豎向及水平地震作用下PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能分析

陳勇 簡斌 龔春玉

摘要：在“強(qiáng)轉(zhuǎn)換”設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，提出預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土（簡稱PSRC）空腹桁架轉(zhuǎn)換層框架結(jié)構(gòu)多道防線的劃分和內(nèi)力調(diào)整的具體方法：空腹桁架下弦梁和轉(zhuǎn)換柱為最后一道防線;其次是轉(zhuǎn)換層桁架中腹桿、上弦梁以及與其相連的上層框架柱;首道防線是轉(zhuǎn)換層其他上抬框架梁柱。采用OpenSEES軟件建立多榀有限元算例模型，進(jìn)行水平與豎向地震共同作用下的彈塑性時(shí)程分析，研究其抗震性能以及豎向水平分量變化（V/H=0、0.65、1.2）產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明：在罕遇及極罕遇地震水準(zhǔn)下（V/H=0.65），結(jié)構(gòu)可以避免整體和局部破壞，結(jié)構(gòu)形成以上抬框架梁為主的混合耗能機(jī)制，總體實(shí)現(xiàn)了多道防線設(shè)防的設(shè)計(jì)思想。隨著地震動(dòng)豎向分量的增加，其影響主要表現(xiàn)在桁架下弦撓度顯著增加，當(dāng)豎向地震動(dòng)較大時(shí)，其對(duì)上抬構(gòu)件內(nèi)力的附加影響應(yīng)予以考慮。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土;空腹桁架轉(zhuǎn)換層;豎向地震動(dòng);抗震性能;時(shí)程分析

中圖分類號(hào)：TU378.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：20966717（2020）03006409

Abstract：

Based on the design principle of “strong transformation”， a multilines defense seismic fortification method has been proposed for the frames with prestressed steel reinforced concrete （PSRC） vierendeel truss transfer story. In this method，the transfers columns and lower chord of transfer truss are designed as the last defense line. The second line includes the frame columns joined with transfer story， the upper chord and the middle web members of the transfer truss. Finally， the other columns and beams upon transfer story are the first line. In this study， firstly， the OpenSEES software was used to set up a series finite element models. Then the elasticplastic time history analysis was finished under the horizontal and vertical earthquakes to study the basic seismic performance and the influence of the difference vertical motion （V/H=0， 0.65， 1.2）. Results show that the structure can avoid the overall and partial damage under rare and very rare earthquake level （V/H=0.65）. And a “beamcolumn mixed hinge mechanism” can be formed to dissipate energy mainly relying on the beams upon transfer story. The target of multilines defense seismic fortification has been realized. On the other hand， with the increase of the vertical component of the ground motion， its influence is focus on the increase of the lower chord deflection.

Keywords：prestressed steel reinforced concrete; vierendeel truss transfer story; vertical ground motion; seismic performance; timehistory analysis

梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式簡單、傳力明確，是實(shí)際工程應(yīng)用中最常用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案。但隨著跨度增大，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸也急劇增大，導(dǎo)致建筑空間和使用功能受到極大影響，抗震設(shè)計(jì)中也將面臨“剛度突變”、“強(qiáng)梁弱柱”等突出問題[12]。預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土（簡稱PSRC）空腹桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力、型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)與空腹桁架轉(zhuǎn)換層的優(yōu)化組合，具有轉(zhuǎn)換跨度大，轉(zhuǎn)換層構(gòu)件截面尺寸遠(yuǎn)小于梁式轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)，可很好地滿足建筑使用功能需求。

