高位转换超限高层结构设计

吴 靖 坤

(南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210005)

高位转换超限高层结构设计

吴 靖 坤

(南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210005)

以北京房山某高层建筑为例，通过对该工程超限情况的论述，介绍了此类超限高层结构的设计方法及注意事项，包括其结构布置、抗震分析方法及性能化目标的选取等，对类似的商住综合楼的设计有借鉴意义。

超限高层，高位转换，性能化目标

1 工程概况

本工程位于北京房山商业核心区，为集商业、住宅为一体的城市综合体。建筑层数：地上13层，地下2层加非机动车库局部夹层。总建筑面积约2万m2，其中地下2层及夹层为停车库和设备用房，地下1层～5层为商场，6层～13层为住宅，房屋总高度为51.40 m，建筑效果图如图1所示。

裙楼单层面积较小，长方向约70 m，共8跨柱网，柱距8.8 m；宽度方向约25 m，只有2跨～3跨，进深分别为9.3 m，8.1 m，7.5 m。作为电器卖场，需要较大的开敞空间。6层～13层为普通住宅，建筑要求房间角部不能鼓出结构柱。另外，由于项目较小，甲方要求主裙楼间不设缝。

2 结构形式及参数取值

2.1 结构选型

受建筑条件的制约，本项目6层及以上只能做成剪力墙结构，而1层～5层，因为做商业卖场用，要求设置大开间柱网，仅楼梯间处允许设置剪力墙。因此大多数剪力墙都要转换。整体形成一个框支剪力墙的结构体系，结构模型如图2所示。

2.2 抗震分析参数选取

根据《建筑工程抗震设防分类标准》第6.0.5条规定本项目的商业部分是-1层～5层，总建筑面积为8 180 m2，不属于大型商场。其抗震设防类别划为标准设防类(丙类)。

北京地区属8度区，《高层建筑混凝土结构技术规程》(以后简称《高规》)表3.9.3条对部分框支剪力墙结构，底部加强部位剪力墙及框支框架抗震等级为一级，非底部加强区的剪力墙为二级。第10.2.5条对部分框支剪力墙结构，当转换层的位置设置在3层及3层以上时，其框支柱，剪力墙底部加强部位的抗震等级宜按本规程表3.9.3和表3.9.4条提高一级采用。因此本项目将框支框架取为特一级，裙楼普通框架取为一级，剪力墙地下1层～7层(底部加强区)为特一级，7层以上二级。

需要说明的裙楼普通框架套60 m以下框剪结构中框架，本应取为二级，但根据3.9.6条相关范围(主楼外延不少于3跨)不应低于主楼的抗震等级。本工程裙楼较小，基本都在3跨范围内。所以设计分析时将裙楼普通框架抗震等级均取为一级。

本工程因采用了型钢混凝土梁柱，根据《型钢混凝土混合结构技术规程》第4.2.3条混合结构的结构阻尼比宜取为0.04，但考虑到本工程只有框支柱和框支梁为型钢混凝土，其他绝大多数抗震构件均为普通混凝土构件。所以综合考虑仍按混凝土结构，不作为混合结构分析，将阻尼比取为0.05。

根据带地下室的整体计算，不考虑土层约束的剪切刚度，地下室的楼层侧向刚度与一层侧向刚度的比值X向和Y向分别为：12.5和8.1，均大于2。达到《建筑抗震设计规范》第6.1.4.2条和《高规》第5.3.7条要求。由于首层满足嵌固端条件，在进行结构整体分析时，将嵌固端定在±0.00处。

3 超限情况

本工程虽然项目面积不算大，总高度也不算高，但存在多项超限内容，具有多层商场加高层住宅的典型特征。

1)高位转换。《高规》10.2.6条规定，部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置，8度时不宜超过3层。本工程为部分框支剪力墙结构，8度设防，转换层为第5层，根据建质[2010]109号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(2010年7月)附录一表三，属高位转换超限。

2)塔楼偏置。本工程在X向和Y向，裙楼与塔楼的质心偏心距分别占到底盘相应边的19.7%和22.5%。Y向超过20%的限值，因此属于塔楼偏置。

3)扭转不规则。Y+方向考虑偶然偏心地震作用规定水平力下的楼层最大位移为1.39(底层)，裙楼多层最大位移大于1.2。属于《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(以下简称《超限要点》)1a类不规则。由于塔楼位于裙楼的东北角，整体偏置，偏心率大。同样也属于1b类偏心布置。偏心率大于0.15或相邻质心相差大于相应边长15%。最大的偏心出现在第5层，偏心率为 0.20。综合判定为扭转不规则。

