結(jié)構(gòu)等效剛度比對(duì)帶轉(zhuǎn)換層的L型高層建筑結(jié)構(gòu)抗震影響

鄧小波，陳銳林，胡 迪，夏祥忠，張 超

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

結(jié)構(gòu)等效剛度比對(duì)帶轉(zhuǎn)換層的L型高層建筑結(jié)構(gòu)抗震影響

鄧小波，陳銳林，胡 迪，夏祥忠，張 超

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

為了滿足多樣化的建筑使用功能，建筑上部需設(shè)計(jì)成小空間、下部設(shè)計(jì)成大空間的帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，但這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻，出現(xiàn)剛度突變，受力變形復(fù)雜，因此需要根據(jù)具體工程，采用安全的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)形式的變化.結(jié)合東莞市綠地商業(yè)廣場(chǎng)的前期方案，針對(duì)于帶高位轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗震性能，以及結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度的變化對(duì)抗震性能影響的研究.運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行整體受力分析，對(duì)分析中存在的問(wèn)題提出解決措施，同時(shí)為以后的設(shè)計(jì)施工過(guò)程提供借鑒依據(jù).結(jié)構(gòu)研究主要是通過(guò)振型分解反應(yīng)譜分析方法，運(yùn)用 PKPM有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)布置的安全性與合理性進(jìn)行驗(yàn)算.

高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換層；抗震性能；層間位移

隨著各國(guó)工業(yè)化、城市化、商業(yè)化的發(fā)展，以及全球人口數(shù)量劇增，導(dǎo)致城市生產(chǎn)和生活用地緊張，地價(jià)昂貴，地王頻現(xiàn)，迫使建筑物豎向發(fā)展，由多層發(fā)展成為高層，乃至超高層.對(duì)建筑物的整體使用功能，也朝著多元化發(fā)展，對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)形式提出了更高的要求，近幾十年來(lái)，各地涌現(xiàn)出多種新的結(jié)構(gòu)形式，而梁式轉(zhuǎn)換層因其傳力明確，易于分析而被廣為人知.

目前國(guó)內(nèi)高層建筑絕大多數(shù)是建于地震區(qū)，地震烈度大，大部分工程地質(zhì)條件差，風(fēng)荷載大，導(dǎo)致高層結(jié)構(gòu)不僅要承受垂直荷載，更要承受水平荷載.因此能有效減小其側(cè)移，使結(jié)構(gòu)具有一定延性，已成為設(shè)計(jì)建造中的一大主要控制因素，同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多樣化發(fā)展，出現(xiàn)高寬比大、周期長(zhǎng)，這些給高層建筑結(jié)構(gòu)的精確計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高要求，所以積極對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究是非常有必要，它會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益的重大問(wèn)題.本文以東莞市弘景綠地商業(yè)廣場(chǎng)6號(hào)商業(yè)、辦公樓的帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑為工程背景，通過(guò)參考結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的現(xiàn)行規(guī)范、文獻(xiàn)[1-6]等資料，對(duì)帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行抗震性能探討，以期提出一些建議，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在涉及到計(jì)算此類結(jié)構(gòu)時(shí)參考.論文以通用有限元分析軟件SATWE為計(jì)算工具，對(duì)一帶轉(zhuǎn)換層的L型框支剪力墻實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，研究等效側(cè)向剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.

1 工程概況

本工程位于廣東省東莞市常平鎮(zhèn)環(huán)常南路與新城大道交匯處，建筑主體23層塔樓，三層及三層以下為大空間的商業(yè)用樓，四層以上為辦公、住房用樓.該項(xiàng)目工程的樓層總層數(shù)為23層，建筑總長(zhǎng)度為63.25 m，總寬為36.40 m，總高為84.30 m.上部3～23層為剪力墻結(jié)構(gòu)，主要用作住房或者辦公等用途，其標(biāo)準(zhǔn)層的層高為3.60 m，底部的1～3層為大空間的框支層，主要用作大型商業(yè)和娛樂(lè)活動(dòng)中心的場(chǎng)所，首層層高為4.10 m，第二層層高4.50 m，第三層層高為7.00 m，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的豎向荷載的傳遞，在該建筑的第3層設(shè)置梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，層高為5.00 m.其中±0.00為室內(nèi)地坪標(biāo)高，相當(dāng)于黃海高程標(biāo)高11.00 m.結(jié)構(gòu)類型為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu).

