大跨度斜撑转换结构的抗震性能分析

郭昌奇，沈小璞，储晓路

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230022）

0 引 言

近些年来，伴随着中国房地产行业的快速发展，高层和复杂建筑越来越多［1］。由于有些建筑使用功能的需要，下部的结构设计成大跨度的建筑越来越多［2］，一般的结构都是下部结构的刚度大，柱子布置密，墙体多，到了上部要减少柱子和墙体［3］，但是从建筑的使用功能上看，要求上部有更多小开间，更多的墙体和柱子，下部建筑需要大空间，这样跟结构的布置刚好相反［4］，为了满足这样的建筑布置，结构给出的解决方案是设计转换层，来托住上部比较密的柱子，常用的转换层结构有梁式转换结构，箱形转换的结构和斜撑转换的结构等［5］。

根据工程经验和学术研究了解到，斜撑转换结构在重力荷载的作用下传力路径明确［6］，受力方式合理，以构件受压受拉来承受重力荷载，且斜撑转换结构在水平地震力作用下应力集中程度减缓，有利于结构抗震，故本工程采用斜撑转换结构。

本文以大跨度斜撑转换框架结构为例，建立有限元模型，进行反应谱法分析来了解斜撑转换结构的抗震性能，从而得出最利于抗震设计的结构方案，并通过pushover分析来了解斜撑转换结构在大震下的抗震性能，分析得出该设计方案的经济合理性。为以后的大跨度斜撑转换结构的设计提供参考依据。

1 工程概况

本工程是某地的一栋办公大楼，其结构布置图如图1（a）、（b）、（c）所示，该栋办公大楼的主厅是一个大跨度结构。对该部分结构，其剖面图如图2所示，由于内走廊在X方向上，故本文将斜撑转换层布置在X向。该工程总共8层，第三层为转换层，斜撑转换层的各个构件名称如图3所示，上下弦杆的截面尺寸为600mm×800mm，编号为1、4杆件截面尺寸为700mm×700mm，编号为2、4杆件截面尺寸为500mm×500mm。本文采用两种结构布置方案，方案一是改变转换层以下的柱子尺寸（包括转换层柱子尺寸），分别用柱A和柱B表示，方案二是改变转换层的层高，其剖面图如图2所示。本文用SAP2000建立四种结构模型，每个方案2个模型。方案一对应模型1、2，方案二对应模型3、4。每个模型所用尺寸及其说明如表1所示。该结构采用钢筋混凝土框架结构，混凝土强度等级为C35。建筑物总高度为29.9m，纵向最大跨度为9m。横向跨度为20.5m，属于大跨度结构，各层层高分别为：底层5.1m，第四、五、六层层高均为3.7m，第七层5.1m，第八层4.5m。地震参数：抗震的设防烈度为6度区，抗震等级选取2级，设计的基本地震加速度为0.05g，设计地震分组选为第一组，场地的特征周期是0.35s，结构的固有阻尼比为0.05。为满足建筑上要求底层作为大厅的高度要求，第一、二用全房间开洞，从第四层及其上部结构作为办公房间，需要小开间，故要在第三层中间跨处设置转换桁架。即图1中所示B，C轴。

2 计算结果分析

2.1 结构刚度分析

结构刚度比见表2所示

表2 等效剪切刚度比

从表2可以看出，模型2的刚度比最小，最接近1，这说明模型2的结构方案刚度变化相对更均匀些。刚度变化越均匀，越不利于出现结构薄弱层，对结构越安全，抗震性能越好，故模型2的结构方案更优。

2.2 结构最大竖向位移对比（下述竖向位移是在竖向荷载作用下的位移）

对于大跨度结构，挠度控制是设计的重点［7］，该转换层各模型的最大竖向位移都是在跨中转换层处产生，即图二所示的C点，各模型的最大竖向位移见表3。

表3 竖向最大位移（mm）

从表3可以看出，通过改变转换层层高能有效减小竖向位移。即单从竖向位移比较得出模型2和模型4的结构布置方案更优。

2.3 结构自振周期分析

为了控制结构在地震作用下的扭转效应，《高规》中第4.3.5条规定的结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比［8］，需满足规范要求，本文从严控制，取限制为0.85［9］。通过对计算模型的计算分析，得到结构自振周期，其中前7个自振周期见表4。

表4 结构自振周期

（1）从表4中数据可知，随着转换层以下部分的柱子截面尺寸的增大，结构的侧向刚度增加，因而结构基本周期减小。

（2）对比模型1和3、模型2和4的结果，发现增大结构刚度对低阶振型的周期影响相对较大，其对于高阶振型的周期影响较小。

（3）对比四个模型的周期比发现，转换层层高越高，转换层下部柱子截面尺寸越小，周期比越小，从抗震角度来看，周期比越小，说明抗侧力构件的平面布置更有效，更合理，使结构不至于出现过大的扭转效益，对结构抗震越有利。模型2的周期比最小，故只从周期比来看，模型2的结构方案更优。

