摘 要：文章通過分析豎向靜力荷載作用和7度（35cm/s2）大震下的框架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的層間位移和出鉸情況，來對比分析這兩種結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)性能。最后，找到框架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員在對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析時應(yīng)著重注意的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部位。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)分析；大震時程

1 結(jié)構(gòu)模型

框架結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，柱截面尺寸皆為500mm×500mm；沿軸線A、B、C方向的主梁截面尺寸皆為300mm×500mm；沿軸線1～4方向的次梁截面尺寸也皆為300mm×500mm；樓板厚皆為120mm。如圖1中布置混凝土填充墻體厚度為200mm（只需要考慮它的質(zhì)量）。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，一二層梁截面尺寸皆為500mm×1000mm，三層及以上均為300mm×500mm；1-4軸線的懸挑梁截面均為300mm×500mm；轉(zhuǎn)換層混凝土斜壓桿為500mm×1000mm；樓板厚皆為120mm。

帶樓板的梁及柱的截面配筋情況如圖2所示。梁在從柱側(cè)面算起的1/4凈跨范圍內(nèi)的箍筋間距為100mm，為梁跨中部分箍筋間距的一半；柱的縱筋為820，柱中（包括梁柱節(jié)點(diǎn)）沿全高布置有間距為100mm的封閉方箍；樓板配筋亦采用φ10，雙層雙向配置，間距為200mm。

框架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

圖1 結(jié)構(gòu)平立面圖

混凝土強(qiáng)度等級為：1～5層采用C40；6、7層采用C30。恒載按實(shí)際梁、板、柱實(shí)際重量計(jì)算，不考慮裝飾荷載，活荷載按2KN/m2考慮，不考慮風(fēng)荷載。

地震波選用Al Centro波（1942，NS分量，峰值341.7cm/s2）震動方向?yàn)檠谺軸（SAP2000中X軸方向）方向地震記錄要根據(jù)7度地震的要求調(diào)整地震加速度的幅值。屈服及屈服后性能采用離散鉸來模擬。采用sap2000軟件中指定鉸。

圖2 梁（左）柱（右）截面配筋

2 7度大震下的時程反應(yīng)分析

2.1 7度（0.1g）大震作用信息

7度時，大震的《抗規(guī)2010》峰值加速度為220cm/s2； 大震下的非線性時程反應(yīng)荷載工況，比例系數(shù)為《抗規(guī)2010》7度時大震下的峰值加速度220cm/s2與地震波峰值加速度341.7cm/s2的比值。即：220/341.7=0.6438。根據(jù)前期的模態(tài)分析得出的第一和第二周期來確定質(zhì)量比例阻尼和剛度比例系數(shù)。

確定時程反應(yīng)的荷載工況數(shù)據(jù)，為對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，定義分析工況類型為“Time History（時程）”，分析類型為非線性，時程類型為直接積分；輸出時段數(shù)為地震波記錄的數(shù)據(jù)數(shù)2688，輸出的時段大小為加速度增量時段為0.02；時間積分取wilson-θ法，θ取值1.4；在SAP2000建模時全局單位為：KN，m，C，Al Centro波（1942，NS分量，峰值341.7cm/s2）中數(shù)據(jù)單位為cm/s2，所以比例系數(shù)應(yīng)縮小100倍，即6.438E-3。

2.2 7度（0.1g）大震下兩種結(jié)構(gòu)的性能對比分析

2.2.1 變形對比

（1）位移對比分析

圖3 層位移對比圖

圖4 層間位移對比圖

如圖3所示，框架結(jié)構(gòu)層位移曲線成剪切型，即隨著層號的增加，曲線切線斜率越來越大，切線越來越陡，增量越來越??；而對于轉(zhuǎn)換框架，一二層的位移相差不大，即第二層位移增量很小，分析其原因，主要是因?yàn)槎訛檗D(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換大梁及柱子的截面尺寸都比較大，側(cè)移剛度就比較大，側(cè)移就比較??；轉(zhuǎn)換框架的三層及三層以上曾位移曲線與框架位移曲線走勢基本吻合。

