某框支转换高层结构设计以及启示

杨奕芬

(上海天华建筑设计有限公司，上海200235)

1 工程概况

瑞虹新城9号地块地处上海市虹口区，其中一单体T11-12号楼为带底商的高层住宅，如图1、图2。建筑地上27层，一层二层功能为商业，层高4.5m，三层以上为普通住宅，层高3.15m;结构大屋面标高89.15m;塔楼地下两层，与周边塔楼地下室相互连通形成一体式的地下车库，地下一层层高4.8m，地下二层层高4.1m。

建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级。设计基准期为50年，抗震设防烈度7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅳ类，特征周期0.90s。重现周期50年基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度为C类，风荷载体型系数取1.4。

2 结构布置及结构体系

结构平面(图3)尺寸56.00m×19.52m，结构高度为89.15m，高宽比4.6。上部住宅采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，为保证底部两层商业对空间的要求，需在3层楼面转换部分上部剪力墙。因此，上部结构剪力墙布置除要满足竖向支撑和结构刚度的要求外，还应兼顾转换层的布置。设计时尽量集中布置剪力墙，形成较长墙肢，避免出现间距过近，过于分散凌乱的小墙肢，既保证上部结构的刚度，也更容易设计出受力直接，传力明确的转换结构。此外，为增强主体结构抗侧、抗扭刚度，外围剪力墙加厚至350mm，建筑内部剪力墙厚度仍为200mm。转换层(图4)采用框支框架结构，框支柱距7m左右，框支梁高度控制在2m以内;工程师保留了楼电梯间处以及部分外围剪力墙，转换掉其余大部分剪力墙，同时保证落地剪力墙承受的倾覆力矩百分比不小于50%。上部结构的嵌固端设定在地下室顶板。

图1 建筑效果图

图2 结构模型图

图3 标准层结构平面图

图4 转换层结构平面

3 结构超限情况及对策

3.1 结构不规则情况

上部剪力墙在3层楼面进行转换，属于竖向抗侧力构件不连续;结构北面凹进尺寸超平面宽度的40%，属于平面凹凸不规则;楼层最大弹性水平位移超过楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，属于扭转不规则。综合上述情况，该结构属于超限高层[1][2]。

3.2 结构计算分析

3.2.1 小震弹性反应谱分析

根据规范要求，对超限工程应采用两种不同的力学模型进行结构整体内力、位移计算。本工程采用YJK和PMSAP两种程序进行独立建模计算，均采用整体空间结构模型。其中YJK采用空间框架单元模拟梁、柱及支撑等杆系单元，采用超单元来模拟剪力墙、弹性板及转换梁。详细分析结果见表1。

表1 主要结果及分析汇总一览表

两种程序计算得到的质量、周期，位移等参数均较为接近，说明所选择的分析模型能较准确地反应结构的实际受力情况，可以作为结构设计的依据;周期比，位移比，剪重比等参数满足相关规范要求，其中首层及转换层落地剪力墙在X、Y方向上承担的地震倾覆力矩均大于50%，满足部分框支剪力墙结构的要求。同时，结构具有清晰的振型，足够的侧向刚度和良好的动力特性。

3.2.2 小震时程分析

为了验证反应谱法的可靠性，补充小震下的弹性时程分析，与反应谱法的结果进行了对比，计算软件采用YJK。选择五条天然波和两条人工波，其峰值加速度按《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2取35cm/s2。弹性时程分析时，考虑双向水平地震作用，同一组地震波的两个水平分量的加速度比值取为1:0.85。在波形选择上，除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应满足规范对底部剪力方面的相关要求。

计算结果表明，本单体X、Y方向七条时程曲线分析结果的平均值均小于反应谱法的分析结果，故振型分解反应谱法分析结果可用于结构设计。

3.2.3 关键构件的中震分析

对于转换结构的关键构件框支框架，工程师对其提出了较高的性能要求，即框支框架中震不屈服[3][4]。

中震不屈服设计地震最大影响系数按中震考虑，取0.23，地震作用效应的组合均按《高规》第5.6.4条进行(不考虑风荷载参与组合)，但分项系数均取1.0，不考虑地震组合内力调整系数，钢筋和混凝土材料强度取标准值。

