某厚板轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)動力分析

尹蕓瓊

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展以及人們生活水平逐步提升，高層建筑結(jié)構(gòu)使用功能要求的復(fù)雜性與綜合性愈加突出，致使功能要求與結(jié)構(gòu)布置形成矛盾，而設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層是解決該矛盾的一種有效途徑，故其具備廣闊的市場前景。目前，工程結(jié)構(gòu)實(shí)際中運(yùn)用較廣泛的形式包括梁式轉(zhuǎn)換、箱型轉(zhuǎn)換以及厚板轉(zhuǎn)換等[1,2]。其中，厚板轉(zhuǎn)換最能良好兼顧建筑功能需求與結(jié)構(gòu)布置，但同時(shí)亦有其不可忽視的缺點(diǎn)，例如傳力不明確、設(shè)計(jì)復(fù)雜以及厚板質(zhì)量過大引起結(jié)構(gòu)剛度突變[3,4]等?；诖?，根據(jù)某工程實(shí)際項(xiàng)目中的帶厚板轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)，利用Midas gen有限元分析軟件，建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，模擬水平地震作用下結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)，分析整體結(jié)構(gòu)動力特性。

1 工程概況

該工程為一商業(yè)住宅，建筑高度為75.5 m。地下2層主要用作車庫；地上22層，其中1層～2層為大開間商業(yè)用房，3層為商業(yè)用房及電影院，4層及以上為住宅。由于使用功能要求不同，1層～3層需要大空間，選用框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，而4層以上則采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。因此，3層與4層的結(jié)構(gòu)布置以及軸網(wǎng)布置相差懸殊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在4層標(biāo)高處設(shè)置了厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換板厚度為1.6 m。

該工程屬丙類建筑，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，場地為抗震有利地段，非液化區(qū)，抗震基本烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場地類別為Ⅱ類，最大地震影響系數(shù)αmax=0.04(第一設(shè)防水準(zhǔn))，場地特征周期為0.35 s。

2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)分析模型

2.1 模型分析單元

模型建立與分析運(yùn)用有限元分析軟件Midas gen。采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)中的混凝土梁及柱，該單元各節(jié)點(diǎn)均有X、Y、Z三個方向的轉(zhuǎn)動與平動，共有6個自由度，且具備拉、壓、彎、剪、扭各項(xiàng)變形剛度[5]。采用薄板單元模擬結(jié)構(gòu)中的樓板及剪力墻，采用厚板單元模擬轉(zhuǎn)換厚板，該單元自由度以單元坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，各節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z三個方向的平動以及繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動，可實(shí)現(xiàn)平面張拉、壓縮、剪切、沿厚度方向的彎曲等。

2.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型中轉(zhuǎn)換層柱截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 200 mm、1 200 mm×3 200 mm；主梁截面尺寸為1 200 mm×1 600 mm、1 500 mm×1 600 mm、2 000 mm×1 600 mm；次梁截面尺寸為600 mm×1 600 mm、800 mm×1 600 mm、1 000 mm×1 600 mm；轉(zhuǎn)換板厚1 600 mm，其他板厚800 mm。轉(zhuǎn)換層下部相連剪力墻墻厚為200 mm、300 mm、400 mm、600 mm，其上部相連剪力墻厚度為200 mm。通過調(diào)整彈性模量從而考慮梁、板、柱中的鋼筋，泊松比為0.2，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

3 模態(tài)分析

利用Midas gen分析軟件對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為9 183 t，其中梁單元質(zhì)量為675 t，板單元質(zhì)量為1 897 t，荷載轉(zhuǎn)化質(zhì)量為1 984 t，節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為4 627 t。同時(shí)計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)前15階振型曲線及對應(yīng)頻率及周期。

3.1 結(jié)構(gòu)自振周期及振型曲線

結(jié)構(gòu)前15階自振周期計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)前15階自振周期及頻率

同時(shí)得到了結(jié)構(gòu)前15階振型曲線圖，其中前三階振型分別體現(xiàn)為主要沿X軸方向的平動、繞Z軸的扭轉(zhuǎn)且伴隨沿Y軸方向的平動以及主要繞Z軸的扭轉(zhuǎn)。低振型較多表現(xiàn)為沿兩個方向的平動，隨著振型階數(shù)升高，繞Z軸扭轉(zhuǎn)或局部扭轉(zhuǎn)振型逐漸增加。

3.2 模態(tài)分析結(jié)論

根據(jù)周期計(jì)算結(jié)果，可知結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)振動周期Tt=1.942 s，結(jié)構(gòu)第一平動周期T1=2.281 s，Tt/T1=0.85<0.9，故結(jié)構(gòu)抗扭剛度適中，對其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有一定抑制作用。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)第一頻率并無明顯扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛度中心偏差較小，剛度分布較為合理。由振型曲線可知，高階振型對結(jié)構(gòu)抗震不利。且由于轉(zhuǎn)換厚板剛度及質(zhì)量較大，因而會引起結(jié)構(gòu)振型形狀變化，往往成為振型曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)整體性能影響較大，故在設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)關(guān)注。

