超限高层公寓型钢混凝土转换框支梁结构设计

陈敢超

（广东中山建筑设计院股份有限公司）

1 工程概况

我国建筑物的高度不断地向超高方向发展，同时由于业主对建筑层高和空间使用有限制和要求，因此越来越多的高层建筑通过采用带转换层结构来实现，而型钢混凝土转换层的设计和施工也日益得到大力推广。本项目位于中山市长江北路和孙文东路交汇处，总建筑面积28万m2，地下室共3层，地上由3栋高层塔楼和5层商业裙房组成。建筑抗震设防分类裙楼为乙类，裙楼天面以上的三栋高层塔楼为丙类。设计使用年限为50 年，抗震设防烈度为7 度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，特征周期为0.35s，场地类别为Ⅱ类，结构安全等级为二级。其中1#公寓塔楼结构高度最大为168.4m，属于超B级高度、大底盘多塔结构，而且存在竖向构件间断、平面扭转及楼板不连续等多项不规则项，本项目已通过了抗震设防超限专项审查并且施工已完成主体结构封顶。本文主要对超限的1#高层公寓的部分框支剪力墙结构中的型钢混凝土框支转换梁的设计进行详细介绍。

转换层位于第7 层楼面，属于高位转换，由于建筑层高的限制，框支转换梁梁高需要控制在1800mm 以内，通过多方案分析计算和综合比较，最终确定选用抗震性能优越的型钢混凝土框支转换梁（以下正文中简称框支梁）。框支梁最大截面为2000×1800，含型钢率为1.6%。落地剪力墙（以下正文中简称落地墙）厚度为500～800mm，转换层以上剪力墙（7 层以上）墙厚自下而上由300mm渐变为200mm。框支转换层和标准层结构平面布置图如图1 和图2 所示。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）[1]（简称《高规》）规定，本工程落地墙和框支框架抗震等级为特一级，其余为一级。

图1 转换层结构平面

图2 标准层结构平面

2 结构整体计算分析

本工程建筑结构高度超限，为超B 级高度，设计中分别采用《多层及高层建筑结构空间有限元分析和设计软件（墙元模型）SATWE》[2]（简称SATWE）和《盈建科建筑结构分析与设计软件YJK》[3]（简称YJK）两个软件进行结构整体计算对比分析，计算内力时全楼采用弹性楼板假定和相同的计算参数，两个程序的分析结果基本吻合一致，模型符合实际，可作为本项目结构设计的依据[4]。

3 框支梁设计

3.1 剪压比限值分析

转换框支梁受力复杂，它并不是传统意义上的拉弯构件，而且它属于关键构件，为保证其安全可靠，《组合结构设计规范》（JGJ 138-2016）[5]（简称《组合规》）5.2.4 条对框支梁抗震设计时的受剪截面有明确规定，地震设计状况下剪压比为0.3。在重力荷载、水平荷载共同作用下，为了确保建筑结构的抗震延性和安全度，控制好高层建筑各类结构构件受剪截面的剪压比是重要措施，同时也符合强剪弱弯的设计原则。

为保证建筑结构的安全，控制转换框支梁的剪压比的无疑是有利于弥补计算差异所带来的结构隐患。型钢混凝土框支梁作为复杂高层建筑结构转换梁其中一种结构形式，具有承载力高、延性好等优点，其承受上部结构传来的垂直和水平荷载时受力复杂而且十分重要。

3.2 截面设计

框支梁因受力不同各取不同截面尺寸，梁高受建筑使用净空要求只能采用1800mm，宽度按计算确定。例如经分析计算后，KZL1 截面尺寸采用2000×1800，混凝土强度等级取C70。由于采用宽翼缘工字型钢会对梁内箍筋设置摆放产生较大影响，施工也非常困难。经多方案综合比较，最终确定内置型钢不需考虑受弯，仅考虑提高框支梁的抗剪能力，在满足梁支座抗剪前提下选择无翼缘型钢（钢板），在框支梁内对称配置两块一字型钢板，截面尺寸为-1200×24，型钢牌号采用Q420B，框支梁含型钢率为1.6%。这样配置的抗剪钢板基本不影响梁内的箍筋设置绑扎，对施工并无太大影响，大大提高施工效率。框支梁配筋和钢板做法大样如图3所示。

图3 框支梁KZL1配筋大样

3.3 计算分析

1#高层公寓计算模型如图4 所示，采用YJK 和SATWE 两个有限元软件分别对全楼栋整体进行分析计算，从框支梁的内力和配筋计算结果可知：梁高范围内配置了一字型型钢的框支梁，由于内置钢板提供了抗弯贡献，纵筋数量明显少于未配置型钢的普通钢筋混凝土转换梁，梁截面尺寸也由于梁内设置的型钢提高了框支梁抗剪能力从而得到优化。《组合规》5.5.2 条中规定了型钢混凝土框支梁的纵筋最小配筋率为0.3%，在正截面承载力计算时，纵筋和内置型钢在框支梁内充分发挥共同作用，但在内力配筋计算时，《组合规》对框支梁纵筋在地震作用时却没有作出增大调整。

