某高位轉(zhuǎn)換超高層公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

黃 金

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 湖北武漢 430014)

1 工程概況

本工程地上總建筑面積19 026.72 m2，主樓房屋高度為137.850 m，層數(shù)為地上40層、地下4層。地下室主要建筑功能為車(chē)庫(kù)，主樓-1-7層為商業(yè)，負(fù)一層層高為4.4 m，一層層高為6.0 m，二～七層為5.2 m。8層、25層為避難層，其余樓層為住宅，避難層及住宅層高為2.9 m。由于下部商業(yè)的建筑功能要求，本工程在第八層避難層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 a，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)、設(shè)計(jì)地震分組為第一組、場(chǎng)地類(lèi)別為III類(lèi)；下部的商業(yè)區(qū)段為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，而上部的公寓為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，抗震等級(jí)如表1。本工程地震影響系數(shù)最大值及特征周期均采用中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖規(guī)定的參數(shù)(表2)。

2 結(jié)構(gòu)體系及超限判斷

2.1 結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑形式的要求，本工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。主體結(jié)構(gòu)中筒和兩側(cè)部分端墻設(shè)置為落地剪力墻，框支柱與落地剪力墻的距離最大為6.34 m，結(jié)構(gòu)在地上第八結(jié)構(gòu)層進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。落地剪力墻混凝土截面厚度由600～200 mm逐漸變化，防止剛度突變。豎向構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C55向C30逐級(jí)變化?？蛑е?、框支梁均采用型鋼混凝土柱和型鋼混凝土梁、型鋼的牌號(hào)為Q345B。

轉(zhuǎn)換層以上的豎向荷載通過(guò)梁、板傳遞到未落地剪力墻及落地剪力墻上。未落地剪力墻把豎向荷載傳遞至轉(zhuǎn)換梁、柱。轉(zhuǎn)換層及以下的豎向荷載傳遞到框支柱及落地剪力墻，最終傳至基礎(chǔ)。

抗側(cè)體系：

本工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載、地震作用產(chǎn)生的水平剪力、傾覆力矩由剪力墻、框支柱組成的抗側(cè)力體系承擔(dān)，最終傳至基礎(chǔ)，其中大部分水平剪力由剪力墻承擔(dān)。該結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度較大，通過(guò)墻肢和連梁的協(xié)同受力獲得良好的抗震和抗風(fēng)性能。

樓面體系：

表1 抗震等級(jí)

本工程樓面體系采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆主次梁樓蓋?；炷翗前宓闹饕穸葹椋旱叵乱粚?180 mm(嵌固端)、地下二層樓板150 mm、地下三層樓板150 mm、一層至六層 120～150 mm、七層150 mm、八層 180 mm(轉(zhuǎn)換層)、九層 150 mm、其余各層 100 mm～130 mm、屋面層 120 mm。

表2 地震影響系數(shù)最大值及特征周期

塔樓和裙房之間在頂板以上用防震縫分開(kāi)，縫寬200 mm。避免在地震作用下相互影響(圖3)。

2.2 超限判斷

2.2.1 房屋高度超限判斷

本工程房屋高度為137.85 m，超過(guò)6度抗震設(shè)防烈度區(qū)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)A級(jí)高度120 m限值，未超過(guò)B級(jí)140 m限值，屬于高度超限的高層建筑。

2.2.2 不規(guī)則超限判斷

不規(guī)則超限情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

2.2.3 超限綜合判斷

本結(jié)構(gòu)為超限項(xiàng)目,需要抗震超限審查,存在的超限類(lèi)別為高度超限，規(guī)則性超限；規(guī)則性超限具有以下三項(xiàng)：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、構(gòu)件間斷。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

表3 不規(guī)則超限情況

圖3 建筑剖面

3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)上文的超限判斷，本工程選用的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)。結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件的具體要求見(jiàn)表4所示。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

4.1 靜力彈性計(jì)算

4.1.1 多遇地震作用下整體計(jì)算結(jié)果

本工程屬于復(fù)雜超限高層建筑，采用YJK(版本號(hào)：V1.8.2.1)作為主要計(jì)算分析軟件，并同時(shí)采用MIDAS Building(版本號(hào)：2016)對(duì)YJK分析結(jié)果進(jìn)行校核。多遇地震下兩種軟件計(jì)算的主要結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表5。

表4 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

表5 多遇地震作用下整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表5可以看出，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致，表明本工程所使用的軟件是可行的，模型的計(jì)算結(jié)果是可信的，且計(jì)算結(jié)果都滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.1.2 轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度規(guī)定

