山地建筑掉层结构扭转性能分析及抗震设计研究

蔡文意，张广磊，庞新宾

（1.中国核电工程有限公司郑州分公司；2.机械工业第六设计研究院有限公司；3.郑州大学综合设计研究院，郑州 450000）

一、引言

在城市化快速发展、社会经济和人民生活水平不断提高的今天，住宅需求日益增长。住宅建设和耕地保护都是关系国计民生的大事，却又因建房占地与保护耕地相冲突而产生矛盾。那么如何才能有效地化解矛盾呢？日本等国土资源稀缺国家的经验给我们提供了答案，这就是：住宅建设向荒滩、山地发展。我国不少地区山多地少，因地制宜地发展山地住宅建筑不失为合理利用国土资源的一项良策。

掉层建筑结构是山地建筑中比较常见的一种结构形式，其指的是同一栋建筑的底界面放置在不同标高的场地基面上，并且最高接地点以下按层高设置楼面的接地结构，如图1所示，

图1 掉层结构示意图

掉层的基本形式有纵向掉层、横向掉层和局部掉层三种，该种结构能很好地依附地形获取更大的使用空间。研究掉层结构的抗震性能够在一定程度上给掉层结构在实际工程中的应用提出合理化建议，而现阶段关于掉层结构抗震方面的研究还不多，其研究成果还不能满足工程实践的需求，因此，对山地建筑掉层结构进行地震扭转效应分析及抗震设计研究是非常必要的。

二、模型概况

某Ⅱ类场地上的高层建筑，无地下室，地上18 层，底层层高为4.5m，标准层层高3.0m，建筑物总高度55.5m，框架结构。柱网尺寸如图2 所示，总建筑面积7213m2。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6o，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。为了对比分析普通框架结构和掉层框架结构的地震扭转效应，以相同图纸分别在两种场地上建造房屋，场地一为平整的自然地面，基础采用人工挖孔桩；场地二地形为陡坎型，陡坎处采用现浇混凝土挡土墙进行挡土，建筑物的纵向沿陡坎的方向，基础采用人工挖孔桩，掉层部分与陡坎的边界约束条件有两种情况：一种情况为靠近陡坎的框架柱与陡坎挡土墙相分离；另一种情况为靠近陡坎的框架柱与陡坎挡土墙相固接，见图3 所示。

图2 结构平面图

图3 框架结构与陡坎的两种边界条件

为了研究山地掉层框架结构的扭转效应，建立16 个模型，进行对比分析，具体示意模型如下图4 所示：

模型0a0：自然地面的普通框架结构；

模型2a1：掉层层数为2 层，坎上跨数为1 跨的分离掉层框架结构；

模型2a2：掉层层数为2 层，坎上跨数为2 跨的分离掉层框架结构；

模型2a3：掉层层数为2 层，坎上跨数为3 跨的分离掉层框架结构；

模型2b1：掉层层数为2 层，坎上跨数为1 跨的固接掉层框架结构；

模型2b2：掉层层数为2 层，坎上跨数为2 跨的固接掉层框架结构；

模型2b3：掉层层数为2 层，坎上跨数为3 跨的固接掉层框架结构；

模型3a1：掉层层数为3 层，坎上跨数为1 跨的分离掉层框架结构；

模型3a2：掉层层数为3 层，坎上跨数为2 跨的分离掉层框架结构；

模型3a3：掉层层数为3 层，坎上跨数为3 跨的分离掉层框架结构；

模型3b1：掉层层数为3 层，坎上跨数为1 跨的固接掉层框架结构；

模型3b2：掉层层数为3 层，坎上跨数为2 跨的固接掉层框架结构；

模型3b3：掉层层数为3 层，坎上跨数为3 跨的固接掉层框架结构；

图4 模型示意图

三、计算结果

1.周期比。

表1：X 方向各模型1～10 层的位移比

2.各楼层侧移刚度。

图5

3.各楼层位移比。

表2：X 方向各模型1～10 层的位移比

四、数据分析结论

通过对以上模型计算出的数据进行分析，得出以下结论：

（1）平面规则、对称的框架结构，由于掉层结构的边界约束条件将使得结构在垂直于掉层方向（Y 方向），在水平地震作用下产生较大的扭转效应，且其主要集中作用在结构的底部楼层。

（2）分离、固接和台阶型掉层框架结构的自振周期均比普通框架结构的短，这说明掉层框架结构的侧移刚度和扭转刚度均比普通框架结构较大，但掉层框架结构的周期比和普通框架结构相比，相差很小，这说明掉层的出现对结构的整体扭转效应影响不大。

（3）分离、固接掉层框架结构在陡坎以下楼层的刚心重心偏离较大，位移比较普通框架结构大，使底部楼层的扭转效应均大于普通框架结构。

（4）对于分离、固接掉层框架结构，在沿着掉层方向（即X方向）的地震作用下，楼层的扭转效应不大，但坎上两层柱内力较普通框架结构变大，成为抗震薄弱环节，而陡坎下楼层的柱和梁均小很多，构件偏于安全；在沿着掉层方向（即Y 方向）的地震作用下，掉层使结构在陡坎下楼层处产生了较大的扭转效应，且坎上两层柱内力较普通框架结构变大，成为抗震薄弱环节，而陡坎下楼层的柱和梁均小很多，构件偏于安全，故应在陡坎以下楼层处加大外围构件Y 向的刚度。

五、结语

本文针对山地建筑结构的一种常见的结构形式——掉层建筑结构为研究对象，以大型通用有限元程序ETABS 为工具对不同接坡方式的掉层建筑结构进行抗震性能的对比分析，比较掉层建筑结构与常规结构抗震性能方面的差异，在一定程度上为掉层建筑结构的设计提供有效的科学依据。

鉴于地震的危害性，研究山地建筑物特别是掉层建筑在地震反应中的抗震扭转性能，以便在设计中采取适当的措施保证建筑物在地震中的抗震性能，通过本文的研究希望能给设计人员提供一些有价值的抗震设计建议。

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