型鋼混凝土框支框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能分析

摘要：對帶型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換層的型鋼混凝土框支框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)進行有限元計算分析，研究了轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度及轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比變化時，其地震作用下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一般規(guī)律，結(jié)果表明，此類結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度可適當提高，適合高位轉(zhuǎn)換；抗震設(shè)計時，對轉(zhuǎn)換層附近外框架應(yīng)予以加強，對于高位轉(zhuǎn)換，應(yīng)重點加強轉(zhuǎn)換層上一層外框架；設(shè)計轉(zhuǎn)換層上1～2層的外框架時，相對其它框架柱，應(yīng)強化框支柱；轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比宜控制在0.86～1之間。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土框支框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換層；等效側(cè)向剛度比

中圖分類號：TU311 文獻標識碼：A

近十幾年來，我國高層建筑普遍采用高層混合結(jié)構(gòu)，起初，鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍，但該結(jié)構(gòu)中核心筒剛度遠遠大于外鋼框架，使該結(jié)構(gòu)抗震性能不協(xié)調(diào)，不能合理地分擔地震力，在罕遇地震作用下有可能無法起到第2道防線的作用，因此在地震區(qū)，特別是高烈度區(qū)，較少采用，采用型鋼混凝土柱增加了外框架的抗拉、抗彎、抗剪性能，保證了框架能夠承擔較大的傾覆力矩和剪力，型鋼混凝土框架作為框架一核心筒結(jié)構(gòu)第2道防線是一種理想的形式，因此，近年來型鋼混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在我國地震區(qū)(特別是高烈度區(qū))得到了廣泛的應(yīng)用。

高層建筑中，為適應(yīng)建筑使用功能的要求，在結(jié)構(gòu)中往往要設(shè)置轉(zhuǎn)換層，梁式轉(zhuǎn)換層由于其傳力直接、明確，便于計算而得到了廣泛的應(yīng)用，近年來由于型鋼混凝土(SRC)轉(zhuǎn)換梁承載力高，剛度好，塑性、耐久性及抗震性能高，在實際工程中逐漸得到應(yīng)用，兩者結(jié)合就形成了型鋼混凝土框支框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，設(shè)置轉(zhuǎn)換層后，結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻性受到破壞，力的傳遞途徑有很大的改變，轉(zhuǎn)換層附近易形成薄弱層，因此，有必要對該結(jié)構(gòu)的抗震性能進行分析。

1 研究的主要內(nèi)容

本文采用有限元分析、設(shè)計軟件ETABS對型鋼混凝土框支框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進行了多方面的計算分析，從中總結(jié)出轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度及轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比改變時，其地震作用下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一般規(guī)律，地震反應(yīng)包括對結(jié)構(gòu)自振周期、頂點位移、層間位移角、各層總剪力(彎矩)分布、轉(zhuǎn)換層附近內(nèi)力分布及框支柱內(nèi)力分布等幾個方面，提出了地震區(qū)采用型鋼混凝土框支框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點。

2 計算模型

本文參考實際工程，建立了一典型的型鋼混凝土框支框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)分析模型，該模型總高度為109.5m，內(nèi)部混凝土核心筒至上而下貫通整個結(jié)構(gòu)，外圍型鋼混凝土框架由底部稀柱通過SRC大梁轉(zhuǎn)換為上部密柱，圖1為轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)平面布置圖，本文假定結(jié)構(gòu)模型嵌固于地面，轉(zhuǎn)換層位于第3層，轉(zhuǎn)換層及以下層高4.5m，轉(zhuǎn)換層以上層高3m，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻，外圍框架柱均為SRC柱，框架梁為鋼梁，轉(zhuǎn)換梁采用SRC梁，鋼梁與SRC柱均為剛接，與核心筒均為鉸接，結(jié)構(gòu)樓面布置采用壓型鋼板混凝土組合樓面，構(gòu)件的截面尺寸如表1所示，樓面恒載僅考慮構(gòu)件自重，樓面活荷載取2.0kN／m²，地面粗糙度為B類，抗震設(shè)防烈度為8度，場地土類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第1組。

3 轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

本節(jié)以第2節(jié)的計算模型為基礎(chǔ)，通過增加(或減少)轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)層數(shù)，相應(yīng)減少(或增加)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)層，使結(jié)構(gòu)的總高度基本保持不變，結(jié)構(gòu)層數(shù)分別為31～35層，建立了6個三維有限元計算結(jié)構(gòu)模型進行分析，各模型轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度如表2所示，采用振型分解反應(yīng)譜法，僅考慮x方向地震作用。

3.1 對結(jié)構(gòu)自振周期的影響

由表3可知(振型1，2分別表示X，y方向平動，振型3表示繞Z軸扭轉(zhuǎn))：當轉(zhuǎn)換層位于7層以下時，轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大于上部結(jié)構(gòu)，隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，結(jié)構(gòu)的整體剛度增強，反之，當轉(zhuǎn)換層位于7層以上時，結(jié)構(gòu)的整體剛度隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增大而削弱。