2.4 楼层的层间位移角和楼层位移的分析

《抗规》中第5.5.1中规定，框架结构的层间位移角限制为1／550，各个模型在X向和在Y向的楼层位移和层间位移角如图3、4、5、6所示。各个模型的顶点位移如表5所示。

表5 顶点位移（mm）

（1）对比图三中的曲线，发现X向的层间位移角在转换层部位有突变，这是转换层的刚度突变引起的，与实际相符。

（2）从图三还可以看出，改变转换层的层高和转换层以下柱子截面对转换层上部各层间位移角影响不大，转换层层高越高，转换层以下柱子截面越大，转换层下部结构的层间位移角越小，且当转换层的层高越高，楼层的层间位移角变化越平缓，说明刚度变化越均匀，结构的抗震性能越好。故模型2的结构方案更优。

（3）从图五、图六可以看出，转换层层高越高，转换层以下柱子截面越大，各楼层位移越小。故模型2和模型4的结构布置方案更优。

（4）从表5可以看出，转换层层高越高，结构顶点位移越小，柱子截面尺寸越大，结构顶点位移越小。从抗震角度来看，顶点位移越小，结构的地震响应越小，结构越安全。故模型2和模型4的方案优于模型1和模型3的方案。

3 对最优方案（模型2）进行Push－over分析

通过上文分析得知，模型2对应的方案为最优方案，选取该模型进行Push－over分析，由于斜撑布置在X方向上，且本工程属于中等高度建筑，故本文采用振型荷载（倒三角形荷载）作用在X方向上，其工况为：重力 ＋ 振型2。Sa－Sd曲线图和塑性铰分布如图7、8所示。其中图8所示的塑性铰出现的时刻是分析中的第8步，即性能点出现的时刻。

图8中塑性铰都是出现在梁端，柱子没有进入塑形，符合强柱弱梁设计原则，比较理想。通过Push－over分析，得到结构性能点的结果如下：最大层间位移角为0.002，满足规范规定的限制容许层间位移角0.02，基底剪力F1为3218KN，最大位移为48.1mm。利用振型分解反应谱分析得到的基底剪力F2为835KN，两种基底剪力的比值F1／F2＝3.85。根据工程经验，当大震弹塑性基底剪力／小震弹性基底剪力＝3～5倍时，比较经济、合理。故本方案设计符合要求。

4 结 语

本文以大跨度斜撑转换框架结构为例，建立有限元模型，进行振型分解反应谱法和pushover分析，得到以下结论：

（1）通过改变转换层层高能有效减小竖向位移。

（2）从周期比的比较可以看出，结构转换层层高越高，转换层下部柱子截面尺寸越小，周期比越小，从抗震角度来看，周期比越小，说明抗侧力构件的平面布置更有效，更合理，使结构不至于出现过大的扭转效益，对结构抗震越有利。

（3）转换层层高越高，转换层下部柱子截面尺寸越大，楼层的层间位移角变化越平缓，说明刚度变化越均匀，结构的抗震性能越好。

（4）转换层层高越高，转换层下部柱子截面尺寸越大，结构的顶点位移越小，结构的地震响应越小，结构越安全。

（5）比较等效剪切刚度比，转换层层高越高，其刚度比越接近1，说明刚度变化越均匀，越不利于出现结构薄弱层，对结构越安全，抗震性能越好。

（6）通过对模型2进行pushover分析，得出斜撑转换结构在转换层层高和转换层下部柱子截面尺寸设计合理的情况下，其在大震下的抗震性能满足由工程经验总结的结论：大震弹塑性基底剪力／小震弹性基底剪力＝3～5倍，比较经济、合理。

1 王祖华，吴勇明.多高层建筑中的转换层结构体系［J］.建筑结构，1994（12）：11～17.

2 娄宇，魏琏，丁大钧.高层建筑中转换层结构的应用和发展［J］.建筑结构，1997（1）：21～26.

3 傅学怡.带转换层高层建筑结构设计建议［J］.建筑结构学报，1999，20（2）：28～42.

4 张誉，赵鸣，方健.空腹桁架式结构转换层的试验研究［J］.建筑结构学报，1999，20（6）：11～17.

5 吕剑勇.空腹桁架转换结构的静力性能研究［J］.建筑科学，2010（26）：63～65.

6 JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

7 GB50011－2010，建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

8 GB50010－2010，混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

9 戴国亮，梁书亭，将永生，等.叠层空腹转换层桁架结构的静力性能分析［J］.东南大学学报，2000，30（4）：39～42.