林寶新，許加義，李 躍

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽合肥230022；2.安徽建筑大學建筑設計研究院，安徽合肥230022）

0 引 言

帶轉換層的高層建筑在轉換處往往下部大開間、上部小開間，使得建筑物的豎向剛度發(fā)生突變，同時豎向抗側力構件不連續(xù)，應有合理的結構布置方案保證豎向荷載和水平剪力有效傳遞。帶轉換層的結構一旦缺失傳力途徑會導致連續(xù)倒塌?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》10.1.5條規(guī)定：“復雜高層建筑結構中的受力復雜部位，尚宜進行應力分析，并按應力進行配筋設計校核”［1］?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》3.6.2條規(guī)定：“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導致重大地震破壞的建筑結構，應進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析”［2］。

1 工程實例

1.1 工程概況

合肥濱湖某小區(qū)5#住宅樓，剪力墻結構，建筑總高度89.9m。地下1層，地上31層，在建筑端部局部商業(yè)部分帶托墻轉換，轉換層以下 軸附近存在錯層［3］。轉換層平面布置如圖1，框支轉換部分在 軸計算立面如圖2。圖中KZZ2截面為700mm×1400mm，未注明的框支柱均為KZZ1，截面為700mm×1100mm，框支梁截面均為900mm×1000mm。該工程安全等級為二級，抗震等級二級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組選用第一組，場地類別II類，特征周期0.35s，基本風壓0.40kN／m2。

1.2 結構不規(guī)則性

本工程為超限高層建筑［4］，存在三項不規(guī)則，簡要概述如下：

（1）豎向抗側力構件不連續(xù)：在建筑端部商業(yè)2F頂帶托墻轉換；

（2）平面不規(guī)則：在 軸附近存在錯層，樓板不連續(xù)；

（3）扭轉不規(guī)則：考慮偶然偏心的樓層最大位移比大于1.2。

由于篇幅有限，本文僅就單體框支轉換部分作為研究重點。

1.3 部分框支剪力墻結構受力特點

（1）豎向抗側力構件（不落地剪力墻）直接落在轉換梁上，轉換梁承受很大的豎向荷載。轉換梁截面易設計過大，導致強梁弱柱。

（2）框支柱要求有比一般框架柱更大的延性和抗倒塌能力。

（3）轉換層樓板要將不落地剪力墻的水平剪力傳遞到落地剪力墻上，要保證樓蓋能可靠地傳遞面內相當大的剪力。

（4）轉換部分底部大開間，上部小開間，上剛下柔，須控制剛度比。

1.4 抗震性能目標

根據“三水準兩階段”抗震設防原則，為保證建筑物“小震不壞，中震可修，大震不倒”，進行小震下的彈性分析，大震下的變形驗算，以實現三水準的設防要求［2］。在滿足基本設防目標的前提下，結合抗震性能設計要求，選用等級為C的性能目標，其中框支柱、框支梁按“關鍵構件”設計［1］，如表1所示。

表1 抗震性能目標

2 結構計算分析

2.1 多遇地震下的彈性分析

采用SATWE程序對結構進行整體分析，剛性樓板假定，連梁折減系數為0.7，結構阻尼比為5%，計算結果如表2。計算結果表明結構周期比T3／T1＝0.739＜0.9，結構樓層最小剪重比大于1.6%，在考慮偶然偏心和雙向地震作用下，樓層最大位移比小于1.4，最大層間位移角均小于1／1000，轉換層與相鄰上層的側向剛度比γe1＞0.6，轉換層下部結構與上部結構的等效側向剛度比γe2＞0.8，表明結構具有良好的剛度，可保證“小震不壞”的設防目標。

2.2 多遇地震下彈性時程分析

根據《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.2條，本工程應采用彈性時程分析方法進行多遇地震下的補充計算［2］?？紤]峰值、頻譜特性、持續(xù)時間三要素，選取RH1TG040（人工波）和TH4TG040、Taf－2（天然波）進行彈性時程分析。分別沿X向和Y向加載，將所采用三條地震波的主分量峰值加速度值調整為35cm／s2，主次方向加速度最大值按1：0.85的比例。三條地震波加速度時程曲線如圖3。

由表3可知，各時程曲線計算所得基底剪力，均大于振型分解反應譜求得的基底剪力的65%；計算所得基底剪力的平均值，大于振型分解反應譜求得的基底剪力的80%。由圖4可知，三條地震波的最大層間位移角均在反應譜法外包范圍內。由圖5可知，從23層起，時程分析的層剪力平均值結果開始大于反應譜分析結果，實際設計中宜采用時程法的包絡值與反應譜法的較大值進行設計。

