带转换层高层建筑结构的抗震设计

带转换层高层建筑结构的抗震设计
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)。