转换层设置位置对框支剪力墙结构抗震性能影响的研究①

□□ 　　

(山西建筑职业技术学院，山西 太原　030006)

引言

随着建筑技术的不断创新与进步，人们不仅对建筑物的空间数量及空间大小有着很高的要求，而且对建筑物的空间布局及位置分布的要求也越来越高，例如大型购物中心、商场、大型超市等类型的建筑物，其底部均要求有较大的空间，但此类建筑的上部结构功能布置又往往需要更多的较小的空间，例如用作酒店房间或办公室等。在结构受力传力上，此类建筑物上部小空间结构的竖向荷载无法直接传于下部楼层受力构件上。对于此类建筑，可通过设置转换层于上、下结构楼层间，以形成上下刚度大小不同的框支剪力墙结构体系。转换层的主要形式有梁式转换、桁架转换、厚板转换等，并根据建筑结构的实际条件，应用于不同的结构形式。本文引用工程案例，采用PKPM-SATWE模块对部分框支剪力墙建筑进行抗震模拟，并建模分析当转换层高度不同时对结构抗震性能的影响。

1　工程实例

某工程项目位于山西省大同市，地上为29层，地下为2层，总高度为84.40 m，总建筑面积为18 708.35 m2。其中地下一层层高为5.1 m，地上一二层层高为3.9 m，三层以上各层层高均为3.0 m，屋顶设置电梯间、水箱间；一至三层为商场，四层以上均为住宅。该项目结构体系属于常见的框支剪力墙结构体系，转换层位于3层，采用钢筋混凝土梁式结构转换层，下部结构剪力墙厚度为400 mm，上部剪力墙厚度设置为250 mm和200 mm。

根据结构设防类别、场地设防烈度、建筑物高度和高层建筑混凝土技术规程，确定主要构件的抗震等级为：框支柱、转换梁为特一级；加强部位的落地剪力墙抗震等级定为特一级；非加强部位的落地剪力墙抗震可适当降低一级，故定为一级。主要构件名称及混凝土强度等级等信息见表1。

表1　构件名称及混凝土等级信息表

2　针对结构模型的抗震计算

2.1　模型建立及模型结构分析

采用PKPM-CAD建立该项目的结构模型，并根据项目工程背景，依据相关设计规范对模型中已设置的构件进行结构分析，分析要点归纳如下：

(1)为了保证结构框架部分的安全，设计时严格控制框支柱和落地剪力墙的轴压比，提高其在地震作用下的承载能力和延性变形能力。

(2)转换层结构设计的核心是竖向刚度的突变问题，所以在结构设计时严格控制转换层下部、上部楼层的等效刚度比。

(3)落地剪力墙与框支柱之间的剪力分配依靠转换层位置处的楼板完成，设计时将转换层位置处的楼板厚度加厚，同时加厚相邻上下层楼板的厚度。

(4)通过调整结构主要受力构件截面、布置方式减小扭转效应，使楼层位移比控制在1.4以内。

2.2　模型结构计算

采用PKPM-SATWE软件对已建立的模型进行计算，主要包括以下计算内容：

2.2.1振型及地震力方向角

取结构前30个振型进行分析，在对结构周期、扭转作用进行计算时，地震作用最大方向角为-86.617°。

2.2.2扭转周期与平动周期比

扭转周期与平动周期比值的计算结果为0.79，其值<0.85，故满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定。

2.2.3有效质量系数

软件计算的有效质量系数见表2，计算结果反映了计算所取的振型已满足设计要求，两个方向的有效质量系数均>90%。

表2　有效质量系数

2.3　结构变形分析

地震作用下结构楼层的位移情况为：在X向，最大位移比出现在30层，位移角为1/1 818；在Y向，最大位移比出现在31层，位移角为1/1 428。

经过软件计算可以看出，在发生地震时，层与层之间的位移角最大值满足规范规定的除框架结构外的转换层及剪力墙结构最大位移角(1/1 000)。当发生偶然偏心地震时，构件位移比均比1.5要小，完全符合规范要求。可以采用增加落地底部剪力墙的墙肢厚度来增大剪力墙刚度，使转换层上下刚度比满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》附录E.0.3的要求，而且均>1.0。而结构沿竖向的剪切刚度在Y方向发生了突变，这是因为未落地的剪力墙主要为Y向，结构的竖向刚度在转换层位置处发生了突变，所以结构在地震作用下的楼层位移角在转换层处也发生了突变。