2 結(jié)構(gòu)等效剛度比的改變

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7](JGJ 3-2010)中規(guī)定，如果轉(zhuǎn)換層設(shè)在第一層或者第二層的時(shí)候，可以近似采用轉(zhuǎn)換層與之相鄰的上層等效剪切剛度比γe，來(lái)表示轉(zhuǎn)換層的上、下部結(jié)構(gòu)的剛度變化，同時(shí)γe宜接近1；當(dāng)結(jié)構(gòu)是非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，γe不應(yīng)小于0.4，當(dāng)結(jié)構(gòu)是抗震設(shè)計(jì)時(shí)，γe不應(yīng)小于0.5；當(dāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層的設(shè)置位置高于2層時(shí)，轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe按式2-1來(lái)計(jì)算，且取值宜接近于1，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)等效側(cè)向剛度比不應(yīng)小于0.8，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.5[8].

(2-1)

式中，γe表示轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比；

H1表示轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)的高度；

Δ1表示轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)的頂部在單位水平力作用下的側(cè)向位移；

H2表示轉(zhuǎn)換層上部若干層的結(jié)構(gòu)高度，其取值應(yīng)該等于或者接近于轉(zhuǎn)換層及其下部高度H1，同時(shí)不應(yīng)大于H1；

Δ2表示轉(zhuǎn)換層的上部若干層結(jié)構(gòu)頂部在單位水平力的作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移.

因此可以通過(guò)增加轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的抗測(cè)力構(gòu)件的剛度，來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的變化，從而達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比.

3 結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

為了研究L型帶轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)在不同的等效側(cè)向剛度條件下，地震作用的反應(yīng)情況，在結(jié)構(gòu)中通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)模型中落地剪力墻的布置，達(dá)到改變等效側(cè)向剛度的目的[9].建立四個(gè)不同落地剪力墻的模型，如圖1～圖4所示，四個(gè)模型的等效側(cè)向剛度比γe分別為1.4544、1.3823、1.1778、1.0948.

圖1 γe=1.4544的結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 γe=1.3823的結(jié)構(gòu)平面布置

圖3 γe=1.1778的結(jié)構(gòu)平面布置

圖4 γe=1.0948的結(jié)構(gòu)平面布置

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析有助于研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，使我們能更加全面的去了解結(jié)構(gòu)的自振特性，主要包括結(jié)構(gòu)的振型變化與結(jié)構(gòu)的周期變化等參數(shù)，它們作為結(jié)構(gòu)的基本屬性，能為結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析提供一定的理論基礎(chǔ).通過(guò)確定結(jié)構(gòu)的主扭轉(zhuǎn)周期和主平動(dòng)周期，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的周期比，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，周期比的驗(yàn)算分析在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)的同時(shí)，也驗(yàn)算了結(jié)構(gòu)在承載布局方面的合理性.本文主要選結(jié)構(gòu)的前24階振型周期來(lái)進(jìn)行分析研究,能夠滿足建筑在扭轉(zhuǎn)與平動(dòng)X、Y方向的累計(jì)有效質(zhì)量參與系數(shù)均達(dá)到90%以上，已經(jīng)滿足了規(guī)范[8]的要求，但仍然不能判斷出不規(guī)則結(jié)構(gòu)的實(shí)際薄弱部位，因此在整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析.根據(jù)軟件計(jì)算的結(jié)果可以總結(jié)出結(jié)構(gòu)周期在不同的等效側(cè)向剛度比，所具有的變化趨勢(shì).如圖5所示.

圖5 不同等效側(cè)向剛度下周期包絡(luò)圖

根據(jù)周期包絡(luò)圖的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的前幾階振型所產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響，因此，可以忽略掉高階振型所產(chǎn)生的貢獻(xiàn).主要對(duì)結(jié)構(gòu)的前4階振型進(jìn)行重點(diǎn)分析，研究等效側(cè)向剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)振型特征參數(shù)所產(chǎn)生的影響，前4階振型的曲線如圖6～圖9所示.

