中山市第二建筑设计院有限公司 广东中山 528400
摘要:由于转换结构对于结构抗震是很不利的，尤其是高层转换结构，因此在进行结构抗震设计时应引起高度的重视。本文以某带转换层的高层建筑结构为例，采用合理的转换层结构布置，通过两种三维有限元程序进行整体对比分析及弹性时程分析、转换构件的应力有限元分析，并加强构造措施，使得结构整体和各构件的抗震性能达到设计的预期目标，可为今后带转换层的高层建筑结构抗震设计提供了借鉴。
关键词:建筑结构；抗震设计；分析；作用
引言
近年来，随着现代社会经济的发展，各类复杂高层建筑不断涌现，带转换构件的高层建筑是其中最常见的一类。高层建筑上下不同的结构体系通过结构转换层连接在一起，可以很好地满足建筑使用功能变化的需求。但由于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。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科学合理。本文结合工程实际，对带转换层高层建筑抗震设计进行研究。
1 工程概况
该项目是一个以住宅为主，并集商业、娱乐场所等为一体的综合项目。项目总建筑面积70643.99m2，其中地下建筑面积为24707.99m2，地上建筑面积为45963.00m2。地下两层均为地下车库，其中地下2层为6级人员掩蔽所及物资库；地上共设置5个塔楼，依次为1#、2#、3#、4#、5#，图1为整个小区三维效果图。其中1#楼裙楼、塔楼的使用功能分别为商业和住宅，裙楼顶标高为8.7m，塔楼屋面标高为58.8m，图2为建筑典型剖面图。
2 结构体系
因建筑上部住宅与下部商业的功能划分，致使上部部分剪力墙无法落地，需通过水平转换构件进行转换，1#楼采用现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构体系，高宽比为6.5。转换层位于2层楼面，结构标高为8.7m。转换层以上部分采用剪力墙结构，墙厚为250～200mm，如图3所示；转换层以下部分采用框支-剪力墙结构，框支柱为钢筋混凝土柱，截面根据其受力大小采用800～1200mm，框支梁为钢筋混凝土梁，截面为800×1000，如图4所示；扩大裙房部分采用现浇钢筋混凝土框架结构。各层楼面和屋面均采用现浇钢筋混凝土梁板结构。转换层楼板厚度采用180mm，与转换层上下相邻层楼板厚度采用120mm，首层地面楼板厚度采用160mm，结构嵌固部位在基础顶面。结构底部加强部位为地下室顶板至转换层(2层)以上两层，即1～4层；底部加强部位的剪力墙及框支框架抗震等级为一级，其他楼层剪力墙的抗震等级为二级。
3 结构参数设计
结构基本设计参数见表1。
4 结构计算分析
4.1 多遇地震作用
4.1.1 反应谱分析
工程结构计算，分别采用盈建科建筑结构设计软件和MIDAS Building设计软件。主要设计结果见表2。结果表明，两种软件计算的结构动力特征基本接近，计算结果真实可靠；结构在风荷载和多遇地震作用下，结构能够保持良好的抗侧性能和抗扭转能力，小震下承载力能够满足要求。
4.1.2 转换层结构受力分析
通过MIDAS Building软件，针对转换梁及其上部剪力墙进行受力分析，图5为其多遇地震组合下的剪应力分布图(荷载组合为1.0恒载+0.5活载+1.3X向地震作用)。由图可以看出，由于剪力墙开洞较多，且开洞位置均接近于转换梁支座处，转换层上部墙体压应力并没有呈现明显的沿转换梁全跨上拱的受力特性，在洞口边缘即转换梁靠近支座处出现了应力集中，这与通常意义上的转换构件受力特性有明显区别。经计算分析，通过洞边墙体设置翼墙、加大转换梁截面尺寸、增大框支墙洞口连梁刚度等措施可增强上部墙体的刚度和整体性，并使得该处转换梁的受剪承载力满足要求。
4.1.3 弹性动力时程分析
采用YJK软件对结构进行动力弹性时程分析，输入三条地震波，一条为场地人工拟合波(人工波)，另两条为天然波(天然波一和天然波二)。按8度地震、Ⅱ类场地多遇地震动力弹性时程分析，动力弹性分析选取符合规范要求的三条地震波，主方向加速度峰值为70cm/s2，次方向加速度峰值为59.5cm/s2，各地震波谱与设计谱对照图见图6。
从图7可以看出，反应谱法(CQC)的层间剪力曲线在结构大部分范围内均大于三条地震波对应的层间剪力曲线，说明采用反应谱法进行结构设计是安全的。在反应谱法的层间剪力小于地震波区域，按照高规4.3.5第4条:结构地震作用效应应取时程法计算结果的包络值和振型分解反应谱法计算结果的大值进行设计，本项目施工图设计应采用反应谱及弹性时程计算结果的较大值。
4.2 设防地震作用
在设防烈度地震作用下，关键构件及普通竖向构件的正截面承载力满足中震不屈服，关键构件受剪承载力满足中震弹性；耗能构件梁受剪承载力满足中震不屈服，本工程取其小震弹性的包络进行设计。
4.3 罕遇地震作用