3　转换层设置高度对结构抗震的影响

3.1　对结构振型、周期的影响

通过调整结构模型，使转换层分别位于第3、4、5、6层，分析转换层位于不同楼层时对结构抗震性能的影响。

3.1.1结构自振周期

通过调整结构模型中转换层的设置位置，将转换层位置逐步提高后，由于该框支剪力墙结构的框支柱截面尺寸大且根数多，导致结构的刚度和质量分布不均匀，计算后出现了结构自振周期逐渐减小的现象。当结构自振周期减小时，将直接影响地震系数的取值，使其逐渐增大，故导致地震时对结构产生的地震力增大，结构的基底剪力进而增大。

3.1.2结构周期比

不论转换层位置设置在哪一层，结构的前两阶以平动为主，第3阶以扭转为主。当转换层分别设置在3层、4层、5层、6层时，通过计算各个模型以扭转为主的Tt与以平动为主的T1的比值可以发现，当转换层位置从3层上升到6层时，对结构整体的抗扭能力影响不大，Tt与T1的比值均能满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》限值的要求，结构仍然具有较好的抗扭刚度。

3.2　对结构位移的影响

结构楼层位移和层间位移角在水平荷载作用下，随着转换层设置位置的不同而发生变化。分别将转换层设置于不同的楼层，采用反应谱法计算楼层位移，同时绘制楼层位移包络图如图1所示。

图1　结构位移包络图

转换层位置较高时，附近楼层的水平位移增大，增加的幅度随着楼层的增高而减少，结构的整体位移基本保持不变，分析可能是因为结构周期减小，质量变大，使得总地震作用增大。随着楼层的提高，空间效应变得更加明显，所以底部框架的变形曲线更接近于剪切型变形曲线。

3.3　结构层刚度比计算分析

借助计算软件，对结构模型中不同转换层的设置位置计算结构刚度比，结果见表3。

表3　结构刚度比

由表3可以发现，对于不同的转换层设置位置，楼层的剪切刚度比是相同的，而随着转换层设置高度的提高，楼层的等效侧向刚度比逐渐减小，但仍然比JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》要求的大。可以说在其他条件相同时，转换层的设置高度越高，结构的等效侧向刚度比就越小，即结构的抗震性能也越差。

4　结语

本文针对带高位转换层的部分框支剪力墙结构，利用PKPM-SATWE软件建立分析模型，对其进行了抗震性能研究和分析。通过调整结构转换层的高度、转换层上下层的剪力墙厚度和数量，使结构刚度的突变幅度和扭转效应得到了控制。对转换层不同设置高度的计算分析可知，在高位转换层下，框支框架比重增大，结构的自振周期随着转换层高度的提高逐渐变小，结构基底剪力逐渐增大。该工程在计算地震作用时选取了21个振型阶数，振型数越多，越能更直观地反映高阶振型对结构地震作用的影响程度。转换层高度提高后，转换层相邻楼层层间位移角的突变越明显，越容易形成薄弱层，所以结构的整体性能越差，抗震能力也就越差。

参考文献：

[1] 徐光新.高层建筑框剪结构混凝土厚板转换层的施工[J].建筑施工，2004(4)：308-309.

[2] 施云伟，王自成.对高层转换层中框支梁施工技术的若干思考[J].黑龙江科技信息，2007(14)：280.

[3] 雍军.带高位转换层高层建筑框支剪力墙结构抗震性能研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[4] 底层大空间剪力墙结构研究组.底层大空间剪力墙结构12层模型的试验研究[J].建筑结构学报，1984(2)：1-8.

[5] 刘灵敬.基于性能的带高位转换层框支剪力墙结构抗震研究[D].武汉：华中科技大学，2012.