部分框支剪力墻結構轉換層設計分析

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摘要：某項目位于廣東省深圳市福田區，地面以上結構屋面高度為242.15m，最大高寬比為11.1。采用帶部分框支轉換的剪力墻結構體系，地面以上5層主要功能為商業，5層以上主要功能為辦公。轉換構件采用型鋼混凝土構件，轉換層位于5層樓面，屬于高位轉換。通過罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，以及對轉換層樓板進行應力分析，結果表明結構滿足抗震性能目標，并針對關鍵部位補充了加強措施。

關鍵詞：高位轉換；超高層；超限工程；抗震性能；SAUSAGE

1工程概況

某項目位于廣東省深圳市福田區，開發建設用地面積約29000m2。計容積率建筑面積376000m2，目前分兩期開發，其中一期為重點開放項目，建設用地面積20966.58m2，其中商業24000m2，辦公152000m2、商業公寓93900m2，公交首末站3000m2、社區管理用房300m2，包括辦公樓2棟、商務公寓2棟、商業裙房、地下商業、地下室車庫部分；二期包括商務公寓、裙房、地下商業、地下車庫部分。本工程抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。上部由裙房以及，4棟塔樓組成，4棟塔樓在地面以上均為分開的建筑，塔樓同裙房在地面以上通過結構縫分開。地下室為5層，埋深25m，主要功能為停車、商業、設備用房及人防等。本文對其中1棟塔樓轉換層進行分析，塔樓地面以上53層，結構高度為242.15m，最大高寬比為11.1。采用帶部分框支轉換的剪力墻結構體系，建筑立面如圖1所示（虛線圈出為本次分析的塔樓）。

2結構體系及轉換層布置

由于底部樓層有建筑商業功能的要求，不允許塔樓上部剪力墻落下，于是在裙房頂部位置（即5層樓面位置）設置轉換層。為了達到減少轉換、傳力直接、強化下部且弱化上部的目的［1］，本項目采用梁式轉換［2-3］，通過框支轉換梁承托塔樓部分不能落下的上部剪力墻，框支轉換梁再通過框支轉換柱將塔樓上部剪力墻傳來的重力荷載傳遞到基礎；且整個框支轉換框架需要承擔及抵抗上部結構傳遞下來的側向力。框支轉換柱采用矩形截面的型鋼混凝土柱，尺寸為1900mm×（1900mm~2200mm）×2300mm，含鋼率為4%左右。框支轉換梁采用型鋼混凝土梁，尺寸為（1600mm~1800mm）×2200mm。轉換層布置如圖2、圖3所示。由于受力較為復雜，轉換層樓板在地震作用下，需要承受部分拉力，需單獨分析。由于本項目結構體系較為復雜，依據《高層建筑混凝土結構技術規程：廣東省標準DBJ15-92—2013》［4］第3.11節的要求進行結構抗震性能化設計。整體結構抗震性能目標為C。在各地震水準條件下的抗震性能水準及關鍵構件的性能設計控制目標如表1所示。

3轉換層動力彈塑性分析

為達到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震設計目標［5-6］，采用以抗震性能化為基準的設計思想和以位移為基準的抗震設計方法，對結構整體進行分析，并相應提取轉換層部分的計算內容。對于整體來說，根據文獻［4］C級性能目標的要求，在罕遇地震作用下，按以下條件控制結構位移：⑴結構是否滿足“大震不倒”的設防水準要求；⑵鋼筋混凝土剪力墻結構的層間位移角≤1/150。轉換層的相應構件均為關鍵構件，根據C級性能目標的要求，需達到性能水準4（輕度損壞）。通過SAUSAGE軟件進行動力彈塑性時程分析，與YJK計算模型進行對比校核，在確保計算模型的正確性的同時，得出結構的位移情況及轉換層構件在罕遇地震作用下的損傷情況。分析過程中，質量、周期和振型是模型校核的基本內容之一［7］。不同軟件計算得到的結構質量和前3階周期如表2所示。結構的最大彈塑性層間位移角X向為1/228，Y向為1/171，滿足文獻［4］C級性能目標部分框支剪力墻結構體系1/150的限值要求。由上述結果可知，模型總體指標滿足文獻［4］對位移、周期等指標的控制。根據SAUSAGE的計算結果，相應輸出轉換層部分性能水平結果如圖4所示。由結果可知：①剪力墻連梁大部分已進入屈服階段，大部分輕度損壞，部分中度損壞；②樓面梁大部分均已屈服，構件輕度損壞，部分中度損壞；③剪力墻墻肢受彎和受剪均未屈服，構件基本上無損壞；④轉換梁和轉換柱均未屈服，構件基本上無損壞。滿足文獻［4］C級性能目標中，各類構件的性能設計控制目標［8］。

4轉換層樓板應力分析

利用YJK對樓板應力進行了分析［9］，框支轉換層樓板典型厚度采用180mm，混凝土等級C40，鋼筋等級HRB400。樓板的設計需滿足以下目標：在頻遇地震（小震）荷載工況下，鋼筋混凝土樓板處于彈性。在設防烈度地震（中震）荷載工況下，樓板允許開裂，但抗拉鋼筋應保持彈性，最大拉應力小于鋼筋強度標準值；最大壓應力小于鋼筋混凝土樓板抗壓強度標準值。根據計算結果可得：⑴框支轉換層樓板小震作用下的拉應力水平均較小，框支層樓板一般拉應力水平均小于0.5MPa，遠小于2.39MPa，即小于C40混凝土抗拉強度標準值，混凝土保持良好。局部節點應力集中區域（豎向構件與樓板的節點區域）樓板拉應力較大，最大應力為1.07MPa，但仍不超過2.39MPa。⑵樓板小震作用下的壓應力水平也較小，最大為1.01MPa，混凝土仍處于彈性工作狀態下。⑶框支轉換層樓板中震作用下的拉應力水平，框支層樓板大部分區域拉應力約為0.5~1.0MPa，局部節點應力集中區域（豎向構件與樓板的節點區域）樓板拉應力較大，最大峰值應力為2.07MPa。根據計算結果，相應加強板配筋筋，采用雙層雙向拉通鋼筋，配筋率大于0.5%，局部應力集中部位相應增加附加鋼筋。⑷依據樓板中震壓應力水平，框支層樓板壓應力水平整體較低，遠低于鋼筋混凝土樓板抗壓強度標準值。

5結論

綜上所述，本項目轉換層通過合理設置轉換柱、轉換梁組成梁式轉換結構，并通過加強轉換層樓板來平衡轉換層的變形協調，具有合理的傳力路徑和變形協調能力。通過彈塑性分析可得出，本結構體系屈服機制合理，且具有良好的彈塑性耗能能力，可以達到預設的抗震性能目標［10］。彈塑性耗能基本集中在剪力墻連梁、樓面梁等耗能構件，轉換構件在罕遇地震作用下基本處于彈性狀態，無損壞，滿足關鍵構件的性能設計控制目標，具有較好的彈性變形能力以及充足的承載能力。結合上述分析的基礎上，對轉換構件及轉換樓板補充了加強措施，目前本項目主體結構已完工。

作者：李希鍇 單位：廣東省建筑設計研究院有限公司