带转换层的高层建筑抗震设计

摘 要：近年来，越来越多的高层建筑采用了转换层以满足不同建筑功能的需求。带转换层的高层建筑抗震设计也引起工程界的普遍关注。本文以某带转换层的高层建筑为例，结合建筑结构抗震性能目标，进行不同地震作用下的分析计算，判断出薄弱构件的位置，并采取必要的抗震措施，为今后带转换层的高层建筑抗震结构设计提供了借鉴。

关键词：转换层；高层建筑；抗震性能设计；弹塑性分析；抗震措施

随着高层建筑向体型复杂、功能多样、造型新颖的方向发展，转换层的应用也越来越广泛。高层建筑转换层的设计造成建筑物的刚度发生突变，在水平地震荷载作用下，转换层上下容易形成薄弱环节。建筑转换层结构的抗震设计一直以来是建筑结构设计的重点，要使工程建设真正能够减轻甚至避免地震带来的危害，把握好抗震设计是关键。因此，高层建筑转换层的抗震设计必须合理科学。下面结合工程实际，对带转换层高层建筑抗震设计中的若干问题进行探讨。

1 工程概况

某住宅小区5#，8#楼地上均为32层，房屋高度均为99.95m，主要建筑功能：地下室用作人防和库房，1～4层为商业，5～32层为住宅，通过在层4设转换层实现建筑功能的变化，层1～3高4.2m，层4高5.3m，层5高3.15m，标准层层高2.9m；地基基础的设计等级为甲级，4 层及4 层以下建筑抗震设防类别为乙类，5 层以上为丙类，抗震设防烈度为8 度（ 0.2g） ，设计地震分组为三组，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期： 小震为0.45s，中震为0. 45s，大震为0.50s。风荷载取值： 基本风压为0.35kN /m2 ，地面粗糙度为C类。小区转换层结构平面见图1A，标准层结构平面见图1B。

图1

2 地基基础设计

基础选用平板式筏形基础，5#楼持力层为卵石层，8#楼持力层为卵石层和砂岩层，筏板厚度为1.5m（部分筏板厚度为1.8m）。5#楼和8#楼的基础有效埋置深度分别为14.35m和14.15m。砂岩层为强风化状态，岩性呈散体状-短柱状，遇水、遇扰动、暴露于空气中均易风化，施工中严格采取三防措施（防水、防扰动、防风化）确保地基可靠性。强风化砂岩的地基承载力特征值在经现场载荷试验测定后的结论为：在降水后、未扰动的状态下为457kPa，满足承载力要求。

3 结构体系及布置

3.1 结构选型

8#楼选用全现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构，框支层位于4层，框支梁、柱均采用型钢混凝土构件，楼板采用钢筋混凝土现浇楼板。

3.2 结构布置

周边剪力墙和核心筒剪力墙尽量落地，落地剪力墙均匀布置并加大厚度，保证框支层剪力墙具有足够的抗侧刚度和抗扭刚度。框支柱、框支梁及框支梁上部剪力墙三者中心线对齐，避免产生偏心扭矩。

4 结构抗震性能目标

为保证本工程结构抗震设计超过规范三水准设防的要求，采用抗震性能设计方法，根据本工程的超限情况，拟定抗震性能目标为D级，可表述为“小震无损、中震中损、大震较重损”，各性能水准结构预期的震后性能状况和层间位移角控制指标见表1。

表1 结构抗震性能目标

5 结构计算与分析

5.1 计算软件

由于8#楼属于较复杂的超限高层建筑，因此选用SATWE和MIDAS两种计算软件进行结构计算和对比，结构嵌固端取在地下1层顶板，由于结构平面为Y形，故结构计算时增加沿Y形两翼2组附加地震作用方向进行结构计算。

5.2 小震下弹性计算的主要结果

小震作用下两种程序整体计算的主要结果汇总见表2。从表中可以看出，两种程序计算的主要指标是基本吻合的，具有可对比性，且均满足规范要求。由于结构平面为Y形，存在较多的凹口，削弱了平面的整体性，采用弹性楼板模式进行内力配筋计算，以充分考虑楼板刚度对结构构件的影响。

表2 小震作用下整体计算结果汇总

5.3 转换层相邻上下层结构侧向刚度比分析

带转换层的结构易产生刚度突变，从而形成软弱层，对抗震不利，按规范的相关要求，对3种刚度比进行了严格控制，避免了薄弱层的出现。

（1）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010） （简称高规）附录E.0.2条的要求，按公式3.5.2-1计算转换层与相邻上一楼层的侧向刚度比γ1=（V4Δ5）/（V5Δ4），计算结果见表3。转换层与相邻上一楼层侧向刚度比γ1均大于0.6，满足规范要求。

