鄧小波，陳銳林，胡 迪，夏祥忠，張 超

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

結(jié)構(gòu)等效剛度比對帶轉(zhuǎn)換層的L型高層建筑結(jié)構(gòu)抗震影響

鄧小波，陳銳林，胡 迪，夏祥忠，張 超

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

為了滿足多樣化的建筑使用功能，建筑上部需設(shè)計成小空間、下部設(shè)計成大空間的帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，但這樣會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻，出現(xiàn)剛度突變，受力變形復(fù)雜，因此需要根據(jù)具體工程，采用安全的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)形式的變化.結(jié)合東莞市綠地商業(yè)廣場的前期方案，針對于帶高位轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)進行整體抗震性能，以及結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度的變化對抗震性能影響的研究.運用現(xiàn)有技術(shù)，對結(jié)構(gòu)建模進行整體受力分析，對分析中存在的問題提出解決措施，同時為以后的設(shè)計施工過程提供借鑒依據(jù).結(jié)構(gòu)研究主要是通過振型分解反應(yīng)譜分析方法，運用 PKPM有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)布置的安全性與合理性進行驗算.

高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換層；抗震性能；層間位移

隨著各國工業(yè)化、城市化、商業(yè)化的發(fā)展，以及全球人口數(shù)量劇增，導(dǎo)致城市生產(chǎn)和生活用地緊張，地價昂貴，地王頻現(xiàn)，迫使建筑物豎向發(fā)展，由多層發(fā)展成為高層，乃至超高層.對建筑物的整體使用功能，也朝著多元化發(fā)展，對建筑的結(jié)構(gòu)形式提出了更高的要求，近幾十年來，各地涌現(xiàn)出多種新的結(jié)構(gòu)形式，而梁式轉(zhuǎn)換層因其傳力明確，易于分析而被廣為人知.

目前國內(nèi)高層建筑絕大多數(shù)是建于地震區(qū)，地震烈度大，大部分工程地質(zhì)條件差，風荷載大，導(dǎo)致高層結(jié)構(gòu)不僅要承受垂直荷載，更要承受水平荷載.因此能有效減小其側(cè)移，使結(jié)構(gòu)具有一定延性，已成為設(shè)計建造中的一大主要控制因素，同時建筑結(jié)構(gòu)形式越來越多樣化發(fā)展，出現(xiàn)高寬比大、周期長，這些給高層建筑結(jié)構(gòu)的精確計算和優(yōu)化設(shè)計提出了更高要求，所以積極對高層建筑的設(shè)計問題進行研究是非常有必要，它會影響到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟效益的重大問題.本文以東莞市弘景綠地商業(yè)廣場6號商業(yè)、辦公樓的帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑為工程背景，通過參考結(jié)構(gòu)設(shè)計中的現(xiàn)行規(guī)范、文獻[1-6]等資料，對帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進行抗震性能探討，以期提出一些建議，為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在涉及到計算此類結(jié)構(gòu)時參考.論文以通用有限元分析軟件SATWE為計算工具，對一帶轉(zhuǎn)換層的L型框支剪力墻實際工程結(jié)構(gòu)進行計算分析，研究等效側(cè)向剛度比對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.

1 工程概況

本工程位于廣東省東莞市常平鎮(zhèn)環(huán)常南路與新城大道交匯處，建筑主體23層塔樓，三層及三層以下為大空間的商業(yè)用樓，四層以上為辦公、住房用樓.該項目工程的樓層總層數(shù)為23層，建筑總長度為63.25 m，總寬為36.40 m，總高為84.30 m.上部3～23層為剪力墻結(jié)構(gòu)，主要用作住房或者辦公等用途，其標準層的層高為3.60 m，底部的1～3層為大空間的框支層，主要用作大型商業(yè)和娛樂活動中心的場所，首層層高為4.10 m，第二層層高4.50 m，第三層層高為7.00 m，為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的豎向荷載的傳遞，在該建筑的第3層設(shè)置梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，層高為5.00 m.其中±0.00為室內(nèi)地坪標高，相當于黃海高程標高11.00 m.結(jié)構(gòu)類型為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu).

