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【摘 要】珠海恒虹广场属超B级高度超限建筑工程，在结构设计中采取了基于性能的抗震设计方法，通过对结构转换层进行严谨的分析，以及一系列比现行规范更加严格的抗震加强措施，基本保证转换层能达到预期的性能水准目标。
【关键词】转换层；主次梁转换；转换梁上一层剪力墙；性能设计；应力分析
1 工程概况
珠海恒虹广场位于珠海市迎宾南路与粤海东路交叉口北侧，南望珠海拱北关口，为大型超高层商住楼，建筑面积12万m2。建筑物地下2层，地上41层，其中：1~4层为大底盘商场，层高5.2m；5层为绿化架空层，由于该层要满足建筑师提出的有足够净空及视线通透的功能要求，于该层顶（6层楼面）设转换层，层高6m；6~41层分为A、B、C三个住宅塔楼，层高3m；结构形式为多塔+部分框支剪力墙结构，建筑总高度137.6m，属超过B级高度的超限高层建筑结构。
建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g。II类场地土，场地特征周期Tg=0.35s。50年重现期基本风压W0=0.85kN/m2，用于计算结构水平位移；100年重现期基本风压W0=0.90kN/ m2，用于计算结构承载力。
2 结构转换层受力特点
2.1 转换层常见的抗震不利问题
在结构设计时，由于要实现建筑物标准层及底部若干层不同的使用功能，通常采用在功能分界的位置设转换层。通常存在以下抗震不利的问题：
2.1.1 结构竖向构件不连续，同时水平构件截面较大，需加大转换层层高以满足功能要求，在转换层处存在较大的刚度突变，形成上刚下柔的结构；
2.1.2 由于要有效传递不落地竖向构件的水平剪力及竖向荷载，通常转换层楼板需加厚、且转换构件截面较大，造成转换层质量增加，因此会造成质量不规则，该巨大质量所处位置越高，地震反应越大；
根据振型分解反应谱计算方法可知，上述刚度突变、质量不规则必然会导致楼层地震效应的突变，结构设计时需采取有效措施以保证其安全性。
2.2 本工程的转换层特点
2.2.1 由于建筑功能要求，本工程的结构转换层设置在裙房屋面以上，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称《高规》）第10.6.2条规定：转换层不宜设置在底盘屋面的上层塔楼内，否则应采取有效的抗震措施。
2.2.2 本工程转换层位于6层楼面（结构第5层），属高位转换；
2.2.3 转换层采用钢筋混凝土梁式转换，由于要兼顾5层架空通透及1~4层商场大开间的功能要求，存在较多主、次梁转换。《高规》第10.2.10条规定：当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施；B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案。
本工程转换层平面详下图1。
3 本工程转换层的分析及设计
3.1 转换层的抗震性能水准目标
由于本工程为超限高层建筑结构，且转换层结构复杂，为确保其抗震性能，设计时对结构制定了一系列抗震性能水准目标如下：
3.1.1 在多遇地震时，结构满足弹性设计要求，包括全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范的要求，即小震不坏。
3.1.2 在设防烈度地震时，结构薄弱部位及重要部位(如框支框架、剪力墙底部加强区)处于弹性工作状态。结构按非线性分析计算，允许有些选定的部位(如连梁、普通框架梁)接近屈服，但不发生剪切等脆性破坏，各构件细部构造满足中等延性要求，即中震可修。
3.1.3 在罕遇地震时，结构薄弱部位及重要部位不屈服，即不考虑内力调整的地震作用效应和抗震承载力按强度标准值计算满足要求；结构按非线性分析计算，允许有些选定的部位进入屈服阶段但不发生剪切等脆性破坏，且应满足弹塑性变形限值要求，各构件的细部构造满足高延性要求，即大震不倒。
