【专题分析】高位转换分析

本工程C、D栋上部为住宅，下部为商业，为满足大空间使用要求，C、D栋采用部分框支剪力墙结构体系。转换层设置在第6层，已超出规范限值（7度，5层）。现将转换层设置在第2层、第4层以及第6层，保证上部塔楼层数高度不变，即结构总高度分别增大12m，24m。本文数据均取自转换层及以上两层墙体。在小震作用下转换层在不同高度时分析：1、转换层框支柱和剪力墙的层剪力、倾覆力矩、层位移以及刚度比的变化趋势；2、转换梁在地震作用下弯矩和剪力的变化趋势；3、转换层以上两层剪力墙（底部加强区）的层剪力、倾覆力矩的变化趋势。

下面将转换层在第2层、第4层、第6层三个模型的周期及振型变化规律进行比较。

表1：不同转换层周期比较（秒）

从上表分析得出，随着转换层的上移，前三个振型的自振周期逐渐增大，转换层在第4层较第2层增大19%，转换层在第6层较第2层15%，增大趋势比较明显。前三个振型的振型系数随着转换层的上移未发现有明显变化。

1、转换层高度不同层剪力的变化趋势

X向地震作用下层剪力

Y向地震作用下层剪力

表2：不同转换层层剪力比较（kN）（X向地震作用）

表3：不同转换层层剪力比较（kN）（Y向地震作用）

当转换层逐渐上移时，X向地震工况与Y向地震工况楼层剪力变化趋势相同；以X方向为例，框支柱的剪力在楼层总剪力的占比随着转换层逐渐上移从39%增大到62%，占比出现了明显增大的趋势。相反，剪力墙占比反而减小。就框支柱剪力而言，转换层在第4层比第2层增大27%，第6层比第2层增大35%，随着转换层的上移，高位转换框支柱剪力明显增大。

2. 转换层高度不同倾覆力矩的变化趋势（抗规方式）

X向地震作用下倾覆力矩

Y向地震作用下倾覆力矩

表4：不同转换层倾覆力矩比较（kN）（X向地震作用）

表5：不同转换层倾覆力矩比较（kN）（Y向地震作用）

当转换层上移时，转换层的倾覆力矩逐渐增大。以X向框支柱为例，转换层在第4层时较在第2层时增大17.6%，转换层在第6层时较在第2层增大24.5%。由此说明，转换层位置越高，转换层框架柱倾覆力矩越大，对其越不利。

3. 转换层高度不同KZL弯矩及剪力的变化趋势

图4：KZL编号

3.1.KZL弯矩的变化趋势

X向地震作用下KZL弯矩

Y向地震作用下KZL弯矩

表6：不同转换层KZL截面弯矩比较（kN-m）（X向地震作用）

表7：不同转换层KZL截面弯矩比较（kN-m）（Y向地震作用）

上表数据均取跨中弯矩、支座弯矩绝对值的最大值。由上图可知，在地震作用下，KZL截面的最大弯矩随转换层的上移而逐渐增大。以X方向KZL2、KZL4、KZL5为例分析，当转换层在第4层时KZL2的截面弯矩较在第2层时增大26%，其中当转换层在第6层时KZL2的截面弯矩较在第2层时增大46%，KZL4分别增大25%和38%，KZL5分别增大20%和41%。由此可得出，随着转换层的上移，转换层KZL截面抗弯越不利。

3.2 KZL剪力的变化趋势

X向地震作用下KZL剪力

Y向地震作用下KZL剪力

表8：不同转换层KZL截面剪力比较（kN）（X向地震作用）

表9：不同转换层KZL截面剪力比较（kN）（Y向地震作用）

      由上图可知，在地震作用下转换层KZL的剪力随着转换层的逐渐上移而增大。其中KZL2、KZL3、KZL4增大比例非常明显。通过分析可知，转换层越高，KZL的截面抗剪越不利。

4. 转换层相邻上部两层剪力墙层剪力、倾覆力矩分析结果

图5：剪力墙编号

4.1 转换层相邻上部两层剪力墙层剪力变化趋势

X向地震作用下剪力墙层剪力

Y向地震作用下剪力墙层剪力

表10：不同转换层相邻上部两层剪力墙层剪力对比（kN）（Y向地震作用）

表11：不同转换层相邻上部两层剪力墙层剪力对比（kN）（X向地震作用）

       从上图可知，在X向地震作用下转换层相邻上部两层剪力墙的层剪力随转换层上移出现逐渐增大的趋势，转换层在第6层时，相邻上部一层剪力墙较在第2层增大6%，在第4层时较第2层增大3%。

