張猜兵， 肖 志， 高明宇， 劉 琳

(1 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 長(zhǎng)沙 410007；2 長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)分院， 長(zhǎng)沙 410217)

0 引言

隨著對(duì)建筑功能要求的提高，結(jié)構(gòu)底部樓層要求做商業(yè)用途時(shí)，若建筑上部、下部采用相同的結(jié)構(gòu)形式往往不滿足底層商業(yè)大空間的需求，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，以此來(lái)解決其功能及使用要求[1-3]。超高層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，故本文針對(duì)某超高層框支剪力墻高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙濱江新城片區(qū)，為一棟超高層公寓，建筑面積36 896m2，建筑總高度144.55m，地下2層，地上31層，1,2層為商業(yè)，商業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)層層高均為4.5m。設(shè)兩個(gè)避難層，避難層層高為3.3m，建筑效果圖見(jiàn)圖1，建筑剖面圖見(jiàn)圖2，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置圖見(jiàn)圖3。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

圖3 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置圖

2 結(jié)構(gòu)布置

方案初期，對(duì)于上部公寓式辦公樓層的結(jié)構(gòu)布置，提出了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)兩種方案。采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然大部分框架可延伸至基礎(chǔ)，且對(duì)底部商業(yè)的使用功能影響較小，但是框架柱對(duì)上部辦公樓層的使用功能有較大的影響。采用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)布置中無(wú)凸出建筑墻體的結(jié)構(gòu)柱，能夠減少框架柱對(duì)上部使用空間的不利影響，但若剪力墻均延伸至基礎(chǔ)，將對(duì)底部商業(yè)大空間的使用功能產(chǎn)生較大的不利影響。如何同時(shí)解決上述兩個(gè)問(wèn)題，是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

為了能夠既不影響上部辦公的舒適性，也不影響底部商業(yè)大空間的使用要求，選用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，即上部采用剪力墻結(jié)構(gòu)，除樓、電梯間位置剪力墻落地外，其余剪力墻均在3層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用住宅與商業(yè)之間的設(shè)備轉(zhuǎn)換層做高位梁式轉(zhuǎn)換[4]，設(shè)備轉(zhuǎn)換層層高2.2m(含結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層1.6m)，其中包括結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁高1.6m以及排水立管轉(zhuǎn)彎高度0.6m，如圖4所示。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面如圖5所示。為方便建筑有效利用走廊上方空間，將兩側(cè)分戶位置的梁設(shè)置在走廊中間，詳見(jiàn)圖3。

圖4 轉(zhuǎn)換層剖面示意圖

圖5 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖

3 超限分析

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》(建設(shè)部令第111號(hào))、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))，本項(xiàng)目存在以下不規(guī)則情況：1)高度超限：建筑總高度144.55m，大于B級(jí)高度限值140m，超3.14%；2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心最大扭轉(zhuǎn)位移比X向1.28，Y向1.34；3)平面不規(guī)則：平面呈L形不規(guī)則平面；4)多塔：因地下1層三面開(kāi)敞，無(wú)嵌固條件，故取地下2層頂板為結(jié)構(gòu)嵌固部位，存在多塔情況；5)構(gòu)件間斷：豎向構(gòu)件不連續(xù)，存在構(gòu)件轉(zhuǎn)換，上部標(biāo)準(zhǔn)層除樓、電梯間剪力墻及端跨少量剪力墻落地，其余剪力墻均在3層樓面設(shè)轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換。

綜上，本工程屬于高度超限且同時(shí)具有4項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)的高層建筑，屬于“特別不規(guī)則”結(jié)構(gòu)，按要求進(jìn)行了抗震設(shè)防專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)了超限審查。

4 多遇地震彈性分析

4.1 反應(yīng)譜分析

本工程屬于復(fù)雜超限高層建筑，采用YJK作為主要計(jì)算分析軟件，并采用MIDAS Building對(duì)YJK分析結(jié)果進(jìn)行校核。兩軟件計(jì)算的主要結(jié)果差值均在5%以內(nèi)。

4.2 單塔分算與大底盤多塔整體計(jì)算結(jié)果比較

建立單塔與多塔計(jì)算模型，見(jiàn)圖6。從表1中結(jié)果可以看出，在標(biāo)高±0.000處，大底盤多塔結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的地震基底剪力略小于單塔分算結(jié)果，兩者差值在5%以內(nèi)。反應(yīng)譜法設(shè)計(jì)時(shí)，采取大底盤多塔結(jié)構(gòu)整體計(jì)算與單塔計(jì)算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖6 單塔與多塔計(jì)算模型示意圖

