宽扁梁在高位转换结构中的应用与分析

程晓杰， 王文勇

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

随着我国城镇化不断提高，城市中心地带为提高土地利用率，现代高层建筑如雨后春笋般拔地而起，其中不乏带有转换层的高层建筑，包括转换层处在高位（通常指转换层所在位置，8度时超过三层，7度时超过五层，6度时可适当提高［1］）时的复杂高层建筑。

高层建筑为适应逐渐增多的信息化、智能化等现代建筑技术设施管线的需求，楼层高度不断增加。将转换层楼板局部加厚可形成宽扁梁。普通转换梁采用增加宽度降低高度的措施也可形成宽扁梁［2］。这种介于梁式转换与厚板转换之间的结构形式，有利于增加建筑使用空间，降低层高，可以提高建筑的综合经济效益。

本文以工程案例为背景，采用SATWE软件对高位转换中宽扁梁作为转换梁的部分框支剪力墙结构在多遇地震作用下结构的整体抗震性能进行分析，然后补充采用EPDA软件进行罕遇地震下静力弹塑性（Pushover）分析，探索宽扁梁作为转换梁在高层建筑结构中的应用特性，为以后此类高层建筑的设计提供一定的参考依据。

1 工程概况

本工程位于安徽省合肥市，7度设防地区，结构类型为部分框支剪力墙结构，其中地上29层，地下二层。一～六层商业，层高均为4.5m。七层为附属办公，层高3.9m。八层以上为住宅，层高均2.9m。建筑室内外高差为0.3m，建筑总高度95.0m。

第七层以上部分竖向剪力墙的抗侧作用力通过高位转换结构向下传递，第六层顶板为本工程的结构转换层。转换层处框支梁支撑的上部剪力墙与下部的框支柱相比较，抗侧刚度发生突变［3］。故在结构计算时，将转换层指定为薄弱层。

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质［2010］109号）、《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）（简称《抗规》）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）（简称《高规》）中涉及结构不规则性相关条文的规定，本工程属A级高度，且为带有高位转换层的不规则高层建筑，是竖向特别不规则的超限高层建筑。因此该工程必须进行抗震专项审查，满足抗震设防要求后方可施工。

本工程建筑最大平面尺寸55m×16.1m（长×宽），受建筑条件的限制，转换梁最高只能做到1.0m，因此采用宽扁梁作为框支转换梁。框支梁最大跨度8.7m，跨高比为8.70＞8（略超规范规定限值）。其结构布置X向沿中轴对称，Y向不对称。本结构方案选用宽扁梁（2500mm×1000mm），并对该转换结构与普通梁（1000mm×2100mm）转换结构作对比分析。

参照《高规》和《型钢混凝土组合技术规程》要求，两种方案竖向转换构件（框支柱）均采用截面尺寸为1000mm×1000mm，内置600mm×250mm×16mm×25mm十字型型钢的钢筋混凝土柱。

两种方案不同之处是在转换层标准层分别采用宽扁梁和普通梁作为转换梁，同时保持转换层建筑净高不变，转换层标准层及其余标准层信息均不变。结构平面图布置见图1。

图1 各标准层结构平面布置图

2 结构主要设计参数

本工程采用SATWE软件分别对两种转换结构方案进行对比分析，主要参数保持不变，如下表1：

结构设计时所采用的材料强度等级：钢筋采用HRB400，型钢采用Q345钢，各层混凝土强度等级见表2：

表1 结构设计主要参数

表2 结构混凝土强度等级

结构各层除框支构件以外主要构件截面尺寸见表3：

表3 结构主要构件截面尺寸 （mm）

3 结构整体分析

带高位转换的高层建筑，结构在转换层处楼层的抗侧刚度发生突变是导致发生破环的主要原因之一。转换结构采用薄壁杆单元、墙元模型对结构进行三维空间整体模型分析。结构计算的整体模型如图2：