4)竖向收进。塔楼相对裙楼的宽度比例在X向为47%，Y方向为53%，收进比例均大于25%。属于《超限要点》中4b项尺寸突变，竖向不规则。

综合上述4条，本工程属于超限高层，需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

4 应对措施

4.1 根据超限特点，合理布置结构形式

针对高位转换的情况，在满足侧移变形承载力的前提下尽可能均匀布置塔楼剪力墙、减薄墙体，隔墙采用轻质材料，尽可能减轻上部塔楼重量；让塔楼剪力墙尽量落地，不能落地的尽量落在连接框架柱的转换梁上。经协商将阳台边的砖墙也改为剪力墙，使尽可能多的剪力墙的端头直压到框支柱上，减少秃头柱数量。对完全不在轴线上的两片剪力墙，用两个方向的转换次梁共同抬起；转换梁及框支柱均采用型钢混凝土以提高其延性，对转换梁一侧相连的电梯井筒边也设型钢端柱，以便与型钢转换梁相接，在电梯筒与楼梯间剪力墙之间拉上连梁，使之形成整体；控制墙体厚度变化使转换层上下层刚度接近，不出现突变，上下均匀；使用高强混凝土，严控竖向构件的轴压比，以提高抗震延性。控制目标为框支柱小于0.40，剪力墙轴压比小于0.2(规范限值分别为0.6和0.5)；加厚转换层楼板(取200厚)，提高楼板配筋率，框支层混凝土标号取为C40，双层双向通长配筋，同时亦适当加强转换层上下层的楼板，确保地震剪力有效传递；将转换层定义为薄弱层，放大该层的地震剪力，剪力放大系数取为1.25。

针对扭转不规则的情况，通过裙房内最西边和西南角分别布置两道较厚较长的剪力墙使楼层偏心率控制在25%以内；查找出平扭位移比最大点，对该处的构件进行加强。

针对竖向收进的情况，控制上下层的刚度比，抗剪承载力比，转换层刚度比满足规范要求；对裙楼的屋顶楼板加强，负筋拉通；按《高规》说明10.6.3条文说明，对塔楼与裙楼相连的外围柱墙，在构造上予以特别加强。

4.2 选用合适的分析方法，找出结构不足之处加以调整

1)按规范要求采用两种三维空间分析软件进行整体内力和位移分析，并考虑偶然偏心及双向地震作用。计算结果对比见表1。框支柱的剪力调整，按其从属面积所分担的楼层剪力作为调整基数。2)进行弹性时程分析，分析结果未发现明显的薄弱环节。3)大底盘的设计中考虑底盘各层按考虑高低塔联合模型的地震剪力修正同时补充底盘按少墙框架的单独模型(塔楼质量按荷载输入在裙楼模型上)计算，承载力包络设计。计算结果表明，单独裙楼模型中部分竖向结构件比整体模型有10%左右的增加。4)上部塔楼设计中，纵向短墙补充按框架柱的模型计算，满足倾覆力矩和二道防线的要求。5)中部楼电梯部位相关楼板应采用弹性板计算。

表1 计算分析主要结果指标

4.3 进行性能化设计分析

性能化结构抗震设计是指结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标来表示，主要针对混凝土结构并采用基于能力的设计原理。根据《高规》第3.11.1条要求，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建筑建造费用、震后损失和修复的难易程度等各项因素，可选定针对整个结构、结构的局部部位或关键部位结构的关键部件重要构件、次要构件的性能控制目标。本工程的结构抗震性能目标选定为：转换梁的承载力大震不屈服；框支柱和相邻落地墙(端柱或暗柱)承载力中震弹性，并满足大震截面控制条件。转换梁性能目标的承载力计算不考虑空间作用，手算复核，按照实际承担区域面积手算确定荷载。

5 结语

高位转换高层最重要的就是框支结构的设计，此部分的构件需要有足够的安全储备，通过性能化设计对此部分选定合适的性能化目标，并分析实现，是类似结构设计的关键。结构布置尽量减少秃头柱的情况，转换梁两头均抬墙时，转换比较容易实现，安全性要高得多。

要提高转换结构的普通混凝土梁柱构件的承载力，需要加大截面，而加大截面将会承担更多的地震力，更多的地震力又需要加大截面，容易限入死循环。而选用高强的劲性混凝土结构构件，能很好地解决这一问题，从纯混凝土到劲性型钢混凝土，在刚度有限提高的情况下，强度会有大幅度的提高。因此劲性混凝土构件是做转换构件的最佳选择。

对上部偏置塔楼与裙楼总体量相当或接近的结构，选择单塔楼模型补充计算，是对全楼模型分析结果的有益补充。这种方法有利于发现潜在的不足之处，更简易客观地反映出扭转变形的影响，使得关键构件得到加强。

当塔楼平面面积占裙楼面积比较小时，如果对数目较少的框支柱按全楼地震剪力进行剪力0.2Q0调整，调整的剪力往往会很大，难以实现。因此剪力调整按框支范围面积所对应的剪力进行相应调整比较合理。

另外，由于进行了多重加强，与非超限的常规项目相比，本项目的经济性较差。因此，在项目的前期，建筑方案设计时应尽量避免高位转换，塔楼偏置这些严重不规则的情况出现。虽然通过各种措施来成功实现了这一方案，但也不得不说，这不是一个好的选择。

[1] 徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2] 杨学林.复杂超限高层建筑抗震设计指南及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3] 韩小雷，季 静.基于性能的超限高层建筑结构抗震设计——理论研究与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

The high conversion transfinite high-rise structure design

Wu Jingkun

(NanjingArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd，Nanjing210005，China)

Taking a high-rise building in Beijing Fangshan as an example, through the discussion on the transfinite situation of the project, this paper introduced the design methods and matters needing attention of this transfinite high-rise structure, including the structure layout, seismic analysis method and performance-based objective selection, had reference for similar design of residential and commercial complex building.

transfinite high-level, high conversion, performance-based objective

1009-6825(2015)28-0036-03

2015-07-27

吴靖坤(1974- )，男，硕士，高级工程师

TU973

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