黃慎江, 凌 琦,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.中國工商銀行 安徽省分行,安徽 合肥 230001)

近年來,我國高層建筑體型向著復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。由于使用功能的需要,高層建筑往往在上部樓層布置住宅、旅館,中部樓層作為辦公用房,下部樓層作商業(yè)、文化娛樂設(shè)施。不同用途的樓層需要不同的開間,就需要采用不同的結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)。為了滿足建筑功能的要求,實(shí)現(xiàn)與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置,就必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層,以滿足建筑在底部布置較大空間的要求,同時(shí)可為建筑提供較大的出入口。

1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式概述

常用的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式主要有實(shí)腹梁轉(zhuǎn)換(普通梁,寬扁梁)、桁架轉(zhuǎn)換(空腹桿桁架,斜腹桿桁架)、搭接柱轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換5種基本形式,此外,還有斜撐轉(zhuǎn)換、鋼筋混凝土拱轉(zhuǎn)換等其他轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式[1]。

對(duì)國內(nèi)外59棟帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果表明,采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)約占63%,采用桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)約占27%,采用板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)僅占10%,而采用箱形轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的高層建筑很少。從轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)材料來看,轉(zhuǎn)換層基本上采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),只有個(gè)別高層建筑(北京中國銀行總部大廈和深圳世貿(mào)中心大廈)采用了鋼桁架轉(zhuǎn)換層形式[2-3]。

實(shí)腹梁轉(zhuǎn)換是目前最常用的一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式。實(shí)腹梁轉(zhuǎn)換傳力途徑明確、受力性能好、構(gòu)造簡單、施工方便,廣泛應(yīng)用于底部為商店、餐廳、會(huì)議室,上部為住宅、公寓、綜合樓等建筑?？蛑мD(zhuǎn)換可采用實(shí)腹梁,此時(shí)實(shí)腹梁與上部的剪力墻成為一體,共同承擔(dān)上部豎向荷載。實(shí)腹梁轉(zhuǎn)換的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面尺寸大、自重大,多少會(huì)影響該層的建筑使用空間,同時(shí),易引起轉(zhuǎn)換層上、下層剛度突變,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。實(shí)腹梁轉(zhuǎn)換一般適用于上、下層豎向構(gòu)件在同一豎向平面內(nèi)的轉(zhuǎn)換。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)代表性的工程實(shí)例[4-5]見表1所列。

表1 轉(zhuǎn)換層工程實(shí)例

表1僅反映出轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一個(gè)側(cè)面。目前,大部分復(fù)雜高層建筑都設(shè)置了轉(zhuǎn)換層。研究結(jié)果表明,轉(zhuǎn)換層位置如果設(shè)置不合理,其結(jié)果將會(huì)影響高層建筑的抗震性能[6]。

2 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 相關(guān)計(jì)算規(guī)定

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑由于結(jié)構(gòu)豎向布置及剛度變化,在地震作用下受力復(fù)雜,因此在設(shè)計(jì)中采用轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度平滑過渡來控制,以達(dá)到減小震害的目的?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比應(yīng)符合本規(guī)程附錄E的規(guī)定[7]。

(1)E.0.1底部大空間為1層時(shí),可以近似采用轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比γ表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化,γ宜接近1,非抗震設(shè)計(jì)時(shí) γ不應(yīng)大于3,抗震設(shè)計(jì)時(shí) γ不應(yīng)大于2,即

其中,G1、G2分別為底層和轉(zhuǎn)換層上層的混凝土剪變模量;A1、A2分別為底層和轉(zhuǎn)換層上層的折算抗剪截面面積。

(2)E.0.2底部大空間層數(shù)大于1層時(shí),其轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比 γe可采用(2)式計(jì)算。γe宜接近1,非抗震設(shè)計(jì)時(shí) γe不應(yīng)大于2,抗震設(shè)計(jì)時(shí)γe不應(yīng)大于1.3。

其中,γe為轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比;H1為轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)的高度;H2為轉(zhuǎn)換層上部若干層結(jié)構(gòu)的高度,其值應(yīng)等于或接近 H1,且不大于H1;Δ1為轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)的頂部在單位水平力作用下的側(cè)向位移;Δ2為轉(zhuǎn)換層上部若干層結(jié)構(gòu)的頂部在單位水平力作用下的側(cè)向位移。

