設(shè)有轉(zhuǎn)換層框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析

王永潔，王建 （安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 前 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑的發(fā)展也越來越復(fù)雜，為了滿足建筑功能的使用需求，越來越多的建筑選擇底部大空間，結(jié)構(gòu)中的部分剪力墻因使用要求不能落地，直接落在下層框架梁上，框支剪力墻結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用?？蛑Ъ袅驗檗D(zhuǎn)換層影響地震作用下的響應(yīng)，本文利用SAP2000建立合理的模型，對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析，研究結(jié)果可為此類結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計提供一定的參考。

1 時程分析法[1]

結(jié)構(gòu)分析中，從建筑結(jié)構(gòu)的基本運動方程出發(fā)，直接輸入對應(yīng)于建筑場地的若干條實際地震加速度記錄或人工模擬的加速度時程曲線，通過積分運算求得在地面加速度隨時間變化期內(nèi)結(jié)構(gòu)的各種反應(yīng)值，這種計算方法稱為結(jié)構(gòu)的時程分析法，也稱直接動力法、數(shù)值積分法等。

任一多層結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動方程為:

M、C、K——分別體系的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣

彈塑性直接動力法因考慮材料的非線性，疊加原理已不再適用，故不能采用陣型分析法。常用的方法是將地面運動時間分成許多微小時段，相隔Δt，然后在每個時間間隔Δt 內(nèi)把結(jié)構(gòu)體系當(dāng)作線性體系來計算，逐步求出體系在各時刻的反應(yīng)。這種方法可以考慮地震動的振幅、頻譜和持時三個要素，也可以考慮地震環(huán)境和場地條件的影響，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行非線性分析，還可以計算能量損耗和損傷等，可獲得更多的有用信息。可以說時程分析是一個真正的動力分析方法，它能通過動力方法計算得到時程波作用時的各時刻各個質(zhì)點的位移、速度、加速度以及各構(gòu)件的內(nèi)力，反映地面運動的方向、特性及持續(xù)作用的影響。

2 計算算例

某框支剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置簡圖如圖1和圖2所示，轉(zhuǎn)換層層高為4.5m，轉(zhuǎn)換層上部為剪力墻結(jié)構(gòu)，層高為3m，共有20層。轉(zhuǎn)換層以下落地剪力墻橫向厚450mm、縱向厚400mm，混凝土強度等級為C40，轉(zhuǎn)換層以上剪力墻厚度為250mm，混凝土強度等級C30?？蚣苤孛鏋?00×900mm，轉(zhuǎn)換梁截面為500×1000mm，連梁截面為300×500mm。轉(zhuǎn)換層板厚200mm，轉(zhuǎn)換層以上板厚180mm?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組第一組。

圖1 轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)平面（單位：mm）

圖2 轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)平面（單位：mm）

3 轉(zhuǎn)換層對結(jié)構(gòu)的抗震性能的影響

3.1 轉(zhuǎn)換層位置對自振周期的影響

轉(zhuǎn)換層與下部框支剪力墻銜接層是結(jié)構(gòu)地震作用下的薄弱點，沿樓層抗側(cè)剛度的突變是高層建筑動力反應(yīng)和局部破環(huán)的主要因素。對該工程采用SAP2000程序分析，計算振型數(shù)30。保持結(jié)構(gòu)的總高度不變，分別在結(jié)構(gòu)的首層、三層和五層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，建立3個三維有限元計算模型進行分析。模型的前三階自振周期見表1。

模型前3階振型自振周期（單位：s） 表1

由表1可知：結(jié)構(gòu)的周期比都小于0.85，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[2]的規(guī)定，即結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（即周期比），A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。說明計算模型具有良好的整體性能，適合用于計算研究，應(yīng)用SAP2000建立的有限元模型能夠真實地反映結(jié)構(gòu)的抗震性能。

另外，通過3種模型的對比，結(jié)構(gòu)的自振周期在3種不同的模型下相差不大，說明轉(zhuǎn)換層設(shè)置的高度對結(jié)構(gòu)自振周期影響較小，隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高，結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，自振周期稍微減少[3]。

3.2 結(jié)構(gòu)動力時程分析

取轉(zhuǎn)換層在首層的模型作為時程分析的對象，采用時程分析時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符[4]，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度對地震波的強度進行調(diào)整，即對所選用的地震波加速度峰值按適當(dāng)?shù)谋壤糯蠡蚩s小，使其加速度峰值相當(dāng)于結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度對應(yīng)的多遇地震或罕遇地震時的加速度峰值，其加速度時程的最大值可按表2采用。

時程分析時輸入地震加速度的最大值（cm/s2） 表2

本文選取具有代表性的EL-Centro波、唐山波和一條人工波，同時輸入X和Y向地震波。

圖3 EL-Centro波

圖4 唐山波

圖5 人工波

結(jié)構(gòu)在EL-Centro波作用下的地震反應(yīng)最大，因此，取EL-Centro作用下的計算數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)構(gòu)側(cè)移和層間位移角是反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震作用下受力性能的重要指標(biāo)[6]，規(guī)范限制層間位移角的目的是為了控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，彈塑性層間位移角是按彈塑性方法計算的樓層層間位移最大值與層高之比。模型在EL-Centro波作用下的側(cè)移如圖3、4所示。層間位移角曲線如圖5所示。

圖6 X方向最大位移（單位：m）

圖7 Y方向最大位移（單位：m）

從圖6和圖7可以看出，結(jié)構(gòu)最大Y方向側(cè)移較X方向略有減小，結(jié)構(gòu)的樓層最大位移隨著高度的增加而增大，結(jié)構(gòu)層間位移較大值都集中在結(jié)構(gòu)的中上部樓層。

圖8 層間位移角曲線×10-3（°）

從圖8可以看出，樓層的層間位移角均小于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的限值，最大值小于框架剪力墻的限值，符合規(guī)范的要求。圖中還可以看出，結(jié)構(gòu)的中上部樓層的層間位移角較大，因此在進行此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對中上部樓層的抗側(cè)移剛度加強并采取相應(yīng)的減小層間位移的構(gòu)造措施。

4 結(jié) 論

①運用SAP2000建立的框支剪力墻結(jié)構(gòu)空間模型對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進行分析，能夠真實地反映結(jié)構(gòu)的抗震性能。

②通過轉(zhuǎn)換層在首層、三層和五層的3種模型的對比，結(jié)構(gòu)的自振周期在3種不同的模型下相差不大，說明轉(zhuǎn)換層設(shè)置的高度對結(jié)構(gòu)自振周期影響較小，隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高，結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，自振周期隨轉(zhuǎn)換層位置的提高略有減小。

③結(jié)構(gòu)較大的樓層位移與層間位移角都集中在結(jié)構(gòu)的中上部，因此，設(shè)計框支剪力墻結(jié)構(gòu)時，要對框支柱格外加強，還應(yīng)該對中上部樓層采取相應(yīng)的減小層間位移的構(gòu)造措施。研究結(jié)果可為此類結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計提供一定的參考。

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