作者；张毅
1 工程概况
华强金廊城市广场（一期）3#楼建筑面积约为10万m2，建筑高度为183. 3m，地上53层，地下4层，属超B级高度高层建筑，采用框架一双核心简结构体系。结构标准层层高为3. 1m;6层为转换层，转换层高度为6. 65m;为了避免7层刚度突变，将7层层高从3. 1m提高至3.9m，12，27，42层为避难层，层高均为3. 9m。1~29层采用型钢混凝土柱，其截面尺寸从底部1 200 x1 600(内置型钢截面为H1000 x450×40×40)和1 400 xl 400（内置型钢截面为H 1000×450×40×40）分别收缩至顶部1 000 x1600(内置型钢截面为H1000×450×30×30)和1 200 x1 400(内置型钢截面为Hl 000×450×30×30)；其他层采用钢筋混凝土柱。核心筒外围剪力墙厚度从底部800mm收缩至顶部400mm，内部剪力墙厚度从底部400mm收缩至顶部200mm。标准层连梁高度为450mm，框架梁截面尺寸为600×600。剪力墙、柱混凝土强度等级从底部C60减小至顶部的C45。标准层楼面采用现浇普通钢筋混凝土梁、板楼面，其中1~7层梁、板混凝土强度等级为C35，其余楼层梁、板混凝土强度等级为C30。建筑效果图及计算模型见图1，标准层平面布置图见图2。
2 计算模型
2.1计算假定
采用PERFORM-3D软件建立计算模型，不考虑楼板对梁的刚度贡献，连梁刚度不折减；暗柱钢筋采用箱形钢柱模拟；无大开洞楼板的楼层采用刚性楼板假定。由于剪切破坏属于脆性破坏，当一片主要墙肢出现剪切破坏时，将导致结构局部严重破坏甚至倒塌，为方便判断和比较，本文假定当出现剪切破坏的剪力墙剪力占本楼层总剪力的20%以上时，判断结构整体出现剪切破坏。
依据《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2010)附录C提供的混凝土和钢筋本构关系，在弹塑性分析中，混凝土材料仅考虑受压，不考虑受拉；钢筋和型钢选用三折线型本构关系，并且不考虑材料的强度损失。钢筋和型钢本构关系、混凝土本构关系如图3，4所示。图3，4中y点表示材料屈服，由钢材强度标准值或混凝土强度设计值(FY)控制；U点表示材料达到最大强度，由钢材极限强度标准值或混凝土强度标准值(FU)控制；L点表示材料开始失效；R点表示材料失效后强度达到最低点并进入平台段；X点表示材料完全失效；DY，Du，DL，DR和DX分别是控制点Y，U，L，R和X对应的应变。图5为墙单元剪切破坏本构关系，图5中U点表示材料达到极限抗剪强度，R点表示材料失效后强度达到最低点并进入平台段，X点表示材料完全失效，Fu为极限抗剪强度，Du，DR和DX分别是控制点U，R，X对应的应变。一般来说，结构的损坏程度分为以下4个阶段：正常使用阶段、10阶段（可立即使用）、LS阶段（生命安全）和CP阶段（建筑物不倒塌）。
梁、柱构件根据实际配筋设置弹塑性纤维截面，在杆构件端部各设置0. 05倍杆件长度的纤维截面单元，其他区域为弹性截面单元。由于转换梁的跨高比较小，为监测其在大震作用下是否会发展成剪切脆性破坏，在其纤维模型两端设置剪切铰。剪力墙单元沿布置方向平均划分纤维并在剪力墙两端设置暗柱。
2.2加载和地震波信息
对结构进行动力弹塑性时程分析时，分两步进行加载：1）D（恒载）+0. 5/（活载）静力计算，由结构所受的静力荷载计算结构的初始位移、应力和损伤；2）初始构件的内力与变形取静力计算结果，进行动力弹塑性时程响应计算。
考虑到结构存在较多的转换构件，部分剪力墙落于转换梁端部，转换构件的受力比较复杂，在动力弹塑性分析中考虑了竖向地震作用，大震作用时，主方向、次方向、竖向三向地震峰值加速度比例为1：0. 85:0.65，主方向的峰值加速度取220 cm/s2。由于760方向为结构最不利地震作用方向，故分别以00，760和900方向为主方向对结构进行大震弹塑性时程分析，地震波时程曲线如图6所示，其中00，760和900方向表示地震作用方向与X向的最小夹角分别为00，760和900。
3 动力弹塑性分析
3.1结构方案
