轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究①

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原　030006)

引言

隨著建筑技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，人們不僅對(duì)建筑物的空間數(shù)量及空間大小有著很高的要求，而且對(duì)建筑物的空間布局及位置分布的要求也越來(lái)越高，例如大型購(gòu)物中心、商場(chǎng)、大型超市等類型的建筑物，其底部均要求有較大的空間，但此類建筑的上部結(jié)構(gòu)功能布置又往往需要更多的較小的空間，例如用作酒店房間或辦公室等。在結(jié)構(gòu)受力傳力上，此類建筑物上部小空間結(jié)構(gòu)的豎向荷載無(wú)法直接傳于下部樓層受力構(gòu)件上。對(duì)于此類建筑，可通過設(shè)置轉(zhuǎn)換層于上、下結(jié)構(gòu)樓層間，以形成上下剛度大小不同的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。轉(zhuǎn)換層的主要形式有梁式轉(zhuǎn)換、桁架轉(zhuǎn)換、厚板轉(zhuǎn)換等，并根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際條件，應(yīng)用于不同的結(jié)構(gòu)形式。本文引用工程案例，采用PKPM-SATWE模塊對(duì)部分框支剪力墻建筑進(jìn)行抗震模擬，并建模分析當(dāng)轉(zhuǎn)換層高度不同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1　工程實(shí)例

某工程項(xiàng)目位于山西省大同市，地上為29層，地下為2層，總高度為84.40 m，總建筑面積為18 708.35 m2。其中地下一層層高為5.1 m，地上一二層層高為3.9 m，三層以上各層層高均為3.0 m，屋頂設(shè)置電梯間、水箱間；一至三層為商場(chǎng)，四層以上均為住宅。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系屬于常見的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層位于3層，采用鋼筋混凝土梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，下部結(jié)構(gòu)剪力墻厚度為400 mm，上部剪力墻厚度設(shè)置為250 mm和200 mm。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)防類別、場(chǎng)地設(shè)防烈度、建筑物高度和高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程，確定主要構(gòu)件的抗震等級(jí)為：框支柱、轉(zhuǎn)換梁為特一級(jí)；加強(qiáng)部位的落地剪力墻抗震等級(jí)定為特一級(jí)；非加強(qiáng)部位的落地剪力墻抗震可適當(dāng)降低一級(jí)，故定為一級(jí)。主要構(gòu)件名稱及混凝土強(qiáng)度等級(jí)等信息見表1。

表1　構(gòu)件名稱及混凝土等級(jí)信息表

2　針對(duì)結(jié)構(gòu)模型的抗震計(jì)算

2.1　模型建立及模型結(jié)構(gòu)分析

采用PKPM-CAD建立該項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)項(xiàng)目工程背景，依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)模型中已設(shè)置的構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析要點(diǎn)歸納如下：

(1)為了保證結(jié)構(gòu)框架部分的安全，設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制框支柱和落地剪力墻的軸壓比，提高其在地震作用下的承載能力和延性變形能力。

(2)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是豎向剛度的突變問題，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層下部、上部樓層的等效剛度比。

(3)落地剪力墻與框支柱之間的剪力分配依靠轉(zhuǎn)換層位置處的樓板完成，設(shè)計(jì)時(shí)將轉(zhuǎn)換層位置處的樓板厚度加厚，同時(shí)加厚相鄰上下層樓板的厚度。

(4)通過調(diào)整結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件截面、布置方式減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使樓層位移比控制在1.4以內(nèi)。

2.2　模型結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用PKPM-SATWE軟件對(duì)已建立的模型進(jìn)行計(jì)算，主要包括以下計(jì)算內(nèi)容：

2.2.1振型及地震力方向角

取結(jié)構(gòu)前30個(gè)振型進(jìn)行分析，在對(duì)結(jié)構(gòu)周期、扭轉(zhuǎn)作用進(jìn)行計(jì)算時(shí)，地震作用最大方向角為-86.617°。

2.2.2扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期比

扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期比值的計(jì)算結(jié)果為0.79，其值<0.85，故滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

2.2.3有效質(zhì)量系數(shù)

軟件計(jì)算的有效質(zhì)量系數(shù)見表2，計(jì)算結(jié)果反映了計(jì)算所取的振型已滿足設(shè)計(jì)要求，兩個(gè)方向的有效質(zhì)量系數(shù)均>90%。

表2　有效質(zhì)量系數(shù)

2.3　結(jié)構(gòu)變形分析

地震作用下結(jié)構(gòu)樓層的位移情況為：在X向，最大位移比出現(xiàn)在30層，位移角為1/1 818；在Y向，最大位移比出現(xiàn)在31層，位移角為1/1 428。

