高位转换超限高层结构设计探究

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1工程概况

本工程位于北京房山商业核心区，为集商业、住宅为一体的城市综合体。建筑层数:地上13层，地下2层加非机动车库局部夹层。总建筑面积约2万m2，其中地下2层及夹层为停车库和设备用房，地下1层～5层为商场，6层～13层为住宅，房屋总高度为51．40m，建筑效果图如图1所示。裙楼单层面积较小，长方向约70m，共8跨柱网，柱距8．8m;宽度方向约25m，只有2跨～3跨，进深分别为9．3m，8．1m，7．5m。作为电器卖场，需要较大的开敞空间。6层～13层为普通住宅，建筑要求房间角部不能鼓出结构柱。另外，由于项目较小，甲方要求主裙楼间不设缝。

2结构形式及参数取值

2．1结构选型

受建筑条件的制约，本项目6层及以上只能做成剪力墙结构，而1层～5层，因为做商业卖场用，要求设置大开间柱网，仅楼梯间处允许设置剪力墙。因此大多数剪力墙都要转换。

2．2抗震分析参数选取

根据《建筑工程抗震设防分类标准》第6．0．5条规定本项目的商业部分是－1层～5层，总建筑面积为8180m2，不属于大型商场。其抗震设防类别划为标准设防类(丙类)。北京地区属8度区，《高层建筑混凝土结构技术规程》(以后简称《高规》)对部分框支剪力墙结构，底部加强部位剪力墙及框支框架抗震等级为一级，非底部加强区的剪力墙为二级。

3应对措施

3．1根据超限特点，合理布置结构形式

针对高位转换的情况，在满足侧移变形承载力的前提下尽可能均匀布置塔楼剪力墙、减薄墙体，隔墙采用轻质材料，尽可能减轻上部塔楼重量;让塔楼剪力墙尽量落地，不能落地的尽量落在连接框架柱的转换梁上。经协商将阳台边的砖墙也改为剪力墙，使尽可能多的剪力墙的端头直压到框支柱上，减少秃头柱数量。对完全不在轴线上的两片剪力墙，用两个方向的转换次梁共同抬起;转换梁及框支柱均采用型钢混凝土以提高其延性，对转换梁一侧相连的电梯井筒边也设型钢端柱，以便与型钢转换梁相接，在电梯筒与楼梯间剪力墙之间拉上连梁，使之形成整体;控制墙体厚度变化使转换层上下层刚度接近，不出现突变，上下均匀;使用高强混凝土，严控竖向构件的轴压比，以提高抗震延性。控制目标为框支柱小于0．40，剪力墙轴压比小于0．2(规范限值分别为0．6和0．5);加厚转换层楼板(取200厚)，提高楼板配筋率，框支层混凝土标号取为C40，双层双向通长配筋，同时亦适当加强转换层上下层的楼板，确保地震剪力有效传递;将转换层定义为薄弱层，放大该层的地震剪力，剪力放大系数取为1．25。针对扭转不规则的情况，通过裙房内最西边和西南角分别布置两道较厚较长的剪力墙使楼层偏心率控制在25%以内;查找出平扭位移比最大点，对该处的构件进行加强。针对竖向收进的情况，控制上下层的刚度比，抗剪承载力比，转换层刚度比满足规范要求;对裙楼的屋顶楼板加强，负筋拉通;按《高规》说明10．6．3条文说明，对塔楼与裙楼相连的外围柱墙，在构造上予以特别加强。

3．2选用合适的分析方法，找出结构不足之处加以调整

1)按规范要求采用两种三维空间分析软件进行整体内力和位移分析，并考虑偶然偏心及双向地震作用。计算结果对比见表1。框支柱的剪力调整，按其从属面积所分担的楼层剪力作为调整基数。2)进行弹性时程分析，分析结果未发现明显的薄弱环节。3)大底盘的设计中考虑底盘各层按考虑高低塔联合模型的地震剪力修正同时补充底盘按少墙框架的单独模型(塔楼质量按荷载输入在裙楼模型上)计算，承载力包络设计。计算结果表明，单独裙楼模型中部分竖向结构件比整体模型有10%左右的增加。4)上部塔楼设计中，纵向短墙补充按框架柱的模型计算，满足倾覆力矩和二道防线的要求。5)中部楼电梯部位相关楼板应采用弹性板计算。

3．3进行性能化设计分析

性能化结构抗震设计是指结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标来表示，主要针对混凝土结构并采用基于能力的设计原理。根据《高规》第3．11．1条要求，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建筑建造费用、震后损失和修复的难易程度等各项因素，可选定针对整个结构、结构的局部部位或关键部位结构的关键部件重要构件、次要构件的性能控制目标。本工程的结构抗震性能目标选定为:转换梁的承载力大震不屈服;框支柱和相邻落地墙(端柱或暗柱)承载力中震弹性，并满足大震截面控制条件。转换梁性能目标的承载力计算不考虑空间作用，手算复核，按照实际承担区域面积手算确定荷载。

4结语

高位转换高层最重要的就是框支结构的设计，此部分的构件需要有足够的安全储备，通过性能化设计对此部分选定合适的性能化目标，并分析实现，是类似结构设计的关键。结构布置尽量减少秃头柱的情况，转换梁两头均抬墙时，转换比较容易实现，安全性要高得多。要提高转换结构的普通混凝土梁柱构件的承载力，需要加大截面，而加大截面将会承担更多的地震力，更多的地震力又需要加大截面，容易限入死循环。而选用高强的劲性混凝土结构构件，能很好地解决这一问题，从纯混凝土到劲性型钢混凝土，在刚度有限提高的情况下，强度会有大幅度的提高。因此劲性混凝土构件是做转换构件的最佳选择。对上部偏置塔楼与裙楼总体量相当或接近的结构，选择单塔楼模型补充计算，是对全楼模型分析结果的有益补充。这种方法有利于发现潜在的不足之处，更简易客观地反映出扭转变形的影响，使得关键构件得到加强。当塔楼平面面积占裙楼面积比较小时，如果对数目较少的框支柱按全楼地震剪力进行剪力0．2Q0调整，调整的剪力往往会很大，难以实现。因此剪力调整按框支范围面积所对应的剪力进行相应调整比较合理。另外，由于进行了多重加强，与非超限的常规项目相比，本项目的经济性较差。因此，在项目的前期，建筑方案设计时应尽量避免高位转换，塔楼偏置这些严重不规则的情况出现。虽然通过各种措施来成功实现了这一方案，但也不得不说，这不是一个好的选择。

作者:吴靖坤 单位:南京市建筑设计研究院有限责任公司