为考察结构在大震作用下的抗震性能，对结构进行静力弹塑性(Pushover)分析。本工程采用中国建筑科学研究院的PUSH＆EPDA软件中的静力推覆分析方法进行罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。
(1)模型模拟
基于弹性模型，同时对弹性模型进行适当修改以适应弹塑性分析，忽略次梁作用，同时将简化模型与未简化模型进行对比，其动力特性、总质量及基底剪力等指标基本一致。
(2)塑性铰定义
钢筋、混凝土本构关系按《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)取用，配筋以SATWE计算配筋为依据。弹塑性模型的塑性铰定义按照程序默认类型。
(3)加载次序
PUSH＆EPDA程序计算分为两个加载过程:首先施加重力荷载代表值(100%恒载+50%活载)，得到结构在该静力荷载作用下的初始状态，然后维持第一步所施加的重力荷载不变，采用模态加载方式。水平作用力从零开始逐步增加，逐步增大推覆力，并保持水平推覆力模式不变，同时监控顶层的水平位移。当顶层水平位移达到预定的水平位移时，结束非线性静力分析。两大加载过程均采用弧长法(STEP-BYSTEP)控制结构的逐步加载过程。荷载类型选择倒三角形，基底剪力与总重量的比值取1.0，荷载方向与X向的夹角分别取0°和90°，即用于静力弹塑性分析的侧向荷载分别施加于结构的X和Y方向上；走步控制方法取球面弧长法1，迭代方法取FNR(牛顿-拉弗逊方法)，该方法速度较慢但较MNR方法稳定；根据小震下弹性阶段的分析结果，结构不考虑重力二阶效应。
Pushover分析主要从结构性能点、基底剪力-顶点位移曲线、层间位移角、塑性铰的分布及过程几个方面对结构在地震中性能表现进行宏观评价。能力谱法设置选用ATC40的改进方法，附加阻尼比折减系数k取为0.7，结构的抗倒塌验算图见图8。
由分析结果可以得出，结构的需求谱曲线与周期-加速度曲线(能力曲线)有交点，说明结构在罕遇地震作用下存在性能点。X向:结构性能点顶点位移为215.4mm，基底剪力为19747.8kN，性能点最大层间位移角为1/195，小于规范限值，基底剪力结构性能点对应的加载步数在34步，结构抗震性能满足“大震不倒”的设防目标。Y向各项结果亦能满足结构抗震性能要求，这里不再赘述。
对结构施加水平推覆荷载，在X向的推覆过程中，当推覆荷载为多遇地震水平时，可以看到在第5加载步中，首先剪力墙洞口顶部的少量连梁产生裂缝，但整体结构仍基本处于弹性阶段，推覆曲线仍保持线性状态；在第15加载步中，连梁上的裂缝不断增多；继续施加推覆荷载，在第34加载步结构出现性能点，此时推覆荷载增至大震水平，部分连梁从开裂状态发展到屈服状态，结构中间区段X向剪力墙发生屈服，同时未落地剪力墙底部开裂较多，且个别未落地剪力墙发生屈服，结构整体刚度明显下降，结构抵抗推覆荷载的变形能力达到了最大值；继续施加推覆荷载，在第45加载步，达到屈服状态的连梁数量及其分布范围进一步扩大，达到屈服状态的竖向构件从结构中间区段向建筑顶部和底部扩展；继续施加推覆荷载，在第91加载步，结构达到计算终止停机条件，结构大部分连梁进入屈服状态，底层墙肢塑性铰大部分发展到IO状态，少量发展到LS状态。Y向推覆过程这里不再赘述。
该结构弹塑性分析过程可以总结为连梁-中部区段非落地剪力墙-底部非落地剪力墙的破坏规律。推覆荷载达到停机条件时，作为转换构件的下部框支转换梁，塑性变形较小，可以看出只是刚进入弹塑性阶段；落地剪力墙作为结构底部加强区范围内的重要抗侧力构件，几乎没有塑性状态产生，仍处于弹性状态。
5 结语
综上所述，地震是一种目前难以准确预测的自然灾害，为了避免其带来的灾难，在带转换层高层建筑的结构设计中，必须提高抗震设计的精准度，保证人们的生命安全，推动结构抗震设计的发展。在本工程中，通过合理地布置结构及详细的分析计算，并采取切实可行的抗震加强措施，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，带转换层的高层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，从而为人们的生命财产安全做好保障。
参考文献
[1] 吕鹏,徐刚,刘洪亮.某带转换层的高层建筑结构设计[J].建筑结构.2013(S1):1284-1289
[2] 李成.带转换层的高层建筑结构的抗震设计[J].城市建设理论研究:电子版.2013(3)
[3] 康磊,葛尧,杨宁雄.带转换层的建筑结构的抗震设计[J].建筑工程技术与设计.2014(16)
论文作者:游斌
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/20
标签：结构论文; 荷载论文; 塑性论文; 构件论文; 剪力论文; 弹性论文; 剪力墙论文; 《基层建设》2016年第34期论文;