表3 時程法與反應譜法基底剪力（KN）結果對比

2.3 框支剪力墻有限元分析

為進一步了解框支部分的受力性能、特點，運用FEQ程序對框支剪力墻進行平面有限元分析，程序采用三角形單元，自動劃分（單元控制長度取400mm）［5］?？蛑Ъ袅ψ饔邢拊治鰰r，一般取到轉換梁以上2～3層即可。由圣維南原理，更高處的情況對托梁受力已影響很?。?］。本工程采用梁式轉換，端部轉換部分詳見圖1，選擇 軸所在的框支梁柱與剪力墻，取2～5層進行分析。

圖6為模型恒載簡圖及配筋結果文件，轉換梁所受荷載為均布荷載 （KN／m）和集中荷載（KN）。圖中（1）…（7）為程序對本榀構件劃分的編號，KZL1與KZL2截面尺寸相同。由表4可知，多遇地震下，與SATWE計算結果相比，FEQ計算得到的框支梁柱的縱筋和剪力墻水平分布筋、邊緣構件配筋結果較大。

表4 小震下FEQ與SATWE配筋結果對比（cm2）

2.3.1 豎向荷載作用下的工作特點

圖7為模型在豎向恒載作用下的等應力線圖。圖中壓應力為負值實線，拉應力為正值虛線，黑線為零應力線。

水平應力σx：剪力墻水平應力σx主要分布在墻高L0（L0為支承框架凈跨的平均值，約3m）范圍內。中柱上方存在拉應力區(qū)，拉應力在中柱正上方 最 大 （1.0～2.2Mpa），可 達 到 （0.2～0.4）q／bw（q為上部結構傳遞到5F的均布荷載，bw為剪力墻厚度）。由于拱的效應，邊柱上方墻肢底部靠近框支梁處存在較大的壓應力（－5.6～－9.7Mpa），可達到（1～1.6）q／bw?？蛑Я核綉Ζ襵在下部最大（3.5～5.1Mpa），達到（0.65～0.8）q／bw。

豎向應力σy：剪力墻豎向應力σy在4F以上基本均勻分布。由于拱的效應，豎向應力σy在邊柱上方的集中程度大于中柱上方，邊柱上方σy（－8.5～－11Mpa）達到（1.5～2.1）q／bw，中柱上方σy（－5.4～ －8.5Mpa）達 到 （0.9～1.5）q／bw。

剪應力τxy：剪切效應向上傳遞至一定范圍，在墻肢底部引起較大剪應力（－1.1～－2.4 Mpa），可達（0.2～0.4）q／bw，剪力墻剪應力τxy主要分布在墻高為L0的范圍內，4F以上接近于零。框支梁剪應力τxy在與框支柱的交界處最大（－2.0～－3.8Mpa），可達（0.3～0.6）q／bw。

2.3.2 在水平力作用下的工作特點

圖8為模型在Y向地震（多遇地震）作用下的等應力線圖。Y向地震作用下，在剪力墻底部與框支梁交界處，存在較大的水平應力σx、豎向附加應力σy和剪應力τxy。

水平應力σx：剪力墻水平應力σx在墻梁交界區(qū)域受水平力作用一側受拉（1.4～4.3Mpa），另一側受壓（－0.2～－1.4Mpa）。

豎向應力σy：剪力墻豎向應力σy從墻肢中部由零向兩邊逐漸增大（一拉一壓），豎向應力σy最大值出現在墻肢外側靠近轉換梁的部位，受拉（2.6～4.6Mpa），受壓（－1.3～－2.7Mpa）。Q1、Q2各自獨立出現拉壓區(qū)，沒有出現聯(lián)肢墻共同作用，應整體進行分析。

剪應力τxy：剪力墻剪應力τxy在底部靠近轉換梁的部位存在應力集中（－0.9～－2.2Mpa），墻肢中的剪應力由墻肢外側向內側逐漸增大。

在水平力作用下，框支梁主要承受剪力和彎矩，與普通梁的應力分布形式相同。連梁與墻肢交接處水平應力σx、豎向應力σy和剪應力τxy均存在應力集中現象，地震中能很好的消耗地震能。

2.3.3 框支剪力墻共同工作程度

轉換梁同其承托的剪力墻形成了一個共同承受彎曲變形的整體及其產生傳力拱都會對轉換梁的受力狀態(tài)產生影響［6，7］。

為研究框支剪力墻的共同工作程度，對模型進行相應調整，KZL1上一層墻滿跨布置，KZL2上一層剪力墻不變。兩種模型在豎向恒荷載作用下轉換梁的內力值如表5。對比表中數據可知，滿跨墻布置時，KZL1跨中彎矩和剪力明顯變小，軸力變大；KZL2變化不大。非滿跨布置時，框支梁為大偏心受拉構件；滿跨墻布置時，剪力墻與框支梁共同作用，形成深梁，表現為拱在KZL1內的拉桿作用更強，使得軸力變大，彎矩變小。

表5 滿跨墻布置與非滿跨墻布置轉換梁內力值對比（豎向恒荷載作用下）

2.4 結構靜力彈塑性分析

采用靜力彈塑性分析方法（Pushover）對結構進行罕遇地震驗算。鋼筋的本構關系采用雙折線模擬，混凝土本構關系采用單軸應力－應變曲線［8］?？蛑Я褐捌胀褐捎美w維束空間桿單元模型，剪力墻為非線性殼單元模型［8］。