3.1.4 对于以上各项性能水准，结构楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，要求楼板在三阶段地震中基本处于弹性反应状态。
对于结构转换层可归纳为“小震及中震弹性、大震不屈服”的性能目标。
3.2 转换层的三水准下的分析
采用SATWE进行三水准地震作用计算，采用ETABS进行校核，采用MIDAS/GEN进行大震阶段的补充验算；
3.2.1 小震阶段，转换梁截面800x1600~ 1600x2400不等，框支柱截面1200x1200~ 2000x1400不等，以杆单元模拟梁、柱，以壳单元模拟剪力墙，以膜单元模拟框支层楼板，框支框架及落地剪力墙抗震等级均取特一级，计算后的转换层上下等效侧向刚度比见表1。
3.2.2 中震阶段，荷载及材料强度均取设计值，不考虑地震作用调整系数及强柱弱梁内力调整系数，考虑截面抗震承载力调整系数，结果显示有部分框支梁、框支柱的内力较小震时有所增加，但配筋仍属构造范围；
3.2.3 大震阶段，荷载及材料强度均取标准值，不考虑地震作用调整系数及强柱弱梁内力调整系数，不考虑截面抗震承载力调整系数，结果显示相当一部分框支梁的内力较中震时有明显增加，个别框支梁配筋为计算配筋，框支柱配筋仍属于构造配筋。设计时，该部分构件按大震内力控制。
采用MIDAS/GEN软件对转换层进行大震阶段的补充验算，以实体单元模拟转换梁及框支柱、落地剪力墙，以壳单元模拟不落地剪力墙，单元尺寸200~300mm，以C塔楼1~4轴交A~E轴局部楼层为例，模型详图2
框支框架的变形及Von-Mises应力云图详下图3；以KZL1、KZL12为例，主次梁转换处构件变形及应力云图详下图4：
经补充计算后，采用应力积分方法，求出各转换梁控制截面的内力，与 SATWE模型的结果进行对比，其内力不尽相同，以转换梁KZL1小震作用下的内力为例，其对比结果详下表2，采用两者的大值进行截面配筋设计。
注：单位为kN、kN*M
4 转换层上层剪力墙的分析及设计
转换层上一层的剪力墙处在底部加强区，属重要部位。按三水准抗震性能目标概括为：小震弹性，中震基本弹性，大震不屈服。以MIDAS/GEN与SATWE模型的结果进行对比，其内力不尽相同，以剪力墙C2d小震作用下的内力为例，其对比结果详下表3
转换梁承托其上剪力墙，在竖向荷载下产生变形，因而其上的剪力墙产生很大的附加内力，以C2d的SATWE的小震結果为例，控制剪力标准值V:
V=1.2x恒+0.6x活+1.4x0.2x风+1.3x震
=1.2x1821+0.6x294+0.28x521+1.3x350=2962kN
竖向荷载产生的剪力占总剪力的80%，而往上几层的此比例衰减很快，变为水平荷载产生的剪力占主导。
由于本层剪力墙的剪力很大，往往会出现剪压比超限的问题，给设计带来困难。规范提出的剪压比的限制条件主要目的是为了防止墙体产生斜压破坏，可在剪力墙墙身内设交叉钢筋暗撑解决，并适当提高分布筋的配筋率，以提高墙体的承载力及延性。
5 转换层及相邻楼层的抗震加强措施
5.1 提高剪力墙底部加强区抗震等级，框支框架及剪力墙底部加强区抗震等级均提高为特一级。
5.2 提高剪力墙底部加强区的水平、竖向分布筋配筋率至0.5%；框支层上部分变形较大的不落地剪力墙墙身内设交叉钢筋暗撑；框支柱内增设芯柱；适当增加转换梁宽度，严格控制剪压比在0.15以内
5.3 转换层（6层楼面）楼板厚度取180mm；转换层以上一层（7层）楼面楼板厚度不小于120mm;
5.4 裙房屋面板厚不小于150mm，A、B、C塔楼在裙房屋面连接处楼板应力较大，板厚取300mm，各加强部位均采用双层双向配筋，其余应力较大区域根据楼板中震作用下的拉应力峰值计算出拉力，按弹性计算配筋。
6 结语