根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》E.0.2條、E.0.3條及3.5.2-1條，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第二層以上時(shí)，轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比γ1不應(yīng)小于0.6；轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe2不應(yīng)小于0.8。本結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查要點(diǎn)》第十一條第(五)款規(guī)定：“轉(zhuǎn)換層應(yīng)嚴(yán)格控制上下剛度比?！庇缮媳砜芍窘Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上下剛度比均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表6 轉(zhuǎn)換層剛度比

4.2 轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析

在部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，框支轉(zhuǎn)換層樓板是重要的傳力構(gòu)件，不落地剪力墻的剪力需要通過(guò)轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地剪力墻上，轉(zhuǎn)換層樓板會(huì)承受很大的剪力[1-2]，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故需要考察轉(zhuǎn)換層樓板在中震，大震下的應(yīng)力情況，然后找出轉(zhuǎn)換層樓板的相對(duì)薄弱部位，為轉(zhuǎn)換層樓板局部加強(qiáng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

本報(bào)告采用YJK對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行設(shè)防地震、罕遇地震作用下的應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖7。樓板采用彈性樓板6計(jì)算，采用殼單元計(jì)算樓板的面內(nèi)剛度和面外剛度；樓板在梁和剪力墻處剖分，最大單元尺寸為1.5 m。

圖4 X向設(shè)防地震作用下轉(zhuǎn)換層樓板剪應(yīng)力分布(單位:N/mm2)

圖5 X向設(shè)防地震作用下轉(zhuǎn)換層樓板剪應(yīng)力分布(單位：N/mm2)

圖6 X向罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換層樓板剪應(yīng)力分布(單位：N/mm2)

圖7 Y向罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換層樓板剪應(yīng)力分布(單位：N/mm2)

本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，0.7ftk=1.67N/mm2，轉(zhuǎn)換層樓板在設(shè)防地震作用下X向和Y向最大剪應(yīng)力分別為0.9 N/mm2、0.8 N/mm2，均小于轉(zhuǎn)換層樓板的的0.7ftk，滿(mǎn)足GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.3條要求；轉(zhuǎn)換層樓板在罕遇地震作用下剪應(yīng)力僅有局部位置大于轉(zhuǎn)換層樓板的0.7ftk。

施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域(如樓板洞口周邊、豎向構(gòu)件角部)加強(qiáng)配筋或增加板厚，使轉(zhuǎn)換層樓板在罕遇地震作用下不致破壞，樓板裂縫寬度及剛度退化程度得到有效控制[3]。

4.3 關(guān)鍵構(gòu)件的中震不屈服驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)在中震作用下，部分構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。為方便設(shè)計(jì)，允許采用等效彈性分析方法計(jì)算關(guān)鍵構(gòu)件，計(jì)算中可適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)阻尼比的增加以及剪力墻連梁剛度的折減[4]。本分析所采用的主要參數(shù)如表7所示。

表7 中震不屈服設(shè)計(jì)選用參數(shù)

通過(guò)YJK軟件進(jìn)行中震計(jì)算，框支柱為型鋼混凝土柱，截面沒(méi)有變化。轉(zhuǎn)換層的框支柱承受剪力最大，選取轉(zhuǎn)換層框支柱做承載力驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)框支柱在中震作用下的計(jì)算配筋與小震基本相同，適當(dāng)提高框支柱的縱筋及箍筋配筋率可保證框支柱在中震作用下始終處于彈性狀態(tài)。

局部框支梁在中震作用下計(jì)算配筋比小震作用時(shí)大，設(shè)計(jì)時(shí)按照中震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋，以達(dá)到設(shè)防目標(biāo)。

落地剪力墻在中震作用下，豎向縱筋計(jì)算配筋都比小震作用時(shí)大，適當(dāng)提高約束邊緣構(gòu)件配筋率進(jìn)行配筋，能滿(mǎn)足中震設(shè)防目標(biāo)要求。

4.4 大震彈塑性時(shí)程分析

采用MIDAS 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析。

本結(jié)構(gòu)在進(jìn)行大震作用下的彈塑性時(shí)程分析時(shí)，根據(jù)場(chǎng)地特征周期、頻譜特性以及有效持續(xù)時(shí)間等控制條件選取了1組人工波(R1)和2組天然波(T1、T2)作為時(shí)程輸入。

4.4.1 最大彈塑性層間位移角

本工程在大震作用下、兩個(gè)方向的彈塑性層間位移角均小于1/250，符合大震作用下性能目標(biāo)的要求(圖8～圖10)。

圖8 X向大震彈塑性層間位移角

圖9 Y向大震彈塑性層間位移角

圖10 大震彈塑性層間位移角參考值

4.4.2 框支梁、柱的塑性鉸分析

本結(jié)構(gòu)在整個(gè)大震作用過(guò)程中，框支梁、柱均沒(méi)有發(fā)生屈服，只是框支柱頂端和框支梁兩端發(fā)生了開(kāi)裂，說(shuō)明結(jié)構(gòu)方案布置時(shí)，對(duì)框支框架采用型鋼混凝土構(gòu)件并進(jìn)行中震不屈服設(shè)計(jì)的措施是有效的，達(dá)到了對(duì)框支框架設(shè)定的預(yù)定目標(biāo)(圖11、圖12)。