图2 PKPM中结构计算模型三维视图

结构整体分析采用SATWE计算软件，计算参数参照规范及安评报告合理选取，分别进行两种转换结构的弹性振型分解反应谱法计算。计算结果如表4、图3、图4所示：

表4 结构整体分析指标（SATWE）

图3 两种转换结构最大层间位移对比

图4 两种转换结构最大层间位移角对比

（1）由表4和图4可见在地震作用下两种转换结构体系的阵型均满足设计要求（即第一、二阵型为结构平动，第三阵型为结构扭转）。宽扁梁转换结构的周期比较普通梁转换结构略大，且宽扁梁转换结构的主要周期稍小一些。据此可知宽扁转换梁结构体系的柔性较好。

扭转位移比是反应结构抗扭刚度和衡量结构平面布置不规则性的重要指标，本工程在一个方向采用大面积的转换结构，由表中扭转位移比的对比分析可见，两种转换结构均满足规范要求。

结构的层间位移是反应结构侧向刚度的一个指标，现阶段国内通常通过控制最大层间位移角宏观控制。对于高层建筑，特别是复杂高层建筑在弹性计算阶段应从严［4］。由表中数据可见宽扁梁转换结构最大层间位移角满足规范要求，且其小于普通梁转换结构，可见采用宽扁梁转换结构可以减小框支结构的地震作用。

分别对比图3中两种转换结构X、Y方向的最大层间位移的变化曲线，在Y方向普通转换梁结构在转换层处层间位移相对于宽扁梁转换结构突变大，说明框支梁大面积采用宽扁梁可有效地减小层间变形突变。

（2）带高位转换的高层建筑应严格控制转换层上下刚度变化，本工程受条件限制仅采用加厚底部落地剪力墙的措施，加强底部大空间结构的刚度，使转换层上下等效剪切刚度尽量接近。

调查统计国内外历次震害发现，在罕遇地震作用下，结构薄弱层是建筑结构整体倒塌破坏的主要原因。由表5可见，两种结构均能满足《高规》规定。即转换层上、下部结构等效侧向刚度比接近1，且抗震设计时不小于0.8，转换层计算楼层侧向刚度不应小于相邻上层侧向刚度的60%［1］。

表5 转换层上下结构侧向刚度

对比分析表中数据发现：两种不同的转换梁结构转换层的侧向刚度均达到相邻上层侧向刚度的0.60以上。宽扁梁转换结构转换层的侧向刚度，在X方向为普通转换梁结构的1.20倍，在Y方向为1.18倍。说明宽扁梁转换结构更有利于增大转换层本层的侧向刚度。从表中数据综合比较后看出，宽扁梁大面积用作转换梁，转换层上部与下部的等效剪切刚度比更能满足抗震设计时小于2的要求［5］，且过度变化平缓。

4 弹性时程分析

选用STAWE软件对结构进行多遇地震下弹性时程分析，选用软件中一条人工波（RH2TG035）和《安全评估报告》中两条天然波（user1416，user1418），峰值加速度为3800cm／s2，按7度多遇地震Ⅱ类场地计算。规范谱与地震波谱、弹性时程法与振型分解反应谱法对比见表6和图5。

表6 结构弹性时程与振型分解反应分析结果对比

图5 规范普与地震波普对比图

由上述分析得：计算结果满足规范中关于选择地震波标准的要求，即每条波计算所得结构基底剪力不小于振型分解反应谱法所得基底剪力的65%，所有波计算所得基底剪力平均值不小于振型分解反应谱法所得基底剪力的80%［6］。地震作用下三条弹性时程曲线能被振型分解反应谱法计算所得曲线包络。

5 静力弹塑性推覆分析

5.1 静力弹塑性分析［7］［8］

Pushover分析方法（非线性静力分析法）是按指定模式加载，直到结构达到控制目标，得到加速度－位移格式的能力谱与需求谱，需求谱和能力谱在同一个坐标系中，其中两条谱曲线的交点（性能控制点）对应结构性能状态应处在目标控制性能范围内。分析前处理时，应对梁、柱和墙等结构构件合理定义不同的塑性铰，其中铰的设置见下表7。

