超高层建筑高位转换分析

超高层建筑高位转换分析

陈裕斌

筑博设计股份有限公司深圳分公司  广东省深圳市  518000  

摘要：随着城市规模的扩大、人口的增长，越来越密集的轨道交通占据了大量土地面积。在多元和高密度的城市里，如何高效利用空间，成为未来发展中需要面对并解决的难题，这种城市发展形势下的建筑中，有效提高了土地利用率，向空间要资源、要效益，现已成为主流发展方向之一。文章主要阐述了超高层建筑高位转换结构特点及技术分析。

关键词：超高层建筑；高位转换；实体有限元分析；大空间建筑结构

1工程概况

本项目位于XX市XX区，项目用地面积约3.94万 m2，总建筑面积为 21万 m2，地下2层，地上38层，建筑面积为45573.07㎡，结构高度136.95m，1~4层为商业及青少年活动中心，5~12层为政府物业，13层为避难层及结构转换层；14~30层为公寓层(27层设置避难层)，31层(对应建筑30F夹层)为设备转换层,32~38层为办公。

2超高层建筑高位转换分析

2.1 转换层部分剪力墙与转换柱剪力转移

为了更加直观的统计地震剪力分配的趋势，采用YJK数据，将转换柱承担地震剪力统计为非落地剪力墙地震剪力。 落地剪力墙、非落地剪力墙地震用作下剪力及分配情况，详见图2.1-1所示。

从上述图可知，X向地震和Y向地震作用下在13层（14层柱底）产生明显；该部分剪力转移情况，与设防地震作用下剪力墙抗剪弹性的校验结果吻合，故认为剪力墙与转换柱剪力转移符合相应趋势。

2.2 转换层上、下层结构侧向刚度比

由于本工程底部框支层位于第13层（建模第13层），按照《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E的要求，应分别按照侧移刚度和等效侧向刚度来验算转换层上、下层结构侧向刚度比。

（1）按照《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E的E.0.2条规定，按照式3.5.2-1计算转换层与相邻上层的侧向刚度比γ1，结果见下表：

γ1=（Vi*△i+1）/（Vi+1*△i）        (《高层建筑混凝土结构技术规程》式3.5.2-1)

上述结果表明，转换层与相邻上层的侧向刚度比γ1均大于0.6，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E的E.0.2条的限值要求。

（2）按照《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E的E.0.3条规定，计算转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2，结果见下表：

γe2=（△2*H1）/（△1*H2）   (《高层建筑混凝土结构技术规程》附录式E.0.3)

上述结果表明，转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2均大于0.8，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E的E.0.3条的限值要求。

（3）按照《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.5.2条第二款规定，当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍，考虑层高修正的转换层与相邻上层的侧向刚度比γ2，结果见下表：

γ2=（Vi*△i+1*hi）/（Vi+1*△i*hi+1）   (《高层建筑混凝土结构技术规程》式3.5.2-2)

上述结果表明，转换层与相邻上层的侧向刚度比γ2略低于1.10，无法满足《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.5.2条规定的限值要求。

2.3 楼层抗剪承载力比

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.5.3条，对A级高度高层建筑楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的80％。转换部位楼层的受剪承载力比值详表2.3-1所示。

上述结果表明，转换部位楼层X、Y方向的楼层抗剪承载力之比均满足限值要求，具有一定的富裕度。

3 转换部位实体有限元分析

本工程住宅塔楼采用部分框支剪力墙结构，为了给首层大堂空间提供较大柱网，将住宅的部分剪力墙做了结构转换，转换层平面布置见图3-1，转换关系比较复杂。常用结构计算软件对复杂的转换关系，做了过多的简化和假定，可能造成一些分析结果的失真，这些简化和假定，具体来说是：

（1）采用梁单元模拟框支梁，而实际上框支梁没有中性轴，不适用平截面假定；

（2）采用线单位模拟框支梁（而不是中性轴）与上部剪力墙底的剖分单元节点耦合关系不明确；

（3）杆系的变形假定与实际多次转换的变形特点不同，使得杆系模型容易误判转换的主次关系；

（4）对于偏轴的情况，为了准确估计扭矩，往往采用悬挑刚臂的办法，而副作用是造成同一根框支梁内出现两条不同规律变形曲线，容易对被支撑墙的弯矩和剪力造成误判。

因为上述原因，我们采用了MIDAS GEN对转换层局部进行了精细的梁单元建模（图3-2）和实体元建模（图3-3）并将实体单元建模的局部转换层与整体模型的当层水平构件和其上下层竖向构件进行刚性隔板连接，同时考虑了施工模拟的影响。