空腹桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)屬于典型的豎向不規(guī)則形式，其抗震設(shè)計(jì)是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[34]。傅傳國等[5]、戴國亮等[6]完成了PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力地震反應(yīng)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該類結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)多道防線設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)。張譽(yù)等[7]完成了梁式和空腹桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向荷載和水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，后者具有更理想的破壞形態(tài)及抗震性能。簡斌等[8]依據(jù)“強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層及下層、相對(duì)弱化上部結(jié)構(gòu)”的基本原則，完成了一榀1/4縮尺PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的延性破壞模式。但該類結(jié)構(gòu)研究目前存在一些不足：試驗(yàn)研究難度大，其子結(jié)構(gòu)模型邊界條件、地震作用與實(shí)際差異大，實(shí)驗(yàn)構(gòu)件轉(zhuǎn)換層為單跨結(jié)構(gòu)等;大多已有研究未明確說明其試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的具體原則方法，導(dǎo)致設(shè)計(jì)依據(jù)不明確，對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義降低;缺少精細(xì)化的有限元彈塑性時(shí)程分析，且對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，模擬分析未考慮豎向地震作用的影響。

筆者針對(duì)8度（0.2g）設(shè)防地區(qū)，在OpenSEES軟件平臺(tái)上建立PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元模型，考慮豎向及水平地震動(dòng)共同作用，在罕遇、極罕遇水準(zhǔn)下完成彈塑性時(shí)程分析，對(duì)大震下的破壞模式、抗倒塌性能和豎向地震作用的影響進(jìn)行研究。

1算例設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)基本原則

依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范[2]和研究成果，確定PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：

1）“強(qiáng)轉(zhuǎn)換”原則。即“對(duì)轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化，而相對(duì)弱化轉(zhuǎn)換層的上抬框架”。

2）多道防線抗震設(shè)防原則。首道防線為轉(zhuǎn)換層上抬框架梁柱（不包括與桁架上弦梁緊鄰的上層柱），其次為空腹桁架中腹桿、上弦梁和與其緊鄰的上層框架柱，而桁架下弦梁和轉(zhuǎn)換柱則作為最后一道防線。

3）上抬框架部分應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范有關(guān)普通RC框架“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。

1.2算例基本信息

以兩跨PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層平面框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，算例基本信息見表1，KJ1和KJ3為轉(zhuǎn)換跨度不同的基本算例，研究該類結(jié)構(gòu)的基本抗震性能;算例KJ2、KJ3及KJ4豎向地震作用強(qiáng)度不同，研究豎向地震下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

除表1所列基本信息外，各算例均為9層，底層層高6 m、2層（轉(zhuǎn)換層）層高4.5 m、3～9層層高3.3 m。上抬框架跨度：KJ1為6 m，KJ2～KJ4為8 m。板厚：屋面板厚120 mm，轉(zhuǎn)換桁架上下層樓板厚180 mm，其他樓面板厚100 mm。轉(zhuǎn)換桁架沿縱向布置，橫向每隔2 m設(shè)置一道次梁。此外，地震分組為第一組、Ⅱ類場地。

1.3算例設(shè)計(jì)

算例均為大跨度轉(zhuǎn)換，故在空腹桁架下弦采用PSRC梁，轉(zhuǎn)換柱（1～2層柱）采用型鋼混凝土柱，其他構(gòu)件均為普通鋼筋混凝土。

由于下弦PSRC梁為主要轉(zhuǎn)換構(gòu)件，其截面尺寸相對(duì)較大，為避免出現(xiàn) “肥梁瘦柱”和方便施工，設(shè)計(jì)時(shí)給出轉(zhuǎn)換柱截面寬度不小于下弦梁寬度等限制。經(jīng)多次試設(shè)計(jì)后，各算例構(gòu)件截面尺寸如圖1所示，軸壓比和層間位移角等均滿足相關(guān)限值要求。

表2給出了轉(zhuǎn)換層等效剪切剛度比和最大軸壓比，計(jì)算結(jié)果表明，空腹桁架轉(zhuǎn)換層剛度明顯大于上下相鄰樓層。在實(shí)際工程中，此項(xiàng)指標(biāo)可以通過增設(shè)型鋼構(gòu)件、提高型鋼含鋼量或調(diào)整上下弦梁等構(gòu)件的相對(duì)剛度進(jìn)行改善。之所以仍允許較大剛度變化，是為了研究在規(guī)范限值范圍內(nèi)，較大剛度變化可能的不利影響。

