带高位梁式转换层框架-剪力墙结构体系抗震性能研究

黄慎江, 凌 琦,2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.中国工商银行 安徽省分行,安徽 合肥 230001)

近年来,我国高层建筑体型向着复杂、功能多样的综合性方向发展。由于使用功能的需要,高层建筑往往在上部楼层布置住宅、旅馆,中部楼层作为办公用房,下部楼层作商业、文化娱乐设施。不同用途的楼层需要不同的开间,就需要采用不同的结构形式来实现。为了满足建筑功能的要求,实现与之相适应的结构布置,就必须在结构转换的楼层设置转换层,以满足建筑在底部布置较大空间的要求,同时可为建筑提供较大的出入口。

1 转换层结构形式概述

常用的结构转换形式主要有实腹梁转换(普通梁,宽扁梁)、桁架转换(空腹杆桁架,斜腹杆桁架)、搭接柱转换、箱型转换、厚板转换5种基本形式,此外,还有斜撑转换、钢筋混凝土拱转换等其他转换结构形式[1]。

对国内外59栋带转换层高层建筑结构的调查结果表明,采用梁式转换结构约占63%,采用桁架式转换结构约占27%,采用板式转换结构仅占10%,而采用箱形转换结构的高层建筑很少。从转换结构材料来看,转换层基本上采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构,只有个别高层建筑(北京中国银行总部大厦和深圳世贸中心大厦)采用了钢桁架转换层形式[2-3]。

实腹梁转换是目前最常用的一种结构转换形式。实腹梁转换传力途径明确、受力性能好、构造简单、施工方便,广泛应用于底部为商店、餐厅、会议室,上部为住宅、公寓、综合楼等建筑。框支转换可采用实腹梁,此时实腹梁与上部的剪力墙成为一体,共同承担上部竖向荷载。实腹梁转换的缺点是转换构件截面尺寸大、自重大,多少会影响该层的建筑使用空间,同时,易引起转换层上、下层刚度突变,对结构抗震不利。实腹梁转换一般适用于上、下层竖向构件在同一竖向平面内的转换。梁式转换层结构代表性的工程实例[4-5]见表1所列。

表1 转换层工程实例

表1仅反映出转换层结构应用的一个侧面。目前,大部分复杂高层建筑都设置了转换层。研究结果表明,转换层位置如果设置不合理,其结果将会影响高层建筑的抗震性能[6]。

2 梁式转换层结构性能分析

2.1 相关计算规定

带转换层的高层建筑由于结构竖向布置及刚度变化,在地震作用下受力复杂,因此在设计中采用转换层的侧向刚度平滑过渡来控制,以达到减小震害的目的。《高层建筑混凝土结构技术规程》要求转换层上部结构与下部结构的侧向刚度比应符合本规程附录E的规定[7]。

(1)E.0.1底部大空间为1层时,可以近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化,γ宜接近1,非抗震设计时 γ不应大于3,抗震设计时 γ不应大于2,即

其中,G1、G2分别为底层和转换层上层的混凝土剪变模量;A1、A2分别为底层和转换层上层的折算抗剪截面面积。

(2)E.0.2底部大空间层数大于1层时,其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比 γe可采用(2)式计算。γe宜接近1,非抗震设计时 γe不应大于2,抗震设计时γe不应大于1.3。

其中,γe为转换层上、下结构的等效侧向刚度比;H1为转换层及其下部结构的高度;H2为转换层上部若干层结构的高度,其值应等于或接近 H1,且不大于H1;Δ1为转换层及其下部结构的顶部在单位水平力作用下的侧向位移;Δ2为转换层上部若干层结构的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。

2.2 计算模型

计算模型总共45层,高118.5 m,为钢筋混凝土部分框支剪力墙结构。转换层位于第9层,采用梁式转换,转换层及以下梁、柱混凝土强度等级为C45,转换层以上混凝土强度等级为C35。转换层及其下部为框支结构,由落地剪力墙和支撑框架组成,层高4.5 m,结构平面布置图如图1所示,其中型钢混凝土转换梁尺寸为800 mm×1600 mm,框支柱截面为1500 mm×1500 mm,落地剪力墙厚度500 mm。

转换层上部为剪力墙结构,层高3 m,共41层,结构平面布置如图2所示,其中,上部结构剪力墙厚度250 mm;框支层楼板厚度200 mm;转换层楼板厚度250 mm;转换层以上各层楼板厚150 mm。

2.3 结构性能影响计算分析

采用SAP2000软件[8],对结构进行弹性振型分解反应谱分析,计算中采用刚性楼板假定,抗震设防烈度7度,基本风压0.4 kN/m2,地面粗糙度为C类。设计地震分组第1组,场地类别Ⅱ类,设计基本地震加速度0.05g,场地特征周期 Tg为0.35 s,水平地震影响系数最大值为0.04。

(1)自振周期。在分析计算中取定2个自变量,在保持计算模型总层数不变的情况下,分别将转换层设置在第 5、7、9、13层;设定4种等效侧向刚度比γe,通过改变转换层上部剪力墙结构抗侧向刚度来实现。通过对16个高位转换层结构模型进行模拟计算,研究其转换层位置以及等效侧向刚度比同时变化时对结构抗震性能的影响。结构横向自振周期计算结果见表2所列。

图1 转换层下部结构平面布置图

图2 转换层上部结构平面布置图

表2 结构横向自振周期 s

转换层下部结构,由四周落地剪力墙和中部框架结构组成,因低层建筑要求层高较高,故比上部纯剪力墙结构柔弱。当转换层位置上升时,其下部框支层数加大,上部剪力墙层数相应减少,当总层数不变时,结构总高度稍微增加,结构的整体刚度相应减小,导致结构自振周期增大。由表2的数据分析可知,当等效侧向刚度比不变时,转换层由5层移至13层,结构自振周期增大。再者,结构随着等效侧向刚度比增加,自振周期减小。

