帶箱型轉換層的高層建筑結構體系的抗震性能分析

孫婷婷

鄭州商學院 河南 鞏義 451200

引言

隨著高層建筑在城市建筑中所占的比重越來越高，也有越來越多的建筑帶轉換層?，F(xiàn)階段梁式轉換層的擁有非常普遍，但是也有相關學者的研究表明，在擁有梁式轉換層的建筑中，若是轉換梁高度和層高接近時，梁下會有幾十厘米的空間存在，這種情況雖然能夠為相關人員設置管道設備提供方便，但是會在不同程度上降低本層框支柱的長度，從而對整體建筑的抗震性能產(chǎn)生不良影響。而對層高進行提升，不但對建筑立面不利，而且會浪費資源。若是對框支梁高度進行提升，保證擁有一致的層高與框支梁高度，上下結合，就會有箱型轉換層形成。箱型轉換層能夠?qū)崿F(xiàn)對空間結構受力性能的合理利用，其受力體系也與梁式轉換層存在差異，能夠在受力優(yōu)化、結構承載力提升以及抗震性能增加方面發(fā)揮優(yōu)勢。

1 箱型轉換層概述

在箱型轉換層中轉換梁上、下翼緣為梁式轉換層的上、下層樓板，轉換梁和上下樓板就組成了箱型轉換層，可以根據(jù)該層腹板的實際情況，合理確定檢修和管道孔洞的位置。通過分析實心厚板轉換層和梁式轉換層的實際情況可知，箱型轉換層擁有介于兩者之間的結構性能，與單層梁板結構相比其明顯擁有更高的平面內(nèi)剛度，但是與厚板轉換層相比擁有較小的平面內(nèi)剛度[1]。箱型轉換層幾乎擁有所有厚板轉換層的功能，在抗震設防區(qū)，不但可以有效規(guī)避厚板轉換結構方案存在的抗震超限缺陷，并且能夠獲取比厚板轉換層更高的經(jīng)濟效益和受力情況；與單層梁板結構相比，箱型轉換層能夠?qū)Ω鞣N變形進行更好的抵御和承載，箱型轉換能夠有效彌補梁式轉換中梁柱長度不足的問題，能夠使結構的整體性得到有效增強；箱型結構擁有較大的抗扭剛度。

2 振動臺模型設計與制作

在本次研究中將以某高層建筑實際工程為背景制作振動臺試驗模型，該高層建筑共18層，在結構體系方面框架剪力墻占據(jù)一定比重，第2層為箱式轉換層，由于在本建筑中底部為商業(yè)用房，上部為住宅，在轉換主梁上并未坐落全部的上部剪力墻，所使用的轉換模式為正交主、次梁，其中第3層及以上擁有3.0m的層高，而第1層和第2層擁有4.5m的層高，轉換層中設置1500mm高的箱體，箱體上下板擁有200mm厚度，箱體中選擇400mm—700mm轉換梁厚度，擁有7.8m的最大跨度。

通過振動臺的性能參數(shù)和試驗室的吊裝能力、施工條件等因素進行綜合考慮，在本次試驗中將會使用如表1所示的相似常數(shù)。

表1 試驗主要相似關系

3 振動臺試驗方案

在本次研究中將在某防災減災和土木工程重點試驗室模擬振動臺上完成試驗，在試驗中設置單向的激振方向，也就是Y向，在開展試驗參數(shù)輸入方面將有效結合加速度時程曲線和現(xiàn)實中的地震記錄，兩者的比例為1∶2，在本次試驗中主要使用Shanghai人工波、Taft波以及ElCentro波，主要使用如表2所示的試驗工況。

表2 振動臺試驗各工況參數(shù)

4 振動臺試驗結果

4.1 試驗現(xiàn)象

在將各地震波激勵輸入7度小震的過程中，模型結構只出現(xiàn)了較小的位移反應，沒有明顯裂縫形成于模型表面，模型結構處于良好的工作狀態(tài)[2]。

當?shù)卣鹆叶忍嵘?度基本時開始有第一個明顯的裂縫在結構表面出現(xiàn)，其出現(xiàn)的準確地點為1軸下部框架梁端；之后裂縫進一步擴大，裂縫相繼在8、9層連梁端部和2層上部剪力墻出現(xiàn)。在地震烈度較高的情況下，有塑性鉸出現(xiàn)在多處連梁端部，1層框支柱處有貫穿性裂縫在根部出現(xiàn)，有肉眼可見的水平裂縫3～7層的剪力墻上出現(xiàn)，同時電梯井落地剪力墻根部也是出現(xiàn)裂縫的主要地點。在模型結構中，主要有以下幾個部位集中出現(xiàn)裂縫：在剪力墻的連系梁端部裂縫呈斜向或豎直方向；在剪力墻筒體接近底部裂縫呈水平方向；2層上部剪力墻出現(xiàn)水平剪切裂縫；有水平裂縫集中在底部框支柱。

最終模型受振動臺試驗的影響為在模型的轉換層中9軸框支柱被破壞，在1層根部出現(xiàn)多處框支柱斷裂的問題，同時電梯井落地剪力墻根部也受到了地震的嚴重破壞。

4.2 模型結構動力反應

在加速度放大系數(shù)方面最終得出如下結果：①在不斷增加樓層的過程中，結構樓層總體會出現(xiàn)先增大后降低最后在增大的加速度放大系數(shù)，出現(xiàn)了第1振型為主的結構反應，其中也存在一定的Y向第2和第3振型，因此在結構頂部和中部存在較大的反應。另外，加速度在16層到頂層有大幅度提升的現(xiàn)象存在，大多擁有超過50%的增幅，有鞭梢效應存在于結構中；②通過分析，在地震波相同的情況下，不同烈度的地震反應可知，在不斷提升輸入峰值的過程中，從整體來看有逐漸降低加速度放大系數(shù)的趨勢，之所以會有這種現(xiàn)象出現(xiàn)，主要是隨著各種各樣的結構裂縫在模型中出現(xiàn)，也會逐漸降低剛度，材料的非線性程度也會不斷提升，會減弱各樓層相對地層的動力反應，同時也會降低相關的放大系數(shù)。

