呂劍勇
(廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院環(huán)境藝術(shù)系,廣東廣州 510430)
隨著建筑功能的日趨復(fù)雜,高層建筑中設(shè)置轉(zhuǎn)換層的情況已是非常普遍?,F(xiàn)階段轉(zhuǎn)換構(gòu)件的類型有梁、桁架、斜柱、拱、厚板等,其中,桁架又包括斜桿桁架和空腹桁架等形式。在上述幾種轉(zhuǎn)換構(gòu)件當(dāng)中,轉(zhuǎn)換梁的截面往往很大,而桁架的上下弦桿可以分別設(shè)置在上下樓層,不占空間,便于轉(zhuǎn)換層的使用,并且桁架的外形輕巧,能提高建筑的藝術(shù)性。此外,空腹桁架由于不設(shè)斜腹桿,有利于建筑門(mén)窗的布置,所以空腹桁架是一種非常理想的轉(zhuǎn)換構(gòu)件形式。
帶轉(zhuǎn)換層高層建筑是一類復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu),由于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向不連續(xù),不可避免地帶來(lái)結(jié)構(gòu)剛度和應(yīng)力沿豎向的突變而形成結(jié)構(gòu)薄弱層,導(dǎo)致其在地震作用下的傳力機(jī)理十分復(fù)雜[1-8]。采用何種轉(zhuǎn)換形式更有利于抗震,是科研技術(shù)人員必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。就轉(zhuǎn)換構(gòu)件本身而言,采用空腹桁架轉(zhuǎn)換不但更能滿足建筑功能要求,而且在靜力性能上也具有一些優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)于托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),空腹桁架轉(zhuǎn)換比梁式轉(zhuǎn)換具有更好的靜力性能[9-10]。
為進(jìn)一步研究空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在托柱時(shí)的抗震性能,文中以某托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型,分析當(dāng)采用空腹桁架轉(zhuǎn)換時(shí)的基本動(dòng)力特性和彈性動(dòng)力時(shí)程響應(yīng),并與相同條件下的梁式轉(zhuǎn)換結(jié)果相比較,以判別在托柱時(shí)采用空腹桁架轉(zhuǎn)換的抗震可行性。
采用結(jié)構(gòu)分析程序SAP2000作為理論計(jì)算手段,建立三維空間有限元計(jì)算模型,如圖1所示。
圖1 某托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
除轉(zhuǎn)換構(gòu)件分別采用轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換空腹桁架外,其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)布置均相同。計(jì)算模型中的主要構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1。
表1 主要構(gòu)件截面尺寸 mm
在SAP2000有限元模型中,梁、柱和空腹桁架桿件采用兩節(jié)點(diǎn)空間框架單元,每節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度;剪力墻和樓板采用空間4節(jié)點(diǎn)板殼單元,每節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度,能夠順利地與空間框架單元協(xié)調(diào)[11]。
文中計(jì)算了兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的前30個(gè)自振周期和振型,其中前三階平動(dòng)周期和前二階扭轉(zhuǎn)周期及相應(yīng)的振型質(zhì)量參與系數(shù)見(jiàn)表2。
表2 計(jì)算模型的自振周期 s
計(jì)算模型的一階振型如圖2和圖3所示。
圖2 梁式轉(zhuǎn)換一階振型圖
圖3 空腹桁架式轉(zhuǎn)換一階振型圖
分析自振周期的計(jì)算結(jié)果,空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的前30個(gè)自振周期與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)非常接近,僅低階振型的自振周期略有差別,但相差僅為0.78%,而高階振型的自振周期則完全相同。兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式和振型出現(xiàn)次序也非常一致,X方向前三階平動(dòng)振型分別出現(xiàn)在第1,4,19振型,Y方向前三階平動(dòng)振型分別出現(xiàn)在第2,5,25振型,前二階扭轉(zhuǎn)振型分別出現(xiàn)在第3,6振型。從振型質(zhì)量參與系數(shù)來(lái)判別,兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)均是以一階振型為主。由此可見(jiàn),在托柱時(shí),空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是非常相近的。
文中按照7度多遇地震來(lái)計(jì)算兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng),分別輸入EL-Centro地震波-南北分量和唐山地震波-南北分量(北京飯店觀測(cè)點(diǎn)),地震加速度時(shí)程曲線的最大值取35 gal,調(diào)整后的加速度時(shí)程曲線如圖4所示。
圖4 調(diào)整后的加速度時(shí)程曲線
為簡(jiǎn)化工作,文中僅對(duì)兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的X方向作彈性時(shí)程分析。
計(jì)算模型在X方向的樓層剪力包絡(luò)圖如圖5所示。
圖5 計(jì)算模型在X方向的樓層剪力包絡(luò)圖
由圖5可見(jiàn),兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剪力在底部幾層略有不同,空腹桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在兩條地震波作用下的剪力均略大于梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),并且在轉(zhuǎn)換層位置存在微小的剪力突變現(xiàn)象;在結(jié)構(gòu)的中部和上部,兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剪力分布基本相同。說(shuō)明采用不同的轉(zhuǎn)換構(gòu)件對(duì)轉(zhuǎn)換層附近的上下幾層樓層剪力有所影響,但影響不大。此外,兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由唐山波引起的樓層剪力均大于EL-Centro波引起的樓層剪力。
計(jì)算模型在X方向的樓層側(cè)移包絡(luò)圖如圖6所示。
圖6 計(jì)算模型在X方向的樓層側(cè)移包絡(luò)圖
計(jì)算模型在X方向的層間位移角包絡(luò)圖如圖7所示。
圖7 計(jì)算模型在X方向的層間位移角包絡(luò)圖
由圖6和圖7可見(jiàn),兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在兩條地震波作用下的側(cè)移包絡(luò)曲線和層間位移角包絡(luò)曲線均很接近,可以判別兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度非常接近。在結(jié)構(gòu)的下部幾層,梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的層間位移角略大于空腹桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),而在結(jié)構(gòu)的上部幾層,則情況相反。兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高度的3/4處。
1)從自振周期和振型的計(jì)算結(jié)果可知,空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性是非常相近的,兩者的低階振型自振周期存在微小差別,而高階振型自振周期則完全相同,兩者的振動(dòng)形式和振型出現(xiàn)次序也完全一致。
2)從動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果可知,在轉(zhuǎn)換層附近的幾層,兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的樓層剪力略有差別,但差別不大。在地震波作用下,兩者的樓層側(cè)移和層間位移角基本相同,說(shuō)明兩者的整體抗側(cè)剛度相當(dāng)。
通過(guò)上述分析可以得出結(jié)論,在托柱情況下,采用空腹桁架轉(zhuǎn)換與采用梁式轉(zhuǎn)換在彈性階段具有相近的抗震性能,采用空腹桁架作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件在抗震上是完全可行的。
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