山地建筑掉層結構扭轉性能分析及抗震設計研究

蔡文意，張廣磊，龐新賓

（1.中國核電工程有限公司鄭州分公司；2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司；3.鄭州大學綜合設計研究院，鄭州 450000）

一、引言

在城市化快速發(fā)展、社會經濟和人民生活水平不斷提高的今天，住宅需求日益增長。住宅建設和耕地保護都是關系國計民生的大事，卻又因建房占地與保護耕地相沖突而產生矛盾。那么如何才能有效地化解矛盾呢？日本等國土資源稀缺國家的經驗給我們提供了答案，這就是：住宅建設向荒灘、山地發(fā)展。我國不少地區(qū)山多地少，因地制宜地發(fā)展山地住宅建筑不失為合理利用國土資源的一項良策。

掉層建筑結構是山地建筑中比較常見的一種結構形式，其指的是同一棟建筑的底界面放置在不同標高的場地基面上，并且最高接地點以下按層高設置樓面的接地結構，如圖1所示，

圖1 掉層結構示意圖

掉層的基本形式有縱向掉層、橫向掉層和局部掉層三種，該種結構能很好地依附地形獲取更大的使用空間。研究掉層結構的抗震性能夠在一定程度上給掉層結構在實際工程中的應用提出合理化建議，而現(xiàn)階段關于掉層結構抗震方面的研究還不多，其研究成果還不能滿足工程實踐的需求，因此，對山地建筑掉層結構進行地震扭轉效應分析及抗震設計研究是非常必要的。

二、模型概況

某Ⅱ類場地上的高層建筑，無地下室，地上18 層，底層層高為4.5m，標準層層高3.0m，建筑物總高度55.5m，框架結構。柱網尺寸如圖2 所示，總建筑面積7213m2。建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6o，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組。為了對比分析普通框架結構和掉層框架結構的地震扭轉效應，以相同圖紙分別在兩種場地上建造房屋，場地一為平整的自然地面，基礎采用人工挖孔樁；場地二地形為陡坎型，陡坎處采用現(xiàn)澆混凝土擋土墻進行擋土，建筑物的縱向沿陡坎的方向，基礎采用人工挖孔樁，掉層部分與陡坎的邊界約束條件有兩種情況：一種情況為靠近陡坎的框架柱與陡坎擋土墻相分離；另一種情況為靠近陡坎的框架柱與陡坎擋土墻相固接，見圖3 所示。

圖2 結構平面圖

圖3 框架結構與陡坎的兩種邊界條件

為了研究山地掉層框架結構的扭轉效應，建立16 個模型，進行對比分析，具體示意模型如下圖4 所示：

模型0a0：自然地面的普通框架結構；

模型2a1：掉層層數(shù)為2 層，坎上跨數(shù)為1 跨的分離掉層框架結構；

模型2a2：掉層層數(shù)為2 層，坎上跨數(shù)為2 跨的分離掉層框架結構；

模型2a3：掉層層數(shù)為2 層，坎上跨數(shù)為3 跨的分離掉層框架結構；

模型2b1：掉層層數(shù)為2 層，坎上跨數(shù)為1 跨的固接掉層框架結構；

模型2b2：掉層層數(shù)為2 層，坎上跨數(shù)為2 跨的固接掉層框架結構；

模型2b3：掉層層數(shù)為2 層，坎上跨數(shù)為3 跨的固接掉層框架結構；

模型3a1：掉層層數(shù)為3 層，坎上跨數(shù)為1 跨的分離掉層框架結構；

模型3a2：掉層層數(shù)為3 層，坎上跨數(shù)為2 跨的分離掉層框架結構；

模型3a3：掉層層數(shù)為3 層，坎上跨數(shù)為3 跨的分離掉層框架結構；

模型3b1：掉層層數(shù)為3 層，坎上跨數(shù)為1 跨的固接掉層框架結構；

模型3b2：掉層層數(shù)為3 層，坎上跨數(shù)為2 跨的固接掉層框架結構；

模型3b3：掉層層數(shù)為3 層，坎上跨數(shù)為3 跨的固接掉層框架結構；

圖4 模型示意圖

三、計算結果

1.周期比。

表1：X 方向各模型1～10 層的位移比

2.各樓層側移剛度。

圖5

3.各樓層位移比。

表2：X 方向各模型1～10 層的位移比

四、數(shù)據(jù)分析結論

通過對以上模型計算出的數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結論：

（1）平面規(guī)則、對稱的框架結構，由于掉層結構的邊界約束條件將使得結構在垂直于掉層方向（Y 方向），在水平地震作用下產生較大的扭轉效應，且其主要集中作用在結構的底部樓層。

（2）分離、固接和臺階型掉層框架結構的自振周期均比普通框架結構的短，這說明掉層框架結構的側移剛度和扭轉剛度均比普通框架結構較大，但掉層框架結構的周期比和普通框架結構相比，相差很小，這說明掉層的出現(xiàn)對結構的整體扭轉效應影響不大。

（3）分離、固接掉層框架結構在陡坎以下樓層的剛心重心偏離較大，位移比較普通框架結構大，使底部樓層的扭轉效應均大于普通框架結構。

（4）對于分離、固接掉層框架結構，在沿著掉層方向（即X方向）的地震作用下，樓層的扭轉效應不大，但坎上兩層柱內力較普通框架結構變大，成為抗震薄弱環(huán)節(jié)，而陡坎下樓層的柱和梁均小很多，構件偏于安全；在沿著掉層方向（即Y 方向）的地震作用下，掉層使結構在陡坎下樓層處產生了較大的扭轉效應，且坎上兩層柱內力較普通框架結構變大，成為抗震薄弱環(huán)節(jié)，而陡坎下樓層的柱和梁均小很多，構件偏于安全，故應在陡坎以下樓層處加大外圍構件Y 向的剛度。

五、結語

本文針對山地建筑結構的一種常見的結構形式——掉層建筑結構為研究對象，以大型通用有限元程序ETABS 為工具對不同接坡方式的掉層建筑結構進行抗震性能的對比分析，比較掉層建筑結構與常規(guī)結構抗震性能方面的差異，在一定程度上為掉層建筑結構的設計提供有效的科學依據(jù)。

鑒于地震的危害性，研究山地建筑物特別是掉層建筑在地震反應中的抗震扭轉性能，以便在設計中采取適當?shù)拇胧┍ＷC建筑物在地震中的抗震性能，通過本文的研究希望能給設計人員提供一些有價值的抗震設計建議。

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