通過(guò)各個(gè)振型的振型圖與其相應(yīng)的振型參數(shù)分析對(duì)比：

1)隨著結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的逐漸減小，各個(gè)振型周期會(huì)有減小的趨勢(shì)；隨著振型編號(hào)的增加，結(jié)構(gòu)的振型周期相應(yīng)減小.

圖6 γe=1.4544的結(jié)構(gòu)振型圖

圖7 γe=1.3823的結(jié)構(gòu)振型圖

圖8 γe=1.1778的結(jié)構(gòu)振型圖

圖9 γe=1.0948的結(jié)構(gòu)振型圖

2)規(guī)范中規(guī)定，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿結(jié)構(gòu)豎向宜均勻變化，同時(shí)應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)的承載力與側(cè)向剛度突變，出現(xiàn)軟弱層.結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的材料強(qiáng)度與截面尺寸宜自下而上逐漸減小.為了使在結(jié)構(gòu)布置中，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的影響，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)為主第一振型Tt與以平動(dòng)為主的第一振型周期T1之比，對(duì)于A級(jí)高度建筑不應(yīng)該大于0.9，對(duì)于B級(jí)建筑高度不應(yīng)該大于0.85.如若周期比不滿足上述所規(guī)定的要求，一般應(yīng)該在建模中去調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力布置，從而增大了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度.當(dāng)γe=1.4544時(shí)，周期比為0.8031；當(dāng)γe=1.3823時(shí)，周期比為0.7954；當(dāng)γe=1.1778時(shí)，周期比為0.8003；當(dāng)γe=1.0948時(shí)，周期比為0.8008；均小于85%，滿足規(guī)范要求.

3)根據(jù)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)系數(shù)與結(jié)構(gòu)X向、Y向的平動(dòng)系數(shù)，可按照下列方法來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的某一振型是扭轉(zhuǎn)振型或者是平動(dòng)振型[7].

(1)當(dāng)RZ>Rx+Ry時(shí),則結(jié)構(gòu)該振型為扭轉(zhuǎn)振型.

(2)當(dāng)RZRy說(shuō)明該平動(dòng)振型以X向的平動(dòng)為主.

分析每個(gè)等效側(cè)向剛度比下的四個(gè)振型的特征參數(shù)可以得出，各振型第一階振型表現(xiàn)為X方向上的平動(dòng)，第二階振型為扭轉(zhuǎn)振型，由(Rx+Ry)/RZ=0.25,故該扭轉(zhuǎn)振型中帶有Y向的平動(dòng)，第三階振型為Y方向上的平動(dòng)，由RZ/(Rx+Ry)=0.11,故該平動(dòng)振型中扭轉(zhuǎn)分量不大，可近似為平動(dòng)振型.隨著等效側(cè)向剛度比逐漸趨近于1，第二階振型的扭轉(zhuǎn)系數(shù)逐步增大，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大，因此不能為了結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定，去盲目的增大結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比.

4 結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響

對(duì)上述4種模型建模分析，分析樓層的最大位移值的變化規(guī)律.不同等效側(cè)向剛度比所對(duì)應(yīng)的樓層最大位移的變化趨勢(shì)如圖10所示.

圖10 不同等效側(cè)向剛度比對(duì)應(yīng)的最大位移圖

綜合比較表中數(shù)據(jù)與圖形的變化規(guī)律，可以知道：

(1)不管結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比怎么變化，4個(gè)結(jié)構(gòu)模型中的樓層最大位移的變化趨勢(shì)變化不大.共有的特性均是結(jié)構(gòu)在樓層的底層附近，最大位移表現(xiàn)較小，同時(shí)，隨著層數(shù)的增加，樓層的最大位移逐漸增大.樓層在底層的最大位移到轉(zhuǎn)換層的緊鄰下一層之間，增長(zhǎng)的幅度比較大，而在轉(zhuǎn)換層的附近，樓層的最大位移的增長(zhǎng)幅度減小.相當(dāng)于樓層的位移是在轉(zhuǎn)換層的部位發(fā)生了突變.另外，在轉(zhuǎn)換層以上的樓層最大位移增長(zhǎng)的幅度比較平緩，相對(duì)于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以下的樓層來(lái)說(shuō)，最大位移的增幅較小，充分表明轉(zhuǎn)換層以下的結(jié)構(gòu)是在地震作用當(dāng)中的敏感部位.

