摘 要：在建筑業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，高層設(shè)計中樓層高度差異或局部錯、躍層或設(shè)置轉(zhuǎn)換層、或豎向構(gòu)件的不連續(xù)等結(jié)構(gòu)體系的運用越來越廣泛，往往造成豎向剛度的突變，形成結(jié)構(gòu)薄弱層。本文中，通過高層結(jié)構(gòu)薄弱層模型計算的處理，了解結(jié)構(gòu)薄弱層的定義，采取一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計模型計算處理措施，根據(jù)規(guī)范的要求經(jīng)過合理的計算以保證結(jié)構(gòu)薄弱層的承載和變形能力。

關(guān)鍵詞：高層結(jié)構(gòu) 薄弱層 計算模型

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)薄弱層的計算指標是考量建筑物承載能力重要的指標。盡可能的在設(shè)計中避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層，且在無可避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層時，盡可能通過有效的模型計算措施來避免結(jié)構(gòu)薄弱層出現(xiàn)在應(yīng)力集中部位，保證結(jié)構(gòu)薄弱層的安全性、穩(wěn)定性。

一、高層結(jié)構(gòu)薄弱層的定義和規(guī)范要求

《高規(guī)》的3.5.2條規(guī)定：高層建筑，如：框架-剪力墻、板柱-剪力墻、剪力墻、框架-核心筒、筒中筒結(jié)構(gòu)，樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比按式3.5.2-2計算，且本層與相鄰上層的比值不宜小于0.9；當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1，對結(jié)構(gòu)底部嵌固層，該比值不宜小于1.5。

《高規(guī)》的3.5.3條規(guī)定：A級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的75%。

《高規(guī)》的3.5.4條規(guī)定：抗震設(shè)計時，結(jié)構(gòu)的豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。

《高規(guī)》的3.5.4條規(guī)定：側(cè)向剛度變化、承載力變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)性不符合高規(guī)第3.5.2～4條要求的樓層，其對應(yīng)于地震作用標準值的剪力應(yīng)乘以1.25的增大系數(shù)。

二、高層結(jié)構(gòu)薄弱層計算的處理

在高層結(jié)構(gòu)薄弱層的計算之前，要對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行合理的模型建立，根據(jù)模型的計算數(shù)據(jù)來指導(dǎo)后續(xù)的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計。其中模型建立的依據(jù)有以下三點：

1.薄弱層安全模型計算通過結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)來完成；

2.薄弱層安全模型計算通過結(jié)構(gòu)體的承載能力來完成；

3.薄弱層安全模型計算通過結(jié)構(gòu)物之間的塑性變形位移（可以考慮歐拉公式計算）來實現(xiàn)。

首先是剛度的相關(guān)參數(shù)的比對，按上述規(guī)范要求進行正確的結(jié)構(gòu)薄弱層的判定。根據(jù)《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計出合理的剛度指標，其中對于如地下防空結(jié)構(gòu)的鑲嵌式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層之間的剛度要求是否滿足承載力的要求，要進行圖形的還原形成具體的計算模型，同時根據(jù)高層建筑物的模型的抗壓、彎變形的剛度指數(shù)Ki = Gi *Ai / hi來判斷結(jié)構(gòu)薄弱層的穩(wěn)定性；此外還可以根據(jù)結(jié)構(gòu)物在抗剪、彎變形的剛度指數(shù)Ki = Vi+1Δi *hi / （Vi+1Δi *hi+1）來判斷結(jié)構(gòu)薄弱層的穩(wěn)定性。在滿足以上兩條指標的同時，調(diào)整高層建筑規(guī)范中對于地震影響產(chǎn)生的多向抗剪、抗彎和抗壓效應(yīng)所產(chǎn)生的的位移變化，根據(jù)位移Ki = Vi / Δi 的變化來計算出相應(yīng)的剛度數(shù)值，最終計算出最為合理的薄弱層的計算結(jié)果。值得提到的是，在調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度計算數(shù)據(jù)的同時，還能夠在結(jié)構(gòu)的薄弱層處調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度，或者是調(diào)整結(jié)構(gòu)物內(nèi)部材料的布置情況，加強結(jié)構(gòu)材料強度及承載能力，更好的使得薄弱層穩(wěn)定性加強。