樓板剛性假定，初始荷載選用建筑的重力荷載代表值，水平加載模式采用倒三角形側推荷載，停機位移取結構高度的1／20，材料強度采用標準值，桿件鉸截面剛度破壞程度和墻高斯點破壞程度指數均取0.7，框支梁柱采用實配鋼筋，其余采用計算配筋，放大系數1.15，并考慮梁柱交接剛域［9］。

2.4.1 結構抗震性能評價

由圖9、圖10可知，能力譜曲線較為平滑，能力曲線和需求曲線存在交點，曲線在設定位移范圍內未出現下降段，表明在抗倒塌能力上有較大余地。性能點時最大層間位移角在X、Y向分別為1／363（第21加載步）和1／393（第22步），均小于1／120；X向頂點位移為197.9mm ，基底剪力為18334.1KN，剪重比為7.19%；Y向頂點位移為199.6mm，基底剪力為17639.9KN，剪重比為6.93%。性能點時的X、Y向大震基底剪力分別為小震彈性基底剪力的4.3倍和3.9倍，結構剛度有所退化，仍能滿足“大震不倒”的設防要求。

2.4.2 結構構件性能

（1）Pushover分析結果顯示，中間樓層的一些連梁最先出鉸，進入彎曲屈服狀態(tài)，隨后向底部、頂部樓層發(fā)展。隨著推覆力繼續(xù)施加，剪力墻的連梁普遍進入屈服狀態(tài)，部分框梁也進入屈服狀態(tài)，表明結構具有良好的耗能體系。

（2）性能點時，結構外墻及凸出部分角部翼緣局部墻肢出現拉應力水平裂縫，裂縫至5層止，個別墻肢的局部部位受剪屈服，但比例極小，受剪截面和抗剪承載力經復核后，均能滿足受剪不屈服要求，不會出現整片墻肢的剪切屈服和破壞?？蛑Я褐闯鲢q，處于彈性狀態(tài)，滿足“關鍵構件”的抗震性能目標。

3 抗震加強措施

（1）框支柱頂、框支梁均出現嚴重的應力集中現象，說明此處最易破壞，需要特別加強。

（2）本著“強剪弱彎”原則，框支梁、柱抗震等級提高一級，框支梁箍筋通長加密，并加強腰筋。

（3）轉換層上一層剪力墻水平分布筋、邊緣構件配筋加強。

（4）嚴格控制框支柱軸壓比、剪壓比。

（5）轉換層樓板厚180mm，混凝土等級C50，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%；轉換層相鄰上下層板厚、配筋加強，以加強轉換豎向構件約束。

（6）轉換梁上部剪力墻盡量滿跨布置，以提高共同工作程度。

4 結 語

（1）在多遇地震作用下，結構構件處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿足現行規(guī)范要求。時程分析與反應譜結果基本一致，符合力學概念及工程經驗，能夠滿足“小震不壞”的抗震性能目標。

（2）通過對框支剪力墻采用有限元分析，了解轉換構件的受力特點及易產生應力集中的薄弱部位，指出此類結構重點加強區(qū)域，強調按應力分析結果校核配筋。

（3）Pushover推覆分析結果顯示結構層間彈塑性位移角均小于規(guī)范相關限值要求，轉換構件及主要抗側力構件沒有發(fā)生嚴重破壞，結構各項設計控制指標在罕遇地震作用下滿足性能水準要求。

1 JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

2 GB50011－2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

3 李躍，林寶新，陳明.某帶錯層高層剪力墻結構的抗震性能分析［J］.安徽建筑大學學報，2015，23（2）：23－29.

4 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點［Z］.北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，2010.

5 中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.高精度平面有限元框支剪力墻計算及配筋軟件FEQ［Z］.北京：中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，2010.

6 程曉杰，王文勇.高位寬扁梁轉換體系受力及抗震性能分析［J］.安徽建筑大學學報，2014，22（5）：7－12.

7 趙西安.鋼筋混凝土高層建筑結構設計［M］.中國建筑工業(yè)出版社，1992.

8 中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.PUSH＆EPDA多層及高層建筑結構彈塑性靜力、動力分析軟件用戶手冊［Z］.北京：中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，2010.

9 林寶新，王健.合肥某高層住宅剪力墻結構的抗震性能分析［J］.合肥工業(yè)大學學報，2013（6）：727－732.

10 林寶新，賈鑫.某帶斜柱框剪結構的抗震性能分析［J］.合肥工業(yè)大學學報，2014（6）：713－719.

11 林寶新，張瑞.某平面回字形高層框架結構的抗震性能分析［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報，2014，22（2）：13－18.

12 彭偉，魏文杰.框支剪力墻結構的彈性靜力分析［D］.成都：西南交通大學，2008.