4多數(shù)構件屈服，部分構件嚴重損壞，但結構不倒塌，不危及生命多數(shù)構件輕微破壞，部分構件屈服，經(jīng)修理加固后使用，人員不能安全出入5

對于每個建筑物，可根據(jù)具體的設防烈度、場地條件、房屋高度、不規(guī)則的部位和程度以及業(yè)主的經(jīng)濟實力，選擇結構在3個水準地震下的性能水準，從而實現(xiàn)設計目標。表2為一些可供選擇的性能目標方案。

地震水準 結構性能水準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

性能目標A，小震和中震均滿足性能水準1a，大震滿足性能水準1b，整體結構完好。

性能目標B，小震滿足性能水準1a，中震滿足性能水準1b，大震滿足性能水準2，整體結構基本完好。

性能目標C，小震滿足性能水準1a，中震滿足性能水準2，大震滿足性能水準3，部分結構構件損壞。

性能目標D，小震滿足性能水準1a，中震滿足性能水準3，大震滿足性能水準4，結構中等破壞。

性能目標E，小震滿足性能水準1a，中震滿足性能水準4，大震滿足性能水準5，結構損壞但不危及生命安全。

1.2 帶轉換層高層建筑結構抗震性能目標的選取

選擇合適的性能目標是基于性能的抗震設計理論的核心內容。性能目標選取的依據(jù)是“投資-效益”準則，即在社會的經(jīng)濟水平、地區(qū)差異、建筑物重要性及其造價、保養(yǎng)、維修和可能遭受地震作用下的直接和間接損失、可接受人員的傷亡程度等多種因素綜合考慮的基礎上費用最小，其關鍵是結構設計的安全性和經(jīng)濟性的合理平衡。震害經(jīng)驗及試驗和理論研究表明，在中震、大震下，結構既具有合適的承載力又能發(fā)揮一定的延性性能是比較合適的，對于帶轉換層的復雜高層結構，一般情況下可選用性能目標“C”、“D”、“E”，這3種目標的具體選用還應結合前述多種因素，結合選用的結構體系本身的合理性和結構新材料、新技術的應用等等因素綜合考慮。

1.3 帶轉換層高層建筑結構采用基于性能抗震設計思想的設計方法

在基于“投資-效益”準則的結構最優(yōu)目標性能水平確定的基礎上，控制結構造價是結構抗震性能優(yōu)化設計的第二個關鍵。具有很高冗余度的建筑結構，結構體系的特性要比結構構件的特性重要的多。因此，在具體設計中如何考慮結構體系的特性是一個非常關鍵的問題。作者認為，對于諸如帶轉換層等復雜高層建筑，可按下述3個步驟來進行抗震性能優(yōu)化設計：

1）結構總體方案的優(yōu)化選擇。在與建筑充分協(xié)商配合，保證建筑功能、建筑效果的基礎上，采取合理的結構體系，盡可能使結構抗側力構件布置在平面內均勻、豎向連續(xù)。因建筑功能需要而豎向必須轉換的，轉換結構體系應充分保證其豎向承載力，保證足夠的延性，避免剛度突變。

2）轉換結構體系確定后，根據(jù)所采用轉換結構的特點，分析確定該部位結構抗震性能和總體結構抗震性能的關系，保證轉換部位抗震性能優(yōu)于整體結構抗震性能。兩者的失效概率應處于一個合適的比例，不會因轉換構件先失效而導致整體結構破壞。

3）各構件性能設計，包括承載力設計和延性設計，也即配筋計算和構造措施。怎樣把基于性能抗震設計理念合理并且簡單實用地應用到實際設計中，目前理論界主要有兩種方法，一是基于位移的抗震設計方法；二是基于傳統(tǒng)的設計方法，不論是哪一種，相對于傳統(tǒng)抗震設計，基于性能的抗震設計對于結構計算分析要求更為詳盡，從結構總體承載力、變形、屈服機制、屈服后性能到各構件尤其是轉換構件承載力、變形等均應建立在合理分析精確計算的基礎上。

2 工程實例

2.1 工程概況

本市某高層雙塔住宅樓，地下一層，地上二十一層。一、二層為大底盤商場及會所，夾層為非機動車停車庫，二層以上為高層住宅。該工程始建于2003年，設計采用了大柱網(wǎng)框架-剪力墻結構。因規(guī)劃調整等原因，工程進展至地下室完工后擱置。2005年，開發(fā)商根據(jù)市場需求重新設計了戶型。為滿足建筑新要求，上部結構改為小柱網(wǎng)框架-剪力墻結構。轉換部位上下層結構平面如下圖 1、2。

圖1 轉換部位上層(三層)結構平面

圖2 轉換部位下層(二層)結構平面

2.2 性能目標的選擇和性能設計

該工程為7度設防的框架-剪力墻結構高層民用住宅，房屋高度、高厚比及不規(guī)則性均不超過規(guī)范限值，由此，結構抗震性能目標選定為“E”，即中震下部分構件屈服，大震下多數(shù)構件屈服。剪力墻抗震等級為二級，框架抗震等級為二級，轉換結構適當加強。該工程結構體系的特性是帶有轉換層，轉換結構抗震性能的優(yōu)劣直接影響了整體結構的抗震性能，所以，轉換層的性能設計是該工程抗震性能設計的關鍵。