圖11 21.28s時(shí)刻框支柱塑性鉸狀態(tài)

圖12 21.28s時(shí)刻框支梁塑性鉸狀態(tài)

4.4.3 剪力墻的塑性鉸分析

本結(jié)構(gòu)在第八層高位轉(zhuǎn)換存在剛度突變，在大震作用下，當(dāng)墻體按小震計(jì)算結(jié)果配筋時(shí)，轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻破壞比較嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，將轉(zhuǎn)換層上一層的剪力墻墻體分布筋配筋率提高到0.75 %，除了轉(zhuǎn)換層上一層以外的底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻分布筋配筋率提高到0.5 %。按此加強(qiáng)后，本結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足“大震不屈服”的抗震性能要求(圖13、圖14)。

圖13 57.02s時(shí)刻第9層剪力墻剪切情況(加強(qiáng)前)

圖14 57.02s時(shí)刻第9層剪力墻剪切情況(加強(qiáng)后)

4.4.4 大震彈塑性時(shí)程分析總結(jié)

本結(jié)構(gòu)的層間位移角包絡(luò)值小于1/250的抗震設(shè)防要求。關(guān)鍵構(gòu)件大多未進(jìn)入塑性；部分框架梁進(jìn)入塑性；大多數(shù)連梁耗能屈服，結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足“大震不倒”要求。

大震作用下，框支柱和框支梁都沒(méi)有發(fā)生屈服，剪力墻有少數(shù)墻肢發(fā)生屈服，但各層剪力墻均滿(mǎn)足規(guī)范所規(guī)定的截面控制條件。

整體來(lái)看，通過(guò)一系列加強(qiáng)抗震措施，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制，可以達(dá)到預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求。

5 超限設(shè)計(jì)的主要抗震措施

(1)地下一層至地上第十層剪力墻(底部加強(qiáng)區(qū))抗震等級(jí)為特一級(jí)，框支框架抗震等級(jí)為特一級(jí)；轉(zhuǎn)換梁及框支柱采用鋼骨混凝土構(gòu)件，并按中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂瓶蛑е奥涞貕Φ妮S壓比，增加其延性，框支柱的軸壓比限值為0.5，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻軸壓比限值為0.45。

(2)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層(板厚180 mm)及上下各一層樓(板厚150 mm)板剛度，對(duì)樓板做補(bǔ)充應(yīng)力分析，雙層雙向配筋適當(dāng)提高配筋率。

(3)對(duì)轉(zhuǎn)換層及轉(zhuǎn)換層以下剪力墻墻體的水平和豎向分布鋼筋配筋率適當(dāng)提高到0.5 %，對(duì)轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻墻體的水平和豎向分布鋼筋配筋率適當(dāng)提高到0.75 %，底部加強(qiáng)區(qū)及上一層剪力墻約束邊緣構(gòu)件的陰影部分豎向鋼筋配筋率不小于1.4 %且不應(yīng)小于8φ18。

(4)過(guò)渡層(剪力墻約束邊緣構(gòu)件上2層) 部位的邊緣構(gòu)件縱筋配筋率不小于 1.2 %，箍筋的配箍特征值不小于 0.20。

(5)針對(duì)小墻垛處剪力墻出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上適當(dāng)提高其配筋率。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)在多遇地震作用下，通過(guò)YJK和MIDAS兩種軟件的對(duì)比分析，本工程結(jié)構(gòu)都滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求。

(2)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板的應(yīng)力分析，找到其薄弱位置加強(qiáng)配筋或增加板厚，使轉(zhuǎn)換層樓板在罕遇地震作用下不破壞。

(3)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)大震彈塑性時(shí)程分析，找出結(jié)構(gòu)塑性鉸分布位置，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)采取一系列加強(qiáng)措施，使其滿(mǎn)足抗震性能要求。

(4)本結(jié)構(gòu)雖具有高度超限、高位轉(zhuǎn)換和平面凹凸不規(guī)則等超限指標(biāo)，但是通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用可靠的分析手段，并采取一系列抗震加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿(mǎn)足抗震性能目標(biāo)。本工程通過(guò)了超限專(zhuān)項(xiàng)審查，設(shè)計(jì)成果可為同類(lèi)高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒。