博纳广场6号楼箱式转换结构设计

任彧，卢伟煌

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

1 工程概况

博纳广场地处福州市鼓楼区北环中路。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅱ类。博纳广场6号楼地下3层，主楼地面以上25层，房屋建筑高度83.3m。裙房四层，裙房屋面高度20.10m，属 A级高度高层建筑。

2 结构布置

图1 博纳广场6号楼外观

该工程转换层以上为小户型住宅，每层有8户，建筑面积由50m2至90m2不等。由于主要用于安置拆迁户，因此在户型面积和比例上均不能进行调整。建筑住宅平面形状较不规则。

为减少整体结构设计的复杂性，首先对住宅标准层平面的结构布置进行试算，通过剪力墙肢的调整，实现了非对称平面的结构刚度对称化，转换层以上的结构体各项整体控制指标均处于较理想的状态。由于户型的影响，竖向构件特别是剪力墙，基本不能进行平面定位上的调整。

图2 转换层以上标准层平面

转换层以下为商业区域，业主对于结构竖向构件的布置有严格的限制。图(3)给出了转换层上下竖向构件的分布情况。由(图3)可知，大量的住宅剪力墙、柱处于二次转换的位置。就结构布置而言，该工程竖向构件不连续、传力不直接，但是建筑方案又不允许进行大的调整，并且对转换构件的高度有严格的限制。因此，结构设计团队经讨论、试算比选后决定采用箱式转换系统。

箱式转换系统利用上下两层较厚的楼板与混凝土转换梁协同工作，它的整体刚度要显著优于常规的梁式转换系统。同时相对厚板转换层，箱式转换层自重小，转换层自身的地震效应相对较低。本工程箱式转换系统的上下层楼板板厚为200mm，转换梁高度2400mm，内设2000mm高厚壁H型钢。

图3 转换层平面

3 小震规范谱的主要计算结果

箱式转换系统的两层楼板在变形上具有相关性，常用的PKPM系列程序不能很好地处理这样的结构。经过测试，YJK程序可以通过在电算下层对应肋梁的位置设置虚梁、电算上层梁高等于层高的处理，建立箱式转换层的计算模型。本工程主要使用YJK程序进行多遇地震作用下弹性分析，并采用ETABS和Midas/Gen程序进行对比。鉴于工程的复杂性，利用YJK软件分别建立了箱式转换模型，以及不考虑箱体下板的梁式转换模型。两者的计算结果对比如下:

图4 YJK整体计算模型(含地下室)

表1 YJK对比模型的自振周期

表2 YJK对比模型的层间位移

由上述对比可知，就整体计算指标而言，考虑下板刚度的箱式转换模型的整体刚度略大于梁式转换模型。

表3 小震规范谱主要计算结果

由(表3)可知，YJK、ETABS以及Midas/Gen的计算结果相近，可以使用YJK模型的计算结果进行小震设计。

4 多遇地震的弹性时程分析

弹性时程法选用的地震波，按照《建筑抗震设计规范》规定的原则选定:即每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算得到的底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。此外，地震波选取时还应考虑以下4个要素。

(1)地震波特征周期与场地特征周期比较接近。

(2)地震波最大峰值符合规范要求。

图5 规范谱与反应谱对比图

(3)地震波持续时间为结构第一周期的5～10倍。

(4)时程波对应的加速度反应谱在结构主要振型的周期点上与规范反应谱相差不超过20%

本工程选择的地震波的谱曲线如(图5)所示，显然可以满足上述要求。通过(表4)给出的弹性时程分析结果对比可知:规范反应谱的CQC法计算结果可以包络弹性时程分析结果，可以按照CQC法进行小震弹性设计。

表4 弹性时程分析主要计算结果对比

5 超限情况

本工程的超限情况如下:

(1)扭转不规则:考虑偶然偏心影响的规定水平力下最大层间位移比:X向:1.22;Y向:1.45;位移比大于1.2。

(2)楼板不连续:二层局部有弱连接;三～四层楼板有效宽度小于50%。

(3)刚度突变:按照《高规》JGJ3－2010的E.0.2式计算，转换层与其相邻上层的Y方向刚度比为0.55＜0.6;转换层下一层X方向侧向刚度与上一层侧向刚度90%的比值0.98＜1.0;Y方向侧向刚度与上一层侧向刚度90%的比值0.95＜1.0。

(4)尺寸突变:裙房屋面处竖向构件缩进大于25%。

(5)构件间断:转换层位于地上四层，上下层墙柱不连续，属竖向构件间断。

因此，本工程属于需要进行超限审查的高层建筑。

6 抗震性能化设计目标

结合本工程的结构布置、超限情况，确定本工程的抗震性能化设计目标如下:

(1)本工程抗震性能目标介于C级和D级之间;

(2)所有结构构件小震弹性;

(3)中震关键竖向构件(剪力墙底部加强区)正截面不屈服、抗剪弹性;

(4)大震下关键竖向构件不屈服，部分梁和竖向构件进入屈服阶段，但满足高规第3.7.5对层间位移角的规定;竖向构件不发生剪切等脆性破坏。

根据性能目标，本工程各结构构件的抗震等级确定如下:

