陳勝

摘要：隨著當前城市化進程加快，建筑技術的提高，高層建筑開始逐漸向體型復雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，尤其以帶有轉換層的復雜小高層為典型代表。本文將在探討轉換層類型以及結構形式的基礎上，重點分析帶轉換層的復雜小高層結構布置、計算調(diào)整、分析模型與設計計算等進行了分析。

關鍵詞：轉換層；復雜高層；結構設計

1、工程概況

某大廈為高層商住綜合樓，地下1層，地上30層。采用框支剪力墻結構。大廈1～2層為商業(yè)樓，3～30層為住宅；轉換層設在2層頂；標準層和轉換層結構平面分別如圖1和圖2 所示。本工程為丙類建筑，抗震設防烈度為 6 度，基本地震加速度為 0.05g，建筑場地類別為 II 類，設計地震分組為第一組，基本風壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為C 類。

典型的板式住宅，南北通透，進深小，立面寬。由于建筑平面狹長，并且西端局部軸線轉向，如圖設一道防震縫將建筑物分為東、西兩個結構單元。東座為長矩形平面，西座平面嚴重不對稱，高寬比都很大。

2、結構布置與計算調(diào)整

住宅建筑平面形狀復雜，高寬比的計算方法沒有明確的標準。如果按所考慮方向的最小投影寬度計算高寬比：東座達90.2∶9.3=9.7，西座達87.3∶9.3=9.4，遠遠超過了規(guī)范限值6。本工程平面中，局部突出部分占有相當大的面積，并且其外伸長寬比4.55∶7.2=0.63比較小，如果按包括突出部分的最大投影寬度計算高寬比，東座為90.2∶17.2=5.2，西座為87.3∶17.2=5.1。

為了得到理想的戶型布置，盡量不加大平面南北向最小寬度，而是通過剪力墻的平面布置來控制結構的側向剛度和承載能力，保證穩(wěn)定，防止傾覆，并實現(xiàn)良好的技術經(jīng)濟指標。結構布置中增加Y 軸方向剪力墻的數(shù)量和長度，南北立面上局部突出的部分加強了剪力墻布置，尤其注意保證了足夠的y軸方向落地剪力墻，滿足規(guī)范‘底層框架部分承擔的地震傾覆力矩，不應大于結構總地震傾覆力矩的50%的要求。

彈性計算顯示：風荷載作用下，東座Y向最大層間位移角為1/1184，西座為 1/1250；多遇地震作用下東座Y向最大層間位移角為1/2219，西座為 1/2420；東座Y向剛重比為3.4，西座為3.83，均遠大于1.4，滿足規(guī)范的整體穩(wěn)定要求；剪力墻、框支柱等抗側力構件配筋量正常，多數(shù)是構造配筋，無異常超限情況；基礎底面也未出現(xiàn)零應力區(qū)。

計算中發(fā)現(xiàn)，東座由于平面狹長，扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比偏大。延長周邊剪力墻，同時縮短內(nèi)部剪力墻，使抗側力構件的平面布置更加合理有效。調(diào)整剪力墻布置時，同時關注剛心的移動，避免無意間增大了偏心率而收到降低耦聯(lián)周期比的效果。

西座由于嚴重不對稱，樓層扭轉位移比很大。通過調(diào)整剪力墻布置，盡可能減小樓層剛度中心與質量中心之間的偏心。關于多高層結構剛心的定義存在爭議，現(xiàn)代空間結構計算方法并不需要確定剛心的位置，但剛心仍是概念設計的有用工具。SATWE 軟件把每一樓層當作單層結構計算出樓層剛心，PMSAP 軟件按照某種方式考慮所計算樓層與整體結構的關系而得出樓層剛心。參考軟件計算的剛心和質心位置，調(diào)整平面布置。

東座平面規(guī)則，框支柱距比較大，而且由于商場建筑布局的需要以及保證結構Y向剛度和控制落地墻間距的考慮，Y向落地剪力墻較多，X向落地墻較少，使得X向轉換層附近豎向剛度突變比較明顯?？蛑Э蚣芙孛婧吐涞貕褚褵o法加大，主要通過適當縮短上部住宅剪力墻，加寬洞口，并利用裙房的側向剛度，使轉換層上、下結構等效側向剛度比滿足規(guī)范要求。