單塔與多塔小震計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表1

5 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算

針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)類型，采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行補(bǔ)充分析和論證，根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強(qiáng)的關(guān)鍵構(gòu)件，依據(jù)本工程特點(diǎn)及規(guī)范，選定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)為C級(jí)，相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)，具體詳見(jiàn)表2。利用YJK軟件，采用等效彈性分析，對(duì)中震作用下不同類型構(gòu)件進(jìn)行中震校核。

結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo) 表2

5.1 豎向構(gòu)件抗剪彈性、抗彎不屈服驗(yàn)算

通過(guò)上部結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果可以得知，剪力墻、框支柱配筋并未發(fā)生超筋現(xiàn)象，未出現(xiàn)抗剪截面不滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2](簡(jiǎn)稱高規(guī))式(3.11.3-1)要求的構(gòu)件，表明底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、框支柱能滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能目標(biāo)，各構(gòu)件滿足高規(guī)性能水準(zhǔn)3的要求。設(shè)計(jì)時(shí)按中震輸出結(jié)果與多遇地震計(jì)算結(jié)果包絡(luò)進(jìn)行配筋。

5.2 耗能構(gòu)件受剪不屈服驗(yàn)算

中震作用下耗能構(gòu)件的受剪不屈服驗(yàn)算需滿足高規(guī)式(3.11.3-2)要求，滿足高規(guī)性能水準(zhǔn)3的要求。

5.3 墻柱受拉驗(yàn)算

查看剪力墻中震的偏拉驗(yàn)算結(jié)果，底部及上部樓層核心筒局部墻肢出現(xiàn)大偏拉。經(jīng)換算，轉(zhuǎn)換層以下(含轉(zhuǎn)換層)大偏拉最大值為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1.55倍，而轉(zhuǎn)換層以上大偏拉最大值為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1.12倍，均小于2。當(dāng)出現(xiàn)大偏拉時(shí)，墻肢按特一級(jí)構(gòu)造。

6 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

本工程罕遇地震彈塑性時(shí)程分析時(shí)，選取2條天然波與1條人工波，采用SAUSAGE軟件進(jìn)行分析。

彈塑性時(shí)程分析結(jié)果：1)結(jié)構(gòu)在X向的層間位移角最大值為1/360，在Y向的層間位移角最大值為1/380，均滿足不大于1/100的規(guī)范限值要求；2)各類構(gòu)件均能滿足各性能水準(zhǔn)下性能要求。

7 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)專項(xiàng)分析

7.1 轉(zhuǎn)換層上下層剛度比驗(yàn)算

本工程轉(zhuǎn)換層位于3層樓面，3層及以上為公寓，層高4.5m；2層為商業(yè)，層高為4.5m。2,3層之間有設(shè)備轉(zhuǎn)換層，設(shè)備轉(zhuǎn)換層層高2.2m，轉(zhuǎn)換梁設(shè)置在設(shè)備轉(zhuǎn)換層范圍內(nèi)。

為使轉(zhuǎn)換層上下層結(jié)構(gòu)剛度比更易滿足高規(guī)的要求，把轉(zhuǎn)換層樓板設(shè)置在轉(zhuǎn)換梁頂面，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)板面標(biāo)高比建筑樓層標(biāo)高低600mm，相對(duì)于建筑完成面降板部分采用陶?；炷粱靥?，而此部分高度應(yīng)計(jì)入轉(zhuǎn)換層上層層高,具體詳見(jiàn)圖4、圖7。為加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層的整體剛度，轉(zhuǎn)換層梁頂與梁底標(biāo)高處均設(shè)結(jié)構(gòu)板，兩層板之間采用泡沫芯模填充(圖4)。

驗(yàn)算轉(zhuǎn)換層上下層結(jié)構(gòu)剛度比時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用以下兩種方案建模(圖7)：1)設(shè)備轉(zhuǎn)換層不單獨(dú)建標(biāo)準(zhǔn)層，2層與3層層高均取至轉(zhuǎn)換梁梁高中心線處；2)設(shè)備轉(zhuǎn)換層不單獨(dú)建標(biāo)準(zhǔn)層，2層與3層層高均取至轉(zhuǎn)換梁梁頂。

