(青島理工大學,山東 青島 266033)
當前,建筑物的空間大小及數量、空間分布十分明確,上部多為較小的空間,其豎向荷載不能直接傳遞給下部樓層。因此,應設置位于上下空間的轉換層,形成上下剛度大小不同的框支剪力墻結構體系。本文就對轉換層位置對結構抗震性能的影響進行了研究。
由于樓層上部和下部使用功能、結構類型不同,需對不同樓層的結構進行轉換,其被稱為轉換層。轉換層的主要類型有:一是梁式轉換。這一轉換方式受力清晰,多使用梁式、桁架式和板式,建筑材料多為混凝土和鋼架。其結構為框支柱和框支梁,框支柱和轉換梁的截面較大,較為脆弱。二是厚板轉換。這一轉換方式多用在結構上下部軸網相互交錯、剪力墻布置復雜的情況中。在地震中由于厚板剛度比相鄰樓板的剛度大,兩者產生的薄弱層不利于抗震。三是桁架式轉換。這一轉換方式具有受力性強、耗材少等優(yōu)點,但施工較麻煩,而且下弦桿撓度大易裂縫。四是斜柱式轉換。桁架轉換和梁式轉換的結合即為斜柱轉換,其空間小、靈活度高,能夠實現豎向荷載的傳遞以及側力的傳遞。
某工程位于山東省淄博市,地上建筑26層,地下2層,總高度87.00m,建筑總面積18827平方米。其中,地下每層高度為4.5m,地上第一二層的高度為3.9m,三四層的高度為3.6m,四層以上的每層高度為3m。建筑頂部有水箱間和電梯間。第一層到第三層為商場,其余為公寓。這一建筑為框支剪力墻結構,轉換層在3層,使用鋼筋混凝土梁式轉換層。上部剪力墻的厚度為250mm,下部剪力墻的厚度為400mm。其構件為轉換梁特一級抗震,非加強部位的落地剪力墻為一級。
1)模型的建立。根據有關規(guī)范建立PKPM-CAD模型分析構件結構,其主要信息如下:一是按照有關要求設計框支柱以及剪力墻的軸壓比,二是嚴格控制轉換層上部、下部樓層的高度比,三是轉換層的位置決定了落地剪力墻和框支柱各自的剪力比例,應提高樓板厚度,四是為了減小扭力,主要使用調整構件截面、布置方式等。
2)計算。主要包括:①振型及地震力方向角。取用28個振型,計算結構周期、扭轉作用力,地震作用的最大方向角為-0.669°。②扭轉周期和平動周期比。兩者比為0.83,小于0.85,滿足有關技術規(guī)范的規(guī)定。③有效質量系數。X向的有效質量系數為98.74%;Y向有效質量系數為98.82%。
3)結構變形分析。受地震影響,在X向上,第27層的位移比最大,位移角為1/2732;在Y向上,第22層的位移比最大,位移角為1/186。當偏心地震發(fā)生時,構件的位移比要比1.5小,符合有關標準的要求。還可以提高落地底部剪力墻的墻肢厚度來提高剪力墻剛度,以使轉換層的上下剛度比滿足技術規(guī)程要求,且大于1.0。另外,沿豎向的剪切剛度在Y方向上的突變,結構層位置、樓層位移角的轉換層也發(fā)生了突變。
轉換層的位置分別設置在第3層、第5層、第7層,標記為M3、M5、M7。轉換層下部由落地剪力墻和框架構成,其下部高度為4.5m,上部為3m。
使用PKPM-SATWE進行反應譜分析,得出轉換層位置下結構的自振周期。當轉換層位置升高時,結構自振周期逐步提高。轉換層位置較高時,結構的扭轉效應突出。因此,在建設過程中轉換層的位置不能設置過高。
當轉換層的位置升高時,其結構層的突變程度也會變大,下部結構為剪切變形,上部結構為彎曲變形。而且當轉換層的位置升高時,結構的頂點位移也會不斷變大,層間位移角的突變幅度也會變大。從底部到轉換層處,層間位移角的數值逐步變大,而轉換層位置上的位移角是隨機變化的。在本案例中,轉換層從第3層提高到第5層時,結構頂點位移增大了約15.20%,最大層間位移角增大6.69%,從第5層到第7層的轉換層結構頂點位移和最大層間位移角增大了22.42%和46.21%??梢姡D換層位置升高時,結構的柔性越大,越不利于抗震。轉換層位置越高,最大層間位移角的位置會逐步下降,下部越容易出現薄弱層。
在轉換層,因為其轉換梁剛度大,地震作用力也較大。隨著轉換層位置的提高,結構總剛度變小,其地震作用也逐漸變小。在轉換層處,地震作用力的突變增大,應力集中也容易產生,抗震也受到了不利影響。
對比發(fā)現:①當轉換層上部剪力墻的層數減少時,位置軸的軸力會不斷減小。當轉換層位置升高時,柱子的剪力會逐漸變小。導致這一結果的原因是,結構的絕對剛度變小時,地震作用力也減小。②當轉換層位置變高時,框支層的數量逐漸增多,導致其結構的總剛度減小,所受到的地震力也變小,抗側力構件分配的內力也變小。
一是頂點位移的曲線變化。當地震波作用相同時,頂點時程位移曲線相似,Electro波的頂點位移最大,而Taft波的頂點位移最小。即如果地震波作用相同而轉換層位置不同時,頂點位移最大值的發(fā)生時間也不同。二是基底剪力時程曲線。受不同地震波作用的影響,結構基底時程曲線是不同的,基底剪力最大值的發(fā)生時間也不同。
當提高轉換層位置后,這一框支剪力墻結構的框支柱截面變大,根數增多,結構剛度和質量的分布很不規(guī)則,進而使結構自振周期逐漸變小,影響了地震系數,進而導致地震對結構產生的作用力變大,基底建立也隨之增大。
本文使用了PKPM-SATWE軟件對轉換層位置的抗震性能進行了分析,框支框架比重、結構的自振周期隨著轉換層高度的提高變小,基底剪力也逐漸變大。而且在轉換層升高后,相鄰轉換層位移角的突變更加明顯,容易形成薄弱層,進而其抗震能力也弱。