本工程属超B级高度超限建筑工程，在结构设计中采取了基于性能的抗震设计方法，通过对结构转换层进行严谨的分析，以及一系列比现行规范更加严格的抗震加强措施，基本保证转换层能达到预期的性能水准目标。
【关键词】转换层；主次梁转换；转换梁上一层剪力墙；性能设计；应力分析
1 工程概况
珠海恒虹广场位于珠海市迎宾南路与粤海东路交叉口北侧，南望珠海拱北关口，为大型超高层商住楼，建筑面积12万m2。建筑物地下2层，地上41层，其中：1~4层为大底盘商场，层高5.2m；5层为绿化架空层，由于该层要满足建筑师提出的有足够净空及视线通透的功能要求，于该层顶（6层楼面）设转换层，层高6m；6~41层分为A、B、C三个住宅塔楼，层高3m；结构形式为多塔+部分框支剪力墙结构，建筑总高度137.6m，属超过B级高度的超限高层建筑结构。
建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g。II类场地土，场地特征周期Tg=0.35s。50年重现期基本风压W0=0.85kN/m2，用于计算结构水平位移；100年重现期基本风压W0=0.90kN/ m2，用于计算结构承载力。
2 结构转换层受力特点
2.1 转换层常见的抗震不利问题
在结构设计时，由于要实现建筑物标准层及底部若干层不同的使用功能，通常采用在功能分界的位置设转换层。通常存在以下抗震不利的问题：
2.1.1 结构竖向构件不连续，同时水平构件截面较大，需加大转换层层高以满足功能要求，在转换层处存在较大的刚度突变，形成上刚下柔的结构；
2.1.2 由于要有效传递不落地竖向构件的水平剪力及竖向荷载，通常转换层楼板需加厚、且转换构件截面较大，造成转换层质量增加，因此会造成质量不规则，该巨大质量所处位置越高，地震反应越大；
根据振型分解反应谱计算方法可知，上述刚度突变、质量不规则必然会导致楼层地震效应的突变，结构设计时需采取有效措施以保证其安全性。
2.2 本工程的转换层特点
2.2.1 由于建筑功能要求，本工程的结构转换层设置在裙房屋面以上，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称《高规》）第10.6.2条规定：转换层不宜设置在底盘屋面的上层塔楼内，否则应采取有效的抗震措施。
2.2.2 本工程转换层位于6层楼面（结构第5层），属高位转换；
2.2.3 转换层采用钢筋混凝土梁式转换，由于要兼顾5层架空通透及1~4层商场大开间的功能要求，存在较多主、次梁转换。《高规》第10.2.10条规定：当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施；B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案。
本工程转换层平面详下图1。
3 本工程转换层的分析及设计
3.1 转换层的抗震性能水准目标
由于本工程为超限高层建筑结构，且转换层结构复杂，为确保其抗震性能，设计时对结构制定了一系列抗震性能水准目标如下：
3.1.1 在多遇地震时，结构满足弹性设计要求，包括全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范的要求，即小震不坏。
3.1.2 在设防烈度地震时，结构薄弱部位及重要部位(如框支框架、剪力墙底部加强区)处于弹性工作状态。结构按非线性分析计算，允许有些选定的部位(如连梁、普通框架梁)接近屈服，但不发生剪切等脆性破坏，各构件细部构造满足中等延性要求，即中震可修。
3.1.3 在罕遇地震时，结构薄弱部位及重要部位不屈服，即不考虑内力调整的地震作用效应和抗震承载力按强度标准值计算满足要求；结构按非线性分析计算，允许有些选定的部位进入屈服阶段但不发生剪切等脆性破坏，且应满足弹塑性变形限值要求，各构件的细部构造满足高延性要求，即大震不倒。
