超高层住宅转换构件超限设计分析

谢鸿文

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

1 工程概况

某商住综合体位于抗震设防烈度7 度区，设计基本地震加速度值0.1g，1～5 栋住宅塔楼共42 层（主屋面结构高度138.5m），构架层共1 层（结构高度144.2m），转换层位于第4 层（根据《高规》中“部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置7 度时不宜超过5 层”规定，不属于高位转换），本项目塔楼属于超B 级高度的超限高层建筑，建筑效果如图1 所示。

图1 建筑效果

2 部分框支剪力墙结构体系布置

核心筒为钢筋混凝土剪力墙，框支柱主要为型钢混凝土柱，框支梁为型钢混凝土梁，楼盖为钢筋混凝土楼盖。重力荷载通过楼面水平构件传递给剪力墙和框支柱，最终传递至基础，水平荷载产生的剪力和倾覆弯矩由框支柱与剪力墙共同承担[1]，模型三维如图2 所示。

3 抗震等级及性能要求

图2 模型三维

根据《高规》要求，底部带转换的高层建筑结构，底部加强区取至转换层以上两层（第6 层），对于本项目结构，转换层位置位于4 层，剪力墙底部加强部位抗震等级按规范提高一级为特一级，B 级高度框支框架已为特一级，可不提高。非底部加强区墙、柱、梁抗震等级为一级。本工程结构以“三个水准”为抗震类设防目标，选定结构抗震性能目标C 级，即多遇地震按第1 性能水准，设防烈度地震按第3 性能水准，罕遇地震按第4 性能水准[2]。

4 特一级框支柱、框支梁计算要求

框支柱采用型钢混凝土柱，框支梁采用型钢混凝土梁。在小震计算时需满足弹性要求，且计算时，框支柱、底层柱下端及转换层相连的柱上端的弯矩增大系数ηc=1.8，柱端剪力增大系数ηcv=1.68，地震作用产生的柱轴力增大1.8 倍。对于角柱应该按上述增大后的弯矩、剪力设计值再行放大1.1 倍。转换层框支柱承受剪力之和应不小于结构基底剪力的30%，框支柱弯矩应相应调整，框支梁剪力、弯矩可不调整；中震计算时满足：SGEK+1.05×，其中为中震作用标准值，剪、压计算时承载力利用系数ξ=0.74，拉、弯计算时ξ=0.87；大震受剪截面计算时满足：，其中为大震作用的构件剪力标准值[3]。

5 转换层楼板计算要求

转换层（第5 层）楼面板厚取值180mm，配筋为HRB400（Ⅲ级钢筋）14@150（配筋率5.7%）双层双向拉通。通过采用壳单元模拟该层楼板，了解框支转换层在不同工况作用下的楼板截面剪应力情况。根据《高层》第10.2.24 条，楼板剪应力应满足Vf≤通过计算后楼板的剪应力控制上下限位定为[-3.25MPa，3.25MPa]。从各剪应力云图可知，大部分区域应力在控制范围内，应力较大的区域主要集中在核心筒的角部、核心筒内剪力墙端部、转换柱周边以及转换梁的交接部位，需通过有限元配筋计算结果进行配筋补强[1]。

表1 基底最大总剪力及最大层间位移角

6 时程分析

根据《高层》规定，需采用弹性时程分析程序对建筑物在多遇地震作用进行补充验算。输入地震波为两组实际地震记录和一条场地合成人工波进行弹性动力时程分析。进行弹性动力分析时按7 度地震Ⅲ类土，50 年时限内超越概率为63.2%（小震），阻尼比为0.05 考虑，如表1 所示。

（1）时程分析结果满足底部剪力包络值不小于CQC 法计算结果的80%，每条地震波底部剪力不小于CQC 法计算结果的65%的条件。

（2）多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。

（3）塔楼位移曲线以弯曲型为主，位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。

7 大震PUSH-OVER 分析（EPDA&PUSH）

静力推覆分析分析可以通过施加逐步增大的水平力来模拟水平地震的作用，水平力的施加采用三角荷载模式。在材料非线性和几何非线性的计算中，随着推覆力的增加，结构各部分从弹性阶段逐渐发展到塑性阶段，然后部分结构破坏，直到整体结构的倒塌。从中可以了解整个结构的受力特性以及各个构件的破坏机制，如图3 所示。

图3 0 度、90 度方向转换层性能点处塑性铰分布

分析可知，转换层剪力墙连梁刚度明显退化，个别剪力墙进入塑性，塑性程度较浅，框支柱、框支梁未出现塑性铰，均处与弹性阶段，满足性能水准要求。

8 转换构件设计及施工注意事项

框支柱箍筋应沿柱全高加密，柱最小配箍率特征值λV 应按规范要求值再增大0.03，且箍筋体积配箍率不小于1.6%，全部纵向钢筋配筋率不应小于1.6%，框支柱在上部剪力墙范围内的纵筋应伸入上部剪力墙体内一层，其余从柱边计起，锚入转换梁内或板内LaE[4]。

框支梁纵向钢筋最小配筋率不小于0.6%，箍筋最小面积配筋率满足特一级要求1.3ft/fyv。偏心受拉的转换梁支座上部钢筋应有50%沿梁全长贯通，下部钢筋全部直通锚入柱内。转换梁钢筋第一排纵向钢筋应向柱内弯折锚固，且应延伸过梁底LaE，转换梁纵向钢筋同一连接区段的接头率不宜超过50%。

9 结论

塔楼本身为存在凹凸不规则、扭转不规则、楼板不连续、竖向构件不连续四项超限的超高层建筑，对关键构件设定抗震性能化目标，并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行弹性、弹塑性计算分析，除保证转换构件在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明，多项指标均表现良好，塔楼各构件除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，亦能实现设定的整体抗震性能目标——达到C级抗震性能目。