算例設(shè)計(jì)過程中，荷載按現(xiàn)行規(guī)范要求取值，豎向地震采用重力荷載代表值的10%，不考慮風(fēng)荷載作用。根據(jù)中國現(xiàn)行規(guī)范[2，9]、多道防線抗震設(shè)防思想以及前期初步研究結(jié)果[10]，對(duì)構(gòu)件的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了調(diào)整，相關(guān)調(diào)整系數(shù)見表3。其中，考慮到桁架下弦采用PSRC構(gòu)件，其配筋多為抗裂、預(yù)應(yīng)力度或型鋼配置等構(gòu)造要求控制，使其實(shí)際抗彎承載力遠(yuǎn)高于抗震計(jì)算需求。若按下弦實(shí)際配筋調(diào)整，將導(dǎo)致與下弦相連的轉(zhuǎn)換柱端配筋量大增而難以實(shí)現(xiàn)。因此，在考慮“強(qiáng)柱弱梁”時(shí)，對(duì)1～2層轉(zhuǎn)換柱上下端及3層框架柱底均按內(nèi)力組合值進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)前期研究結(jié)果初步取1.7的彎矩放大系數(shù)進(jìn)行研究。同時(shí)，為了使空腹轉(zhuǎn)換桁架上、下弦跨中節(jié)點(diǎn)不早于腹桿發(fā)生破壞，腹桿僅考慮“強(qiáng)剪弱彎”，不考慮“強(qiáng)柱弱梁”[8]，地震下腹桿可以出鉸，但不破壞。

各算例構(gòu)件縱向鋼筋配筋結(jié)果如圖2所示，其中，桁架下弦PSRC梁參考現(xiàn)行規(guī)范[11]進(jìn)行配筋計(jì)算。梁上部縱筋截?cái)辔恢脼?/3處，圖中不再標(biāo)出;柱對(duì)稱配筋，圖中僅顯示單側(cè)值;轉(zhuǎn)換桁架下弦PSRC梁和轉(zhuǎn)換柱中型鋼為實(shí)腹H型鋼，含鋼率約為5%，居中布置，其截面尺寸見圖2。桁架下弦PSRC梁每跨預(yù)應(yīng)力線型采用4段拋物線，材料選用1 860級(jí)鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為0.75 fptk，預(yù)應(yīng)力損失取25%。

因受剪破壞不是研究重點(diǎn)，故當(dāng)構(gòu)件截面尺寸滿足規(guī)范剪壓比要求，且在按規(guī)范考慮“強(qiáng)剪弱彎”后箍筋配置合理時(shí)，即認(rèn)為滿足抗剪要求。

2模型建立及地震波選取

2.1模型建立

基于OpenSEES有限元分析平臺(tái)，對(duì)豎向、水平地震共同作用下的平面模型進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。模型建立中，梁、柱采用了纖維桿系模型，考慮樓板翼緣作用和柱腳鋼筋粘結(jié)滑移?；炷敛捎胏oncrete02本構(gòu)模型，滯回關(guān)系采用Berkeley兩折線模型;非預(yù)應(yīng)力鋼筋及型鋼采用steel02本構(gòu)模型，預(yù)應(yīng)力筋采用Hysteretic本構(gòu)模型;采用Bond_SP01滑移模型考慮柱腳位置處鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移[1213]。

在模擬分析中，預(yù)應(yīng)力筋采用“兩階段工作原理”考慮[1415]：第1階段為張拉施工階段，預(yù)應(yīng)力作用相當(dāng)于“荷載”，即預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力σpe提供等效荷載;第2階段為張拉灌漿后的使用階段，預(yù)應(yīng)力筋相當(dāng)于普通鋼筋，只是其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取fpy-σpe。因而，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件就可以視為一個(gè)承擔(dān)外荷載和預(yù)應(yīng)力等效荷載的“普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件”，其中，預(yù)應(yīng)力筋材料強(qiáng)度為fpy-σpe。