(1)底部加强部位剪力墙抗震等级特一级，其余部位剪力墙抗震等级二级

(2)转换层以下框支柱抗震等级特一级

(3)转换梁抗震等级特一级

(4)转换层以下其他部位框架抗震等级一级

(5)转换层以上框架抗震等级二级

7 针对性技术措施

7.1 减小扭转效应

(1)结合建筑功能需要，对裙房结构合理布置，适当加大周边梁柱截面并设置剪力墙，以提高裙房抗扭刚度。

(2)严格控制周期比，Tt/T1=0.76＜0.85。

(3)根据《高规》第3.4.5条的规定，在严格控制楼层的层间位移角时，可以放宽位移比限制。

7.2 楼板不连续

对裙房二层局部弱连接及三、四层楼板开洞超限的情况，首先加大楼板厚度，并采取全层弹性膜的模型，以考虑楼板平面内的地震剪力;并根据时程分析的楼板面内应力，加强该层楼板配筋。

7.3 刚度突变、尺寸突变

(1)强制指定转换层为薄弱层，对楼层剪力放大1.25倍;对侧向刚度小于相邻上层的90%的楼层，地震剪力放大1.25倍。

(2)设备夹层设置钢梁和组合楼板，钢梁与框架柱铰接，以弱化设备夹层刚度，提高结构转换层上一层结构层的计算高度，使层间刚度比的要求得到满足;改善转换层上下部结构构件的受力状况，并采取措施加强该层剪力墙配筋。

7.4 构件间断

(1)转换柱、落地墙和转换梁的抗震等级均按特一级考虑;转换层以上底部加强部位的剪力墙抗震等级按特一级考虑，框架柱按一级考虑。

(2)框支柱采用型钢混凝土柱，改善框支柱的延性。

8 罕遇地震作用下的弹塑性分析

为确认结构的性能化设计目标，本工程罕遇地震下的弹塑性分析采用了3套程序，分别是:PKPM系列的PUSH程序进行Pushover分析;SAP2000程序基于分层壳剪力墙模型的Pushover分析;STRAT软件基于纤维模型的弹塑性动力时程分析。

Push程序给出的X向罕遇地震下最大层间位移角 1/320，顶点位移176.1mm;Y向罕遇地震下最大层间位移角1/310，顶点位移184.2mm，满足罕遇地震作用下规范规定的变形要求。

图7 PUSH程序给出性能曲线和塑性铰分布

SAP2000的分层壳单元基于复合材料力学原理[2]，可以较好地反映剪力墙构件在推覆分析过程中的性能变化，解决了长期困扰设计人员的问题。在本工程分析中，SAP2000的分层壳单元的混凝土本构关系按照按照Mander模型考虑，钢筋的本构关系按照国标给出的标准应力应变关系考虑，将剪力墙分为4层进行模拟。

图8 SAP2000计算的剪力墙塑性区分布

(图8)给出了SAP2000程序给出的剪力墙塑性区分布云图(为便于观察，隐去了除剪力墙外的其他结构构件)，计算结果显示在大震作用下剪力墙的塑性区主要集中在转换层以上的区域;转换层及裙房剪力墙基本完好。X向推覆计算对应性能点处的最大层间位移为1/290，顶点位移169mm;Y向推覆计算对应性能点处的最大层间位移为1/270，顶点位移219mm;满足罕遇地震作用下规范规定的变形要求。

此外，本工程利用STRAT软件超元梁、墙功能，对转换层及其上下相邻楼层，采用细分板单元模型，进行精细化分析。转换大梁、转换层墙采用较密的剖分网格(0.6m)，向上、向下渐次增大网格(0.8m～1.0m)，使转换结构的精确细分与非转换楼层的常规分析相互协调。各类构件之间、上下楼层之间，实现网格之间的完全协调。

在大震分析过程中，程序定时计算结构的整体刚度，获取随地震波作用过程的结构刚度变化曲线。通过刚度的下降程度，评估结构整体的抗震性能。在大震分析过程中，构件整体或部分混凝土超过受压应力峰值，将导致承载能力的降低。程序以基本纤维为单元，记录承载能力下降的程度，并根据不同类型构件在结构整体抗震性能中的贡献程度，考虑相应的权重系数，得到结构整体的损伤程度曲线，用于评估结构整体的抗震性能。由(图9，10)可以直观地了解结构在罕遇地震作用下的刚度退化的情况。

图9 弹塑性分析整体刚度变化曲线

图10 弹塑性分析整体损伤曲线

基于STRAT纤维模型的弹塑性时程分析表明:在罕遇地震作用下，转换层构件极少屈服，没有发生破坏;剪力墙的屈服主要发生在转换层以上;部分框架柱进入屈服，但未进入破坏阶段;框架梁、连梁梁端屈服的分布范围较大，符合“强柱弱梁”的预设目标。

9 结语

通过罕遇地震作用下的Pushover分析和弹塑性时程分析，证明博纳广场6号楼箱式转换结构达到了预计的性能化设计目标，可以保证主体结构在地震作用下的安全。目前，该项目已通过结构抗震超限审查和施工图审查，正在进行施工。

图11 弹塑性分析的包络层间位移角

图12 弹塑性分析的混凝土最大应力

本文简要介绍了博纳广场6号楼结构设计中性能化设计和大震弹塑性计算的相关内容，可供类似工程借鉴。

[1]Edward L.Wilson.STATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF STRUCTURES.Computer and Structures，Inc.

[2]北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.