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型總共45層,高118.5 m,為鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換層位于第9層,采用梁式轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換層及以下梁、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45,轉(zhuǎn)換層以上混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。轉(zhuǎn)換層及其下部為框支結(jié)構(gòu),由落地剪力墻和支撐框架組成,層高4.5 m,結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示,其中型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁尺寸為800 mm×1600 mm,框支柱截面為1500 mm×1500 mm,落地剪力墻厚度500 mm。

轉(zhuǎn)換層上部為剪力墻結(jié)構(gòu),層高3 m,共41層,結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示,其中,上部結(jié)構(gòu)剪力墻厚度250 mm;框支層樓板厚度200 mm;轉(zhuǎn)換層樓板厚度250 mm;轉(zhuǎn)換層以上各層樓板厚150 mm。

2.3 結(jié)構(gòu)性能影響計(jì)算分析

采用SAP2000軟件[8],對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性振型分解反應(yīng)譜分析,計(jì)算中采用剛性樓板假定,抗震設(shè)防烈度7度,基本風(fēng)壓0.4 kN/m2,地面粗糙度為C類。設(shè)計(jì)地震分組第1組,場(chǎng)地類別Ⅱ類,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g,場(chǎng)地特征周期 Tg為0.35 s,水平地震影響系數(shù)最大值為0.04。

(1)自振周期。在分析計(jì)算中取定2個(gè)自變量,在保持計(jì)算模型總層數(shù)不變的情況下,分別將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第 5、7、9、13層;設(shè)定4種等效側(cè)向剛度比γe,通過改變轉(zhuǎn)換層上部剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)向剛度來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)16個(gè)高位轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算,研究其轉(zhuǎn)換層位置以及等效側(cè)向剛度比同時(shí)變化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。結(jié)構(gòu)橫向自振周期計(jì)算結(jié)果見表2所列。

圖1 轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)平面布置圖

表2 結(jié)構(gòu)橫向自振周期 s

轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu),由四周落地剪力墻和中部框架結(jié)構(gòu)組成,因低層建筑要求層高較高,故比上部純剪力墻結(jié)構(gòu)柔弱。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置上升時(shí),其下部框支層數(shù)加大,上部剪力墻層數(shù)相應(yīng)減少,當(dāng)總層數(shù)不變時(shí),結(jié)構(gòu)總高度稍微增加,結(jié)構(gòu)的整體剛度相應(yīng)減小,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振周期增大。由表2的數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)?shù)刃?cè)向剛度比不變時(shí),轉(zhuǎn)換層由5層移至13層,結(jié)構(gòu)自振周期增大。再者,結(jié)構(gòu)隨著等效側(cè)向剛度比增加,自振周期減小。

(2)水平地震作用。對(duì)于上述16個(gè)計(jì)算模型,轉(zhuǎn)換層位置以及等效側(cè)向剛度比同時(shí)變化時(shí),結(jié)構(gòu)對(duì)橫向水平地震力計(jì)算結(jié)果見表3所列,轉(zhuǎn)換層所在層水平地震力曲線如圖3所示。

表3 結(jié)構(gòu)水平地震力 kN

圖3 轉(zhuǎn)換層所在層水平地震力曲線

由表3、圖3的數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)?shù)刃?cè)向剛度比固定時(shí),轉(zhuǎn)換層位置從5層變換至13層時(shí),轉(zhuǎn)換層位置水平地震力先逐漸增大,后又逐漸降低[9]。由此表明,當(dāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在某一相對(duì)高度以下時(shí),水平地震力隨轉(zhuǎn)換層位置升高成正比;當(dāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層位于相對(duì)高度以上時(shí),水平地震力隨轉(zhuǎn)換層位置升高成反比。

(3)樓層位移及層間位移角。對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行彈性時(shí)程分析,將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第5、9、13層,分別對(duì)結(jié)構(gòu)輸入EL-CENT RO波、Taft波和人工合成場(chǎng)地波3種地震波。結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下樓層水平位移曲線如圖4所示,位移及層間位移角平均值如圖5所示。