在正常情況下，研究人員大多使用測得的各樓層質(zhì)量乘以加速度時程計算模型結構樓層慣性力時程。某樓層的剪力就是該樓層及以上樓層慣性力的總和，最后由各樓層剪力時峰值明確隨高度變化樓層剪力的包絡圖。

通過對模型結構在各種工況下的各層建立分布的包絡圖進行分析，最終得出以下結果，層剪力普遍還是呈現(xiàn)三角形分布，同時因為有箱型轉換結構存在于第2層，在很大程度上改變了結構質(zhì)量和豎向剛度，在很大程度上改變了此處的層間剪力，在大震烈度下這種突變會變得越來越明顯。

5 分析原型結構的抗震性能

5.1 結構動力特性

在充分考慮模型動力特性的基礎上，以設計的相似比作為依據(jù)，準確計算原高層建筑結果的動力特性，然后在利用有限元軟件對其動力特性參數(shù)進行進一步優(yōu)化，對比和驗證試驗所得結構Y向前三階振型和理論計算的Y向前三階振型。最終得出以下結果，振動臺試驗與理論計算中的振動形態(tài)擁有較好的一致性[3]。

對比原型結構自振頻率實測值和計算值的情況如表3所示。由表3可知，與實驗值相比理論計算值相對較小，擁有約10%的平均誤差，主要是因為模型結構的施工和養(yǎng)護是在溫度較高的環(huán)境下完成，并且微?；炷料鄬碚f擁有更高的強度，導致其擁有比設計值更高的實際彈性模量，導致出現(xiàn)比設計值更高的結構初始剛度和頻率。

表3 原型結構自振頻率實測值和計算值的實際差異

5.2 分析振型分解反應譜

在計算普通高層建筑地震力時振型分解反應譜法是非常有效的方法，在組合中只需要使用9～15個振型就能夠滿足計算精度較高的要求，但是當高層建筑擁有帶箱型轉換結構體系時，因為其擁有更為復雜的情況，所以在本次研究中決定選取前36階振型，Y向和X向分別能夠達到99.87%和99.90%的質(zhì)量參與系數(shù)，能夠使相關規(guī)范中的要求得到滿足。

最終結果證明，與擁有其他轉換層的高層建筑相比，帶箱型轉換層結構并不會以中間高，兩邊低的趨勢分布水平地震力，而是會在轉換層附近存在水平地震力陡升的情況。另外，在接近頂層位置也會出現(xiàn)大幅度提升地震力的情況，在大多情況下，這種現(xiàn)象是由鞭梢效應導致的，振動臺試驗數(shù)據(jù)能夠為其提供有力證明。

5.3 分析結構時程

5.3.1 結構加速度反應。充分考慮原型結構和模型結構之間的相似性，再合理利用振動臺理論要求輸出峰值和臺面實際輸出峰值的偏差比例，能夠?qū)υ徒Y構在良好工作狀態(tài)下的各項地震參數(shù)進行準確計算，在這個過程中需要使用如下偏差修正公式。

式中在原型結構第i層變量D的最大反應用Dpi表示；在模型結構第i層變量D的最大反應用Dmi表示；變量D在原型結構和模型結構中的相似關系用SD表示；在模型試驗中臺面加速度最大輸入值用amg表示；模擬試驗中實測振動最大臺面加速度用aig表示。

通過上式可以計算原型結構的位移反應和加速度反應等。在7度多遇地震下本文的原型結構理論計算加速度時程和試驗值加速度時程對比結果顯示，加速度反應的試驗值和理論值在結構頂層較為接近，將有限元程序有效融入計算模型，能夠使模擬地震下的結構地震反應得到準確反映，同時也在一定程度上證明了振動臺試驗能夠得到較為準確的結果。

5.3.2 結構層間剪力。通過分析在7度多遇地震下原型結構層間剪力理論計算值和試驗值的對比情況可知，在原型結構的Y方向，在建筑各個樓層受到多遇地震影響的環(huán)境下，它們的時程分析結果和剪力試驗結果只會存在微弱的差距，說明在多遇地震中結構能夠維持較好的狀態(tài)；與分布情況相結合，沿高度方向樓層剪力分布呈三角形；另外，在地震波不同的情況下結構各層最小剪重比的理論值和試驗值分別為2.47%和2.90%，均在1.6%以上，能夠使相關的抗震設計要求得到滿足。

5.3.3 結構位移反應。在小震階段結構擁有1/1456的最大層間位移角，能夠滿足抗震需求。通過沿結構高度方面位移角的變化情況可知，大多會在與轉換箱體擁有較遠距離的第8—10層出現(xiàn)最大值，主要是由于結構高階振型的作用，另外也是由于轉換箱體重量和剛度較高能夠防止上、下層抗側構件位移，所以在此處樓層層間只擁有較小的位移角，在各種工況條件下?lián)碛?.05的最大位移比值，能夠使相關要求得到滿足。

6 結束語

綜上所述，在高層建筑結構體系中應用帶箱型轉換層擁有一定的優(yōu)勢，擁有較好的總體抗震性能，在地震的作用下仍然能夠滿足工作性能較好的要求，值得進一步研究和推廣。