0 引言

　　 随着对建筑功能要求的提高，结构底部楼层要求做商业用途时，若建筑上部、下部采用相同的结构形式往往不满足底层商业大空间的需求，设计时通常会采用转换结构，以此来解决其功能及使用要求 ^[1,2,3]。超高层转换结构应用较少，故本文针对某超高层框支剪力墙高位转换结构进行了分析。

1 工程概况

　　 本项目位于长沙滨江新城片区，为一栋超高层公寓，建筑面积36 896m²,建筑总高度144.55m, 地下2层，地上31层，1,2层为商业，商业及标准层层高均为4.5m。设两个避难层，避难层层高为3.3m, 建筑效果图见图1,建筑剖面图见图2,结构标准层布置图见图3。

　　 图1 建筑效果图 

　　  

　　 图2 建筑剖面图  

　　  

　　 图3 结构标准层布置图  

　　  

2 结构布置

　　 方案初期，对于上部公寓式办公楼层的结构布置，提出了框架-剪力墙结构及剪力墙结构两种方案。采用框架-剪力墙结构时，虽然大部分框架可延伸至基础，且对底部商业的使用功能影响较小，但是框架柱对上部办公楼层的使用功能有较大的影响。采用剪力墙结构时，上部结构布置中无凸出建筑墙体的结构柱，能够减少框架柱对上部使用空间的不利影响，但若剪力墙均延伸至基础，将对底部商业大空间的使用功能产生较大的不利影响。如何同时解决上述两个问题，是项目设计的重点。

　　 为了能够既不影响上部办公的舒适性，也不影响底部商业大空间的使用要求，选用部分框支剪力墙结构体系，即上部采用剪力墙结构，除楼、电梯间位置剪力墙落地外，其余剪力墙均在3层进行转换，利用住宅与商业之间的设备转换层做高位梁式转换 ^[4],设备转换层层高2.2m(含结构转换层1.6m),其中包括结构转换梁高1.6m以及排水立管转弯高度0.6m, 如图4所示。转换层结构平面如图5所示。为方便建筑有效利用走廊上方空间，将两侧分户位置的梁设置在走廊中间，详见图3。

3 超限分析

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》(建设部令第111号)、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号),本项目存在以下不规则情况：1)高度超限：建筑总高度144.55m, 大于B级高度限值140m, 超3.14%;2)扭转不规则：考虑偶然偏心最大扭转位移比X向1.28,Y向1.34;3)平面不规则：平面呈L形不规则平面；4)多塔：因地下1层三面开敞，无嵌固条件，故取地下2层顶板为结构嵌固部位，存在多塔情况；5)构件间断：竖向构件不连续，存在构件转换，上部标准层除楼、电梯间剪力墙及端跨少量剪力墙落地，其余剪力墙均在3层楼面设转换梁转换。

　　 综上，本工程属于高度超限且同时具有4项不规则项的高层建筑，属于“特别不规则”结构，按要求进行了抗震设防专项设计，并通过了超限审查。

　　 图4 转换层剖面示意图 

　　  

　　 图5 转换层结构平面图

　　  

4 多遇地震弹性分析

4.1 反应谱分析

　　 本工程属于复杂超限高层建筑，采用YJK作为主要计算分析软件，并采用MIDAS Building对YJK分析结果进行校核。两软件计算的主要结果差值均在5%以内。

4.2 单塔分算与大底盘多塔整体计算结果比较

　　 建立单塔与多塔计算模型，见图6。从表1中结果可以看出，在标高±0.000处，大底盘多塔结构整体计算的地震基底剪力略小于单塔分算结果，两者差值在5%以内。反应谱法设计时，采取大底盘多塔结构整体计算与单塔计算结果包络设计。

　　 图6 单塔与多塔计算模型示意图  

　　  

　　 单塔与多塔小震计算结果对比 表1

分析模型		单塔模型	多塔模型	单塔/多塔
基底剪力 /kN	X向	5 296	5 015	1.05
	Y向	5 532	5 365	1.03
周期/s	T1	3.65	3.83	0.95
	T2	3.47	3.64	0.95
	Tt	2.88	3.00	0.96