图7为转换梁方案和转换斜墙方案的立面图，其中转换梁方案力的传递是由剪力墙传到转换梁上，再由转换梁传到框支柱上，转换梁截面尺寸为1 500 x3 000(内置型钢截面为H2 500×800×40×50)，框支柱截面尺寸为1 800 x2 800（内置型钢截面为十字形1 400 x900×40×50），混凝土框架柱截面尺寸为1 200 x1 400，1 000 x1 400，核心筒外围剪力墙厚度从底部的650mm收缩至顶部的400mm，核心筒内部剪力墙厚度、梁截面尺寸和型钢混凝土框架柱截面尺寸见第1节。转换斜墙方案力的传递是由斜墙直接传递到框支柱上，梁截面尺寸为800×2 000（内置型钢截面为H1 400×500×30×40），框支柱截面尺寸从底部1 800 x1 800（内置型钢截面为十字形1 400×600×40×50）收缩至1 600×1 600(内置型钢截面为十字形1 200×500×40×50)，混凝土框架柱截面尺寸为1 200 x1400，1 000×1 400,800 x1 200，核心筒剪力墙厚度、梁截面尺寸和型钢混凝土框架柱截面尺寸见第1节。
3.2结构整体计算结果
表1为转换梁方案与转换斜墙方案的周期、质量对比。可以看出，两个方案的质量非常接近，仅相差0. 6%，但是转换斜墙方案比转换梁方案的周期小10 %左右，说明转换斜墙方案比转换梁方案的结构整体刚度大。
大震作用下主方向计算结果见表2，其中00方向最大基底剪力表示以0 0方向为主方向进行大震作用时00方向对应的最大基底剪力，其余同。从表2可知：
(1)3条地震波作用下，转换梁方案00方向层间位移角包络值为1/167，760方向层间位移角包络值为1/124，900方向层间位移角包络值为1/136，结构最大层间位移角均小于1/100，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）第3.7.5条规定；转换斜墙方案00方向层间位移角包络值为1/162，760方向层间位移角包络值为1/146，900方向层间位移角包络值为1/139，结构最大层间位移角均小于1/100，满足高规第3.7.5条规定。
(2)3条地震波作用下，相比转换梁方案，转换斜墙方案在00方向的最大基底剪力变化没有规律，而在760和900方向的最大基底剪力均减小，特别是760方向的最大基底剪力减小明显，原因是转换斜墙方案的斜墙长度沿结构竖向从高到低逐渐减小，框支柱截面明显减小，见图7(b)，使结构转换层以下刚度和质量减小，导致结构底部地震力减小。由于转换斜墙主要加在79 0方向（图2），相比转换梁方案，接近于790方向的760和900方向的转换斜墙方案底部地震力减小明显。
(3)转换斜墙方案00方向的最大层间位移角均比转换梁方案的略大，而760和900方向的最大层间位移角均比转换梁方案的小，特别是76。方向，这与最大基底剪力的规律基本一致。
(4)转换斜墙方案00，760和900方向的最大楼层位移均比转换梁方案小，这是由于转换梁方案在转换层以上的刚度偏弱，并且在大震作用下竖向构件屈服程度较大，导致结构在地震作用下的变形较大。
3.3楼层剪力和层间位移角
限于篇幅，以下主要列出天然波1作用下以00,760和900方向为主方向输入地震波时，结构的楼层剪力和层间位移角结果。
(1)图8—10分别为以00，760和900方向为主方向对结构进行大震弹塑性时程分析时，转换梁方案和转换斜墙方案的楼层剪力。转换斜墙方案00方向中间楼层剪力较小，而底部较大，规律性不明显；760方向15层及以下楼层剪力相比转换梁方案减小5% N10%；900方向20层及以下楼层剪力相比转换梁方案减小5% N15%。
(2)图11~13分别为以00，760和900方向为主方向对结构进行大震弹塑性时程分析时，转换梁方案和转换斜墙方案的层间位移角。转换斜墙方案中下部楼层00方向层间位移角较大，而顶部较小，原因是转换斜墙方案底部的刚度小，所以变形大，而转换层以上由于采用转换斜墙，斜墙直接与框支柱连接，使转换层以上结构的竖向刚度和水平刚度较大，所以变形变小；转换斜墙方案中上部楼层760和900方向层间位移角较小，底部层间位移角略大，原因是转换层以下结构底部刚度较小，但由于转换层的刚度提高，使中上部楼层的变形减小。
(3)两个方案在6层均出现比较明显的层间位移角突变，特别是760和900方向，原因是6层为转换层，即使采用转换斜墙过渡，也存在一定的刚度突变。
3.4构件耗能情况
由于转换斜墙方案在天然波1作用下以900方向为主方向输入地震波时，结构的层间位移角最大，限于篇幅，以下主要列出天然波1作用下以900方向为主方向输入地震波时，结构的构件耗能结果。
表3为转换梁方案和转换斜墙方案构件塑性耗能。从表3可以看出，转换梁方案和转换斜墙方案梁构件耗能比例达90%左右，原因是由于标准层连梁和框架梁高度偏小，分别只有450mm和600mm，部分框架梁和连梁过早出现了屈服。转换梁方案比转换斜墙方案的墙构件耗能比例高，因为转换梁方案刚度突变比较严重，框支墙的损伤范围较大。3.5构件损伤情况
由于结构在天然波1作用下900方向的层间位移角最大，以下主要列出天然波1作用下以90。方向为主方向输入地震波时，结构的构件损伤结果。
