等效剛度比對框支轉換結構抗震性能影響研究

姬利霞 張 強

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引言

隨著我國城鎮化建設步伐日益加快，大中型城市人口數量不斷增多、建設用地日趨緊張，國內高層建筑正朝著多元化、多功能的大型綜合體穩步發展[1]。建筑的使用功能沿豎直方向要發生變化，下部樓層作為商場、飯店，上部樓層作為住宅、旅店等，為滿足不同建筑功能需求，會在房屋豎直方向布置轉換層，框支剪力墻結構便應用而生[2]。

框支剪力墻結構在轉換層上下樓層剛度不連續，在水平地震作用下轉換層變形、內力往往會發生突變，易形成薄弱層[3]。等效剛度比的合理選擇可以大大減弱地震作用下的災害，因此研究這個參數對轉換結構的設計有重要意義。

1 工程概況

該工程為一帶核心筒的框支剪力墻轉換結構，地上主體結構為22層，帶1層地下室。轉換層設置在第3層，框支層樓層高度為5 m，轉換層以上各樓層高度均為3 m，結構主體總高度為72 m。該工程所在地區為8度抗震區，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

結構主要受力構件尺寸：框支柱1 000 mm×1 000 mm，轉換梁800 mm×1 600 mm，轉換層樓板200 mm，其他層樓板150 mm，落地剪力墻350 mm，其他層剪力墻200 mm。結構平面、立面圖如圖1，圖2所示。

基于原工程，改變主要受力構件尺寸，得到四組計算模型，如表1所示。

2 分析結果

2.1 自振周期

由表2可知，結構前三階振型的自振周期受等效剛度比γe的影響較大，特別是基本周期，高階振型對應的自振周期受γe的影響甚微。此外，經表2計算可知，A組模型中，框支柱截面為700 mm×700 mm～1 000 mm×1 000 mm，結構γe值增大52.5%，第一周期減小7.9%；B組模型中，轉換層上部剪力墻厚度為110 mm～300 mm，結構γe值減小39.7%，第一周期減小3.3%；C組模型中，下部核心筒剪力墻厚度為200 mm～650 mm，結構γe值增大63.9%，第一周期減小5.5%；D組模型中，轉換層和下部樓層梁截面尺寸為300 mm×800 mm～400 mm×1 200 mm，結構γe值增大68.9%，第一周期減小5.3%。可見改變框支層柱子尺寸比改變其他三個參數對結構自振周期的影響大。

表1 四組計算模型構件尺寸

表2 結構自振周期

2.2 樓層位移與位移角

結合圖表可得：

1)由表3可知，B組模型中改變剪力墻厚度對結構水平位移影響不大。A組、C組、D組模型的樓層位移值隨著γe的增大而減小，這是因為γe越大，結構越剛。

表3 各組模型的最大位移與最大位移角

2)由圖3，圖4可知，轉換層附近樓層位移與層間位移角均發生突變，等效剛度比γe越大，這一突變越緩和。此外，γe大于1.0時樓層位移突變程度比γe小于1.0時小，結構設計時應合理控制γe來減小轉換層附近的變形突變[4]。

3)從表3可知，結構最大層間位移角在第8層、9層，框支層位移角沒有成為控制因素，在結構設計時既要加強薄弱層，又要對易發生破壞的樓層采取抗震措施[5]。A組模型，由A1到A4γe值增大52.5%，結構最大位移減小8.4%，最大層間位移角減小3.3%；B組模型，由B1到B4γe值減小39.7%，結構最大位移減小1.7%，最大層間位移角減小5.2%；C組模型，由C1到C4γe值增大63.9%，結構最大位移減小5.9%，最大層間位移角減小1.1%；D組模型，由D1到D4γe值剛度比增大68.9%，結構最大位移減小4.6%，最大層間位移角減小1.4%。通過改變構件截面尺寸得到不同γe值，結構變形特征有明顯差異，框支柱尺寸對結構的最大位移影響較大，框支層以上剪力墻厚度對結構最大層間位移角影響最大。限于篇幅只羅列部分位移圖(見圖3，圖4)。

2.3 樓層剪力

限于篇幅只羅列部分模型樓層剪力曲線圖(見圖5，圖6)。

表4 剪力突變值

從以上樓層剪力分析結果可得：

1)由圖3，圖4知，在A組、C組、D組模型中，結構的樓層剪力隨γe的增大而增大；B組模型中結構樓層剪力隨著γe的增長而減小，此時γe的增大是轉換層上部剪力墻體變薄引起的，結構質量變輕、剛度變小，故樓層剪力變小。A組模型，由A1到A4γe值增大52.5%，結構底層剪力增大9.6%；B組模型，由B1到B4γe值減小39.7%，結構底層剪力增大23.8%；C組模型，由C1到C4γe值增大63.9%，結構底層剪力增大6.9%；D組模型，由D1到D4γe值增大68.9%，結構底層剪力增大9.5%。由此可見，剪力墻厚度的改變對樓層剪力影響最大。

2)由表4可知，轉換層部位樓層剪力發生突變，四組模型中剪力突變隨著γe的增大而增大。此外，D組模型的樓層剪力突變比其他三組緩和，可見結構設計時通過調整框支層梁截面尺寸能夠有效控制結構豎向抗側剛度，使結構受力趨于均勻[6]。

3 結語

采用SAP2000對16個計算模型分析后，結論如下：

1)結構低階振型的周期受等效剛度比γe的影響較大，尤其是基本周期，高階振型的周期受其影響較小。此外，改變框支柱截面尺寸比改變其他三個因素對結構自振周期的影響大。

2)改變上部剪力墻厚度對結構水平位移的影響較小。通過改變框支柱尺寸、下部核心筒厚度、轉換層及下部樓層的梁截面尺寸，來改變等效側向剛度比γe的值，樓層位移會隨著γe的增大而減小。框支柱尺寸對結構的最大位移影響較大，框支層以上剪力墻厚度對結構最大層間位移角影響較大。

3)轉換層附近樓層位移與層間位移角均發生突變，γe越大突變越緩和，結構設計時應合理控制γe來減小轉換層處的位移突變。結構最大層間位移角出現在第8層、9層，結構設計時要對薄弱部位采取抗震措施。

4)轉換層部位樓層剪力發生突變，四組模型中剪力突變隨著γe的增大而增大。調整框支層梁截面尺寸能夠有效控制結構的豎向抗側剛度，使結構受力趨于均勻。

參考文獻:

[1] 陳 勇,趙雅娜,余 海.帶轉換層高層建筑現狀和發展趨勢[J].四川建筑,2008,6(1):111-115.

[2] 唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[3] Kuang J S,Zhang Z J.Analysis and Behavior of Transfer Plate-shear Wall systems in Tall Buildings.The structural Design of Tall and special Buildings[J].John Wiley&sons,2003,12(5):409-421.

[4] 趙文文.帶梁式轉換層的復雜高層建筑抗震性能研究[D].西安：西安建筑科技大學,2013.

[5] 唐純能.高層建筑梁式轉換結構受力特性與地震反應分析[D].杭州：浙江大學,2010.

[6] 郝安民,黃雄軍.帶轉換層剪力墻結構的彈性抗震性能研究[J].工程結構,2008(4):131-133.