3.1.4 对于以上各项性能水准，结构楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，要求楼板在三阶段地震中基本处于弹性反应状态。
对于结构转换层可归纳为“小震及中震弹性、大震不屈服”的性能目标。
3.2 转换层的三水准下的分析
采用SATWE进行三水准地震作用计算，采用ETABS进行校核，采用MIDAS/GEN进行大震阶段的补充验算；
3.2.1 小震阶段，转换梁截面800x1600~ 1600x2400不等，框支柱截面1200x1200~ 2000x1400不等，以杆单元模拟梁、柱，以壳单元模拟剪力墙，以膜单元模拟框支层楼板，框支框架及落地剪力墙抗震等级均取特一级，计算后的转换层上下等效侧向刚度比见表1。
3.2.2 中震阶段，荷载及材料强度均取设计值，不考虑地震作用调整系数及强柱弱梁内力调整系数，考虑截面抗震承载力调整系数，结果显示有部分框支梁、框支柱的内力较小震时有所增加，但配筋仍属构造范围；
3.2.3 大震阶段，荷载及材料强度均取标准值，不考虑地震作用调整系数及强柱弱梁内力调整系数，不考虑截面抗震承载力调整系数，结果显示相当一部分框支梁的内力较中震时有明显增加，个别框支梁配筋为计算配筋，框支柱配筋仍属于构造配筋。设计时，该部分构件按大震内力控制。
采用MIDAS/GEN软件对转换层进行大震阶段的补充验算，以实体单元模拟转换梁及框支柱、落地剪力墙，以壳单元模拟不落地剪力墙，单元尺寸200~300mm，以C塔楼1~4轴交A~E轴局部楼层为例，模型详图2
框支框架的变形及Von-Mises应力云图详下图3；以KZL1、KZL12为例，主次梁转换处构件变形及应力云图详下图4：
经补充计算后，采用应力积分方法，求出各转换梁控制截面的内力，与 SATWE模型的结果进行对比，其内力不尽相同，以转换梁KZL1小震作用下的内力为例，其对比结果详下表2，采用两者的大值进行截面配筋设计。
注：单位为kN、kN*M
4 转换层上层剪力墙的分析及设计
转换层上一层的剪力墙处在底部加强区，属重要部位。按三水准抗震性能目标概括为：小震弹性，中震基本弹性，大震不屈服。以MIDAS/GEN与SATWE模型的结果进行对比，其内力不尽相同，以剪力墙C2d小震作用下的内力为例，其对比结果详下表3
转换梁承托其上剪力墙，在竖向荷载下产生变形，因而其上的剪力墙产生很大的附加内力，以C2d的SATWE的小震結果为例，控制剪力标准值V:
V=1.2x恒+0.6x活+1.4x0.2x风+1.3x震
=1.2x1821+0.6x294+0.28x521+1.3x350=2962kN
竖向荷载产生的剪力占总剪力的80%，而往上几层的此比例衰减很快，变为水平荷载产生的剪力占主导。
由于本层剪力墙的剪力很大，往往会出现剪压比超限的问题，给设计带来困难。规范提出的剪压比的限制条件主要目的是为了防止墙体产生斜压破坏，可在剪力墙墙身内设交叉钢筋暗撑解决，并适当提高分布筋的配筋率，以提高墙体的承载力及延性。
5 转换层及相邻楼层的抗震加强措施
5.1 提高剪力墙底部加强区抗震等级，框支框架及剪力墙底部加强区抗震等级均提高为特一级。
5.2 提高剪力墙底部加强区的水平、竖向分布筋配筋率至0.5%；框支层上部分变形较大的不落地剪力墙墙身内设交叉钢筋暗撑；框支柱内增设芯柱；适当增加转换梁宽度，严格控制剪压比在0.15以内
5.3 转换层（6层楼面）楼板厚度取180mm；转换层以上一层（7层）楼面楼板厚度不小于120mm;
5.4 裙房屋面板厚不小于150mm，A、B、C塔楼在裙房屋面连接处楼板应力较大，板厚取300mm，各加强部位均采用双层双向配筋，其余应力较大区域根据楼板中震作用下的拉应力峰值计算出拉力，按弹性计算配筋。
6 结语
本工程属超B级高度超限建筑工程，在结构设计中采取了基于性能的抗震设计方法，通过对结构转换层进行严谨的分析，以及一系列比现行规范更加严格的抗震加强措施，基本保证转换层能达到预期的性能水准目标。