某底层大跨度转换高层建筑的超限设计

某底层大跨度转换高层建筑的超限设计

何开浩

广州汉森建筑设计有限公司

摘要：针对一栋40.75m高、底部通过结构转换实现29.8mx31.6m大空间的超限高层办公建筑工程，阐述了本工程在大跨度转换层的试算对比分析，结构在小震、中震、大震作用下的各项总体计算结果及采取的抗震措施，结果表明，本工程的受力和抗震性能满足要求，设计是安全可靠的。

关键词：大跨度转换；超限设计；抗震措施

1 工程概况

本工程建筑高度为44.4m，地上11层，主要功能为配套商业和办公，为框架-剪力墙结构。1F层高5.00m；2F~11F层高3.40m。设三层地下室，总埋深13.9m；其中负一夹层层高5.50m；负一层层高3.50m，其中多功能体育演艺馆平面尺寸29.8mx31.6m，三层通高13.9m；负二层为机车库，层高为4.90m。其剖面图及负一层平面图如图1。

2结构设计主要参数及不规则性

本工程抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.10g，建筑结构安全等级为二级（二层大跨度转换为一级），设计地震分组为第一组；特征周期为0.35s，基本风压为0.50kN/m2。抗震等级为一级，其中转换层及转换构件抗震等级为一级。

本工程存在以下不规则情况：1、扭转不规则（考虑偶然偏心的最大位移比为1.38）；2、楼板不连续（首层及地上主要楼层存在大开洞）；3、构件间断（二层大跨度转换）。本项目合计存在3项不规则，需按超限高层建筑抗震设防专项设计。

3结构设计的技术难点

本工程最大难点在于二层转换结构设计。二层及以上为较为规则平面，按框架剪力墙结构设计，而建筑负一层的多功能体育演艺馆需要大空间，需要将二层以上大部分框架、剪力墙在二层楼面转换至周边柱，形成大跨度转换层。大跨度转换层设计是设计的关键。

经试算，考虑结构安全可靠、经济适用，同时能满足建筑需求，采取两侧设三根转换柱、双向型钢混凝土转换梁方案，在中间转换梁两侧设斜撑，最大型钢混凝土柱截面尺寸为2mx2.5m，最大型钢混凝土梁截面尺寸为1.3mx3.5m，型钢混凝土斜撑截面尺寸为1mx1m。转换层结构平面及局部转换计算模型如图2。

4结构抗震性能目标

针对本工程的超限情况，在进行多遇地震弹性分析的同时，根据《抗规》中对结构提出的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，进行结构抗震性能化设计。结构抗震性能目标按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.11条内容执行，设定其结构整体抗震性能目标为C级，其中二层大跨度转换梁、转换柱构件抗震性能目标提高至B级。性能水准及构件在各地震水准下的损坏程度如下图表：

5多遇地震及风作用下主要性能指标

通过计算对结构进行模态分析塔楼自振周期和振动特性，第一阵型为平动，T1=1.657s，T1/Tt=0.88，小于规范限值0.90，结构具有较好的抗扭刚度。

地震作用及风荷载作用下最大层间位移角为1/1336。考虑偶然偏心的规定水平力作用下，最大扭转位移比为1.38，小于1.4。

《高规》规定水平地震作用下楼层剪力应满足剪重比的要求，对于7度（0.1g）区第一周期为1.657s的结构，最小剪重比为0.016。X向和Y向最小剪重比为0.023，满足规范最小剪重比要求。

塔楼2层框架柱承担的底部总倾覆力矩比，X 方向为 63.9%，Y 方向为 90.40%，根据《高规》8.1.3 条，按框架剪力墙结构体系设计，框架部分的抗震等级和轴压比按框架结构的规定采用。根据《抗震规范》6.2.13 条，承载力计算采用框架-剪力墙结构和按少墙框架结构包络设计。

塔楼各层侧向刚度最小值为1.01，满足《高规》3.5.2条要求，不存在刚度突变。塔楼各层受剪承载力最小值为0.94，满足《高规》3.5.3条要求，不存在承载力突变。

