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【摘要】以某高层商住楼的结构抗震设计为例，运用结构抗震的概念设计原理，分析了结构体型不规则的几种情形和几种可操作的调整措施，并对复杂高层建筑结构的抗震设防专项审查细则，提出了自己的见解。
【关键词】复杂高层建筑结构；抗震概念设计；体型不规则；转换层；抗震设防专项审查
Discuss seismic design of a complex structure of high-level building
Hu Wei-hong
(Foshan city Shunde architectural design institute Co., Ltd.FoshanGuangdong528300)
【Abstract】Structure of a high-level seismic design of buildings as an example, the use of the concept of seismic design principles, an analysis of the structure of several cases of irregular size and number of operational measures of adjustment, and high-rise building complex seismic structure special review of security rules, put forward his own views.
【Key words】High building complex; Concept of seismic design; Irregular shape; Conversion layer; Special seismic review
1. 引言
隨着我国城市经济的迅猛发展，下面是大开间的商铺或停车库，上面是高层商品住宅的这类框支-剪力墙高层建筑被广泛采用，这类结构由于转换层的存在, 极易形成刚度突变的薄弱层；加上建筑师在外观造型上的标新立异，这样出现了很多结构体型复杂的高层建筑，而通常它们在结构方面都不规则甚至是特别不规则的,高层商住楼就是其中的一个典型。国家建设部在2006年9月发文规定了超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点，明确了高层建筑若具有多项或某一特项不规则时，需要申报专项审查。而广东省结合本地区的实际情况，把与此相关的规范，规程及规定中对超限高层建筑工程抗震设防专项审查原则性要求作适当的具体化，为了使其在执行时更具操作性，出台了相关细则，即本文中简称的《省（高规）补充规定》。
2. 工程概况及主要的结构抗震设计概念
笔者最近完成了某高层商住楼的结构设计，体会良多。这是一座16层的框架-剪力墙结构，地下一层停车库，地上有三层裙楼为框架结构，平面呈一矩形56.15×30.0m，首层为商业铺位，2~3层为住户停车库;4~16层为主楼标准层，由两座平面相同且并排
相接的住宅单元组成，主楼部分结构为框支-剪力墙，建筑总高50m。本工程抗震设防类别为丙类，场地地震基本烈度为7度，设防烈度为7度，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。
平面简图及三维轴测图如下：
图1平面简图
显然，由于存在转换层可确定该商住楼为复杂高层建筑结构，属B级高层建筑。然后对照《抗规》及《高规》，尤其是《广东省（高规）补充规定》所述的六项体型不规则发现该工程几乎都有：扭转不规则、平面狭长凹凸不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变；其中三项不规则（平面凹凸，楼板不连续，竖向不连续）是由三层以下楼层使用功能不同所造成的“先天不足”，部分结构被迫采用了不利于抗震的框支结构形式，但我们相信以结构构件的承载力，刚度和延性为主导的抗震概念设计来进行总体结构布置，外加一系列的构造加强措施是可以弥补“先天不足”的。
图2三维轴测图
首先要合理布置抗侧力构件，只有将抗倾覆的墙柱构件布置在结构平面的外边缘，才会获得这些构件抗倾覆力臂的有效宽度，如上部两住宅单元的两端剪力墙在不影响首层商铺使用的情况下均直接落地；中间两处电梯和楼梯间剪力墙均直接落地，这样大约只有45%的剪力墙不落地；同时均衡布置X、Y两向抗侧力构件可尽可能使结构平面的抗侧力刚度中心和风力作用中心或质量中心重合，大大减少在风载或地震作用下的扭转效应。
其次根据《抗规》及《高规》确定各部位各构件的抗震设防等级，如框支框架二级（包括转换梁其下一层的框架梁为二级），其中框支柱一级；裙楼框架三级；标准层剪力墙为非加强部位三级，而转换层及其上二层的剪力墙为加强部位二级，转换层以下部位剪力墙一级；短肢剪力墙按上述相应提高一级。
其三按规范控制竖向受力构件（框架柱框支柱及剪力墙）的轴压比限值，墙柱的混凝土强度等级沿楼高每隔6层由C35,C30,C25呈阶梯变化；在施工图设计时梁柱节点和核心区必须密箍，使墙柱截面达到较好的延性和耗能能力，实现“大震不倒”的设计目其四通过将转换层以下剪力墙加厚或加长的措施调整转换层上、下结构刚度比，使转换层上、下结构的等效刚度比X、Y两向均接近1，使结构整体并不因为转换层的存在而产生刚度突变。
3. 加强结构整体抗震性能的构造措
(1）针对平面凹凸不规则采取：总体计算时，采用分块刚度板假设，将两单元楼板连接薄弱部位楼板指定为弹性膜，并将该部位楼板加厚至130mm，板面板底钢筋全面贯通且双层双向配置。
