等效刚度比对框支转换结构抗震性能影响研究

姬利霞 张 强

(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006)

0 引言

随着我国城镇化建设步伐日益加快，大中型城市人口数量不断增多、建设用地日趋紧张，国内高层建筑正朝着多元化、多功能的大型综合体稳步发展[1]。建筑的使用功能沿竖直方向要发生变化，下部楼层作为商场、饭店，上部楼层作为住宅、旅店等，为满足不同建筑功能需求，会在房屋竖直方向布置转换层，框支剪力墙结构便应用而生[2]。

框支剪力墙结构在转换层上下楼层刚度不连续，在水平地震作用下转换层变形、内力往往会发生突变，易形成薄弱层[3]。等效刚度比的合理选择可以大大减弱地震作用下的灾害，因此研究这个参数对转换结构的设计有重要意义。

1 工程概况

该工程为一带核心筒的框支剪力墙转换结构，地上主体结构为22层，带1层地下室。转换层设置在第3层，框支层楼层高度为5 m，转换层以上各楼层高度均为3 m，结构主体总高度为72 m。该工程所在地区为8度抗震区，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

结构主要受力构件尺寸：框支柱1 000 mm×1 000 mm，转换梁800 mm×1 600 mm，转换层楼板200 mm，其他层楼板150 mm，落地剪力墙350 mm，其他层剪力墙200 mm。结构平面、立面图如图1，图2所示。

基于原工程，改变主要受力构件尺寸，得到四组计算模型，如表1所示。

2 分析结果

2.1 自振周期

由表2可知，结构前三阶振型的自振周期受等效刚度比γe的影响较大，特别是基本周期，高阶振型对应的自振周期受γe的影响甚微。此外，经表2计算可知，A组模型中，框支柱截面为700 mm×700 mm～1 000 mm×1 000 mm，结构γe值增大52.5%，第一周期减小7.9%；B组模型中，转换层上部剪力墙厚度为110 mm～300 mm，结构γe值减小39.7%，第一周期减小3.3%；C组模型中，下部核心筒剪力墙厚度为200 mm～650 mm，结构γe值增大63.9%，第一周期减小5.5%；D组模型中，转换层和下部楼层梁截面尺寸为300 mm×800 mm～400 mm×1 200 mm，结构γe值增大68.9%，第一周期减小5.3%。可见改变框支层柱子尺寸比改变其他三个参数对结构自振周期的影响大。

表1 四组计算模型构件尺寸

表2 结构自振周期

2.2 楼层位移与位移角

结合图表可得：

1)由表3可知，B组模型中改变剪力墙厚度对结构水平位移影响不大。A组、C组、D组模型的楼层位移值随着γe的增大而减小，这是因为γe越大，结构越刚。

表3 各组模型的最大位移与最大位移角

2)由图3，图4可知，转换层附近楼层位移与层间位移角均发生突变，等效刚度比γe越大，这一突变越缓和。此外，γe大于1.0时楼层位移突变程度比γe小于1.0时小，结构设计时应合理控制γe来减小转换层附近的变形突变[4]。

3)从表3可知，结构最大层间位移角在第8层、9层，框支层位移角没有成为控制因素，在结构设计时既要加强薄弱层，又要对易发生破坏的楼层采取抗震措施[5]。A组模型，由A1到A4γe值增大52.5%，结构最大位移减小8.4%，最大层间位移角减小3.3%；B组模型，由B1到B4γe值减小39.7%，结构最大位移减小1.7%，最大层间位移角减小5.2%；C组模型，由C1到C4γe值增大63.9%，结构最大位移减小5.9%，最大层间位移角减小1.1%；D组模型，由D1到D4γe值刚度比增大68.9%，结构最大位移减小4.6%，最大层间位移角减小1.4%。通过改变构件截面尺寸得到不同γe值，结构变形特征有明显差异，框支柱尺寸对结构的最大位移影响较大，框支层以上剪力墙厚度对结构最大层间位移角影响最大。限于篇幅只罗列部分位移图(见图3，图4)。

2.3 楼层剪力

限于篇幅只罗列部分模型楼层剪力曲线图(见图5，图6)。

表4 剪力突变值

从以上楼层剪力分析结果可得：

1)由图3，图4知，在A组、C组、D组模型中，结构的楼层剪力随γe的增大而增大；B组模型中结构楼层剪力随着γe的增长而减小，此时γe的增大是转换层上部剪力墙体变薄引起的，结构质量变轻、刚度变小，故楼层剪力变小。A组模型，由A1到A4γe值增大52.5%，结构底层剪力增大9.6%；B组模型，由B1到B4γe值减小39.7%，结构底层剪力增大23.8%；C组模型，由C1到C4γe值增大63.9%，结构底层剪力增大6.9%；D组模型，由D1到D4γe值增大68.9%，结构底层剪力增大9.5%。由此可见，剪力墙厚度的改变对楼层剪力影响最大。

2)由表4可知，转换层部位楼层剪力发生突变，四组模型中剪力突变随着γe的增大而增大。此外，D组模型的楼层剪力突变比其他三组缓和，可见结构设计时通过调整框支层梁截面尺寸能够有效控制结构竖向抗侧刚度，使结构受力趋于均匀[6]。

3 结语

采用SAP2000对16个计算模型分析后，结论如下：

1)结构低阶振型的周期受等效刚度比γe的影响较大，尤其是基本周期，高阶振型的周期受其影响较小。此外，改变框支柱截面尺寸比改变其他三个因素对结构自振周期的影响大。

2)改变上部剪力墙厚度对结构水平位移的影响较小。通过改变框支柱尺寸、下部核心筒厚度、转换层及下部楼层的梁截面尺寸，来改变等效侧向刚度比γe的值，楼层位移会随着γe的增大而减小。框支柱尺寸对结构的最大位移影响较大，框支层以上剪力墙厚度对结构最大层间位移角影响较大。

3)转换层附近楼层位移与层间位移角均发生突变，γe越大突变越缓和，结构设计时应合理控制γe来减小转换层处的位移突变。结构最大层间位移角出现在第8层、9层，结构设计时要对薄弱部位采取抗震措施。

4)转换层部位楼层剪力发生突变，四组模型中剪力突变随着γe的增大而增大。调整框支层梁截面尺寸能够有效控制结构的竖向抗侧刚度，使结构受力趋于均匀。

参考文献:

[1] 陈 勇,赵雅娜,余 海.带转换层高层建筑现状和发展趋势[J].四川建筑,2008,6(1):111-115.

[2] 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,2012.

[3] Kuang J S,Zhang Z J.Analysis and Behavior of Transfer Plate-shear Wall systems in Tall Buildings.The structural Design of Tall and special Buildings[J].John Wiley&sons,2003,12(5):409-421.

[4] 赵文文.带梁式转换层的复杂高层建筑抗震性能研究[D].西安：西安建筑科技大学,2013.

[5] 唐纯能.高层建筑梁式转换结构受力特性与地震反应分析[D].杭州：浙江大学,2010.

[6] 郝安民,黄雄军.带转换层剪力墙结构的弹性抗震性能研究[J].工程结构,2008(4):131-133.