2.2地震波選取

彈塑性時(shí)程分析地震波選自PEER地震波數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，考慮水平及豎向地震作用，對(duì)各算例分別選取7對(duì)實(shí)際地震波記錄。

首先，對(duì)PEER數(shù)據(jù)庫水平分量地震波進(jìn)行初篩，然后采用雙頻段控制選波，雙頻區(qū)段為[0.1 s， Tg]及[T1-0.15 s，T1+0.15 s]，控制其加速度與規(guī)范反應(yīng)譜值的誤差不超過15%。在選取水平分量地震波的同時(shí)，取對(duì)應(yīng)的豎向地震波記錄。在對(duì)豎向地震波進(jìn)行加速度峰值調(diào)幅時(shí)，分別取豎向與水平地震加速度峰值比V/H=0、0.65、1.2，如表4所示。

3結(jié)果分析

3.1破壞準(zhǔn)則

3.1.1整體失效的判定

1）在結(jié)構(gòu)的任何一層中，所有豎向構(gòu)件上下端均出現(xiàn)塑性鉸，即所謂的層側(cè)移機(jī)制，且層間位移角大于2%。

2）任何一層的層間位移角超過3%。

3.1.2局部失效的判定

構(gòu)件塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求大于其轉(zhuǎn)動(dòng)能力，具體表現(xiàn)為塑性鉸截面混凝土最大壓應(yīng)變小于極限壓應(yīng)變。

3.2KJ1和KJ3罕遇地震分析

算例KJ1、KJ3為跨度不同的基本算例，H/V均為0.65，旨在研究PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層框架結(jié)構(gòu)的基本抗震性能和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征。對(duì)算例KJ1、KJ3進(jìn)行8度罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，KJ1輸入地震波w1～w7、KJ3輸入地震波w8～w14。

3.2.1側(cè)向位移

圖3和圖4分別列出了算例KJ1、KJ3在各自7對(duì)地震波下層側(cè)向位移的最大值和最大值的平均值（簡稱平均值，下同）。

由圖3、圖4可見，算例KJ1、KJ3側(cè)向位移曲線整體均未呈現(xiàn)出普通框架的剪切型，而是在轉(zhuǎn)換層處出現(xiàn)明顯改變。與剪切型側(cè)移曲線相比，KJ1、KJ3的轉(zhuǎn)換層及其下部樓層側(cè)向位移明顯減小，這源于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層及下部樓層的抗側(cè)剛度的加強(qiáng)。

3.2.2層間位移角

圖5和圖6分別列出了算例KJ1、KJ3在各自7對(duì)地震波下層間位移角的最大值和最大值的平均值。

計(jì)算結(jié)果表明，KJ1與KJ3的層間位移角最大值分別為1/79和1/71，平均值分別為1/87和1/98，未見整體失效，且有較大富余。由圖5、圖6可見，轉(zhuǎn)換層及其下部樓層的層間位移角遠(yuǎn)小于上抬框架各層，且未出現(xiàn)明顯的塑性變形，這與層側(cè)向位移的變化是一致的。此外，兩算例層間位移角最大值的平均值均出現(xiàn)在第7層，這與第7層柱截面尺寸減小相關(guān)。

3.2.3轉(zhuǎn)換層豎向位移

PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換跨度大，對(duì)豎向地震作用更為敏感。如果桁架轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)較大豎向位移，將對(duì)轉(zhuǎn)換層及其上部構(gòu)件受力產(chǎn)生影響。在預(yù)應(yīng)力、豎向荷載以及水平與豎向地震共同作用下，算例KJ1、KJ3轉(zhuǎn)換層下弦梁跨中豎向位移最大值計(jì)算結(jié)果見表5。轉(zhuǎn)換層下弦梁如圖7所示，位移向下為正。

參照《組合結(jié)構(gòu)規(guī)范》（JGJ 138—2016）[16]，在正常使用極限狀態(tài)，轉(zhuǎn)換梁下弦撓度與計(jì)算跨度之比限值為l0/300（KJ1、KJ3對(duì)應(yīng)為60、80 mm），且不宜超過l0/400（KJ1、KJ3對(duì)應(yīng)為45、60 mm）。由表4可見，梁跨AD與DG的數(shù)值基本相等，且與規(guī)范JGJ 138—2016的要求相比有明顯富余。