圖7 剛度比計(jì)算時(shí)層高取值示意圖

因轉(zhuǎn)換層剪力墻數(shù)量比上部樓層減少較多，導(dǎo)致兩層剛度差別較大。當(dāng)層高均取梁頂、且轉(zhuǎn)換層上一層不降板時(shí)，剛度比與規(guī)范限值差別較大。故設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合設(shè)備專業(yè)要求，利用設(shè)備專業(yè)立管需在設(shè)備層進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的高度，將此轉(zhuǎn)彎高度歸于轉(zhuǎn)換層上一層，可減小轉(zhuǎn)換層上層剛度，結(jié)果表明此方法對(duì)剛度比提高較大。同時(shí)，樓層面剛度主要由板和梁共同提供，尤其是本項(xiàng)目梁高達(dá)到1 600mm，樓層的剛度可取在梁腹板位置，可依此進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。由表3結(jié)果可知，在采取增加轉(zhuǎn)換層上層層高和層高取梁的中間位置這兩個(gè)措施來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)換層剛度時(shí)，樓層剛度及轉(zhuǎn)換層上下層剛度比均滿足高規(guī)附錄E的限值要求。

層高取值對(duì)剛度比影響 表3

7.2 型鋼在轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換柱中的應(yīng)用

受建筑條件的限制，本工程轉(zhuǎn)換層梁截面高度不能大于1.6m。為滿足轉(zhuǎn)換梁抗彎與抗剪承載力的要求，采用內(nèi)置型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁。為便于型鋼梁的連接，同時(shí)滿足柱軸壓比要求，框支柱也采用內(nèi)置型鋼的混凝土柱[5]。

柱角兩道箍筋均采用拉筋形式，便于柱鋼筋綁扎(圖8)。柱混凝土采用自密實(shí)微膨脹免振搗混凝土，增強(qiáng)框支柱混凝土澆筑的密實(shí)度。

圖8 型鋼與鋼筋布排示意圖

梁縱向鋼筋與型鋼柱翼緣預(yù)留的套筒采用機(jī)械連接，或與型鋼柱翼緣預(yù)留的節(jié)點(diǎn)板單面焊接。梁拉筋與內(nèi)置型鋼預(yù)留的耳板孔洞連接(圖8)。轉(zhuǎn)換梁截面混凝土屬于大體積混凝土，澆筑時(shí)須做好混凝土內(nèi)部的降溫措施，梁截面內(nèi)預(yù)埋冷凝水導(dǎo)管[6]。

7.3 轉(zhuǎn)換層上層剪力墻抗剪承載力分析

在計(jì)算轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻時(shí)，容易出現(xiàn)剪力墻抗剪承載力超限的情況，主要原因是該層剪力墻上下端無(wú)法與轉(zhuǎn)換梁協(xié)調(diào)變形一致，導(dǎo)致剪力墻產(chǎn)生較大的剪力，所以通過(guò)增加轉(zhuǎn)換梁的剛度能夠有效地解決轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻超限的問(wèn)題。

本項(xiàng)目由于梁高受限，在限定梁高且寬度合理的情況下無(wú)法滿足截面抗剪要求，故采用型鋼轉(zhuǎn)換梁。通過(guò)計(jì)算可得，內(nèi)置型鋼轉(zhuǎn)換梁與未設(shè)置型鋼轉(zhuǎn)換梁的抗彎剛度比達(dá)到1.3，同時(shí)通過(guò)調(diào)整剪力墻布置，將被轉(zhuǎn)換剪力墻的兩端均落在轉(zhuǎn)換柱或落地剪力墻上，以此減小轉(zhuǎn)換梁變形對(duì)被轉(zhuǎn)換墻的影響。

經(jīng)驗(yàn)算，本工程僅個(gè)別墻肢翼緣出現(xiàn)剪壓比超限的情況，對(duì)該部分剪力墻設(shè)置內(nèi)置鋼板提高其抗剪承載力。

7.4 罕遇地震作用下整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)大震作用下的計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值，X向?yàn)?.63、Y向?yàn)?.88，基底不存在零應(yīng)力區(qū)，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。在大震作用下，單樁水平承載力均大于樁的計(jì)算水平力，表明結(jié)構(gòu)滿足抗滑移驗(yàn)算。

7.5 框支柱抗彎承載力驗(yàn)算

本工程底部框支柱均采用內(nèi)置型鋼的混凝土柱，框支柱截面主要采用三種(表4)。

典型框支柱截面 表4

采用XTRACT軟件根據(jù)框支柱截面形式建模，生成框支柱極限承載力的M-N相關(guān)曲線，在相關(guān)曲線坐標(biāo)軸中，繪出柱各偏壓組合工況下的M-N。經(jīng)復(fù)核，M-N坐標(biāo)值均位于M-N相關(guān)曲線內(nèi)。故在中震和大震作用下，框支柱的抗壓彎承載力能滿足中震不屈服和大震不屈服的要求，結(jié)果詳見(jiàn)圖9，此處僅示意KZZ1結(jié)果。