(2）针对楼板局部不连续采取：标准层在电梯井两侧加设1.1m宽150mm厚加强板带，使楼板在任一方向的最小净宽大于5m。
(3）该商住楼的第三层为转换层，不属于高位转换，层高4.2m，采用梁式转换层，转换梁截面高度在抗震设计时应分别小于计算跨度的1/6。考虑由于转换粱上剪力墙偏置产生的不利影响，在梁两侧垂直方向均设拉结梁以利于稳定。
(4）由于标准层两单元相接处楼板宽仅6.9m, 而其下三层平面呈一矩形56.15×30.0m，故在平面中部设置后浇带以抗不均匀沉降和温度收缩变形。
(5）基础采用钻（冲）孔灌注桩，桩端持力层为中风化岩层，桩长至少21米。由于地下水位较高（同室外地面标高），在地下室和首，2，3层主体结构施工期间必须采取有效的降水措施，方便施工及抗浮。
4. 计算结果分析
采用SATWE软件进行结构的整体分析，在电算中密切关注扭转位移比，自振周期与平动周期之比（Tt/ T1）及相邻楼层受剪承载力之比这三大计算结果。
(1) 结构X、Y两向的扭转位移比1.10＜μ＜1.23，满足《高规》第4.3.5条规定要求；
(2) 结构扭转为主的第1自振周期Tt与平动为主的第1自振周期T1之比均小于0.85（Tt/ T1=0.86），满足《高规》第4.3.5条规定要(3) 楼层抗剪承载力及承载力比值，最小值为0.81,既满足《高规》第4.3.5条规定要求（此项为75%）；同时也满足《广东省高规补充规定》中的限值（此项为80%）；
(4) 转换层上、下等效侧向刚度比：按层间剪力比层间位移算法X向为0.43，Y向为0.45，符合要求；按附录E.0.2算法:νex=0.81，νey=1.12。楼层抗剪承载力转换层与上一层的比值：Bux=2.18,Buy=1.61；即转换层以下的构件抗剪承载力分别是其上一层构件的2.18倍和1.61倍。
(5) 在地震作用下，层间位移角θi小于上一层的1.3倍或上三层平均值的1.2倍，满足《广东省高规补充规定》第3.3.1条对侧向刚度规则的规定；
(6) 弹性最大层间水平位移角限值：X向为1/1644，Y向为1/1510，均小于规范要求；
(7) 振型质量参与系数X向的有效质量系数95.3%,Y向的有效质量系数96.8%,两向均大于90%，满足《高规》第5.1.13条规定要求；
(8) 底部加强区剪力墙轴压比均小于0.5，满足《高规》第7.2.14条。
5. 结语
因此，上述的6种结构不规则情况在现今高层建筑设计中极易出现，通过结构抗震的概念设计和一系列的构造加强措施，尽管本工程存在扭转不规则（程度为I类），平面凹凸不规则（标准层）及竖向抗侧力构件不连续（45%剪力墙不落地）这三项不规则情形，但扭转位移比1.10＜μ＜1.23，超过规定少许（μ＜1.2)，故本工程只是普通不规则结构，可不作超限高层不作超限高层建筑工程抗震专项审建筑工程抗震专项审查。按照建设部的文件规定，只要“同时具有两项以上平面，竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的高层建筑”就必须申报抗震超限审查，一般复杂的超限审查需时约2个月，而且超限结构往往需要采取多种多样的加强措施必然导致工程造价增大。因此只要条件允许，在每项工程设计的方案阶段，应由结构工程师参与确定结构体型和主要的受力构件布置，以使不利抗震的诸多不规则体型可在建筑方案阶段就避免，达到合理安全经济等多方共赢的局面。毕竟避免超限高层的抗震专项审查并不是设计的最终目的，而如何通过的精心设计使每一结构都获得卓越的抗震性能才是我们不懈的追求。
参考文献
［1］JGJ 3-2002《高层建筑混凝土结构技木规程》（简称《高规》） ［S］
［2］GB 50011-2001《建筑抗震設计规范》（简称《抗规》）［S］
［3］DBJ/T15-46-2005 广东省实施《高层建筑混凝土结构技木规程》（JGJ 3-2002）补充规定 （简称广东省高规补充规定）l［4］《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》 （建设部令第 111号）
［5］《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 （建质 ［2006］ 220号）
［文章编号］1006-7619（2009）05-08-323
［作者简介］胡卫红(1964- )，女，1985年毕业于湖南大学工业与民用建筑专业，现在顺德建筑设计院有限公司工作，任建筑结构工程师。
【关键词】复杂高层建筑结构；抗震概念设计；体型不规则；转换层；抗震设防专项审查
Discuss seismic design of a complex structure of high-level building
Hu Wei-hong
(Foshan city Shunde architectural design institute Co., Ltd.FoshanGuangdong528300)
【Abstract】Structure of a high-level seismic design of buildings as an example, the use of the concept of seismic design principles, an analysis of the structure of several cases of irregular size and number of operational measures of adjustment, and high-rise building complex seismic structure special review of security rules, put forward his own views.