(2)4個(gè)不同的結(jié)構(gòu)模型，在底層的結(jié)構(gòu)樓層最大位移的值相差不大，但是隨著結(jié)構(gòu)的落地剪力墻位置的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比減小，使得結(jié)構(gòu)的剛度逐漸增大，樓層的最大位移增長(zhǎng)的幅度減小，同時(shí)結(jié)構(gòu)的最大位移也隨之減小，但是有一個(gè)共同點(diǎn)就是在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層附近均出現(xiàn)了樓層最大位移突變.

5 地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比變化的影響

對(duì)上述4種模型建模分析，分析該結(jié)構(gòu)在不同的轉(zhuǎn)換層上下剛度比條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)樓層的基底剪力彎矩和樓層地震力的影響.統(tǒng)計(jì)模型數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示.

表1列出結(jié)構(gòu)的基底彎矩與基底剪力，分析結(jié)構(gòu)在不同等效側(cè)向剛度比條件下的變化情形.

圖11 結(jié)構(gòu)樓層的地震反應(yīng)力變化圖

等效側(cè)向剛度比γe=1.0948γe=1.1778γe=1.3823γe=1.4544基底彎矩(kN·m)261391.83261277.41261023.46260864.71基地剪力(kN)5357.215321.075310.625282.33

從以上的圖表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)樓層地震反應(yīng)力隨著樓層的層數(shù)增加，地震反應(yīng)力大致是逐漸增加的，當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)換層的位置時(shí)，樓層的地震反應(yīng)力發(fā)生了突變，之后的變化趨于平緩.但是隨著調(diào)整結(jié)構(gòu)落地剪力墻的布置情況，結(jié)構(gòu)的整體剛度大大增加，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)受需要承受的地震反應(yīng)力也隨之增大，因此一味的提高剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是不利的.另一方面，落地剪力墻的布置數(shù)量增多，能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，這與剪力墻過(guò)多的布置所產(chǎn)生的不利影響相比較，利大于弊，整體上來(lái)看，結(jié)構(gòu)的抗震性能還是有所提升的.同時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的較小，結(jié)構(gòu)的基底彎矩和基底剪力都表現(xiàn)出了增大的趨勢(shì).

6 結(jié) 語(yǔ)

4個(gè)不同的結(jié)構(gòu)模型，在底層的結(jié)構(gòu)樓層最大位移的值相差不大，但是隨著結(jié)構(gòu)的落地剪力墻位置的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比減小，使得結(jié)構(gòu)的剛度逐漸增大，樓層的最大位移增長(zhǎng)的幅度減小，同時(shí)結(jié)構(gòu)的最大位移也隨之減小，但是有一個(gè)共同點(diǎn)就是在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層附近均出現(xiàn)了樓層最大位移突變.因此需要加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層的抗震設(shè)計(jì).另外隨著落地剪力墻的布置數(shù)量增多，能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，這與剪力墻過(guò)多的布置所產(chǎn)生的不利影響相比較，利大于弊，整體上來(lái)看，結(jié)構(gòu)的抗震性能還是有所提升的.

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SeismicEffectofStructuralEquivalentStiffnessonL-typeHigh-riseBuildingStructureswithTransition

DENG Xiao-bo,CHEN Rui-lin,HU Di,XIA Xiang-zhong,ZHANG Chao

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In order to meet the diversified use of the building function, the upper part of the building needs to be designed into a small space, the lower part of the design with large space with a transfer layer structure. But this may lead to the uneven structural vertical stiffness and sudden changes in stiffness. Therefore, according to the specific project, a safe conversion layer structure is used to achieve the upper and lower structural changes. In this paper, the seismic performance of the structure with the high level conversion layer and the equivalent lateral stiffness of the structure are studied. By using the existing technology, the structural force of the overall force is analyzed, and the solution to the existing prollems is proposed. It can provide reference for the future design and construction process. The safety and rationality of the structure arrangement are also checked by PKPM finite element analysis software, which is mainly through vibration spectrum decomposition reaction spectrum analysis method.

high-rise building; shear wall structure; conversion layer; seismic performance; interlayer displacement

TU114

A

1671-119X(2017)03-0089-05

2017-03-10

鄧小波(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程.