这种分析方法相较于仅截取出转换部分进行分析，优点是考虑了整体模型约束，并且可以进行多工况条件下框支梁内力分析，计算结果可信度较高，缺点是忽略了钢筋造成的影响。

3.1 MIDAS GEN实体有限元模型校核

为了验证实体单元模型的构件组成、总质量和刚度准确性及对结构基本动力特征做出初步判断，在进行分析之前首先对模型进行了模态分析，见表3.1-1，从中可以看出两种模型计算的周期及总质量代表值接近（差异比值均小于5%）。

为进一步验证梁单元和实体单元模型的传力途径是相同的，对比部分竖向构件在相同的上部荷载下的竖向变形和受力如表3.1-2所示（转换层转换柱编号见图3.1-1），转换柱的竖向变形和内力均非常接近（差异比小于10%），可以认为实体模型与杆系模型是大致吻合的。

恒载下，梁单元模型和实体单元模型转换层的竖向变形图如图3.1-2~图3.1-3所示，两模型竖向变形分布规律相同，通过对局部框支梁的挠度对比，发现两模型挠度差距较小，由于按实体建模跨度较小，框支梁挠度略小于梁单元模型。

综上所述，实体单元模型是准确的，可以用于进一步的转换层梁板详细分析

表3.1-1  MIDAS GEN 两种模拟方法模态分析的主要结果对比

表3.1-2  转换柱在竖向荷载D作用下柱底变形及内力比较

3.2 框支梁应力水平

框支梁受到轴力、弯矩、剪力、扭矩的共同复杂作用，沿长度方向的不同剖面受力状况变化剧烈，框支梁的应力水平对于正常使用阶段的裂缝验算、长期挠度变化、混凝土收缩徐变和钢筋蠕变的时间效应等方面影响较大。

在重力荷载的基本组合1.3D+1.5L下，框支梁的应力水平如图3.2-1~图3.2-5所示；由图可见，转换主梁正应力相对适中，其中梁底最大拉应力达到7.9Mpa（x向）和13.6Mpa（y向）。由图3.2-4和图3.2-5为框支梁的剪应力分布图，可以看出剪应力基本小于5Mpa，尚能满足0.2fc（不考虑地震）的规范要求。

3.3 框支梁内力对比分析

转换层框支梁编号见图3.3-1，我们选择了3根内力较大的框支梁进行了详细的对比分析，详表3.3-1~表3.3-3为框支梁在竖向荷载D作用下两个模型的内力对比结果；表3.3-4~表3.3-6为框支梁在水平地震作用下的内力对比。从表中可以看出在各工况下内力对比结果接近，可以作为施工图的设计依据，但需注意以下几点：

（1）梁单元模型对框支梁端部的弯矩估计过大，对端部配筋较大的框支梁，尚应考虑框支梁跨度对其影响，以及采用实体单元模型进行结果校对。

（2）实体单元模型对框支梁的扭矩计算值可能大于梁单元，在施工图设计配筋时，不考虑其扭矩折减，并按两种模型包络配筋。

（3）地震下实体单元与梁单元内力较为接近，重力荷载下两者出现一定差异，可能与实体单元与其他构件连接与杆系单元有差异有关。

表3.3-1  KZL1内力对比（D）

表3.3-2  KZL4内力对比（D）

表3.3-3  KZL7内力对比（D）

表3.3-4  KZL1内力对比（EY）

表3.3-5  KZL4内力对比（EY）

表3.3-6  KZL7内力对比（EX）

3.4 框支梁上一层剪力墙受力分析

转换层上一层剪力墙编号见图3.4-1，针对这几片抗剪控制截面超限的剪力墙，同样进行了实体单元建模，在恒荷载作用下剪力墙的轴力及面内剪力梁单元模型与实体单元模型的对比见表3.4-1。

表3.4-1  框支梁上一层剪力墙内力对比（D）

     上表可见，框支梁上一层剪力墙轴力两个模型计算的结果基本一致，但弯矩和剪力差别较大。实体元分析结果表明，竖向变形差引起剪力墙在重力下的剪力过大的问题，可能是被高估的，可适当进行调整。

4 高位转换分析结论

（1）楼层侧向刚度比，满足规范要求；楼层抗剪承载力之比，满足规范要求。

（2）通过框支梁应力配筋与YJK模型计算配筋取包络值，保证框支梁的安全性。

（3）通过实体有限元分析，复核验证了通过适当的配筋，框支梁、转换柱均能满足抗震设防要求。

综上所述：高位转换，结构受力计算比较合理，可满足抗震设防要求。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范，GB50011-2010（2016年版）

[2]高层建筑混凝土结构技术规程，JGJ3-2010

[3]混凝土结构设计规范，GB50010-2010（2015年版）