3.2.4塑性鉸分布

考慮算例KJ3與KJ1計(jì)算結(jié)果類似，故僅給出算例KJ1在7對(duì)地震波下的塑性鉸分布圖，見圖8，空心圓代表截面上下部單向出鉸，實(shí)心圓代表雙向出鉸。

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，總結(jié)KJ1和KJ3塑性鉸分布特點(diǎn)為：

1）轉(zhuǎn)換柱。轉(zhuǎn)換層及其下部樓層的轉(zhuǎn)換柱多在轉(zhuǎn)換桁架下弦梁相連的邊節(jié)點(diǎn)處首先出鉸，轉(zhuǎn)換柱雖難以避免出現(xiàn)塑性鉸，且少數(shù)地震波下出鉸數(shù)較多，但塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求遠(yuǎn)小于上抬框架梁。

2）桁架上、下弦梁和腹桿。下弦梁未見出鉸、上弦梁僅個(gè)別出鉸，中腹桿部分出鉸，塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求遠(yuǎn)小于上抬框架梁。

3）上抬框架柱。與轉(zhuǎn)換層上弦梁相連的3層柱底有部分出鉸，塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求遠(yuǎn)小于上抬框架梁;其他上抬框架柱部分出鉸，轉(zhuǎn)動(dòng)需求明顯小于上抬框架梁。

4）上抬框架梁。上抬框架梁出鉸明顯最多，且轉(zhuǎn)動(dòng)需求明顯最大。除頂層外其他各層普遍出鉸，4～7層塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求明顯更大。上述特點(diǎn)表明，上抬框架符合“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了以梁鉸為主的混合出鉸耗能機(jī)制。

綜上所述，轉(zhuǎn)換柱、空腹桁架下弦梁是作為最后一道防線的關(guān)鍵構(gòu)件，雖然不能避免轉(zhuǎn)換柱出鉸，但塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求小，得到較好地保護(hù);桁架上弦及其相連的上抬框架柱，以及桁架的中腹桿作為中間過渡防線雖有部分出鉸，但轉(zhuǎn)動(dòng)需求小，未見明顯損傷;結(jié)構(gòu)塑性鉸主要集中在上抬框架梁，并以此耗散地震能量。由此可見，兩算例均可以滿足“強(qiáng)轉(zhuǎn)換”、“多道防線抗震設(shè)防”和上抬框架“強(qiáng)柱弱梁”等設(shè)計(jì)基本原則，具有較好抗震性能。

3.2.5關(guān)鍵桿件塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求

表6列出了算例KJ1、KJ3（H/V=0.65）各類構(gòu)件塑性鉸的轉(zhuǎn)角延性需求，其延性需求均在合理范圍內(nèi);同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明罕遇地震下各出鉸截面混凝土受壓應(yīng)變均未達(dá)到極限壓應(yīng)變值，即不出現(xiàn)局部破壞。

3.3KJ3極罕遇地震分析

結(jié)構(gòu)有可能遭遇超越罕遇地震水準(zhǔn)的地震作用，在此種情況下，若PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在最后一道防線出現(xiàn)破壞，其結(jié)果將是災(zāi)難性的，危害程度遠(yuǎn)大于普通框架結(jié)構(gòu)。為確保該類結(jié)構(gòu)在超越罕遇地震水準(zhǔn)后的安全儲(chǔ)備，以及為進(jìn)一步研究可能出現(xiàn)的破壞模式，現(xiàn)以算例KJ3為對(duì)象，進(jìn)行8度極罕遇地震水準(zhǔn)下的彈塑性時(shí)程分析。

