托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的彈性抗震性能研究

呂劍勇

（廣東科貿(mào)職業(yè)學院環(huán)境藝術(shù)系，廣東廣州 510430）

0 引 言

隨著建筑功能的日趨復雜，高層建筑中設(shè)置轉(zhuǎn)換層的情況已是非常普遍?，F(xiàn)階段轉(zhuǎn)換構(gòu)件的類型有梁、桁架、斜柱、拱、厚板等，其中，桁架又包括斜桿桁架和空腹桁架等形式。在上述幾種轉(zhuǎn)換構(gòu)件當中，轉(zhuǎn)換梁的截面往往很大，而桁架的上下弦桿可以分別設(shè)置在上下樓層，不占空間，便于轉(zhuǎn)換層的使用，并且桁架的外形輕巧，能提高建筑的藝術(shù)性。此外，空腹桁架由于不設(shè)斜腹桿，有利于建筑門窗的布置，所以空腹桁架是一種非常理想的轉(zhuǎn)換構(gòu)件形式。

帶轉(zhuǎn)換層高層建筑是一類復雜高層建筑結(jié)構(gòu)，由于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向不連續(xù)，不可避免地帶來結(jié)構(gòu)剛度和應力沿豎向的突變而形成結(jié)構(gòu)薄弱層，導致其在地震作用下的傳力機理十分復雜[1-8]。采用何種轉(zhuǎn)換形式更有利于抗震，是科研技術(shù)人員必須面對和解決的問題。就轉(zhuǎn)換構(gòu)件本身而言，采用空腹桁架轉(zhuǎn)換不但更能滿足建筑功能要求，而且在靜力性能上也具有一些優(yōu)點，特別是對于托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，空腹桁架轉(zhuǎn)換比梁式轉(zhuǎn)換具有更好的靜力性能[9-10]。

為進一步研究空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在托柱時的抗震性能，文中以某托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為計算模型，分析當采用空腹桁架轉(zhuǎn)換時的基本動力特性和彈性動力時程響應，并與相同條件下的梁式轉(zhuǎn)換結(jié)果相比較，以判別在托柱時采用空腹桁架轉(zhuǎn)換的抗震可行性。

1 建立計算模型

采用結(jié)構(gòu)分析程序SAP2000作為理論計算手段，建立三維空間有限元計算模型，如圖1所示。

圖1 某托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)計算模型

除轉(zhuǎn)換構(gòu)件分別采用轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換空腹桁架外，其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)布置均相同。計算模型中的主要構(gòu)件截面尺寸見表1。

表1 主要構(gòu)件截面尺寸 mm

在SAP2000有限元模型中，梁、柱和空腹桁架桿件采用兩節(jié)點空間框架單元，每節(jié)點有6個自由度;剪力墻和樓板采用空間4節(jié)點板殼單元，每節(jié)點有6個自由度，能夠順利地與空間框架單元協(xié)調(diào)[11]。

2 基本動力特性分析

文中計算了兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的前30個自振周期和振型，其中前三階平動周期和前二階扭轉(zhuǎn)周期及相應的振型質(zhì)量參與系數(shù)見表2。

表2 計算模型的自振周期 s

計算模型的一階振型如圖2和圖3所示。

圖2 梁式轉(zhuǎn)換一階振型圖

圖3 空腹桁架式轉(zhuǎn)換一階振型圖

分析自振周期的計算結(jié)果，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的前30個自振周期與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)非常接近，僅低階振型的自振周期略有差別，但相差僅為0.78%，而高階振型的自振周期則完全相同。兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的振動形式和振型出現(xiàn)次序也非常一致，X方向前三階平動振型分別出現(xiàn)在第1，4，19振型，Y方向前三階平動振型分別出現(xiàn)在第2，5，25振型，前二階扭轉(zhuǎn)振型分別出現(xiàn)在第3，6振型。從振型質(zhì)量參與系數(shù)來判別，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)均是以一階振型為主。由此可見，在托柱時，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的動力特性是非常相近的。