4 時(shí)程分析

時(shí)程分析即為將地震的不間斷作用劃分為許多小的時(shí)間過程，輸入適當(dāng)?shù)牡卣鸺铀俣葧r(shí)程，從結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)起，逐步積分，最終獲得更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨時(shí)間變化曲線，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力及變形，以此分析結(jié)構(gòu)抗震性能[6]。

利用Midas gen進(jìn)行彈性時(shí)程分析，得到了在X向及Y向水平地震作用下，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)模型的層剪力、層位移以及層間位移角等關(guān)鍵指標(biāo)。

4.1 地震波選取

按照規(guī)范要求，用于分析的地震波對于結(jié)構(gòu)時(shí)程分析的準(zhǔn)確性及有效性具有重大影響，故而地震波的選擇十分關(guān)鍵，應(yīng)依據(jù)建筑物的場地類別、地震分組以及結(jié)構(gòu)周期類型確定。

因此，經(jīng)過眾多分析與比較，最終選定了天然波Superstition Hills波，其卓越周期Tg=0.51 s，地面加速度時(shí)程曲線如圖1所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)自振周期，將時(shí)間間距取為0.02 s。

4.2 樓層關(guān)鍵指標(biāo)分布曲線

將Midas gen計(jì)算得到的X、Y向水平地震作用下的樓層關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2所示，縱坐標(biāo)為樓層，橫坐標(biāo)分別為層剪力(kN)、層位移(mm)以及層間位移角(10-4)。

4.3 時(shí)程分析結(jié)論

由圖2(a)和圖2(b)可得到結(jié)論，不論受到X向還是Y向水平地震作用，厚板轉(zhuǎn)換層附近層剪力均發(fā)生較大突變，而受到Y(jié)向水平地震作用時(shí)，剪力突變更為劇烈。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)地震力隨剛度增大而增大，轉(zhuǎn)換厚板質(zhì)量大且剛度大，較相鄰層而言剛度發(fā)生了突變，故引起剪力突變，且受到Y(jié)向地震作用時(shí)剛度突變更為明顯。

由圖2(c)和圖2(d)可得到結(jié)論，樓層位移隨著樓層增高而增加，且受到X向水平地震作用時(shí)樓層位移值比Y向稍大，說明結(jié)構(gòu)彎曲剛度在X方向稍小于Y方向。

由圖2(e)和圖2(f)可得到結(jié)論，轉(zhuǎn)換層上部層間位移角迅速增大，說明其結(jié)構(gòu)側(cè)移變化加劇，因此在設(shè)計(jì)過程中需加強(qiáng)。不論是在X向還是Y向水平地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角峰值都出現(xiàn)在偏頂部位置，說明中上部是結(jié)構(gòu)的薄弱位置。由圖2(e)可知，受到X向水平地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移角曲線在轉(zhuǎn)換層處發(fā)生了突變，層間位移角值急劇減小，是由于轉(zhuǎn)換層增強(qiáng)了相鄰層豎向構(gòu)件的約束。而Y向變化不明顯，是由于其相鄰層側(cè)向剛度雖有變化，但位移角亦與層高有關(guān)。X向與Y向曲線差異明顯，是由于結(jié)構(gòu)布置不對稱。

5 結(jié) 論

a.Midas gen分析軟件能較好的模擬帶厚板轉(zhuǎn)換層的高層建筑在水平地震作用下的受力性能，且其操作較為簡單，便于實(shí)際工程設(shè)計(jì)使用。

b.高振型下結(jié)構(gòu)易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，不利于抗震，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中針對相應(yīng)的樓層及位置采取加強(qiáng)措施。

c.厚板轉(zhuǎn)換層因其大質(zhì)量及大剛度往往成為振型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)也引起樓層剪力及層間位移角的突變，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需加強(qiáng)厚板與其上下部豎向受力構(gòu)件的連接以及注重轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的剛度調(diào)整。

d.通過時(shí)程分析，證明結(jié)構(gòu)周期、剪力、位移、層間位移角等計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體受力性能良好。

e.厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)雖受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特性有一定缺陷，但具備良好的使用功能，故在6度區(qū)有較大的實(shí)用價(jià)值。

[1] 王 楠,張曉光,趙眈崴.厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)建筑,2016,46(S1):271-275.

[2] Wu Meiliang,Qian Jiaru,Fang Xiaodan,et al.Experimental and Analytical Studies on Tall Buildings with a High-level Transfer Story[J].The Structural Design of Tall and Special Buildings,2007,16(3):301-319.

[3] 彭 斌,李溪喧.高層建筑厚板轉(zhuǎn)換層整體分析方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2003(1):64-68.

[4] 扶長生,鞠 進(jìn),姜 平.鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換厚板的抗震設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu),2010(8):57-63.

[5] 彭 斌,李傳才.高層建筑轉(zhuǎn)換厚板有限元模型的建立[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2001(6):34-36.

[6] 榮維生,王亞勇,周仁刀.轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度對帶板式轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].工程抗震與加固改造,2004(6):1-8.