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）

0 引 言

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。

1 建立計(jì)算模型

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]。

2 基本動(dòng)力特性分析

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。

3 彈性動(dòng)力時(shí)程分析

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。

4 結(jié) 語(yǔ)

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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