按照《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）的定義，極罕遇地震相應(yīng)于年超越概率為10-4的地震動(dòng)，其PGA取基本地震動(dòng)時(shí)的2.7～3.2倍。8度設(shè)防基本地震動(dòng)峰值加速度為200 cm/s2，對(duì)應(yīng)的極罕遇地震動(dòng)水準(zhǔn)下則為640 cm/s2。故算例KJ3在極罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析時(shí)，需將w8～w14地震動(dòng)水平分量峰值加速度調(diào)整到極罕遇地震動(dòng)水準(zhǔn)，豎向分量仍按V/H=0.65的比例確定。

3.3.1層間位移角

計(jì)算結(jié)果表明，KJ3最大層間位移角值在1/76～1/40之間，最大層間位移角值平均值為1/54，位于上抬框架上部的6～8層。其中，在地震波w11下層間位移角在上抬框架中達(dá)到最大值1/40，對(duì)應(yīng)的底層和轉(zhuǎn)換層層間位移角分別為1/298和1/333，數(shù)值明顯較小。

綜上所述，在極罕遇地震下，最大層間位移角雖然接近3%的限值，但沒有形成層側(cè)移破壞機(jī)制，未出現(xiàn)整體破壞，且轉(zhuǎn)換層及其下部樓層層間位移角小，得到了較好的保護(hù)。

3.3.2塑性鉸分布

算例KJ3在w11作用下層間位移角反應(yīng)最為顯著，在圖9中給出其塑性鉸分布，通過與罕遇水準(zhǔn)下塑性鉸分布圖的對(duì)比，總結(jié)PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層框架結(jié)構(gòu)在極罕遇地震作用下的塑性鉸分布的特點(diǎn)。

1）轉(zhuǎn)換柱。邊轉(zhuǎn)換柱的底端新增出鉸，所有塑性鉸轉(zhuǎn)角需求仍較小。

2）上弦梁、下弦梁和中腹桿。上弦梁端和中腹桿底端出鉸更為普遍，但轉(zhuǎn)動(dòng)需求小;下弦梁不出鉸。

3）上抬框架柱。上抬框架柱塑性鉸數(shù)量增加，塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求增大趨勢也較為明顯。其中，轉(zhuǎn)換桁架上弦梁緊鄰的3層柱下端普遍出鉸，且部分塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求相對(duì)較大。

4）上抬框架梁。除頂層外，上抬框架梁端截面幾乎全部出鉸，且轉(zhuǎn)動(dòng)需求明顯大于其他構(gòu)件。

綜上所述，KJ3在極罕遇地震作用下臨近破壞時(shí)，轉(zhuǎn)換層及其下部樓層塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)仍較小，后續(xù)防線得到較好保護(hù)。上抬框架混合出鉸明顯，地震能量的耗散仍主要依靠上抬框架梁進(jìn)行，多道防線抗震設(shè)防的設(shè)計(jì)思想得以實(shí)現(xiàn)。需說明的是，為解決個(gè)別地震波下轉(zhuǎn)換柱出鉸數(shù)略多的問題，必要時(shí)可適當(dāng)提高轉(zhuǎn)換柱的承載能力。

4地震動(dòng)豎向分量影響分析

4.1側(cè)向位移

算例KJ2、KJ3和KJ4水平與豎向地震動(dòng)加速度峰值比V/H分別為0、0.65和1.2，其在各自7對(duì)地震波作用下側(cè)向位移最大值的平均值分布如圖10所示。由圖10可見，不同V/H水平下，側(cè)向位移曲線幾乎重合，這說明地震動(dòng)豎向分量的改變幾乎未對(duì)該類結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移產(chǎn)生影響。