其次是在薄弱層技術(shù)模型建立的過程中依據(jù)結(jié)構(gòu)體系的承載能力來完成。在規(guī)定中，薄弱層的計算模型中要根據(jù)地震效應(yīng)來選取技術(shù)安全數(shù)值，在地震安全值的基礎(chǔ)值之上乘以1.25，形成新的安全數(shù)值。尤其是一些因壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的變形狀況的發(fā)生，如果在模型的建立中出現(xiàn)這樣的位移情況發(fā)生，要在樓板剛度計算中，增加彈性樓板和增加板厚的方式來實現(xiàn)位移歸零的工作。再在計算的基礎(chǔ)上，形成具體的結(jié)構(gòu)薄弱層的模型，最終在承載力的計算中得出相應(yīng)的薄弱模型計算值。然后檢查出原先找到的薄弱層，進行再確認，并根據(jù)相關(guān)指數(shù)繼續(xù)計算。必須指出的是，調(diào)整結(jié)構(gòu)各樓層地震剪力系數(shù)后，會出現(xiàn)薄弱層承載力超標的情況，只能根據(jù)調(diào)整鋼筋的配筋率來進行解決，如將配筋率的系數(shù)相應(yīng)的提高。

最后一點是通過結(jié)構(gòu)物之間的塑性變形位移來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，指罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移不超過彈塑性層間位移角，屬變形能力極限狀態(tài)驗算。規(guī)范中規(guī)定罕遇地震影響系數(shù)最大值的取值，7度αmax為0.50或0.72；8度αmax為0.9或1.2；9度αmax 為 1.4。常用的計算和復(fù)核方法：彈性動力時程分析方法、彈塑性靜（動）力時程分析。

罕遇地震作用下的薄弱層動力彈塑性時程分析采用《中國建筑科學(xué)研究院編制的多層及高層結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析軟件EPDA》。該程序所提供的動力時程分析是一個全三維的有限元分析，而且能夠考慮計算結(jié)構(gòu)在整個地震作用過程中每一時刻的內(nèi)力和變形狀態(tài)值。

在高層結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析中，地震波的選擇對分析結(jié)果影響的程度也比較大，不同地震波帶來不同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。分析過程中，按地震波選波三要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間），選取場地上兩組天然波及一組人工合成波RH2TG045進行分析。

薄弱層動力彈塑性分析結(jié)果：

（1）薄弱層結(jié)構(gòu)在完成20秒動力彈塑性分析后，最大頂點位移、最大層間位移角，在考慮P-Δ效應(yīng)影響的情況下，結(jié)構(gòu)最終仍保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

（2）最大樓層位移曲線包絡(luò)線，各最大樓層位移由下而上均勾增長，應(yīng)未出現(xiàn)明顯的局部突變；在結(jié)構(gòu)薄弱層（層高較大）、加強層、結(jié)構(gòu)立面收進部位）層間位移角及有害位移角相對上層略有突變，與彈性計算結(jié)果中相關(guān)層剛度變化吻合，即與之前常遇地震的反應(yīng)一致，在設(shè)計中，需加強對該部分樓層的構(gòu)造措施。

對于薄弱層結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼等動力特性以及結(jié)構(gòu)的極限承載能力、變形能力和延性等都取決于材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的形式，很難用純粹的理論分析法求解，因而需要借助動力試驗方法來確定，這也可以進一步驗證理論分析法的正確性和精度。任何建筑結(jié)構(gòu)都必須要滿足建筑承載設(shè)計規(guī)范的要求，對于目前大量出現(xiàn)的超高層、復(fù)雜建筑一般都是通過振動臺模型試驗來驗證其在加壓作用下是否滿足建筑規(guī)范的承載要求。

四.結(jié)束語

本文中就高層結(jié)構(gòu)的薄弱層方面進行研究，以結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)、結(jié)構(gòu)體系的承載能力、結(jié)構(gòu)體系之間的塑性變形位移三個方面來討論模型建立的依據(jù)，并對薄弱層的模型計算調(diào)整進行了分析和研究，以保證高層結(jié)構(gòu)薄弱層在承載過程中的安全穩(wěn)定。

參考文獻

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