【Key words】High building complex; Concept of seismic design; Irregular shape; Conversion layer; Special seismic review
1. 引言
隨着我国城市经济的迅猛发展，下面是大开间的商铺或停车库，上面是高层商品住宅的这类框支-剪力墙高层建筑被广泛采用，这类结构由于转换层的存在, 极易形成刚度突变的薄弱层；加上建筑师在外观造型上的标新立异，这样出现了很多结构体型复杂的高层建筑，而通常它们在结构方面都不规则甚至是特别不规则的,高层商住楼就是其中的一个典型。国家建设部在2006年9月发文规定了超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点，明确了高层建筑若具有多项或某一特项不规则时，需要申报专项审查。而广东省结合本地区的实际情况，把与此相关的规范，规程及规定中对超限高层建筑工程抗震设防专项审查原则性要求作适当的具体化，为了使其在执行时更具操作性，出台了相关细则，即本文中简称的《省（高规）补充规定》。
2. 工程概况及主要的结构抗震设计概念
笔者最近完成了某高层商住楼的结构设计，体会良多。这是一座16层的框架-剪力墙结构，地下一层停车库，地上有三层裙楼为框架结构，平面呈一矩形56.15×30.0m，首层为商业铺位，2~3层为住户停车库;4~16层为主楼标准层，由两座平面相同且并排
相接的住宅单元组成，主楼部分结构为框支-剪力墙，建筑总高50m。本工程抗震设防类别为丙类，场地地震基本烈度为7度，设防烈度为7度，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。
平面简图及三维轴测图如下：
图1平面简图
显然，由于存在转换层可确定该商住楼为复杂高层建筑结构，属B级高层建筑。然后对照《抗规》及《高规》，尤其是《广东省（高规）补充规定》所述的六项体型不规则发现该工程几乎都有：扭转不规则、平面狭长凹凸不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变；其中三项不规则（平面凹凸，楼板不连续，竖向不连续）是由三层以下楼层使用功能不同所造成的“先天不足”，部分结构被迫采用了不利于抗震的框支结构形式，但我们相信以结构构件的承载力，刚度和延性为主导的抗震概念设计来进行总体结构布置，外加一系列的构造加强措施是可以弥补“先天不足”的。
图2三维轴测图
首先要合理布置抗侧力构件，只有将抗倾覆的墙柱构件布置在结构平面的外边缘，才会获得这些构件抗倾覆力臂的有效宽度，如上部两住宅单元的两端剪力墙在不影响首层商铺使用的情况下均直接落地；中间两处电梯和楼梯间剪力墙均直接落地，这样大约只有45%的剪力墙不落地；同时均衡布置X、Y两向抗侧力构件可尽可能使结构平面的抗侧力刚度中心和风力作用中心或质量中心重合，大大减少在风载或地震作用下的扭转效应。
其次根据《抗规》及《高规》确定各部位各构件的抗震设防等级，如框支框架二级（包括转换梁其下一层的框架梁为二级），其中框支柱一级；裙楼框架三级；标准层剪力墙为非加强部位三级，而转换层及其上二层的剪力墙为加强部位二级，转换层以下部位剪力墙一级；短肢剪力墙按上述相应提高一级。
其三按规范控制竖向受力构件（框架柱框支柱及剪力墙）的轴压比限值，墙柱的混凝土强度等级沿楼高每隔6层由C35,C30,C25呈阶梯变化；在施工图设计时梁柱节点和核心区必须密箍，使墙柱截面达到较好的延性和耗能能力，实现“大震不倒”的设计目其四通过将转换层以下剪力墙加厚或加长的措施调整转换层上、下结构刚度比，使转换层上、下结构的等效刚度比X、Y两向均接近1，使结构整体并不因为转换层的存在而产生刚度突变。
3. 加强结构整体抗震性能的构造措
(1）针对平面凹凸不规则采取：总体计算时，采用分块刚度板假设，将两单元楼板连接薄弱部位楼板指定为弹性膜，并将该部位楼板加厚至130mm，板面板底钢筋全面贯通且双层双向配置。
(2）针对楼板局部不连续采取：标准层在电梯井两侧加设1.1m宽150mm厚加强板带，使楼板在任一方向的最小净宽大于5m。