对比小震弹性和中震不屈服配筋计算结果可看出，框支柱如果采用小震弹性的配筋结果，在中震下，抗剪能力要求能够得到满足，但是抗弯配筋不足[5]。为了达到抗震性能目标，施工图设计时框支柱全部按中震不屈服配筋结果来进行，并加强箍筋配置，以提高框支柱的延性。

3.2.4 针对超限采取的其他措施

本工程除按规范要求设计外，还采取以下加强措施，以下仅列出其中关键几项:

1)控制剪力墙底部加强区的轴压比以保证延性，落地剪力墙的配筋率不小于0.6%;

2)加大凹口边连接板厚度至130mm，按中震弹性下应力图进行配筋设计，采用双层双向加强配筋，并且每层每方向配筋率不小于0.25%[6];

3)对凹口附近竖向构件和框架梁按刚性楼板和弹性楼板两种情况进行包络设计，同时凹口附近剪力墙设置约束边缘构件，框架梁配筋适当放大，箍筋全长加密，并配置扭筋[7-8]。

经过上述计算分析以及构造加强措施，我们认为本工程结构具有良好的抗震性能，计算各项指标满足现行规范要求，并将该相关报告送交超限高层抗震设防专项审查。

4 超限审查意见修改

项目超限高层审查会中，专家组提出意见:“应补充塔楼在罕遇地震作用下的静力弹塑性分析，并根据结构设计概念以及分析结果，对底部加强部位框架和剪力墙提出进一步提高延性设计的抗震措施。”

根据审查意见，重新考量该结构的性能化设计。在确定性能目标之前，工程师首先需要对结构进行屈服机制的预判和耗能路径的设计。

众所周知，剪力墙结构合理的构件屈服顺序应该是连梁-框架梁-底部墙肢，对整个结构而言则是底部屈服，通过逐步的弹塑性变形消耗地震能量[9][10]。对于框支剪力墙结构，由于存在竖向构件转换，楼层水平力在转换层重新分配。若转换构件(包括框支框架和落地剪力墙)屈服产生二次内力重分配，引起的后果难以估计;而框支框架的破坏，可能会导致其承托的上部剪力墙成片倒塌。故框支剪力墙结构合理的构件屈服顺序应该是连梁-框架梁-框支层上部墙肢，对整个结构而言则是转换层以上屈服;因此必须严格把握框支框架的承载力水平，保证其始终晚于上部结构进入塑性状态。

基于此，工程师确定整个结构在罕遇地震作用下的性能目标为:框支框架保持弹性，落地剪力墙基本保持弹性，转换层以上墙体可以屈服，主要屈服部位应出现在转换层以上两层。

采用中国建筑科学研究院开发的PUSH进行静力弹塑性分析，藉此来考察结构的弹塑性变形过程，验证整个结构屈服机制和性能设计目标，并指导后期施工图设计。静力弹塑性分析主要结论如下:

1)结构处于大震性能点时所对应结构层间位移角X向为1/260，Y向为1/246，小于规范1/120的限值，说明该结构能满足“大震不倒”的抗震要求。基底剪力—顶层位移曲线均光滑饱满，表明结构延性较好，在达到罕遇地震性能点后，曲线上升态势还比较明显，可以认为结构仍具有较稳定的刚度，能够承受罕遇地震的考验;

2)对于整个结构体系中最为关键的框支框架，大震作用下框支梁和框支柱均未出现塑性铰，仍处于弹性状态;底部的落地剪力墙仅出现局部拉压破坏点，基本保持弹性;而转换层上部，拉压破坏点遍布于长墙之中;表明整个转换结构具备足够的承载力，且不先于上部楼层屈服;静力弹塑性分析的结果显示结构满足专家组提出的对底部加强部位框架和剪力墙更高目标的要求，结构整体屈服情况也与之前的预期相符。