2 結(jié)構(gòu)等效剛度比的改變

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7](JGJ 3-2010)中規(guī)定，如果轉(zhuǎn)換層設(shè)在第一層或者第二層的時候，可以近似采用轉(zhuǎn)換層與之相鄰的上層等效剪切剛度比γe，來表示轉(zhuǎn)換層的上、下部結(jié)構(gòu)的剛度變化，同時γe宜接近1；當結(jié)構(gòu)是非抗震設(shè)計時，γe不應(yīng)小于0.4，當結(jié)構(gòu)是抗震設(shè)計時，γe不應(yīng)小于0.5；當結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層的設(shè)置位置高于2層時，轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe按式2-1來計算，且取值宜接近于1，在抗震設(shè)計時等效側(cè)向剛度比不應(yīng)小于0.8，非抗震設(shè)計時不應(yīng)小于0.5[8].

(2-1)

式中，γe表示轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比；

H1表示轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)的高度；

Δ1表示轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)的頂部在單位水平力作用下的側(cè)向位移；

H2表示轉(zhuǎn)換層上部若干層的結(jié)構(gòu)高度，其取值應(yīng)該等于或者接近于轉(zhuǎn)換層及其下部高度H1，同時不應(yīng)大于H1；

Δ2表示轉(zhuǎn)換層的上部若干層結(jié)構(gòu)頂部在單位水平力的作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移.

因此可以通過增加轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的抗測力構(gòu)件的剛度，來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的變化，從而達到改變結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比.

3 結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

為了研究L型帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)在不同的等效側(cè)向剛度條件下，地震作用的反應(yīng)情況，在結(jié)構(gòu)中通過調(diào)整結(jié)構(gòu)模型中落地剪力墻的布置，達到改變等效側(cè)向剛度的目的[9].建立四個不同落地剪力墻的模型，如圖1～圖4所示，四個模型的等效側(cè)向剛度比γe分別為1.4544、1.3823、1.1778、1.0948.

圖1 γe=1.4544的結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 γe=1.3823的結(jié)構(gòu)平面布置

圖3 γe=1.1778的結(jié)構(gòu)平面布置

圖4 γe=1.0948的結(jié)構(gòu)平面布置

對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析有助于研究結(jié)構(gòu)的動力特性，使我們能更加全面的去了解結(jié)構(gòu)的自振特性，主要包括結(jié)構(gòu)的振型變化與結(jié)構(gòu)的周期變化等參數(shù)，它們作為結(jié)構(gòu)的基本屬性，能為結(jié)構(gòu)的時程分析與反應(yīng)譜分析提供一定的理論基礎(chǔ).通過確定結(jié)構(gòu)的主扭轉(zhuǎn)周期和主平動周期，計算出結(jié)構(gòu)的周期比，進一步分析結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，周期比的驗算分析在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實的同時，也驗算了結(jié)構(gòu)在承載布局方面的合理性.本文主要選結(jié)構(gòu)的前24階振型周期來進行分析研究,能夠滿足建筑在扭轉(zhuǎn)與平動X、Y方向的累計有效質(zhì)量參與系數(shù)均達到90%以上，已經(jīng)滿足了規(guī)范[8]的要求，但仍然不能判斷出不規(guī)則結(jié)構(gòu)的實際薄弱部位，因此在整個結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，需要對結(jié)構(gòu)進行動力分析.根據(jù)軟件計算的結(jié)果可以總結(jié)出結(jié)構(gòu)周期在不同的等效側(cè)向剛度比，所具有的變化趨勢.如圖5所示.

圖5 不同等效側(cè)向剛度下周期包絡(luò)圖

根據(jù)周期包絡(luò)圖的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的前幾階振型所產(chǎn)生的影響要遠大于高階振型對結(jié)構(gòu)的振動影響，因此，可以忽略掉高階振型所產(chǎn)生的貢獻.主要對結(jié)構(gòu)的前4階振型進行重點分析，研究等效側(cè)向剛度比對結(jié)構(gòu)的各個振型特征參數(shù)所產(chǎn)生的影響，前4階振型的曲線如圖6～圖9所示.