3.2 對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響

從圖2和圖3中知：當轉(zhuǎn)換層位于5層及5層以上時，模型層間位移角曲線在轉(zhuǎn)換層所在層附近處存在明顯突變，且隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，突變越來越大，在7層及以上時表現(xiàn)得更為明顯，由圖2可知，可采用轉(zhuǎn)換層下一層層間位移角θ₂與轉(zhuǎn)換層層間位移角θ₂之比來表示轉(zhuǎn)換層附近剛度的突變情況，若θ₁/θ₂>1，則表示轉(zhuǎn)換層下一層的剛度小于轉(zhuǎn)換層的剛度，對抗震不利；若θ₁/θ₂<1，則表示轉(zhuǎn)換層下一層的剛度大于轉(zhuǎn)換層的剛度，結(jié)構(gòu)豎向剛度分布下大上小，符合抗震要求，對于模型B～E，θ₁/θ₂分別為：0.83，0.99，1.04，1.07和1.09，這說明，隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，轉(zhuǎn)換層附近出現(xiàn)剛度突變且程度逐漸加劇。

3.3 對層地震剪力分配的影響

由圖4～6圖可知：

1)隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，轉(zhuǎn)換層樓層地震作用逐漸減小，由此可知，高位轉(zhuǎn)換可減小轉(zhuǎn)換層的地震作用，對轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計是有利的。

2)在轉(zhuǎn)換層附近，外圍框支框架承擔的地震剪力出現(xiàn)了明顯的突變(增大)，剪力的突變主要集中在轉(zhuǎn)換層上下1～2層處，尤其以轉(zhuǎn)換層上下1層處最為劇烈，且隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，突變程度越來越大。

3)隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，外圍型鋼混凝土框支框架承擔的剪力最大值逐漸由結(jié)構(gòu)中部樓層下移至轉(zhuǎn)換層上一層處，因此，對于高位轉(zhuǎn)換型鋼混凝土框支框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，在外圍框架設(shè)計時，應(yīng)加強轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)底部框架配筋。

為進一步了解模型轉(zhuǎn)換層附近外框支框架與內(nèi)筒剪力的分布情況，表4給出了模型A～F轉(zhuǎn)換層附近剪力分布。

由表4可知，隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，在轉(zhuǎn)換層附近樓層中，外框支框架所承擔的地震剪力占樓層總地震剪力的比率逐漸增加，當轉(zhuǎn)換層位于5層以上時，轉(zhuǎn)換層上層框支框架承擔地震剪力大于核心筒承擔的地震剪力，因此，在抗震設(shè)計中，對轉(zhuǎn)換層附近樓層框架柱配筋應(yīng)予以加強，且應(yīng)重點加強轉(zhuǎn)換層附近上部樓層框架柱配筋。

3.4 對地震傾覆力矩分配的影響

由圖7～圖9中可得出：傾覆力矩曲線在轉(zhuǎn)換層處出現(xiàn)了明顯的突變，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置增大了轉(zhuǎn)換層下部樓層核心筒承擔的傾覆力矩，對核心筒產(chǎn)生了不利影響，因此，在抗震設(shè)計時，應(yīng)加強轉(zhuǎn)換層下部核心筒的配筋。

3.5 對框支柱內(nèi)力的影響

由圖10、圖11得，模型A～F框支柱z1剪力與彎矩曲線在轉(zhuǎn)換層附近均出現(xiàn)了明顯的突變，且隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增大，突變程度越來越大，除模型A以外，框支柱Z1剪力與彎矩曲線的最大突變均發(fā)生在轉(zhuǎn)換層下一層與轉(zhuǎn)換層之間，且兩圖中曲線突變除模型A外均集中在轉(zhuǎn)換層下一層至轉(zhuǎn)換層上第二層處，因此，在設(shè)計框支柱時，應(yīng)加強轉(zhuǎn)換層下一層至轉(zhuǎn)換層上第二層框支柱的配筋。

4 轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2002)附錄E規(guī)定：對于帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，當?shù)撞看罂臻g層數(shù)大于1層時，應(yīng)限制其轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γ(即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度)，非抗震設(shè)計時γ不應(yīng)大于2，抗震設(shè)計時γ不應(yīng)大于1.3，同時，《高規(guī)》也對轉(zhuǎn)換層上、下樓層側(cè)向剛度做出了限制：當轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時，其樓層側(cè)向剛度尚不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60％。

本節(jié)以第3節(jié)模型E為基礎(chǔ)，僅適當變化模型轉(zhuǎn)換層上、下核心筒的厚度，來改變轉(zhuǎn)換層上部與下部的等效側(cè)向剛度比，得到4個計算模型，模型具體參數(shù)及層剛度比如表5所示。