4.2 转换层相邻上部两层剪力墙层倾覆力矩变化趋势

X向地震作用下剪力墙倾覆力矩

Y向地震作用下剪力墙倾覆力矩

表12：不同转换层相邻上部两层剪力墙倾覆力矩对比（kN-m）（X向地震作用）

表13：不同转换层相邻上部两层剪力墙倾覆力矩对比（kN-m）（Y向地震作用）

从图中可知，随着转换层逐渐上移，转换层相邻上部两层剪力墙倾覆力矩出现增大的趋势。在X向地震作用下，转换层在第4层较第2层增大4%，转换层在第6层较第2层增大7%，随着转换层逐渐上移，倾覆力矩对转换层相邻上部两层剪力墙越不利。

5.转换层高度不同侧向刚度比的变化趋势

本文刚度比计算公式为：

式中：γ为转换层与相邻上层侧向刚度比；

表14：不同转换层侧刚比的对比（mm）

表15：不同转换层层间位移对比

由上图可知，随着转换层逐渐上移，转换层与相邻上一层的侧向刚度比明显削弱，转换层层间位移越大，且增幅非常显著。转换层高度越高，对转换层刚度控制越不利。

本工程建立了三个模型对转化层在不同高度时对转换层框支柱和剪力墙的层剪力、倾覆力矩、层位移、刚度比、转换梁在单工况作用下弯矩和剪力以及转换层相邻上部上两层剪力墙（底部加强区）的层剪力、倾覆力矩的变化趋势，得出如下结论：

1.当转换层逐渐上移时，X向地震工况与Y向地震工况下楼层剪力变化趋势相同；随着转换层的上移，高位转换框支柱剪力在总剪力占比从39%增大到62%，框支柱本身的剪力也明显增大。

2.通过对地震作用下转换层总剪力、框支柱以及剪力墙的倾覆力矩分析，随着转换层的上移，整体框支结构由剪切变形逐步向剪弯型转变，转换层层剪力减小；倾覆力矩变化甚微，并不敏感。 

3.通过选取典型KZL的截面最大弯矩和剪力进行分析，随着转换层的上移，弯矩和剪力明显增大，转换层越高，KZL受力越不利。

4.通过对转换层相邻上部两层剪力墙的层剪力分析，随着转换层的上移，其剪力越大。 

5.通过对转换层与相邻上层的侧向刚度比以及转换层层间位移的分析，转换层高度越高，对转换层刚度控制越不利。

针对本文分析，得出高位转换结构的特性：

1、转换层下部的整体框支结构由剪切变形逐步向剪弯型转变，下部墙体抗侧性能逐渐减弱，柱抗侧性能逐渐增加，层数越高越明显，因此需着重关注框支柱及框支梁的设计复核与加强，确保结构安全；

2、转换层位置越高，转换层上部两层剪力墙层剪力增大，层数越高越明显，容易造成墙体开裂，需着重关注转换层相邻上部两层剪力墙的设计复核与加强，确保结构安全；

3、转换层越高侧向位移越大，侧刚比越小，更容易形成薄弱层，因此需着重关注转换层上下剪切刚度比，同时需保证底部框支、框架与等效上部楼层的侧刚比，减小突变效应，确保结构安全。

针对上诉高位转换特性拟提出如下加强措施：

1、随着转换层上移，柱剪力增大，将框支柱最小配筋特征值由特一级增大0.03提升至增大0.05，体积配箍率由不小于1.6%提升至不小于1.8%；柱纵向钢筋最小配筋率由1.1%提升到1.3%，框支柱占总剪力比值由0.2Qo提升至0.35 Qo。

        2、随着转换层的上移，KZL上下钢筋最小配筋率由特一级不小于0.6%提升至不小于0.8%，加密区箍筋最小面积配筋率由特一级不小于1.3ft/fyv提升至1.5ft/fyv。

        3、转换层与其相邻上层的侧刚比限值由0.6提升至1，等效刚度比限值由0.8提升至1。同时控制大底盘转换层的扭转效应，使其位移比在1.2以内。

       4、转换层相邻上部两层剪力墙层剪力增大，将该两层的墙体水平和竖向分布钢筋的最小配筋率由不小于0.3%提升至0.4%。