表7 塑性铰布置状况

在加载过程中，得到各铰性能曲线，将曲线分为线性上升、强化、下降、水平四段，而且分别对应构件弹性、屈服强化、达到强度极限和承载力下降（部分构件退出工作）状态。由于本工程X、Y两个方向结构布置差异大，为更准确分析地震作用对结构两个方向的影响，分别进行罕遇地震作用下两个主方向的Pushover分析。

本工程采用FEMA－273（1997）中推荐的目标位移法进行推覆分析，根据FEMA－273（1997）和ATC－40（1996）报告中的建议方法评价结构是否达到控制目标。

5.2 静力弹塑性计算结果分析

本工程采用X、Y两个正方向弹性多遇地震下振型叠加反应谱法计算的地震作用作为侧向加载模式输入，同时考虑P－Δ效应，采用ATC－40推荐方法迭代得到的性能点。分析结果如图6所示。

图6 结构体系的能力谱－需求谱曲线

由图6可见罕遇地震下，X向性能点对应的结构顶点位移为0.3239m，基底剪力约为22760kN。顶点最大位移为建筑总高度的1／293，远小于规范规定的1／110限值；且最大层间位移角为1／173满足规范1／100限值要求。Y向性能点对应的结构顶点位移为0.2009m，基底剪力约为25702.9kN。顶点最大位移为建筑总高度的1／473，远小于规范规定的1／110限值；且最大层间位移角为1／359满足规范1／120限值要求。在推覆分析中需求谱与能力谱两个方向都有交点，即罕遇地震性能点。由结构能力曲线发展看出，结构性能控制点距离性能曲线的下降点还较远；也就是说结构过性能控制点后，仍然处于强度上升阶段。

整个推覆过程中，宽扁梁转换结构转换层及底部加强层局部连梁出现塑性铰，关键构件框支梁柱未破坏。验证了结构满足规范规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。

6 结 论

本文针对一幢带高位转换层的部分框支剪力墙结构，运用STAWE对宽扁梁转换结构与普通梁转换结构进行多遇地震下整体结构抗震性能对比分析，并采用EPDA对转换结构方案作静力弹塑性分析，研究转换结构在罕遇地震作用下的地震反应，论证宽扁梁转换结构选型的可行性，结果表明：

（1）通过两种结构体系整体抗震性能对比分析，可见在梁式高位转换的高层建筑中采用宽扁转换梁亦能达到采用普通转换梁的抗震性能要求，且能够减弱结构竖向不规则的不利状况。

（2）宽扁梁大面积用作转换梁，转换层上部与下部的侧向刚度过度变化平缓，有效的避免了转换层处软弱层出现，同时减小薄弱层效应，可更好的为上部结构提供了嵌固。

（3）通过补充静力弹塑性分析，得到宽扁梁转换结构的性能点，根据ATC－40对性能点定义，表明结构具有足够的抗倒塌能力，保证“大震不倒”。当宽扁梁转换结构达到大震性能控制点后，如果继续加载，结构不会立即倒塌，具有一定抗震能力储备。

1 中华人民共和国建设部.JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

2 顾 磊，傅学怡，陈宋良.宽扁梁转换结构在深圳大学科技楼中的应用［J］.建筑结构，2006，36（9）：50－85.

3 程晓杰，王思棋，方 玮.高位转换结构中宽扁梁的抗震性能分析［J］.安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2013，11（2）：20－23.

4 荣维生，王亚勇.层间位移角比在高层转换结构抗震设计中的应用［J］.建筑结构，2007（8）：1－4.

5 罗方欣，刘文华.高层结构中宽扁梁转换层的设计应用与整体抗震分析［J］.建筑设计管理，2006（6）：62－64.

6 中华人民共和国建设部.GB50011－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社.2010.

7 FEMA－273NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of building［R］.Washington D.C，1997.

8 ATC－40Seismic evaluation and retrofit of concrete building［R］.Applied Technology Council，Redwood City，California，1997.