谈高位转换建筑的结构设计

张 辉

(运城市建筑设计研究院，山西 运城 044000)

0 引言

现以7度区一栋商住建筑为例，该建筑采用框支剪力墙结构，转换层位于地面以上第6层，房屋总高度大于80 m，结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，属于标准设防类(丙类建筑)。该工程所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。根据JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称《高规》)，底部加强区剪力墙和框支柱抗震等级为特一级，框架梁(框支梁)为一级，上部剪力墙为二级。基本风压为0.45 kN/m2(按50年一遇概率取值)，设计采用的基本风压为0.50 kN/m2(因该建筑总高度大于60 m,故设计时按基本风压的1.1倍采用,即0.45×1.1=0.50)。地面粗糙度按B类考虑。

以下就该建筑的结构设计，浅谈一下高位转换结构的构件设计原则及计算参数的注意事项，供设计师们参考。

1 高位转换结构设计时的注意事项

1.1 构件布置时的注意事项

底部大空间建筑最主要的地震震害表现为底部刚度较柔，上部较刚，一般发生地震时建筑底部薄弱层出现应力集中、变形集中，使底部出现过大的侧移造成严重的破坏，从而坍塌。所以为避免发生此类震害，最为关键的就是如何控制此类建筑的上下层刚度比。7度区转换层位置不宜超过地面以上5层，因该建筑转换层位于地面以上第6层，故属于高位转换。

构件布置时应注意落地剪力墙，如核心筒底部的墙体应该加厚，且开洞不宜设置在四角。转换层板厚不宜小于180 mm，双层双向配筋，且配筋率不宜小于0.25%；转换层上、下一层的楼板板厚也应较其他楼面适当加强，设置为130 mm。转换梁宜尽量与转换柱的中心线重合，梁高根据建筑净高要求尽量控制在2 m以内(初步设置时可按1/4梁跨取值，不宜小于计算跨度的1/8)，梁宽按实际情况在转换梁受力较复杂时适当加大。当转换梁与上部墙体偏位时，须设置垂直方向的次梁。转换层必须严格考虑转换构件的偏心，以计算对转换梁的扭矩影响。剪力墙尤其是某些带小墙肢的，必须局部设置刚性杆，确保上部剪力墙荷载传递到转换梁上。剪力墙转换时尽量避免在转换梁端部及框支中柱上方开洞，避免应力集中，如图1所示。

一般框支剪力墙结构中的转换层属于薄弱楼层，不论其刚度比值如何，按《高规》第3.5.8条规定，转换层必须强制设置为薄弱层，地震力放大系数应取1.25的增大系数。

1.2 规范、计算模型的参数判别

根据《高规》附录E.0.1～E.0.3条及3.5.2条规定，可以判断低位转换时转换层所在位置上、下层的侧向刚度比应为等效剪切刚度比，而高位转换时上、下部结构的侧向刚度比则为剪弯刚度比。且PKPM自动选择的刚度计算方法也是选择此两项参数。

转换结构就本身概念而言，即为转换，上下层竖向构件不连续，刚度发生突变，导致应力集中，先天条件不足。对于低位转换，《高规》的侧重点在于转换层与其上一层的刚度变化突变值。规范要求此刚度比宜接近1，就是结构刚度尽量不要产生突变。《高规》3.5.2条也是基于同样的道理。对于高位转换，转换层设置的位置越高，其发生刚度改变的区域高度就越大，故下部的转换结构区与上部非转换结构区的对比就越大，仅仅满足之前相邻层的刚度比明显不合理，也不安全。故《高规》的侧重点在于上下部结构的剪弯刚度比，不仅为了反映整个区域的刚度变化，也同时为了控制转换层位置不宜太高，转换竖向构件所在的区域也不宜太高。对于没有刚度突变的结构，比如纯框架结构、剪力墙结构，就很少存在此类问题。

2 高位转换的计算要求

2.1 结构周期比、剪重比、位移角等主要参数要求

本工程结构计算采用中国建筑科学研究院编写的《PKPM》系列软件(2010版)SATWE，其结构计算主要参数见表1。

表1 结构计算参数

周期比：T3/T1=1.797 0/2.400 0=0.749<0.85。

剪重比：X向楼层最小剪重比=2.00%>1.6%；X向的有效质量系数:95.57%>90%;Y向楼层最小剪重比=2.00%>1.6%；Y向的有效质量系数:95.57%>90%。