 

　　  

5 设防地震作用下结构抗震性能验算

　　 针对本工程结构类型，采用结构抗震性能设计方法进行补充分析和论证，根据结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键构件，依据本工程特点及规范，选定结构性能目标为C级，相应的抗震性能水准，具体详见表2。利用YJK软件，采用等效弹性分析，对中震作用下不同类型构件进行中震校核。

　　 结构抗震性能设计目标 表2

抗震性能目标		多遇地震 (性能1)	设防地震 (性能3)	罕遇地震 (性能4)
层间位移角限值		1/1 000		1/100
关键 构件	框支柱、 框支梁	无损坏 (弹性)	轻微损坏(抗剪弹性，抗弯不屈服)	轻度损坏(剪力墙抗剪不屈服，框支柱抗剪、抗弯不屈服，框支梁抗剪、抗弯不屈服)
	底部加强 区剪力墙
耗能 构件	连梁、 框架梁	无损坏 (弹性)	轻度损坏、部分中度损坏(抗弯允许屈服，抗剪不屈服)	中度损坏，部分构件比较严重损坏
普通 竖向 构件	非底部 加强区 剪力墙	无损坏 (弹性)	轻微损坏(抗剪弹性、压弯和拉弯不屈服)	部分屈服、部分中度损坏(满足最小抗剪截面)
	裙楼 框架柱	无损坏 (弹性)	轻微损坏(抗剪弹性，压弯和拉弯不屈服)	部分屈服、部分中度损坏(满足最小抗剪截面)

 

　　  

5.1 竖向构件抗剪弹性、抗弯不屈服验算

　　 通过上部结构配筋结果可以得知，剪力墙、框支柱配筋并未发生超筋现象，未出现抗剪截面不满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[2](简称高规)式(3.11.3-1)要求的构件，表明底部加强区剪力墙、框支柱能满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服的性能目标，各构件满足高规性能水准3的要求。设计时按中震输出结果与多遇地震计算结果包络进行配筋。

5.2 耗能构件受剪不屈服验算

　　 中震作用下耗能构件的受剪不屈服验算需满足高规式(3.11.3-2)要求，满足高规性能水准3的要求。

5.3 墙柱受拉验算

　　 查看剪力墙中震的偏拉验算结果，底部及上部楼层核心筒局部墙肢出现大偏拉。经换算，转换层以下(含转换层)大偏拉最大值为混凝土抗拉强度标准值的1.55倍，而转换层以上大偏拉最大值为混凝土抗拉强度标准值的1.12倍，均小于2。当出现大偏拉时，墙肢按特一级构造。

6 罕遇地震弹塑性时程分析

　　 本工程罕遇地震弹塑性时程分析时，选取2条天然波与1条人工波，采用SAUSAGE软件进行分析。

　　 弹塑性时程分析结果：1)结构在X向的层间位移角最大值为1/360,在Y向的层间位移角最大值为1/380,均满足不大于1/100的规范限值要求；2)各类构件均能满足各性能水准下性能要求。

7 设计重难点专项分析

7.1 转换层上下层刚度比验算

　　 本工程转换层位于3层楼面，3层及以上为公寓，层高4.5m; 2层为商业，层高为4.5m。2,3层之间有设备转换层，设备转换层层高2.2m, 转换梁设置在设备转换层范围内。

　　 为使转换层上下层结构刚度比更易满足高规的要求，把转换层楼板设置在转换梁顶面，转换层结构板面标高比建筑楼层标高低600mm, 相对于建筑完成面降板部分采用陶粒混凝土回填，而此部分高度应计入转换层上层层高，具体详见图4、图7。为加强转换层的整体刚度，转换层梁顶与梁底标高处均设结构板，两层板之间采用泡沫芯模填充(图4)。