通過各個振型的振型圖與其相應(yīng)的振型參數(shù)分析對比：

1)隨著結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的逐漸減小，各個振型周期會有減小的趨勢；隨著振型編號的增加，結(jié)構(gòu)的振型周期相應(yīng)減小.

圖6 γe=1.4544的結(jié)構(gòu)振型圖

圖7 γe=1.3823的結(jié)構(gòu)振型圖

圖8 γe=1.1778的結(jié)構(gòu)振型圖

圖9 γe=1.0948的結(jié)構(gòu)振型圖

2)規(guī)范中規(guī)定，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿結(jié)構(gòu)豎向宜均勻變化，同時應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)的承載力與側(cè)向剛度突變，出現(xiàn)軟弱層.結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的材料強度與截面尺寸宜自下而上逐漸減小.為了使在結(jié)構(gòu)布置中，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的影響，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)為主第一振型Tt與以平動為主的第一振型周期T1之比，對于A級高度建筑不應(yīng)該大于0.9，對于B級建筑高度不應(yīng)該大于0.85.如若周期比不滿足上述所規(guī)定的要求，一般應(yīng)該在建模中去調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力布置，從而增大了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度.當γe=1.4544時，周期比為0.8031；當γe=1.3823時，周期比為0.7954；當γe=1.1778時，周期比為0.8003；當γe=1.0948時，周期比為0.8008；均小于85%，滿足規(guī)范要求.

3)根據(jù)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)系數(shù)與結(jié)構(gòu)X向、Y向的平動系數(shù)，可按照下列方法來判斷結(jié)構(gòu)的某一振型是扭轉(zhuǎn)振型或者是平動振型[7].

(1)當RZ>Rx+Ry時,則結(jié)構(gòu)該振型為扭轉(zhuǎn)振型.

(2)當RZRy說明該平動振型以X向的平動為主.

分析每個等效側(cè)向剛度比下的四個振型的特征參數(shù)可以得出，各振型第一階振型表現(xiàn)為X方向上的平動，第二階振型為扭轉(zhuǎn)振型，由(Rx+Ry)/RZ=0.25,故該扭轉(zhuǎn)振型中帶有Y向的平動，第三階振型為Y方向上的平動，由RZ/(Rx+Ry)=0.11,故該平動振型中扭轉(zhuǎn)分量不大，可近似為平動振型.隨著等效側(cè)向剛度比逐漸趨近于1，第二階振型的扭轉(zhuǎn)系數(shù)逐步增大，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，因此不能為了結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定，去盲目的增大結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比.

4 結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響

對上述4種模型建模分析，分析樓層的最大位移值的變化規(guī)律.不同等效側(cè)向剛度比所對應(yīng)的樓層最大位移的變化趨勢如圖10所示.

圖10 不同等效側(cè)向剛度比對應(yīng)的最大位移圖

綜合比較表中數(shù)據(jù)與圖形的變化規(guī)律，可以知道：

(1)不管結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比怎么變化，4個結(jié)構(gòu)模型中的樓層最大位移的變化趨勢變化不大.共有的特性均是結(jié)構(gòu)在樓層的底層附近，最大位移表現(xiàn)較小，同時，隨著層數(shù)的增加，樓層的最大位移逐漸增大.樓層在底層的最大位移到轉(zhuǎn)換層的緊鄰下一層之間，增長的幅度比較大，而在轉(zhuǎn)換層的附近，樓層的最大位移的增長幅度減小.相當于樓層的位移是在轉(zhuǎn)換層的部位發(fā)生了突變.另外，在轉(zhuǎn)換層以上的樓層最大位移增長的幅度比較平緩，相對于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以下的樓層來說，最大位移的增幅較小，充分表明轉(zhuǎn)換層以下的結(jié)構(gòu)是在地震作用當中的敏感部位.