剪力墙、框架柱混凝土强度等级为C60~C40依次递减，剪力墙厚度依次减薄，根据《高规》，剪力墙轴压比限值0.6，框架柱轴压比限值0.75，框支柱轴压比限值0.6。经统计，剪力墙、转换柱、框架柱轴压比满足规范要求，部分剪跨比不大于2的框架柱，按《高规》6.4.2条采取相应措施提高其轴压比限值。

在多遇地震及风荷载作用下，各项指标满足规范要求，各项设计控制指标均满足性能水准1的抗震性能目标。

6.设防地震作用下结构抗震性能验算

采用弹性分析对构件进行中震作用下的承载力校核，经计算分析，在设防烈度地震作用下，结构基底剪力达到小震基底剪力的2.50~2.59倍，地震作用量级合理。在设防烈度地震作用下，底部加强区剪力墙及框架柱均满足抗弯不屈服、抗剪弹性的性能目标。二层大跨度转换梁、首层转换柱及斜撑均满足抗弯弹性、抗剪弹性的性能目标。非底部加强区剪力墙及框架柱均满足抗弯不屈服、抗剪弹性的性能目标。剪力墙连梁、框架梁满足部分抗弯屈服、抗剪不屈服的性能目标。各项设计控制指标满足性能水准3的抗震性能目标，二层大跨度转换构件满足性能水准2的抗震性能目标。

7.罕遇地震作用下结构抗震性能验算（等效弹性）

采用等效弹性计算方法所得的大震作用下的底部剪力和最大层间位移，结果表明大震作用下的底部剪力约为小震的5.56（X）、5.69（Y）倍，地震作用量级合理。楼层最大层间位移X向为1/137，Y向为1/174，满足框架-剪力墙结构1/100的位移角限值的要求。经计算分析，按小震和大震计算结果的包络值可以满足设定的性能目标要求。

8.罕遇地震作用下动力弹塑性分析

运用弹塑性时程分析方法，得到结构整体和构件反应，判断结构损伤程度和所达到的性能水准。经计算分析，大部分剪力墙未出现明显受压损伤，钢筋大部分保持弹性，构件均在轻度损伤范围内，总体满足设定的性能目标要求。框架柱大部分为轻度或轻微损伤，钢筋个别屈服，顶部个别框架柱为中度损坏，满足设定的性能目标要求。框架梁大部分为中度或轻度损伤，部分框架梁出现了一定的受压损坏，部分框架梁钢筋屈服，满足部分屈服的性能目标。转换层楼板混凝土未受到明显受压损伤，楼板钢筋均未屈服，楼板处于轻微损伤或无损伤。转换梁、转换柱的混凝土未受到明显受压损伤，钢筋均未屈服，转换梁、柱内型钢均未出现塑性应变，均处于轻微损伤或无损伤，满足设定的性能目标要求。

9.针对超限抗震加强措施

(1)框架抗震等级按框架结构要求，框架及剪力墙抗震等级均按二级设计，上部结构按框架-剪力墙结构和少墙框架结构包络设计；

(2)严格控制竖向构件轴压比，剪力墙不超过0.6，框架柱按框架结构控制不超过0.75，转换柱轴压比不大于0.6。

(3)二层大跨度转换构件，安全等级按一级设计，抗震等级按一级设计，考虑竖向地震，抗震性能目标提高至B级，梁板混凝土等级按C40，楼板厚度取180mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。

(4)底部加强区，剪力墙墙身配筋率不小于0.35%。

(5)首层转换柱箍筋全高加密，提高体积配箍率，加强构造措施。

10.结论

本工程为A级高层建筑，结构存在扭转不规则、楼板不连续、构件间断3项不规则。在抗震设计中采用概念设计方法，根据抗震原则及建筑特点，对整体结构体系及布置进行仔细考虑，使之具有良好的结构性能。抗震设计中采用性能化设计方法，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了主要构件在中震、大震作用下的性能要求，采取多种计算程序进行了弹性、弹塑性的计算。计算结果表明，各种指标均表现良好，满足规范的有关要求；各项不规则程度得到有效控制。同时通过概念设计及各阶段的计算程序分析结果，对关键和重要构件作了适当加强，在构造措施方面亦相应作了处理。本工程除能满足竖向地震和风荷载作用下的有关指标，整体结构抗震性能目标达到C级，二层大跨度转换构件抗震性能目标达到B级，结构可行并且是安全的。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（2016版） GB50011-2010

[2]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010

[3]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用于分析