為保證轉換層的抗震性能，首先應合理選擇轉換層的結構體系。一方面確保有效地傳遞上部建筑傳來的巨大自重和活荷載；另一方面滿足設計規(guī)范對側向荷載和抗震動等力的要求。與此同時，充分利用轉換層空間，提高使用效率，節(jié)約投資也應認真考慮。轉換結構常見的型式主要有:深梁式、平板式、箱梁式、桁架式等等，這些型式都有各自的優(yōu)缺點，適合不同的情況使用，應具體工程具體分析。在本工程中，因應建筑戶型調整，結構柱網(wǎng)改變。經(jīng)與業(yè)主和建筑師協(xié)商，將下部結構的豎向構件（框柱、剪力墻）全部延續(xù)到上部，這樣最大限度地保證了結構抗震性能合理。對于幾榀邊框梁上抬柱，在綜合比較上述各種轉換體系的優(yōu)劣，結合業(yè)主對轉換層景觀及使用（轉換層要求能通透）的要求，確定采用桁架轉換結構體系。與其它幾種轉換結構相比，桁架式轉換結構性能優(yōu)點明顯：節(jié)省材料和成本，通風采光良好，轉換層利用率高，且不會發(fā)生突然的破壞過程。作為整體結構抗震性能的關鍵點，設計要求轉換層中震彈性，位移也應從嚴控制。

2.3 結構的計算和構造

具有較好抗震性能的桁架轉換結構是一種輕型的結構轉換體系，與傳統(tǒng)的結構力學概念不同的是，這里的桁架桿系不是只有軸向拉壓力，而是每一個桿件和節(jié)點都可能存在拉壓、彎、剪、扭等各種復雜的受力和傳力特性。為能較好的解決這個輕型結構轉換體系復雜內力，該工程設計時在計算和構造上采取了下列幾個措施。

2.3.1 結構計算

首先采用目前國內最通用的標準軟件SATWE進行規(guī)范規(guī)定的計算，即小震彈性計算。計算中為克服軟件自身的不足，對轉換層樓板和桁架桿件剛度作了合理調整。從計算結果來看，本工程的抗側剛度與扭轉剛度比例合理，柱、墻分別承擔的抗傾覆彎矩比例合適。除了屋面塔樓與轉換部位，地震反應力曲線連續(xù)平滑，符合框剪結構的受力特征。

其次，考慮到該工程設計時SATWE軟件非線性靜力分析功能（施工模擬加載）的欠缺，將轉換層上部結構獨立計算，所得柱底力作用于桁架上按結構力學原理手算，確保常態(tài)下桁架安全。

第三，進行結構中震計算，著重考察轉換層結構構件和轉換層相對層間位移。計算結果表明，各轉換桁架構件中震下均未屈服，轉換層相對層間位移X向為1/323，Y向為1/357，均小于輕微破壞1/200的標準，保證中震彈性。

2.3.2 轉換層結構構造措施

桁架中既有拉桿又有壓桿，還有在地震作用下可能出現(xiàn)拉壓力轉變的桿件。為了減緩在復雜受力下桿件裂縫的開展，提高桁架的延性，在轉換層部位采取了一系列針對性構造措施：

1）桁架采用摻量為1.2%的鋼纖維混凝土澆筑；2）轉換桁架上下弦桿平面內樓板加厚加強；3）下弦桿兩側各600mm寬范圍板面板底配置抗拉鋼筋；4）弦桿、腹桿交接處加腋。這些措施消除了應力集中，提高了延性，保證了節(jié)點區(qū)承載力，同時減緩了桿件裂縫開展。

2.4 轉換層實體監(jiān)測及結果分析

正如前文所述，本工程在設計時作了充分的計算和分析，轉換層采取了多項保證措施。但是，理論分析總是在理想化的模型和一定假設基礎上進行的，理論分析替代不了實測，實測既可驗證理論分析，更可直觀發(fā)現(xiàn)問題，判斷問題。實測和試驗也是性能設計的一個顯著特點。

我們要求的第三方監(jiān)測主要內容是： 1）綜合沉降監(jiān)測、不均勻沉降監(jiān)測；2）關鍵部位的鋼筋應力，混凝土內部及表面的應力應變監(jiān)測，相應的梁柱交接點、斜撐、下弦桿和混凝土表面4種不同類型的應力應變計預埋監(jiān)測。測試數(shù)據(jù)表明，測試期間大樓整體穩(wěn)定，沉降和不均勻沉降量很小，鋼筋和混凝土的應力應變值都在預期允許的范圍內，各種監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相互關系正常。

測試表明：在桁架轉換層體系中，除柱、梁、撐等交接點受復雜的三維應力作用外，所有的桁架桿件，也都不再是簡單的拉壓構件，它包含有彎矩、偏心，甚至因地基與樁基的沉降及不均勻沉降，建筑物形心和重心的不相重合都會引起附加的平面內及平面外彎曲和扭轉，這些因素相互耦合在一起，使結構的實際受力狀態(tài)與預定的計算狀態(tài)有一定的偏差，因此，要消除各種附加因素的不利影響，合理設計、施工精心、加強監(jiān)測都是必不可少的。

3 結論

基于性能的結構抗震設計中，規(guī)范給出的第一類目標性能水平是抗震設計所有結構都必須遵循的最低要求，是結構抗震設計的“共性”，而根據(jù)結構的用途及業(yè)主的特殊要求，由設計師和業(yè)主共同研究制定的第二類目標性能水平是針對具體結構的，可以因結構而異，是結構抗震設計的“個性”。在“投資-效益”準則基礎上，考慮結構“共性”與“個性”的基于可靠度的結構優(yōu)化設計，是基于性能的結構抗震設計的特點，有別于以保障生命安全為目標的傳統(tǒng)設計，具有明顯的優(yōu)點。

基于性能的抗震設計強調具體工程性能水準的判別、性能目標的選用和深入仔細的分析，在諸如帶轉換層高層建筑結構之類復雜高層建筑設計中采用該種設計理念和方法是可行的。