部分框支剪力墙结构转换层设计分析

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摘要：某项目位于广东省深圳市福田区，地面以上结构屋面高度为242.15m，最大高宽比为11.1。采用带部分框支转换的剪力墙结构体系，地面以上5层主要功能为商业，5层以上主要功能为办公。转换构件采用型钢混凝土构件，转换层位于5层楼面，属于高位转换。通过罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，以及对转换层楼板进行应力分析，结果表明结构满足抗震性能目标，并针对关键部位补充了加强措施。

关键词：高位转换；超高层；超限工程；抗震性能；SAUSAGE

1工程概况

某项目位于广东省深圳市福田区，开发建设用地面积约29000m2。计容积率建筑面积376000m2，目前分两期开发，其中一期为重点开放项目，建设用地面积20966.58m2，其中商业24000m2，办公152000m2、商业公寓93900m2，公交首末站3000m2、社区管理用房300m2，包括办公楼2栋、商务公寓2栋、商业裙房、地下商业、地下室车库部分；二期包括商务公寓、裙房、地下商业、地下车库部分。本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s。上部由裙房以及，4栋塔楼组成，4栋塔楼在地面以上均为分开的建筑，塔楼同裙房在地面以上通过结构缝分开。地下室为5层，埋深25m，主要功能为停车、商业、设备用房及人防等。本文对其中1栋塔楼转换层进行分析，塔楼地面以上53层，结构高度为242.15m，最大高宽比为11.1。采用带部分框支转换的剪力墙结构体系，建筑立面如图1所示（虚线圈出为本次分析的塔楼）。

2结构体系及转换层布置

由于底部楼层有建筑商业功能的要求，不允许塔楼上部剪力墙落下，于是在裙房顶部位置（即5层楼面位置）设置转换层。为了达到减少转换、传力直接、强化下部且弱化上部的目的［1］，本项目采用梁式转换［2-3］，通过框支转换梁承托塔楼部分不能落下的上部剪力墙，框支转换梁再通过框支转换柱将塔楼上部剪力墙传来的重力荷载传递到基础；且整个框支转换框架需要承担及抵抗上部结构传递下来的侧向力。框支转换柱采用矩形截面的型钢混凝土柱，尺寸为1900mm×（1900mm~2200mm）×2300mm，含钢率为4%左右。框支转换梁采用型钢混凝土梁，尺寸为（1600mm~1800mm）×2200mm。转换层布置如图2、图3所示。由于受力较为复杂，转换层楼板在地震作用下，需要承受部分拉力，需单独分析。由于本项目结构体系较为复杂，依据《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ15-92—2013》［4］第3.11节的要求进行结构抗震性能化设计。整体结构抗震性能目标为C。在各地震水准条件下的抗震性能水准及关键构件的性能设计控制目标如表1所示。

3转换层动力弹塑性分析

为达到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震设计目标［5-6］，采用以抗震性能化为基准的设计思想和以位移为基准的抗震设计方法，对结构整体进行分析，并相应提取转换层部分的计算内容。对于整体来说，根据文献［4］C级性能目标的要求，在罕遇地震作用下，按以下条件控制结构位移：⑴结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求；⑵钢筋混凝土剪力墙结构的层间位移角≤1/150。转换层的相应构件均为关键构件，根据C级性能目标的要求，需达到性能水准4（轻度损坏）。通过SAUSAGE软件进行动力弹塑性时程分析，与YJK计算模型进行对比校核，在确保计算模型的正确性的同时，得出结构的位移情况及转换层构件在罕遇地震作用下的损伤情况。分析过程中，质量、周期和振型是模型校核的基本内容之一［7］。不同软件计算得到的结构质量和前3阶周期如表2所示。结构的最大弹塑性层间位移角X向为1/228，Y向为1/171，满足文献［4］C级性能目标部分框支剪力墙结构体系1/150的限值要求。由上述结果可知，模型总体指标满足文献［4］对位移、周期等指标的控制。根据SAUSAGE的计算结果，相应输出转换层部分性能水平结果如图4所示。由结果可知：①剪力墙连梁大部分已进入屈服阶段，大部分轻度损坏，部分中度损坏；②楼面梁大部分均已屈服，构件轻度损坏，部分中度损坏；③剪力墙墙肢受弯和受剪均未屈服，构件基本上无损坏；④转换梁和转换柱均未屈服，构件基本上无损坏。满足文献［4］C级性能目标中，各类构件的性能设计控制目标［8］。

4转换层楼板应力分析

利用YJK对楼板应力进行了分析［9］，框支转换层楼板典型厚度采用180mm，混凝土等级C40，钢筋等级HRB400。楼板的设计需满足以下目标：在频遇地震（小震）荷载工况下，钢筋混凝土楼板处于弹性。在设防烈度地震（中震）荷载工况下，楼板允许开裂，但抗拉钢筋应保持弹性，最大拉应力小于钢筋强度标准值；最大压应力小于钢筋混凝土楼板抗压强度标准值。根据计算结果可得：⑴框支转换层楼板小震作用下的拉应力水平均较小，框支层楼板一般拉应力水平均小于0.5MPa，远小于2.39MPa，即小于C40混凝土抗拉强度标准值，混凝土保持良好。局部节点应力集中区域（竖向构件与楼板的节点区域）楼板拉应力较大，最大应力为1.07MPa，但仍不超过2.39MPa。⑵楼板小震作用下的压应力水平也较小，最大为1.01MPa，混凝土仍处于弹性工作状态下。⑶框支转换层楼板中震作用下的拉应力水平，框支层楼板大部分区域拉应力约为0.5~1.0MPa，局部节点应力集中区域（竖向构件与楼板的节点区域）楼板拉应力较大，最大峰值应力为2.07MPa。根据计算结果，相应加强板配筋筋，采用双层双向拉通钢筋，配筋率大于0.5%，局部应力集中部位相应增加附加钢筋。⑷依据楼板中震压应力水平，框支层楼板压应力水平整体较低，远低于钢筋混凝土楼板抗压强度标准值。

5结论

综上所述，本项目转换层通过合理设置转换柱、转换梁组成梁式转换结构，并通过加强转换层楼板来平衡转换层的变形协调，具有合理的传力路径和变形协调能力。通过弹塑性分析可得出，本结构体系屈服机制合理，且具有良好的弹塑性耗能能力，可以达到预设的抗震性能目标［10］。弹塑性耗能基本集中在剪力墙连梁、楼面梁等耗能构件，转换构件在罕遇地震作用下基本处于弹性状态，无损坏，满足关键构件的性能设计控制目标，具有较好的弹性变形能力以及充足的承载能力。结合上述分析的基础上，对转换构件及转换楼板补充了加强措施，目前本项目主体结构已完工。

作者：李希锴 单位：广东省建筑设计研究院有限公司