圖9 框支柱(KZZ1)大震下M-N相關(guān)曲線

7.6 框支梁抗彎承載力驗(yàn)算

本工程框支梁大部分采用內(nèi)置型鋼的混凝土梁，少量采用普通混凝土梁，典型框支梁截面見(jiàn)表5。

典型框支梁截面及內(nèi)力 表5

采用XTRACT軟件根據(jù)框支梁截面建模，形成框支梁極限彎矩曲線，核查各框支梁的彎矩內(nèi)力，與極限彎矩比對(duì)，確定框支梁是否達(dá)到屈服彎矩(圖10)。經(jīng)復(fù)核，框支梁的抗彎承載力能滿足中震不屈服和大震不屈服的要求。

圖10 框支梁極限彎矩曲線

8 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施

根據(jù)各地震效應(yīng)下構(gòu)件的性能分析，針對(duì)性地采取以下結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施：

(1)底部加強(qiáng)區(qū)范圍從地下2層延伸至5層樓面。

(2)基礎(chǔ)至5層樓面抗震等級(jí)按特一級(jí)，6層樓面及以上抗震等級(jí)為一級(jí)。

(3)提高轉(zhuǎn)換層以下剪力墻剛度，滿足轉(zhuǎn)換層上下層剛度比；框支柱及轉(zhuǎn)換層以下的剪力墻均按關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)配筋，轉(zhuǎn)換層采用型鋼混凝土梁、柱，提高構(gòu)件的承載力和延性。

(4)地下1層按嵌固層設(shè)計(jì)，最小板厚180mm，1層按多塔大底盤頂層樓板設(shè)計(jì)，最小板厚160mm，并考慮溫度應(yīng)力、中震應(yīng)力驗(yàn)算校核配筋。

(5)轉(zhuǎn)換層樓板適當(dāng)加厚至200mm，加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層樓板配筋，落地剪力墻核心筒周邊不宜開(kāi)洞，以保證水平剪力有效傳遞；相鄰轉(zhuǎn)換層上部?jī)蓪訕前搴穸炔恍∮?20mm，且需在樓板邊緣、孔道邊緣結(jié)合邊梁予以加強(qiáng)。

(6)通過(guò)中震承載力計(jì)算，使框支柱滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能要求，框支梁滿足大震作用下性能要求；控制框支層的框架剪力分配，使其滿足二道防線的要求；嚴(yán)格控制框支柱的軸壓比限值，保證框支柱具有足夠的延性。

(7)延性保證措施：按抗震等級(jí)滿足軸壓比要求；滿足小、中、大震下剪壓比要求；滿足墻肢中震下受拉應(yīng)力要求，當(dāng)拉應(yīng)力水平較大時(shí)，墻肢及約束邊緣構(gòu)件增加縱筋及箍筋。

9 結(jié)論

(1)在地震作用下，該項(xiàng)目各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)、承載能力、變形能力能夠滿足規(guī)范要求，且通過(guò)兩個(gè)軟件對(duì)比，計(jì)算結(jié)果基本保持一致，具有一定的可靠性。

(2)在有限的條件下，型鋼在轉(zhuǎn)換梁柱中的使用，能較大幅度地減小梁柱截面，滿足建筑對(duì)使用功能及空間尺寸的要求。同時(shí)，型鋼的采用提高了轉(zhuǎn)換梁剛度，可有效解決轉(zhuǎn)換層上層剪力墻超限問(wèn)題。

(3)利用設(shè)備轉(zhuǎn)換的空間增加轉(zhuǎn)換層上層層高，并結(jié)合梁剛度作用點(diǎn)等計(jì)算措施，可有效解決轉(zhuǎn)換層上下層剛度比超限問(wèn)題。

(4)本項(xiàng)目同時(shí)具有高度超限及扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面不規(guī)則、多塔、構(gòu)件間斷(高位轉(zhuǎn)換)等4項(xiàng)不規(guī)則。通過(guò)超限判斷、抗震性能設(shè)計(jì)、專項(xiàng)分析等方法，判斷該結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震性能的各項(xiàng)指標(biāo)要求，具有安全可靠且又經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。