　　 验算转换层上下层结构刚度比时，结构计算采用以下两种方案建模(图7):1)设备转换层不单独建标准层，2层与3层层高均取至转换梁梁高中心线处；2)设备转换层不单独建标准层，2层与3层层高均取至转换梁梁顶。

　　 因转换层剪力墙数量比上部楼层减少较多，导致两层刚度差别较大。当层高均取梁顶、且转换层上一层不降板时，刚度比与规范限值差别较大。故设计时，结合设备专业要求，利用设备专业立管需在设备层进行转弯的高度，将此转弯高度归于转换层上一层，可减小转换层上层刚度，结果表明此方法对刚度比提高较大。同时，楼层面刚度主要由板和梁共同提供，尤其是本项目梁高达到1 600mm, 楼层的刚度可取在梁腹板位置，可依此进行补充计算。由表3结果可知，在采取增加转换层上层层高和层高取梁的中间位置这两个措施来计算转换层刚度时，楼层刚度及转换层上下层刚度比均满足高规附录E的限值要求。

　　 图7 刚度比计算时层高取值示意图  

　　  

　　 层高取值对刚度比影响 表3

计算指标	层高/mm		刚度比
	转换层上一层	转换层	X向	Y向
层高根据 梁面计算	4 500	6 700	0.46	0.49
	5 100	6 100	0.59	0.63
层高根据 梁中计算	5 600	5 600	0.51	0.53
	5 900	5 300	0.64	0.68

 

　　  

7.2 型钢在转换梁及转换柱中的应用

　　 受建筑条件的限制，本工程转换层梁截面高度不能大于1.6m。为满足转换梁抗弯与抗剪承载力的要求，采用内置型钢混凝土转换梁。为便于型钢梁的连接，同时满足柱轴压比要求，框支柱也采用内置型钢的混凝土柱 ^[5]。

　　 柱角两道箍筋均采用拉筋形式，便于柱钢筋绑扎(图8)。柱混凝土采用自密实微膨胀免振捣混凝土，增强框支柱混凝土浇筑的密实度。

　　 图8 型钢与钢筋布排示意图  

　　  

　　 梁纵向钢筋与型钢柱翼缘预留的套筒采用机械连接，或与型钢柱翼缘预留的节点板单面焊接。梁拉筋与内置型钢预留的耳板孔洞连接(图8)。转换梁截面混凝土属于大体积混凝土，浇筑时须做好混凝土内部的降温措施，梁截面内预埋冷凝水导管 ^[6]。

7.3 转换层上层剪力墙抗剪承载力分析

　　 在计算转换层上一层剪力墙时，容易出现剪力墙抗剪承载力超限的情况，主要原因是该层剪力墙上下端无法与转换梁协调变形一致，导致剪力墙产生较大的剪力，所以通过增加转换梁的刚度能够有效地解决转换层上一层剪力墙超限的问题。

　　 本项目由于梁高受限，在限定梁高且宽度合理的情况下无法满足截面抗剪要求，故采用型钢转换梁。通过计算可得，内置型钢转换梁与未设置型钢转换梁的抗弯刚度比达到1.3,同时通过调整剪力墙布置，将被转换剪力墙的两端均落在转换柱或落地剪力墙上，以此减小转换梁变形对被转换墙的影响。

　　 经验算，本工程仅个别墙肢翼缘出现剪压比超限的情况，对该部分剪力墙设置内置钢板提高其抗剪承载力。

7.4 罕遇地震作用下整体稳定性分析

　　 根据大震作用下的计算结果，结构抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值，X向为8.63、Y向为6.88,基底不存在零应力区，结构抗倾覆稳定性满足要求。在大震作用下，单桩水平承载力均大于桩的计算水平力，表明结构满足抗滑移验算。

7.5 框支柱抗弯承载力验算

　　 本工程底部框支柱均采用内置型钢的混凝土柱，框支柱截面主要采用三种(表4)。

　　 典型框支柱截面 表4

类型	柱截面	内置十字劲型钢截面
KZZ1	1 200×1 200	800×800×25×25×400×25
KZZ2	1 100×1 200	700×700×25×25×400×25
KZZ3	1 000×1 100	600×600×25×25×400×25