3 彈性動力時程分析

文中按照7度多遇地震來計算兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的動力時程響應，分別輸入EL-Centro地震波-南北分量和唐山地震波-南北分量（北京飯店觀測點），地震加速度時程曲線的最大值取35 gal，調(diào)整后的加速度時程曲線如圖4所示。

圖4 調(diào)整后的加速度時程曲線

為簡化工作，文中僅對兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的X方向作彈性時程分析。

計算模型在X方向的樓層剪力包絡圖如圖5所示。

圖5 計算模型在X方向的樓層剪力包絡圖

由圖5可見，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剪力在底部幾層略有不同，空腹桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在兩條地震波作用下的剪力均略大于梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并且在轉(zhuǎn)換層位置存在微小的剪力突變現(xiàn)象;在結(jié)構(gòu)的中部和上部，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剪力分布基本相同。說明采用不同的轉(zhuǎn)換構(gòu)件對轉(zhuǎn)換層附近的上下幾層樓層剪力有所影響，但影響不大。此外，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由唐山波引起的樓層剪力均大于EL-Centro波引起的樓層剪力。

計算模型在X方向的樓層側(cè)移包絡圖如圖6所示。

圖6 計算模型在X方向的樓層側(cè)移包絡圖

計算模型在X方向的層間位移角包絡圖如圖7所示。

圖7 計算模型在X方向的層間位移角包絡圖

由圖6和圖7可見，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在兩條地震波作用下的側(cè)移包絡曲線和層間位移角包絡曲線均很接近，可以判別兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度非常接近。在結(jié)構(gòu)的下部幾層，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的層間位移角略大于空腹桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，而在結(jié)構(gòu)的上部幾層，則情況相反。兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)高度的3/4處。

4 結(jié) 語

1）從自振周期和振型的計算結(jié)果可知，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基本動力特性是非常相近的，兩者的低階振型自振周期存在微小差別，而高階振型自振周期則完全相同，兩者的振動形式和振型出現(xiàn)次序也完全一致。

2）從動力時程響應的計算結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)換層附近的幾層，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的樓層剪力略有差別，但差別不大。在地震波作用下，兩者的樓層側(cè)移和層間位移角基本相同，說明兩者的整體抗側(cè)剛度相當。

通過上述分析可以得出結(jié)論，在托柱情況下，采用空腹桁架轉(zhuǎn)換與采用梁式轉(zhuǎn)換在彈性階段具有相近的抗震性能，采用空腹桁架作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件在抗震上是完全可行的。

[1] 徐培福，王翠坤，郝銳坤，等.轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000，30（1）:38-42，29.

[2] 王森，魏璉.不同高位轉(zhuǎn)換層對高層建筑動力特性和地震作用影響的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2002，32（8）: 54-58.

[3] 趙西安.高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一些建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，1994（4）:3-10.

[4] 姜華，魏群，焦?jié)?梁腹板開圓孔鋼框架的抗震性能分析[J].河南理工大學學報，2008，27（3）:333-338.

[5] 劉伯棟，高大峰，張靜娟.中承式鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)動力特性研究[J].河南理工大學學報，2009，28（2）:175-179.

[6] 龔耀清，馬伏龍.超高層建筑巨形框架與其基礎(chǔ)地基共同工作的簡化分析[J].河南理工大學學報，2006，25（2）:145-150，161.

[7] 龔耀清，楊博.超高層建筑空間巨形框架的半解析自由振動分析[J].河南理工大學學報，2005，24（1）: 65-68，73.

[8] 龔耀清，吳華芹，甄靜水.超高層建筑空間巨形框架的地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)共同工作的簡化振動分析[J].河南理工大學學報，2007，26（3）:322-328.

[9] 呂劍勇.高層建筑梁式與空腹桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的比較研究[D]:[碩士學位論文].廣州:華南理工大學，2007:7-25.

[10] 呂劍勇.空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的靜力性能研究[J].建筑科學，2010，26（3）:62-65.

[11] 彭俊生，羅永坤.結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應用[M].成都:西南交通大學出版社，2005:1-67.