(2)水平地震作用。对于上述16个计算模型,转换层位置以及等效侧向刚度比同时变化时,结构对横向水平地震力计算结果见表3所列,转换层所在层水平地震力曲线如图3所示。

表3 结构水平地震力 kN

图3 转换层所在层水平地震力曲线

由表3、图3的数据分析可知,当等效侧向刚度比固定时,转换层位置从5层变换至13层时,转换层位置水平地震力先逐渐增大,后又逐渐降低[9]。由此表明,当结构转换层设置在某一相对高度以下时,水平地震力随转换层位置升高成正比;当结构转换层位于相对高度以上时,水平地震力随转换层位置升高成反比。

(3)楼层位移及层间位移角。对计算模型进行弹性时程分析,将转换层设置在第5、9、13层,分别对结构输入EL-CENT RO波、Taft波和人工合成场地波3种地震波。结构在3条地震波作用下楼层水平位移曲线如图4所示,位移及层间位移角平均值如图5所示。

图4 楼层水平位移曲线

图4 、图5清晰地给出了带转换层结构整体变形特点。当转换层设置在较高位置时,在结构的纵向,最大层间位移角出现在转换层下部,且变化幅度大;当转换层从第5层上移至第13层,最大层间位移角增幅达112.24%。在结构的横向,层间位移角相对于纵向变化较小,当转换层从第5层上移至第 13层,最大层间位移角增幅仅5.87%。因此,在高位转换结构中,随着转换层上移,结构会产生明显的扭转效应。

图5 楼层层间位移角曲线

(4)转换层下部落地剪力墙刚度变化对结构自振周期的影响。通过对4种厚度落地剪力墙结构模型进行模拟计算,落地剪力墙墙厚分别取300、400、500、600 mm。梁式转换层位于第9层,转换层上部剪力墙厚度250 mm。梁式转换层结构上、下等效侧向刚度比及落地剪力墙墙厚变化时对结构自振周期的影响计算结果,见表4所列。不同厚度剪力墙周期对比如图4所示。

由表4的数据分析可知,随着转换层下部落地剪力墙厚度增加,相应墙体刚度的增加,会带动结构自振周期的减小。由图6可清晰看到不同厚度墙体对自振周期的影响,转换层下部落地剪力墙体厚度改变只对结构前3个自振周期影响较大。

表4 结构自振周期s

图6 不同厚度剪力墙周期对比

3 结 论

本文就转换层设置位置及其上下部剪力墙厚度变化对结构的影响进行了探讨。研究内容包括结构自振周期、转换层所在层水平地震力、水平位移、层间位移角,得到如下结论。

(1)转换层的位置和转换层上、下等效侧向刚度比是影响带转换层高层建筑抗震性能的主要因素。

(2)带转换层高层建筑,转换层所处位置越高,结构的整体刚度越小,自振周期增大,结构纵向水平位移明显增大,而横向水平位移增幅较小,位于转换层下部的框支结构层间位移角随转换层位置上移突变明显。

(3)在梁式转换结构中,不同楼板计算假定会影响相邻楼层的剪力分配和传力途径。刚性楼板假定通过转换层顶层楼板将大部分剪力传递到落地剪力墙上;而弹性楼板假定通过转换层以上多层楼板将剪力逐渐传递到落地剪力墙上,所以,弹性楼板的剪力分配和传力途径更为合理。

(4)在用SAP2000计算分析时,为节约计算时间,转换层上至少要设3层楼板为弹性板假定,这样可大致消除上层楼板过多约束对转换层附近楼层框支剪力墙在剪力分配上存在的差异。

(5)在多遇烈度地震作用下,随着转换层位置升高,结构顶点位移逐渐增大,但增幅不明显,在罕遇地震作用下,结构顶点位移增幅较大,说明随着转换层位置的升高,在遭遇罕遇地震破坏作用下结构破坏越严重,即结构自振周期越大。

(6)在多遇烈度地震作用下,随着转换层位置升高,结构出现铰的数量逐渐增多,且主要分布在转换层的下部,说明带转换层结构的破坏首先发生在转换层的下部,但此时铰的数量较少,结构仍处在弹性工作阶段。在罕遇地震作用下,结构出铰数量明显增多,转换层下部梁全部出铰,转换层上部梁大部分出铰。当转换层位置升高时,转换梁出铰呈增多趋势。底层框支柱基本未出铰,究其原因,是由于框支柱设计时控制轴压比,使框支柱在罕遇地震下不容易破坏,避免了结构形成层侧移机构。

[1]张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社,2008：98-137.

[2]中国建筑科学研究院建筑结构研究所.高层建筑转换层结构设计及工程实例[Z].北京：中国建筑科学研究院建筑结构研究所,1993：27-59.

[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社,2002：96-112.

[4]曾 波,杜 勇.南京市某高层商住楼框支剪力墙结构设计[J].建筑科学,2000,16(5)：30-35.

[5]张重阳,袁海涛,范晓燕,等.某高层商住楼转换层结构方案的选择[J].工业建筑,2005,35(12)：97-101.

[6]刘劲松.带高位大跨转换层建筑结构抗震性能研究[D].杭州：浙江大学,2004.

[7]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[8]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社,2006：131-157.

[9]完海鹰,王 梅,曾 荻.考虑蒙皮效应的高层结构有限元分析[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2001,24(2)：184-188.