 

　　  

　　 采用XTRACT软件根据框支柱截面形式建模，生成框支柱极限承载力的M-N相关曲线，在相关曲线坐标轴中，绘出柱各偏压组合工况下的M-N。经复核，M-N坐标值均位于M-N相关曲线内。故在中震和大震作用下，框支柱的抗压弯承载力能满足中震不屈服和大震不屈服的要求，结果详见图9,此处仅示意KZZ1结果。

7.6 框支梁抗弯承载力验算

　　 本工程框支梁大部分采用内置型钢的混凝土梁，少量采用普通混凝土梁，典型框支梁截面见表5。

　　 图9 框支柱(KZZ1)大震下M-N相关曲线  

　　  

　　 图10 框支梁极限弯矩曲线  

　　  

　　 典型框支梁截面及内力 表5

类型	梁截面	内置H型钢截面	大震作用下最大 弯矩/(kN·m)
KZL1	1 100×1 600	H900×300×16×16	6 533
KZL2	1 100×1 600		5 573

 

　　  

　　 采用XTRACT软件根据框支梁截面建模，形成框支梁极限弯矩曲线，核查各框支梁的弯矩内力，与极限弯矩比对，确定框支梁是否达到屈服弯矩(图10)。经复核，框支梁的抗弯承载力能满足中震不屈服和大震不屈服的要求。

8 结构设计加强措施

　　 根据各地震效应下构件的性能分析，针对性地采取以下结构加强措施：

　　 (1)底部加强区范围从地下2层延伸至5层楼面。

　　 (2)基础至5层楼面抗震等级按特一级，6层楼面及以上抗震等级为一级。

　　 (3)提高转换层以下剪力墙刚度，满足转换层上下层刚度比；框支柱及转换层以下的剪力墙均按关键构件设计配筋，转换层采用型钢混凝土梁、柱，提高构件的承载力和延性。

　　 (4)地下1层按嵌固层设计，最小板厚180mm, 1层按多塔大底盘顶层楼板设计，最小板厚160mm, 并考虑温度应力、中震应力验算校核配筋。

　　 (5)转换层楼板适当加厚至200mm, 加强转换层楼板配筋，落地剪力墙核心筒周边不宜开洞，以保证水平剪力有效传递；相邻转换层上部两层楼板厚度不小于120mm, 且需在楼板边缘、孔道边缘结合边梁予以加强。

　　 (6)通过中震承载力计算，使框支柱满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服的性能要求，框支梁满足大震作用下性能要求；控制框支层的框架剪力分配，使其满足二道防线的要求；严格控制框支柱的轴压比限值，保证框支柱具有足够的延性。

　　 (7)延性保证措施：按抗震等级满足轴压比要求；满足小、中、大震下剪压比要求；满足墙肢中震下受拉应力要求，当拉应力水平较大时，墙肢及约束边缘构件增加纵筋及箍筋。

9 结论

　　 (1)在地震作用下，该项目各项计算指标、承载能力、变形能力能够满足规范要求，且通过两个软件对比，计算结果基本保持一致，具有一定的可靠性。

　　 (2)在有限的条件下，型钢在转换梁柱中的使用，能较大幅度地减小梁柱截面，满足建筑对使用功能及空间尺寸的要求。同时，型钢的采用提高了转换梁刚度，可有效解决转换层上层剪力墙超限问题。

　　 (3)利用设备转换的空间增加转换层上层层高，并结合梁刚度作用点等计算措施，可有效解决转换层上下层刚度比超限问题。

　　 (4)本项目同时具有高度超限及扭转不规则、平面不规则、多塔、构件间断(高位转换)等4项不规则。通过超限判断、抗震性能设计、专项分析等方法，判断该结构能够满足抗震性能的各项指标要求，具有安全可靠且又经济的特点。