經(jīng)過軟件計(jì)算可以看出，在發(fā)生地震時(shí)，層與層之間的位移角最大值滿足規(guī)范規(guī)定的除框架結(jié)構(gòu)外的轉(zhuǎn)換層及剪力墻結(jié)構(gòu)最大位移角(1/1 000)。當(dāng)發(fā)生偶然偏心地震時(shí)，構(gòu)件位移比均比1.5要小，完全符合規(guī)范要求?？梢圆捎迷黾勇涞氐撞考袅Φ膲χ穸葋?lái)增大剪力墻剛度，使轉(zhuǎn)換層上下剛度比滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄E.0.3的要求，而且均>1.0。而結(jié)構(gòu)沿豎向的剪切剛度在Y方向發(fā)生了突變，這是因?yàn)槲绰涞氐募袅χ饕獮閅向，結(jié)構(gòu)的豎向剛度在轉(zhuǎn)換層位置處發(fā)生了突變，所以結(jié)構(gòu)在地震作用下的樓層位移角在轉(zhuǎn)換層處也發(fā)生了突變。

3　轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的影響

3.1　對(duì)結(jié)構(gòu)振型、周期的影響

通過調(diào)整結(jié)構(gòu)模型，使轉(zhuǎn)換層分別位于第3、4、5、6層，分析轉(zhuǎn)換層位于不同樓層時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

3.1.1結(jié)構(gòu)自振周期

通過調(diào)整結(jié)構(gòu)模型中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置位置，將轉(zhuǎn)換層位置逐步提高后，由于該框支剪力墻結(jié)構(gòu)的框支柱截面尺寸大且根數(shù)多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布不均勻，計(jì)算后出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)自振周期逐漸減小的現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期減小時(shí)，將直接影響地震系數(shù)的取值，使其逐漸增大，故導(dǎo)致地震時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力增大，結(jié)構(gòu)的基底剪力進(jìn)而增大。

3.1.2結(jié)構(gòu)周期比

不論轉(zhuǎn)換層位置設(shè)置在哪一層，結(jié)構(gòu)的前兩階以平動(dòng)為主，第3階以扭轉(zhuǎn)為主。當(dāng)轉(zhuǎn)換層分別設(shè)置在3層、4層、5層、6層時(shí)，通過計(jì)算各個(gè)模型以扭轉(zhuǎn)為主的Tt與以平動(dòng)為主的T1的比值可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置從3層上升到6層時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的抗扭能力影響不大，Tt與T1的比值均能滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》限值的要求，結(jié)構(gòu)仍然具有較好的抗扭剛度。

3.2　對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響

結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角在水平荷載作用下，隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置的不同而發(fā)生變化。分別將轉(zhuǎn)換層設(shè)置于不同的樓層，采用反應(yīng)譜法計(jì)算樓層位移，同時(shí)繪制樓層位移包絡(luò)圖如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)位移包絡(luò)圖

轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，附近樓層的水平位移增大，增加的幅度隨著樓層的增高而減少，結(jié)構(gòu)的整體位移基本保持不變，分析可能是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)周期減小，質(zhì)量變大，使得總地震作用增大。隨著樓層的提高，空間效應(yīng)變得更加明顯，所以底部框架的變形曲線更接近于剪切型變形曲線。

3.3　結(jié)構(gòu)層剛度比計(jì)算分析

借助計(jì)算軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)模型中不同轉(zhuǎn)換層的設(shè)置位置計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度比，結(jié)果見表3。

表3　結(jié)構(gòu)剛度比

由表3可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置，樓層的剪切剛度比是相同的，而隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的提高，樓層的等效側(cè)向剛度比逐漸減小，但仍然比JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求的大?？梢哉f(shuō)在其他條件相同時(shí)，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度越高，結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比就越小，即結(jié)構(gòu)的抗震性能也越差。

4　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)帶高位轉(zhuǎn)換層的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，利用PKPM-SATWE軟件建立分析模型，對(duì)其進(jìn)行了抗震性能研究和分析。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的高度、轉(zhuǎn)換層上下層的剪力墻厚度和數(shù)量，使結(jié)構(gòu)剛度的突變幅度和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到了控制。對(duì)轉(zhuǎn)換層不同設(shè)置高度的計(jì)算分析可知，在高位轉(zhuǎn)換層下，框支框架比重增大，結(jié)構(gòu)的自振周期隨著轉(zhuǎn)換層高度的提高逐漸變小，結(jié)構(gòu)基底剪力逐漸增大。該工程在計(jì)算地震作用時(shí)選取了21個(gè)振型階數(shù)，振型數(shù)越多，越能更直觀地反映高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用的影響程度。轉(zhuǎn)換層高度提高后，轉(zhuǎn)換層相鄰樓層層間位移角的突變?cè)矫黠@，越容易形成薄弱層，所以結(jié)構(gòu)的整體性能越差，抗震能力也就越差。

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