图4 整体计算模型

考虑到在高位转换结构中框支梁的重要性及其复杂性，为确保其有充裕的设计安全储备，而且应具有良好延性的抗震性能，依据超限审查报告的计算分析结论，确定本项目的特一级框支梁纵筋最小配筋率为0.6%。施工图配筋设计时取YJK、SATWE 模型和高精度有限元框支剪力墙计算软件FEQ 模型计算结果包络值配置框支梁纵筋，符合满足设计要求。

框支梁的内置型钢腹板仅考虑抗剪验算，在普通钢筋和型钢的协同作用下框支梁的抗弯以及抗剪承载力均能满足设计要求。依据《组合规》5.3.2 条条文和公式，考虑型钢局部腹板作用，按荷载的准永久值并考虑长期作用影响，分析计算框支梁的最大裂缝宽度，由计算结果知ωmax=0.216mm＜[ω]=0.3mm，满足设计要求。

由结构平面可知，框支梁与上部托换的剪力墙上下错位并不能对齐同一轴线，这样必定会对框支梁产生较大的扭矩作用，但转换层的厚板及与框支梁垂直相交的框支次梁能有效约束由于墙、梁偏心所产生的较大扭矩，因此除了计算，还可以通过抗震构造措施来解决抗扭问题，这样会得到更经济有效的结果。对框支梁采取的主要构造措施如下：⑴框支梁第一排面筋沿梁纵向方向全长贯通，贯通率必需达50%以上；⑵将转换层楼板配筋率从0.25%增大至0.3%，有效提高转换层楼板和框支梁协同能力，从而增强框支框架的整体抗震性能；⑶在满足规范的前提下，框支梁单侧腰筋配筋率适当增大为0.12%，除了能增强框支梁的抗扭作用外，还能有效控制由于浇筑C70 高标号混凝土而产生垂直于梁轴线的梁表面收缩裂缝；⑷适当加强与框支梁垂直方向的框架梁或次梁的截面尺寸，提高转换层的整体抗扭能力。

3.4 构造设计

3.4.1 高强混凝土的使用

为完美达到业主对建筑空间的使用要求，框支梁和转换柱同时采用C70 高强混凝土。混凝土强度越高粘性越大，生产上需要更长的搅拌时间才能让胶材与外加剂充分反应，而且在转换层内直径为36mm 的高强度钢筋多达420 多吨，钢筋分布密集、间距小，框支梁中还设有型钢钢板，转换柱中设有芯柱，尤其在梁柱抗震节点处，梁柱钢筋层层叠叠、密密麻麻，对混凝土泵送的和易性和塌落度也提出了要求和挑战。另外，由于框支梁和转换柱的尺寸已达到大体积混凝土的标准，混凝土供应商通过材料的预检预存预降温度以及配合比调整等措施，有效化解高强混凝土的高胶凝材与大体积控水化热之间的矛盾关系，并且采取合理的施工措施以降低混凝士硬化过程中产生的水化热，控制收缩裂缝的产生。本项目转换层的C70、C60混凝土浇筑了2400立方米，总耗时共20.5 小时，在短时间内完成如此大方量的高强混凝土的生产、浇筑、施工，在建筑行业上实属罕见。尤其是1850 多立方米的C70 混凝土用量，刷新了中山市C70混凝土一次性浇筑方量的最高纪录。

3.4.2 剪力连接件的设置

框支梁抗震设计时受力复杂，为保证型钢与混凝土之间能协调变形，共同承受外力工况荷载，需在型钢钢板上设置抗剪连接件。本项目为减少型钢与框支梁箍筋绑扎冲突的施工难度，型钢选用一字型钢板，而非传统的工字型型钢，因而没有常规翼缘能设置栓钉作为柔性抗剪连接件，因此在钢板两侧加焊沿钢板长度方向布置的直径25mm 钢筋作为刚性抗剪连接件，排放尺寸如图3所示。

3.4.3 拉筋的设置

由于框支梁中型钢钢板的存在，钢板上每隔一段距离需要预留固定梁侧模板用的对拉螺杆开孔就是为了满足施工工艺需要。为了尽量减少开孔对型钢腹板的影响，钢板不宜再增加开孔让拉筋穿过绑扎，因此在钢板两侧增加辅助筋用于绑扎拉筋，辅助筋则跟钢板焊接连接，如图3 所示，这样构造处理不仅能有效降低抗剪钢板截面的开孔率，同时也保证了框支梁普通钢筋骨架的整体性。

4 结论

⑴超高层建筑结构复杂，竖向构件不连续，高位转换层的框支梁采用型钢混凝土后，减小结构的变形，承载力和关键构件的耗能能力大大提高，抗震性能得到显著改善，截面尺寸大大优化，从而能更好地实现“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱构件”抗震设计理念。

⑵框支梁受力复杂且十分重要，为保证计算分析结果的正确性，采用盈建科YJK 和PKPM 系列SATWE 两个软件相互比对计算，结果基本一致。在结构整体计算分析基础上，还局部对框支梁进行FEQ 高精度有限元分析，弥补了整体分析的不足，多方面保证其安全使用可靠。

⑶通过设置合理的抗震构造加强措施，使转换结构具有良好的抗震延性，而且能更好保证框支梁内置型钢钢板与钢筋混凝土协同工作的性能，实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震性能目标。