圖4 樓層水平位移曲線

圖4 、圖5清晰地給出了帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)整體變形特點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在較高位置時(shí),在結(jié)構(gòu)的縱向,最大層間位移角出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層下部,且變化幅度大;當(dāng)轉(zhuǎn)換層從第5層上移至第13層,最大層間位移角增幅達(dá)112.24%。在結(jié)構(gòu)的橫向,層間位移角相對(duì)于縱向變化較小,當(dāng)轉(zhuǎn)換層從第5層上移至第 13層,最大層間位移角增幅僅5.87%。因此,在高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中,隨著轉(zhuǎn)換層上移,結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖5 樓層層間位移角曲線

(4)轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的影響。通過對(duì)4種厚度落地剪力墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算,落地剪力墻墻厚分別取300、400、500、600 mm。梁式轉(zhuǎn)換層位于第9層,轉(zhuǎn)換層上部剪力墻厚度250 mm。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上、下等效側(cè)向剛度比及落地剪力墻墻厚變化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的影響計(jì)算結(jié)果,見表4所列。不同厚度剪力墻周期對(duì)比如圖4所示。

由表4的數(shù)據(jù)分析可知,隨著轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻厚度增加,相應(yīng)墻體剛度的增加,會(huì)帶動(dòng)結(jié)構(gòu)自振周期的減小。由圖6可清晰看到不同厚度墻體對(duì)自振周期的影響,轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻體厚度改變只對(duì)結(jié)構(gòu)前3個(gè)自振周期影響較大。

表4 結(jié)構(gòu)自振周期s

圖6 不同厚度剪力墻周期對(duì)比

3 結(jié) 論

本文就轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置及其上下部剪力墻厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了探討。研究內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)自振周期、轉(zhuǎn)換層所在層水平地震力、水平位移、層間位移角,得到如下結(jié)論。

(1)轉(zhuǎn)換層的位置和轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比是影響帶轉(zhuǎn)換層高層建筑抗震性能的主要因素。

(2)帶轉(zhuǎn)換層高層建筑,轉(zhuǎn)換層所處位置越高,結(jié)構(gòu)的整體剛度越小,自振周期增大,結(jié)構(gòu)縱向水平位移明顯增大,而橫向水平位移增幅較小,位于轉(zhuǎn)換層下部的框支結(jié)構(gòu)層間位移角隨轉(zhuǎn)換層位置上移突變明顯。

(3)在梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中,不同樓板計(jì)算假定會(huì)影響相鄰樓層的剪力分配和傳力途徑。剛性樓板假定通過轉(zhuǎn)換層頂層樓板將大部分剪力傳遞到落地剪力墻上;而彈性樓板假定通過轉(zhuǎn)換層以上多層樓板將剪力逐漸傳遞到落地剪力墻上,所以,彈性樓板的剪力分配和傳力途徑更為合理。

(4)在用SAP2000計(jì)算分析時(shí),為節(jié)約計(jì)算時(shí)間,轉(zhuǎn)換層上至少要設(shè)3層樓板為彈性板假定,這樣可大致消除上層樓板過多約束對(duì)轉(zhuǎn)換層附近樓層框支剪力墻在剪力分配上存在的差異。

(5)在多遇烈度地震作用下,隨著轉(zhuǎn)換層位置升高,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移逐漸增大,但增幅不明顯,在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移增幅較大,說明隨著轉(zhuǎn)換層位置的升高,在遭遇罕遇地震破壞作用下結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重,即結(jié)構(gòu)自振周期越大。

(6)在多遇烈度地震作用下,隨著轉(zhuǎn)換層位置升高,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)鉸的數(shù)量逐漸增多,且主要分布在轉(zhuǎn)換層的下部,說明帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的破壞首先發(fā)生在轉(zhuǎn)換層的下部,但此時(shí)鉸的數(shù)量較少,結(jié)構(gòu)仍處在彈性工作階段。在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)出鉸數(shù)量明顯增多,轉(zhuǎn)換層下部梁全部出鉸,轉(zhuǎn)換層上部梁大部分出鉸。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置升高時(shí),轉(zhuǎn)換梁出鉸呈增多趨勢(shì)。底層框支柱基本未出鉸,究其原因,是由于框支柱設(shè)計(jì)時(shí)控制軸壓比,使框支柱在罕遇地震下不容易破壞,避免了結(jié)構(gòu)形成層側(cè)移機(jī)構(gòu)。

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