（2）層間位移對比分析

從圖4兩條曲線對比中可以看出，框架集轉(zhuǎn)換框架的層間位移變化相差很大。對于框架結(jié)構(gòu)，層間位移逐漸減小，主要原因是框架結(jié)構(gòu)各層構(gòu)件尺寸相差不大，其側(cè)向剛度就相差很小，但是隨著層號的增加，層間剪力越來越小，所以層間位移越來越??；而轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)，雖然轉(zhuǎn)換層的層剪力較其它層大，但轉(zhuǎn)換層剛度也較其它層大的多，所以第二層的位移增量很小，而第三層的剛度較下兩層小很多，所以層間位移突然增大很多，五層及以上的層間位移變化與框架相似。

（3）層間位移角對比分析

圖5 層間角位移對比圖

圖6 最大層間剪力對比圖

從圖5中曲線可以看出，框架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)的層間位移角變化曲線與各自層間位移變化相似，只是框架結(jié)構(gòu)在底層的層間位移角較小，這是因?yàn)橐粚拥膶痈邽?.75m，而其它層的層高為3.0m。

2.2.2 最大層間剪力對比

與層間位移對比圖相對應(yīng)，對于框架結(jié)構(gòu)而言，各層的抗側(cè)剛度較均勻，圖6中層間剪力隨著層號的增加逐漸降低，轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以上各層的層剪力變化與框架結(jié)構(gòu)相似，在轉(zhuǎn)換層中，由于其抗側(cè)剛度很大，層間位移很小，層間剪力也較小。

2.2.3 塑性鉸對比（B軸一榀框架）

（1）首次出現(xiàn)塑性鉸時的時間和變形對比

框架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

圖7 首次出現(xiàn)塑性鉸圖

在圖7中，框架結(jié)構(gòu)在第96步即1.92秒時首次出現(xiàn)塑性鉸，且出現(xiàn)在一二層的梁中，轉(zhuǎn)換框架在第84步即1.68秒時首次出現(xiàn)塑性鉸，且出現(xiàn)在三四層的梁中，原因主要是轉(zhuǎn)換框架轉(zhuǎn)換層梁截面尺寸較大，配筋也相應(yīng)較多，所能承擔(dān)的屈服彎矩就較大，在1.68秒時的彎矩還沒達(dá)到轉(zhuǎn)換梁的屈服彎矩，所以沒有出現(xiàn)塑性鉸，而在三四層的梁中由于達(dá)到其屈服彎矩而出現(xiàn)塑性鉸。

（2）30s時兩種結(jié)構(gòu)的變形及塑性鉸情況

框架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換框架

圖8 最終狀態(tài)出鉸圖

分析如圖8所示，兩種結(jié)構(gòu)均為梁柱混合鉸，框架結(jié)構(gòu)梁柱鉸主要集中在中部樓層，且在底層柱底出現(xiàn)鉸；轉(zhuǎn)換框架的梁柱鉸則主要出現(xiàn)在上部樓層，轉(zhuǎn)換層級底層基本沒出現(xiàn)塑性鉸。是因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)梁柱尺寸較為均勻，在地震作用下，能量主要通過中下部樓層的鉸消散掉，上部樓層處鉸較少；轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)中，與轉(zhuǎn)換層及底層相比，上部樓層所能承擔(dān)的屈服彎矩小，在地震作用持續(xù)下，都紛紛達(dá)到其屈服彎矩而出現(xiàn)鉸，地震輸入的能量主要通過上部樓層的梁柱鉸消散掉。

地震作用結(jié)束時，框架結(jié)構(gòu)底層柱底都出現(xiàn)較，且塑性鉸主要集中在中下部樓層；轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)塑性鉸主要出現(xiàn)在中上部樓層，轉(zhuǎn)換層基本不出鉸，且底層柱也沒出現(xiàn)較。

3 結(jié)束語

底層抽柱的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)可以看成上柔（框架部分）下剛（轉(zhuǎn)換層）的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層承擔(dān)了較大的內(nèi)力，保護(hù)了上部較弱的框架部分。另外，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)也可以看成這樣一種結(jié)構(gòu)模型：上部較柔的框架與基礎(chǔ)通過具有一定彈性的剛性轉(zhuǎn)換層相固結(jié)。即把轉(zhuǎn)換層作為較小彈性變形的固端約束連接上部框架。

因此，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換部位是關(guān)鍵部位，在抗震設(shè)計(jì)時應(yīng)按規(guī)范要求提高其抗震等級或可依據(jù)抗震性能設(shè)計(jì)方法對轉(zhuǎn)換層進(jìn)行專門分析。

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作者簡介：李軒直，身份證號：130406198811190713。