表3 相邻楼层侧向刚度比计算

（2）根据高规公式3.5.2-2计算转换层与相邻上一楼层的侧向刚度比γ2=（V4Δ5h4）/（V5Δ4h5），计算结果见表3。转换层与相邻上一楼层侧向刚度比γ2均大于1.1，满足规范要求。

（3）根据高规附录E.0.3条的要求，按公式E.0.3计算转换层下部与上部结构的等效侧向刚度比γe2=（Δ2H1）/（Δ1H2），计算结果见表3。转换层上、下部结构等效侧向刚度比γe2均大于0.8，满足规范要求。

5.4 框支柱剪力调整

每层框支柱的数量为18根，根据高规，部分框支剪力墙结构每层框支柱的数目多于10根且框支层位于3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应至少取结构基底剪力的30%，故对框支柱承受的剪力进行了放大调整，经过剪力调整后，各层框支柱所承担的剪力之和均大于结构基底剪力的30%，满足规范要求，进而可满足第二道抗震防线的要求。

5.5 其他计算内容

对结构分别进行了小震作用下的弹性时程分析，选用的3条地震波为RH1TG045，TH1TG045，TH2TG045。计算结果显示：每条地震波计算所得的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，也不大于振型分解反应谱法的100%；3条地震波计算所得的底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足规范要求；振型分解反应谱法计算结果比时程分析结果大，可利用振型分解反应谱法计算结果进行设计。

6 超限设计的主要抗震措施

（1）采用抗震性能设计方法，设定结构的抗震性能目标为D级，超过规范最低的抗震要求，留有一定的余地。

（2）进行中、大震作用下的结构静力弹塑性分析。结果表明：在中、大震作用下，X，Y向弹塑性层间位移角均小于1/250（中震）或1/135（大震），符合性能目标所设定的要求。从塑性铰的发展状况来看，达到了中震作用下框支框架保持弹性、剪力墙个别部位产生裂缝、总体不发生剪切屈服、大震作用下剪力墙的损伤控制在一定范围的要求，确保结构大震不倒，但需对中震作用下产生裂缝的部位进行加强。

（3）针对结构弹塑性分析结果，对1～9层剪力墙配筋进行加强。

（4）框支柱采用型钢混凝土柱，型钢混凝土柱含钢率不小于4%，配筋率不小于0.8%，主要框支梁采用型钢混凝土梁，型钢混凝土梁含钢率不小于3%，配筋率不小于0.3%。

（5）框支框架和底部加强部位的剪力墙的抗震等级取为特一级，底部加强部位自基础底板算起取至框支层以上两层，特一级框支柱轴压比不大于0.6，特一级剪力墙轴压比不大于0.4。

（6）严格控制转换层附近楼层的刚度比和强度比，避免出现软弱层和薄弱层。转换层与相邻上一楼层侧向刚度比γ1控制不小于0.6；转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2控制不小于0.8；转换层与相邻上一楼层的侧向刚度比γ2控制不小于1.1；转换层与相邻上一楼层的层间受剪承载力之比不小于0.8。

（7）对框支转换层考虑竖向地震作用。对框支梁进行应力分析，按应力校核配筋，在应力集中部位加大纵向钢筋和箍筋。对框支层楼板的受剪承载力进行复核，保证不落地剪力墙的传力符合要求。

（8）对每层框支柱承受的地震剪力按结构基底剪力的30%进行放大调整，保证第二道抗震防线的承载能力。

（9）针对细腰形组合平面和扭转不规则采取适当的抗震加强措施。Y形平面的每个翼都均匀布置剪力墙，使抗侧刚度在结构平面的各个部位均匀分布，避免产生薄弱部位。平面凹口处均设拉梁，与拉梁对应的楼板内设置暗梁，形成环形连续贯通的暗梁加强带，其所在部位的板厚均取150mm，加强平面的整体性。将剪力墙加厚、内部剪力墙适当减少，提高结构整体抗扭转能力。

7 结语及建议

在本工程中，通过详细的结构分析，并采取切实可行的抗震措施，有效保证了结构具有良好的抗震性能，达到了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。随着建筑结构的复杂化、功能的多样化，带转换层的建筑结构抗震设计方法也必须与时俱进，这样才能保证结构具有良好的抗震性能。

参考文献

[1] 吴跃群.高层建筑转换层结构设计抗震分析[J].中国建设信息，2007年 第09S期

[2] 童丽萍；井玉重.带转换层的高层建筑不规则结构体系的抗震性能研究[J].世界地震工程，2008年03期