對模型E1～E4進行抗震性能對比分析可知：

1)隨著轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的增大，結(jié)構(gòu)前兩階振型自振周期呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這表明，模型的整體剛度隨著轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的增大而削弱。

2)隨著轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的增加，結(jié)構(gòu)每層的層間位移角及層位移逐漸增大，這表明，轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的增加減小了結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度，模型E1～E4，轉(zhuǎn)換層下一層層間位移角θ₁與轉(zhuǎn)換層層間位移角θ₂之比θ₁／θ₂分別為：1.06，1.07，1.08和1.07，均大于1.0且值相差不大，這說明，對于轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度較高時，控制轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比對減小結(jié)構(gòu)剛度的突變并沒有很大的作用。

3)當轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比小于1.02時，隨著轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的增加，在轉(zhuǎn)換層附近樓層中，外框支框架所承擔地震剪力占樓層總地震剪力的比率逐漸增加，相應(yīng)核心筒承擔地震剪力與樓層總地震剪力的比率逐漸減小，當轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比大于1.02時，模型E4剪力分布與E3相比幾乎沒有變化，這說明，當轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比小于1時，轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的變化對模型轉(zhuǎn)換層附近剪力分布產(chǎn)生了明顯的影響。

4)轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的變化對轉(zhuǎn)換層處框支柱的內(nèi)力影響較大，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中調(diào)整轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比時，對于框支柱，應(yīng)重點關(guān)注其在轉(zhuǎn)換層處的內(nèi)力變化。

為進一步了解轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比對結(jié)構(gòu)的影響，采用時程分析對模型E1～E4進行補充計算，沿結(jié)構(gòu)x方向輸入EL Centro波進行計算，阻尼比取0.04。

由圖12中可知，模型E1～E4在前4 s的頂點位移時程曲線十分相似，而后面差異較明顯，隨著轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的增大，頂點位移時程曲線上下波動幅度逐漸增加；同時，由表6可更為直觀地看出，隨著轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的增大，頂點位移時程最大值呈現(xiàn)逐漸減小再增大的趨勢，且出現(xiàn)最大值的時間也有所差異，因此，從控制頂點位移的角度來說，宜將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比控制在0.86～1之間。

5 結(jié)論

本文通過對－典型的型鋼混凝土框支框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度及轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比情況下進行了對比分析，得出了以下結(jié)論：

1)相比常見的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土框支框架－混凝土核心簡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度可以適當提高，適合高位轉(zhuǎn)換，對于剛度的突變，可以采用轉(zhuǎn)換層下一層層間位移角θ₁與轉(zhuǎn)換層層間位移角θ₂之比θ₁／θ₂作為指標來控制轉(zhuǎn)換層附近剛度的突變，若θ₁／θ₂>1，則表示轉(zhuǎn)換層下一層的剛度小于轉(zhuǎn)換層的剛度，對抗震不利；若θ₁／θ₂<1，則表示轉(zhuǎn)換層下一層的剛度大于轉(zhuǎn)換層的剛度，結(jié)構(gòu)豎向剛度分布下大上小，符合抗震要求。

2)轉(zhuǎn)換層附近框架剪力占層總剪力比率隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加逐漸增大，其中轉(zhuǎn)換層上一層框架剪力占層總剪力的比率所受影響最大，當轉(zhuǎn)換層位于9層及以上時，該層外框架承擔的剪力大于核心筒承擔的剪力，因此，抗震設(shè)計時，對轉(zhuǎn)換層附近外框架應(yīng)予以加強；對于高位轉(zhuǎn)換，應(yīng)重點加強轉(zhuǎn)換層上一層外框架。

3)轉(zhuǎn)換層的設(shè)置增加了轉(zhuǎn)換層下部核心筒承擔的地震傾覆力矩，且隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的增加，幅度越來越大，因此，抗震設(shè)計時應(yīng)加強轉(zhuǎn)換層下部核心筒。

4)框支柱內(nèi)力在轉(zhuǎn)換層附近發(fā)生了突變，在轉(zhuǎn)換層上1～2層外圍框架設(shè)計時，相對于其它框架柱，應(yīng)加強框支柱。

5)高位轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比對控制轉(zhuǎn)換層附近剛度突變意義不大，同時，隨著轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比的增加，在結(jié)構(gòu)總內(nèi)力變化不大的情況下，結(jié)構(gòu)外圍框架承擔的內(nèi)力逐漸增大，在罕遇地震下，作為“二道防線”的外圍框架，其等效側(cè)向剛度比的增加對結(jié)構(gòu)是有利的，時程分析表明，為控制結(jié)構(gòu)變形，轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比宜控制在0.86～1之間，綜合各項分析，本文認為轉(zhuǎn)換層上、下等效側(cè)向剛度比宜控制在O.86～1之間。