(2)4個不同的結(jié)構(gòu)模型，在底層的結(jié)構(gòu)樓層最大位移的值相差不大，但是隨著結(jié)構(gòu)的落地剪力墻位置的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比減小，使得結(jié)構(gòu)的剛度逐漸增大，樓層的最大位移增長的幅度減小，同時結(jié)構(gòu)的最大位移也隨之減小，但是有一個共同點就是在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層附近均出現(xiàn)了樓層最大位移突變.

5 地震作用對結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比變化的影響

對上述4種模型建模分析，分析該結(jié)構(gòu)在不同的轉(zhuǎn)換層上下剛度比條件下，對結(jié)構(gòu)樓層的基底剪力彎矩和樓層地震力的影響.統(tǒng)計模型數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示.

表1列出結(jié)構(gòu)的基底彎矩與基底剪力，分析結(jié)構(gòu)在不同等效側(cè)向剛度比條件下的變化情形.

圖11 結(jié)構(gòu)樓層的地震反應(yīng)力變化圖

等效側(cè)向剛度比γe=1.0948γe=1.1778γe=1.3823γe=1.4544基底彎矩(kN·m)261391.83261277.41261023.46260864.71基地剪力(kN)5357.215321.075310.625282.33

從以上的圖表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)樓層地震反應(yīng)力隨著樓層的層數(shù)增加，地震反應(yīng)力大致是逐漸增加的，當?shù)竭_轉(zhuǎn)換層的位置時，樓層的地震反應(yīng)力發(fā)生了突變，之后的變化趨于平緩.但是隨著調(diào)整結(jié)構(gòu)落地剪力墻的布置情況，結(jié)構(gòu)的整體剛度大大增加，與此同時，結(jié)構(gòu)受需要承受的地震反應(yīng)力也隨之增大，因此一味的提高剛度，對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是不利的.另一方面，落地剪力墻的布置數(shù)量增多，能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，這與剪力墻過多的布置所產(chǎn)生的不利影響相比較，利大于弊，整體上來看，結(jié)構(gòu)的抗震性能還是有所提升的.同時，隨著結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的較小，結(jié)構(gòu)的基底彎矩和基底剪力都表現(xiàn)出了增大的趨勢.

6 結(jié) 語

4個不同的結(jié)構(gòu)模型，在底層的結(jié)構(gòu)樓層最大位移的值相差不大，但是隨著結(jié)構(gòu)的落地剪力墻位置的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比減小，使得結(jié)構(gòu)的剛度逐漸增大，樓層的最大位移增長的幅度減小，同時結(jié)構(gòu)的最大位移也隨之減小，但是有一個共同點就是在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層附近均出現(xiàn)了樓層最大位移突變.因此需要加強轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計.另外隨著落地剪力墻的布置數(shù)量增多，能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，這與剪力墻過多的布置所產(chǎn)生的不利影響相比較，利大于弊，整體上來看，結(jié)構(gòu)的抗震性能還是有所提升的.

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SeismicEffectofStructuralEquivalentStiffnessonL-typeHigh-riseBuildingStructureswithTransition

DENG Xiao-bo,CHEN Rui-lin,HU Di,XIA Xiang-zhong,ZHANG Chao

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In order to meet the diversified use of the building function, the upper part of the building needs to be designed into a small space, the lower part of the design with large space with a transfer layer structure. But this may lead to the uneven structural vertical stiffness and sudden changes in stiffness. Therefore, according to the specific project, a safe conversion layer structure is used to achieve the upper and lower structural changes. In this paper, the seismic performance of the structure with the high level conversion layer and the equivalent lateral stiffness of the structure are studied. By using the existing technology, the structural force of the overall force is analyzed, and the solution to the existing prollems is proposed. It can provide reference for the future design and construction process. The safety and rationality of the structure arrangement are also checked by PKPM finite element analysis software, which is mainly through vibration spectrum decomposition reaction spectrum analysis method.

high-rise building; shear wall structure; conversion layer; seismic performance; interlayer displacement

TU114

A

1671-119X(2017)03-0089-05

2017-03-10

鄧小波(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程.