(1)框架柱屈服情况
由两个方案的框架柱损伤结果可以得出，转换斜墙方案底部2层部分钢筋混凝土柱钢筋出现屈服，但屈服程度不大，位于LS阶段，其他框架柱构件均未出现屈服，框支柱在大震作用下也未出现屈服，说明框支柱具有足够的强度。
从图14框支柱拉应变时程曲线可知，转换梁方案的框支柱拉应变比转换斜墙方案的大4倍左右，说明转换斜墙方案对框支柱比较有利。
(2)梁屈服情况
由两个方案的梁构件损伤结果可以得出，两个方案连梁出现大范围的破坏或屈服，原因是连梁截面较小，在大震作用下过早出现屈服，而外框梁只有个别位置出现屈服，屈服范围较小。转换斜墙方案的框架梁的损伤范围和程度比转换梁方案大，原因是转换斜墙方案的剪力墙损伤程度有所减小，使框架梁损伤比例有所增大。两个方案的转换梁均出现一定程度的弯曲屈服，其中转换梁方案的转换梁弯曲屈服范围较大，部分转换梁位于LS阶段，转换斜墙方案的转换梁弯曲屈服范围较小，部分转换梁位于IO阶段；两个方案的转换梁剪切工作状态均未出现屈服，即在大震作用下转换梁未发生剪切破坏。
从表4中转换梁轴力可知，转换梁方案比转换斜墙方案的转换梁轴力大0.8倍左右，说明转换斜墙方案的转换梁轴力相对较小。
(3)剪力墙损伤情况
从图15剪力墙混凝土受压IO状态结果可以得出，剪力墙受压损伤集中在1~3层及7~12层核心简的外围剪力墙上，剪力墙的受压损伤程度很小，位于IO阶段，其他位置的剪力墙未出现受压损伤。转换梁方案底部剪力墙受压损伤与转换斜墙方案的比较接近，而7层以上的剪力墙损伤程度明显比转换斜墙方案的大，其中转换梁方案在7~12层大部分剪力墙出现10状态的受压损伤，转换斜墙方案仅在7～9层个别剪力墙出现10状态的受压损伤，原因是转换斜墙方案的刚度突变程度不大，转换斜墙直接搭接在框支柱上，竖向变形和刚度突变程度较小。
大震作用下转换梁方案的框支剪力墙出现剪切破坏(图16(a))，而转换斜墙方案框支剪力墙在大震作用下未出现剪切破坏(图16(b))，避免了由于刚度突变使斜墙过早出现破坏。
4 结论
(1)垂直斜墙布置方向，转换斜墙方案相比转换梁方案的基底剪力和变形变化没有明显规律；接近斜墙布置方向，转换斜墙方案比转换梁方案的基底剪力和变形小，原因是转换斜墙方案的斜墙长度沿结构竖向从高到低逐渐减小，框支柱截面明显减小，使结构转换层以下刚度和质量减小，导致结构底部地震力小，而转换层以上则刚度提高，使结构中上部变形小。
(2)转换梁方案和转换斜墙方案在6层均出现比较明显的层间位移角突变，特别是760和900方向，原因是6层为转换层，但采用转换斜墙方案比转换梁方案的层间位移角突变程度小。
(3)转换梁方案和转换斜墙方案的转换梁均出现一定程度的弯曲屈服，其中转换梁方案比转换斜墙方案的转换梁轴力增大0.8倍左右，说明转换斜墙方案使转换梁的轴力明显减小。两个方案的转换梁均未发生剪切破坏。
(4)转换梁方案和转换斜墙方案在大震作用下局部框架柱出现屈服，屈服程度不大，位于LS阶段，大部分框架柱均未出现屈服。框支柱在大震作用下未出现屈服，说明框支柱具有足够的强度。转换梁方案比转换斜墙方案的框支柱的拉应变增大4倍，说明转换斜墙方案使框支柱的拉应变明显减小。
(5)在大震作用下，转换梁方案比转换斜墙方案的剪力墙受压损伤范围大。两个方案的剪力墙受压损伤均集中在1~3层及7~12层核心筒的外围剪力墙上，剪力墙的受压损伤程度很小，位于IO阶段。转换梁方案的框支剪力墙出现剪切破坏，而框支剪力墙通过斜墙过渡，在大震作用下框支剪力墙未出现剪切破坏，避免了由于刚度突变使斜墙过早出现破坏，满足大震不倒的抗震要求。
综上所述，由于转换斜墙方案具有减小刚度突变、减小结构竖向变形、在大震作用下避免了由于刚度突变使斜墙过早出现破坏等优势，本工程最终采用转换斜墙方案进行设计。
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摘要]华强金廊城市广场（一期）3#楼为框架一双核心筒结构体系，框支柱采用型钢混凝土柱，6层为转换层。采用PERFORM．3D软件对华强金廊城市广场（一期）3#楼超高层结构进行弹塑性时程分析，并对转换梁方案和转换 斜墙方案进行分析对比，通过层间位移角、楼层剪力、构件耗能和构件损伤等计算结果得出，转换梁方案的框支剪力墙在大震作用下出现剪切破坏，转换框架的屈服程度和范围较大；转换斜墙方案的斜墙在大震作用下未出现剪切破坏，避免了由于刚度突变使斜墙过早出现破坏，转换框架的屈服程度和范围较小，满足抗震性能要求。
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