3、分析模型與設計計算

本工程為帶轉換層的復雜高層建筑結構，設計時采用 SATWE和PMSAP兩種不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體計算。

在聯(lián)肢剪力墻中，連梁是一種對結構整體剛度很敏感的構件，用殼元建模分析更準確。但是當連梁跨高比比較大時，對采用單元結點協(xié)調(diào)的SATWE會帶來與連梁相連處墻肢單元劃分困難的問題。鑒于目前的設計軟件不能人工干預單元的劃分，當連梁跨高比不小于5時用桿元建模，小于5時，用殼元建模。

本工程樓蓋整體性較好，無狹長樓板或局部大洞口，可以采用剛性樓板計算以減少自由度數(shù)。轉換層樓板起到傳遞分配不落地墻水平剪力的作用，另外在框支剪力墻中需考慮轉換梁的軸向拉力，水平轉換和豎向轉換都要求考慮樓板平面內(nèi)變形，應采用彈性板計算。為了使轉換梁轉換豎向荷載的傳力路線清楚，不考慮轉換層樓板的平面外剛度，按彈性膜計算，偏于安全?？紤]到水平荷載的轉換也不是全部在轉換層完成的，其上相鄰的標準層樓板也定義為彈性膜。

裙房屋面與轉換層樓面在同一標高，裙房框架柱的內(nèi)力也會受到水平荷載轉換的影響，故將裙房屋面板與轉換層樓面板一起定義為彈性膜。但在計算扭轉位移比時，為了反映結構的整體扭轉，全樓強制采用剛性樓板假定。

PMSAP中梁、柱不能偏心建模，當轉換梁與其上剪力墻之間存在偏心時，輔助建立若干與轉換梁軸線垂直的分布足夠密的小段剛性梁，以傳遞剪力墻和轉換梁之間的荷載并協(xié)調(diào)變形，準確反映框支剪力墻的協(xié)同工作。

在結構整體計算中，考慮雙向地震作用和偶然偏心，但二者不疊加。轉換層及其附近的彈性板使整體結構的獨立質量總數(shù)和固有振型總數(shù)大幅增長，振型復雜。

為了使復雜高層建筑結構的地震反應譜分析達到足夠的精度，保證足夠大的各地震作用方向有效質量系數(shù)，在振型分解反應譜計算中取前30階振型。

由于在轉換層附近采用了彈性板建模，使用總剛計算方法直接形成結構的總剛度矩陣和總質量矩陣進行地震反應分析。西座中因軸線轉向有部分斜交構件，增加計算45°和135°方向水平地震作用。在振型分解反應譜法計算后檢查樓層剪重比，轉換層薄弱層處有足夠的設計地震剪力。

兩種設計軟件的各項計算結果比較接近，表明分析模型和方法合理，計算結果可靠，滿足了規(guī)范各項要求。主要計算結果示于表1～表4。

注：表中最大位移比和最大層間位移比只計塔部分，不含底部裙房和突出屋面的電梯機房。

4、結束語

高層建筑的造型和功能日趨多樣化。帶轉換層復雜高層建筑結構能滿足建筑物上、下不同使用功能的要求，但該類結構由于剛度突變，豎向構件不連續(xù)，屬于不利于抗震的結構。轉換層結構設計是結構設計的一個難點，更是不同形式結構體系轉換的關鍵點，設計時應不斷研究和進行方案比較，合理建立分析計算模型，正確運用設計軟件，透徹理解規(guī)范條文的含義和背景，在現(xiàn)有認識水平的基礎上設計出安全可靠經(jīng)濟適用的結構。

參考文獻：

[1]JGJ-3 -2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程條文說明[S].

[2]JGJ-3 -2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[s].

[3]徐培福，黃吉鋒，韋承基.高層建筑結構的扭轉反應控制[J].土木工程學報，2006，39（7）：1-8.

[4]蔡健，潘東輝，黃炎生.高層建筑結構扭轉振動效應控制研究[J].工程力學，2007，24（7）：116—121.

[5]吳曉云，陳森，魏璉.論地震作用下多層平扭耦聯(lián)建筑的剛心[J].地震工程與工程振動，1988，8（4）：33-44.