位移角：X向最大值层间位移角:1/1 205<1/1 000;Y向最大值层间位移角:1/1 266<1/1 000。

经计算，本工程的周期比、剪重比、位移角均能满足规范要求。

2.2 刚度比参数要求

模型计算结果给出三种侧向刚度值(其中第6结构层为转换层)：

剪切刚度：RJX1，RJY1；

剪弯刚度：RJX2，RJY2；

地震剪力与地震层间位移的比：RJX3，RJY3。

由本文1.2节对规范的理解，再根据相关规定，得出以下关于高位转换刚度比的几点要求：

1)地震剪力与地震层间位移的比：RJX3(6)/RJX3(7)>0.6；RJY3(6)/RJY3(7)>0.6。

比值计算：4.840 0E+06/6.870 8E+06=0.704；4.560 2E+06/6.051 5E+06=0.754，故满足要求。

2)剪切刚度：RJX1(6)/RJX1(7)>0.5；RJY1(6)/RJY1(7)>0.5。

比值计算：2.403 4E+07/7.698 9E+07=0.312；3.522 8E+07/7.617 8E+07=0.462。

当无法满足时，须要求1)中X，Y向比值大于0.7，故本工程仍满足要求。

3)高位转换剪弯刚度比：转换层以下结构剪弯刚度/转换层以上结构剪弯刚度比大于0.8(按1.0控制)。计算结果如下：

X向下部刚度=0.877 3E+07；X向上部刚度=0.765 9E+07；X向等效刚度比=1.145 4；

Y向下部刚度=0.120 2E+08；Y向上部刚度=0.709 7E+07；Y向等效刚度比=1.693 7。

故满足要求。

4)高度修正后剪弯刚度比：RJX2(6)×H(6)/RJX2(7)×H(7)>1.1。

比值计算：(3.189 6E+07×6.5)/(5.203 1E+07×3.3)=1.207，故满足要求。

通过以上各项指标的计算结果，可以初步判定本工程侧向刚度比满足要求。

3 高位转换的其他计算要求

3.1 弹性时程分析

《高规》5.1.13条规定应采用弹性时程分析法对结构进行补充计算。其目的就是通过采用实际地震波(1条人工波，2条天然波)验证在多遇地震作用下结构底部及各层地震剪力是否与振型分解反应谱法一致，如不一致，对振型分解反应谱法(CQC法)计算的地震剪力进行修正。步骤如下：

1)选波。

按照多遇地震作用的特征周期进行选波，并与CQC法计算的地震剪力“在统计意义上相符”。选取地震波结构底部剪力单波值不小于CQC值的65%，多波平均值不小于CQC值的80%。实际操作时让各条波底部剪力在CQC值的80%～100%左右，即使其计算结果与CQC吻合，且调整数值不要过大。且时程波与振型反应谱法所用的地震影响系数曲线比对应在结构主要振型的周期点(即T1,T2,T3)上相差不大于20%。

2)根据位移比、位移角曲线、剪力曲线等判断结构薄弱层是否与CQC计算相符。

3)根据计算结果将各层X,Y向地震剪力调整系数回代入CQC计算参数设置中重新计算，并使高位转换的侧向刚度比满足要求。

3.2 第二种不同力学模型软件复核计算

《高规》5.1.12规定体型复杂的高层建筑应至少采用两个不同力学模型软件复核计算，故本工程采用PKPM中的PMSAP对计算模型进行补充复核计算，侧向刚度比仍然要满足要求，且设计时应注意各项参数、配筋取包络值。

3.3 罕遇地震作用下弹塑性分析

《高规》5.1.13规定宜采用弹塑性静力、动力分析来补充计算。其目的就是为了计算薄弱部位的位移反应和变形能力，即考察层间位移角，并判断薄弱层和薄弱构件所在位置。通过考察塑性角出现的位置,判断强剪弱弯、强柱弱梁的实施情况，并给出结构设计时的加强对策。

4 结语

在面对复杂高层设计时，除了需要熟悉相关的设计规范和图集外，还应多交流多学习。设计人员更应在满足规范的前提下，理解规范的出发点，利用正确的概念进行设计，使结构设计更完善，保证房屋的安全、适用和经济性。