5 静力弹塑性分析发现的问题

结构在小震下的位移角为1/1008(Y向)，对应大震时为1/246，约为小震4倍，弹塑性变形并不大。根据以往经验判断，这可能表明该结构在大震作用下未充分进入屈服状态，刚度退化不足;由于耗能不充分会使得结构在大震作用下遭受更大的破坏，应仔细分析其原因并加以改进。观察静力弹塑性分析中结构的加载和变形过程，发生罕遇地震时，转换层以上连梁和框架梁并未大面积出现塑性铰，而大部分长墙肢则充满了拉压破坏点(如图5)，说明该结构梁未能充分发挥其作为“耗能构件”的作用，结构主要凭借长墙肢的屈服来实现有限的耗能，由于长墙肢尚承担着承载竖向荷载的作用，将其作为主要耗能构件，对结构不利。

分析结构平面布置，不难找出其中的原因。首先，上海地区高度接近90m的剪力墙结构，由于墙厚限制(内墙多数只能为200mm厚)，常常必须做成整片长墙才能满足刚度需要。其次，由于转换的存在，也要求上部剪力墙尽可能集中、长片布置，这样对框支框架体系的架设和框支梁的受力，都比较有利。再者，建筑平面布置的限制，使得南北向墙肢不能对齐，也就未能通过连梁连接形成成片的抗侧力体系。由于以上原因，结构主要侧向刚度的来源不是联肢墙体系，而是一片片单独的长墙，框架梁和连梁在整个抗侧力体系中的作用并不大，当结构承受超过自身承载力的作用时，提供主要侧向刚度的长墙就会首先屈服，通过墙体刚度退化来消耗地震能量，整个结构的屈服机制不尽合理。

由于结构转换、刚度以及建筑平面的原因，再来调整结构布置已不现实。工程师只能接受结构耗能构件不足，罕遇地震下必须通过长墙肢塑性变形来消耗地震能量的现状。如何更好地设计长墙肢，是摆在工程师前面的问题。构件设计必须服从于整个结构的屈服机制和性能目标，如前所述，大震作用下，转换层上部墙体应首先出现屈服，故不能过分提高墙体承载力，而应采用针对性的设计手段来提高墙体的延性和耗能能力。在确定了以提高构件延性为主的设计方向后，工程师决定采取以下措施:

1)在转换层以上两层的范围内，加强约束边缘构件的配筋率、配箍率，并在层高处设置600mm高的边框梁，与约束边缘构件形成带边框剪力墙;

2)在转换层以上两层的范围内，对长片墙肢适当设置结构开洞，洞口大小600mm×800mm，既改善这两层墙肢的受力性能，又不对整体刚度造成太大影响，并按规范要求对洞口进行补强。

6 结论

1)通过对结构进行各地震水准下的计算分析以及针对性设计，该转换结构能满足性能目标要求，具有合适的承载能力和延性。

2)该结构由于兼顾转换，刚度和建筑布置，形成了以长片墙肢为主要刚度来源的情况，设计师采用一定的措施来保证墙肢的延性。如何更好地设计此类转换结构，值得进一步研究。

3)构件设计必须服从于整个结构的屈服机制和性能目标，应该在承载力设计和延性设计中找到合适的平衡点。

图5 3层塑性铰分布图

[1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ 3-2010.高层建筑混凝土技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[3]徐培福，戴国莹.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].土木工程学报，2005，38(1):1.

[4]扶长生，张小勇，鞠进，等.高层建筑合理性能目标的选取和实现[J].建筑结构，2011，41(S1)，1-8.

[5]扶长生，张小勇，朱凤涛.对中震不屈服设防目标的讨论[J].建筑结构，2010(8):83-89.

[6]张根俞，朱炳寅，张路等.某大底盘多塔框支剪力墙结构设计与分析[J].建筑结构，2014，44(5):57-61.

[7]扶长生.抗震设计中的平扭耦联问题[J].建筑结构学报，2006，27(2):40-46.

[8]扶长生，鞠进.楼板不规则及其对结构抗震设计的影响[J].建筑结构，2010，40(6):85-89.

[9]林同炎，S·D·斯多台斯伯利.结构概念和体系[M].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[10]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2005