(3）该商住楼的第三层为转换层，不属于高位转换，层高4.2m，采用梁式转换层，转换梁截面高度在抗震设计时应分别小于计算跨度的1/6。考虑由于转换粱上剪力墙偏置产生的不利影响，在梁两侧垂直方向均设拉结梁以利于稳定。
(4）由于标准层两单元相接处楼板宽仅6.9m, 而其下三层平面呈一矩形56.15×30.0m，故在平面中部设置后浇带以抗不均匀沉降和温度收缩变形。
(5）基础采用钻（冲）孔灌注桩，桩端持力层为中风化岩层，桩长至少21米。由于地下水位较高（同室外地面标高），在地下室和首，2，3层主体结构施工期间必须采取有效的降水措施，方便施工及抗浮。
4. 计算结果分析
采用SATWE软件进行结构的整体分析，在电算中密切关注扭转位移比，自振周期与平动周期之比（Tt/ T1）及相邻楼层受剪承载力之比这三大计算结果。
(1) 结构X、Y两向的扭转位移比1.10＜μ＜1.23，满足《高规》第4.3.5条规定要求；
(2) 结构扭转为主的第1自振周期Tt与平动为主的第1自振周期T1之比均小于0.85（Tt/ T1=0.86），满足《高规》第4.3.5条规定要(3) 楼层抗剪承载力及承载力比值，最小值为0.81,既满足《高规》第4.3.5条规定要求（此项为75%）；同时也满足《广东省高规补充规定》中的限值（此项为80%）；
(4) 转换层上、下等效侧向刚度比：按层间剪力比层间位移算法X向为0.43，Y向为0.45，符合要求；按附录E.0.2算法:νex=0.81，νey=1.12。楼层抗剪承载力转换层与上一层的比值：Bux=2.18,Buy=1.61；即转换层以下的构件抗剪承载力分别是其上一层构件的2.18倍和1.61倍。
(5) 在地震作用下，层间位移角θi小于上一层的1.3倍或上三层平均值的1.2倍，满足《广东省高规补充规定》第3.3.1条对侧向刚度规则的规定；
(6) 弹性最大层间水平位移角限值：X向为1/1644，Y向为1/1510，均小于规范要求；
(7) 振型质量参与系数X向的有效质量系数95.3%,Y向的有效质量系数96.8%,两向均大于90%，满足《高规》第5.1.13条规定要求；
(8) 底部加强区剪力墙轴压比均小于0.5，满足《高规》第7.2.14条。
5. 结语
因此，上述的6种结构不规则情况在现今高层建筑设计中极易出现，通过结构抗震的概念设计和一系列的构造加强措施，尽管本工程存在扭转不规则（程度为I类），平面凹凸不规则（标准层）及竖向抗侧力构件不连续（45%剪力墙不落地）这三项不规则情形，但扭转位移比1.10＜μ＜1.23，超过规定少许（μ＜1.2)，故本工程只是普通不规则结构，可不作超限高层不作超限高层建筑工程抗震专项审建筑工程抗震专项审查。按照建设部的文件规定，只要“同时具有两项以上平面，竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的高层建筑”就必须申报抗震超限审查，一般复杂的超限审查需时约2个月，而且超限结构往往需要采取多种多样的加强措施必然导致工程造价增大。因此只要条件允许，在每项工程设计的方案阶段，应由结构工程师参与确定结构体型和主要的受力构件布置，以使不利抗震的诸多不规则体型可在建筑方案阶段就避免，达到合理安全经济等多方共赢的局面。毕竟避免超限高层的抗震专项审查并不是设计的最终目的，而如何通过的精心设计使每一结构都获得卓越的抗震性能才是我们不懈的追求。
参考文献
［1］JGJ 3-2002《高层建筑混凝土结构技木规程》（简称《高规》） ［S］
［2］GB 50011-2001《建筑抗震設计规范》（简称《抗规》）［S］
［3］DBJ/T15-46-2005 广东省实施《高层建筑混凝土结构技木规程》（JGJ 3-2002）补充规定 （简称广东省高规补充规定）l［4］《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》 （建设部令第 111号）
［5］《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 （建质 ［2006］ 220号）
［文章编号］1006-7619（2009）05-08-323
［作者简介］胡卫红(1964- )，女，1985年毕业于湖南大学工业与民用建筑专业，现在顺德建筑设计院有限公司工作，任建筑结构工程师。