趙煥金 任家福

（陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 710018）

前言

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，高層建筑應(yīng)運而生，高層建筑能夠?qū)⑷祟悓Φ乇砜臻g的應(yīng)用從傳統(tǒng)的橫向應(yīng)用轉(zhuǎn)化到縱向應(yīng)用上，極大程度上解決了有限的地表空間對人類活動的影響?，F(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中存在著一定程度的結(jié)構(gòu)設(shè)計沖突，從結(jié)構(gòu)合理層面來講，高層建筑自下而上應(yīng)當(dāng)是下部空間小剛度大，而上部空間大剛度小；但是功能性需求卻要求建筑上層空間大剛度小，下層空間大剛度小[1～2]。這種建筑功能性需求要求高層建筑需要通過轉(zhuǎn)換層來解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局問題。隨著人類對地震的認(rèn)識及地震對人類生命財產(chǎn)的影響不斷嚴(yán)重，越來越多的學(xué)者認(rèn)為結(jié)構(gòu)抗震是現(xiàn)代建筑必須重視的一個領(lǐng)域，但是目前的研究證明，針對高層建筑的抗震研究仍然需要結(jié)合工程案例具體分析。

1 工程概況

某高層建筑分為地上結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)為1層，主要作為停車場及設(shè)備室，高度4.50m；地上結(jié)構(gòu)為30層，總高度99.00m，建筑面積14535.82m2，其中1～6層位商用層，7～30層位住宅層，轉(zhuǎn)換層設(shè)置于6層。因為轉(zhuǎn)換層設(shè)置處于較高層，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]中的規(guī)定，本工程應(yīng)當(dāng)為帶高位轉(zhuǎn)換層的不規(guī)則項的超高層建筑結(jié)構(gòu)。該工程的一層、轉(zhuǎn)換層及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)不同層的平面布置圖

工程的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)分析如下：

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，場地類別II類，特征周期0.35s，周期折減系數(shù)0.85，阻尼比0.05。建筑50年一遇基本風(fēng)壓0.35kN/m2，50年一遇基本雪壓0.35kN/m2，根據(jù)《高規(guī)》中相關(guān)規(guī)定，建筑高度超過60m時設(shè)計過程需按基本風(fēng)壓的1.1倍取值。

2 計算結(jié)果

利用振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）對本方案的抗震性能進(jìn)行模擬計算，現(xiàn)將計算結(jié)果整理如下：

2.1 基本動力特征

計算過程中為了保證振型參與質(zhì)量大于總質(zhì)量的95%，并且驗證復(fù)雜高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震情況，振型選擇數(shù)量為36個。前9個振型作用相對明顯，周期與振型關(guān)聯(lián)情況如表1所示。

表1 周期與振型匯總表

第一振型均為X方向為主的平動，第二振型為Y方向為主的平動，第三振型為以扭轉(zhuǎn)為主的振動形態(tài)，后續(xù)振型均為復(fù)合地震振型。通過計算我們發(fā)現(xiàn)本次案例的震動周期比滿足《高規(guī)》中相關(guān)要求。

2.2 X向及Y向地震作用

本案例的X向及Y向地震作用情況如圖2所示。

圖2 X向及Y向地震作用曲線圖

從地震作用曲線圖上分析我們不難看出在樓蓋部分（30層）及轉(zhuǎn)換層（6層）部分地震作用出現(xiàn)了比較明顯的增大。因為任何建筑高度越高則會造成剛度越小，地震作用表現(xiàn)明顯是符合要求的。但是轉(zhuǎn)換層部分的地震作用明顯則代表轉(zhuǎn)換層及轉(zhuǎn)換層上下基層是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和驗算的重點。

2.3 地震剪力計算情況

根據(jù)大量研究顯示，在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，轉(zhuǎn)換層附近極易出現(xiàn)剪力的突變，因為轉(zhuǎn)換層的上下層結(jié)構(gòu)形式和剛度差異較大，在地震作用下容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱點，所以在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要對轉(zhuǎn)換層附近的地震剪力進(jìn)行驗算，并且根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng)。故此需要對轉(zhuǎn)換層的構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計。

2.4 地震作用下的結(jié)構(gòu)變形

《抗規(guī)》《高規(guī)》都對高層建筑，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層建筑變形情況進(jìn)行了規(guī)定，因為在地震作用下如果結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，極有可能造成結(jié)構(gòu)變形而失去承載力，進(jìn)而受損。《高規(guī)》中規(guī)定對于A級高度的高層建筑，樓層豎向構(gòu)件水平位移及層間位移不宜大于該樓層均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層均值的1.5倍。樓層層間最大位移與層高比值不大于1/1000。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，無論是X向還是在Y向地震作用下，轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的樓層位移情況增速相對具備規(guī)律性，可以用近似的直線進(jìn)行表示，轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的樓層位移也具備規(guī)律性，但是在轉(zhuǎn)換層部分卻有一定程度的突變，轉(zhuǎn)換層下部過度到轉(zhuǎn)換層上部時，樓層位移曲線的斜率有明顯減小的趨勢。

3 結(jié)論

本案例是一個在高位轉(zhuǎn)換的復(fù)雜結(jié)構(gòu)高層建筑，通過CQC法計算結(jié)構(gòu)的基本動力特征、地震作用、地震剪力和結(jié)構(gòu)變形等情況，對照其他學(xué)者對轉(zhuǎn)換層抗震結(jié)構(gòu)的研究后筆者發(fā)現(xiàn)，高層建筑抗震設(shè)計的轉(zhuǎn)換層位置在同等轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式下對建筑抗震能力有明顯的影響。轉(zhuǎn)換層越高的建筑結(jié)構(gòu)樓層的地震作用、地震剪力都會有明顯的增大，進(jìn)而容易影響建筑結(jié)構(gòu)（尤其是轉(zhuǎn)換層）的樓層位移，容易造成建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層，所以在帶高位轉(zhuǎn)換層的高層建筑抗震設(shè)計過程中要做好驗算工作，尤其是轉(zhuǎn)換層附近的樓層部分，適當(dāng)采用加強(qiáng)設(shè)計，避免高層建筑在地震作用下出現(xiàn)損壞情況。

通過本次設(shè)計，筆者對帶高位轉(zhuǎn)換層的高層建筑進(jìn)行了抗震能力的計算，結(jié)果表明本案例設(shè)計是成功的，滿足規(guī)范要求。