4.2中腹桿下端節(jié)點(diǎn)位移

在算例各自7對(duì)地震波下，空腹桁架下弦各控制點(diǎn)（圖7）豎向位移最大值見表7。由表7可見，隨著地震動(dòng)豎向分量的增加，轉(zhuǎn)換桁架下弦各控制點(diǎn)（B、C、E、F點(diǎn)）豎向位移最大值也隨之增大，其中，靠近邊轉(zhuǎn)換柱的B、F節(jié)點(diǎn)豎向位移增大尤為顯著。以C節(jié)點(diǎn)處豎向位移最大值平均值為例，KJ4與KJ3相比，增大25.6%;KJ4與KJ2相比，增大60.4%。KJ4在個(gè)別地震波作用下C節(jié)點(diǎn)豎向位移已達(dá)到44.9 mm。隨著V/H的增加，各控制節(jié)點(diǎn)的豎向位移不均勻性加大，導(dǎo)致類似支座不均勻沉降效應(yīng)，這將對(duì)上部構(gòu)件造成相應(yīng)的影響，如內(nèi)力重分布更為顯著、構(gòu)件提前開裂等問題，應(yīng)予以重視。

4.3塑性鉸分布

算例KJ2～KJ4在w8地震波下塑性鉸分布具有代表性，見圖11?？偨Y(jié)塑性鉸分布隨豎向地震動(dòng)增大的發(fā)展規(guī)律如下：

1）轉(zhuǎn)換柱。隨著V/H數(shù)值的增大，轉(zhuǎn)換柱塑性鉸數(shù)量增多，由邊轉(zhuǎn)換柱與空腹桁架下弦梁相交節(jié)點(diǎn)處下柱端出鉸，逐步向邊轉(zhuǎn)換柱與空腹桁架下弦梁相交節(jié)點(diǎn)處上下柱端出鉸、底層邊轉(zhuǎn)換柱下端出鉸擴(kuò)展;同時(shí)，塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求呈現(xiàn)增大趨勢，但轉(zhuǎn)動(dòng)需求仍很小。

2）上弦梁、下弦梁及中腹桿。隨V/H的增大，空腹桁架下弦仍未出鉸;上弦梁出鉸數(shù)量增多，且呈現(xiàn)由梁端向中部發(fā)展的趨勢，當(dāng)V/H=1.2時(shí)，上弦梁出鉸數(shù)量已較為普遍。

3）上抬框架塑性鉸。轉(zhuǎn)換桁架上抬框架梁充分出鉸，隨著豎向分量占比增加，部分梁塑性鉸由單向鉸變化為雙向鉸，且轉(zhuǎn)動(dòng)需求也有一定增加。而上部框架柱受豎向分量影響相對(duì)較小。

5結(jié)論

1）在“強(qiáng)轉(zhuǎn)換”設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，提出了多道防線劃分和內(nèi)力調(diào)整的具體方法。多道防線包括：首道防線為轉(zhuǎn)換層上抬框架梁柱（不包括與桁架上弦梁緊鄰的上層框架柱）;其次為空腹桁架中腹桿、上弦梁和與其緊鄰的上層框架柱;桁架下弦梁和轉(zhuǎn)換柱則作為最后一道防線。

2）罕遇地震水準(zhǔn)下，考慮豎向與水平地震共同作用，按多道防線設(shè)防思想設(shè)計(jì)的PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換層框架結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)整體和局部破壞，形成以首道防線上抬框架梁鉸為主的混合出鉸耗能機(jī)制，結(jié)構(gòu)多道防線設(shè)防思想總體得以實(shí)現(xiàn)。

3）極罕遇地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)層間位移角明顯增大，但不出現(xiàn)整體破壞，仍形成以上抬框架梁鉸為主的混合出鉸耗能機(jī)制，表現(xiàn)出較好的抗震性能。

4）隨著豎向地震動(dòng)的增大，其影響主要表現(xiàn)在桁架下弦撓度顯著增加，當(dāng)豎向地震動(dòng)較大時(shí)，其對(duì)上抬構(gòu)件內(nèi)力的附加影響應(yīng)予以考慮。

需要說明的是，底部增設(shè)落地剪力墻將明顯改善PSRC空腹桁架轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)底部的抗側(cè)剛度比和大震下的抗震能力，提高該類結(jié)構(gòu)的可靠性。本文采用平面模型進(jìn)行抗震性能研究，后續(xù)將進(jìn)一步補(bǔ)充空間模型的研究，包括增設(shè)剪力墻的影響。參考文獻(xiàn)：

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（編輯胡玲）