转换层设置位置对框支剪力墙结构抗震性能影响的分析

（青岛理工大学，山东 青岛 266033）

当前，建筑物的空间大小及数量、空间分布十分明确，上部多为较小的空间，其竖向荷载不能直接传递给下部楼层。因此，应设置位于上下空间的转换层，形成上下刚度大小不同的框支剪力墙结构体系。本文就对转换层位置对结构抗震性能的影响进行了研究。

1 框支剪力墙结构简介

由于楼层上部和下部使用功能、结构类型不同，需对不同楼层的结构进行转换，其被称为转换层。转换层的主要类型有：一是梁式转换。这一转换方式受力清晰，多使用梁式、桁架式和板式，建筑材料多为混凝土和钢架。其结构为框支柱和框支梁，框支柱和转换梁的截面较大，较为脆弱。二是厚板转换。这一转换方式多用在结构上下部轴网相互交错、剪力墙布置复杂的情况中。在地震中由于厚板刚度比相邻楼板的刚度大，两者产生的薄弱层不利于抗震。三是桁架式转换。这一转换方式具有受力性强、耗材少等优点，但施工较麻烦，而且下弦杆挠度大易裂缝。四是斜柱式转换。桁架转换和梁式转换的结合即为斜柱转换，其空间小、灵活度高，能够实现竖向荷载的传递以及侧力的传递。

2 工程简介

某工程位于山东省淄博市，地上建筑26层，地下2层，总高度87.00m，建筑总面积18827平方米。其中，地下每层高度为4.5m，地上第一二层的高度为3.9m，三四层的高度为3.6m，四层以上的每层高度为3m。建筑顶部有水箱间和电梯间。第一层到第三层为商场，其余为公寓。这一建筑为框支剪力墙结构，转换层在3层，使用钢筋混凝土梁式转换层。上部剪力墙的厚度为250mm，下部剪力墙的厚度为400mm。其构件为转换梁特一级抗震，非加强部位的落地剪力墙为一级。

3 以模型为基础的抗震计算

1）模型的建立。根据有关规范建立PKPM-CAD模型分析构件结构，其主要信息如下：一是按照有关要求设计框支柱以及剪力墙的轴压比，二是严格控制转换层上部、下部楼层的高度比，三是转换层的位置决定了落地剪力墙和框支柱各自的剪力比例，应提高楼板厚度，四是为了减小扭力，主要使用调整构件截面、布置方式等。

2）计算。主要包括：①振型及地震力方向角。取用28个振型，计算结构周期、扭转作用力，地震作用的最大方向角为-0.669°。②扭转周期和平动周期比。两者比为0.83，小于0.85，满足有关技术规范的规定。③有效质量系数。X向的有效质量系数为98.74%；Y向有效质量系数为98.82%。

3）结构变形分析。受地震影响，在X向上，第27层的位移比最大，位移角为1/2732；在Y向上，第22层的位移比最大，位移角为1/186。当偏心地震发生时，构件的位移比要比1.5小，符合有关标准的要求。还可以提高落地底部剪力墙的墙肢厚度来提高剪力墙刚度，以使转换层的上下刚度比满足技术规程要求，且大于1.0。另外，沿竖向的剪切刚度在Y方向上的突变，结构层位置、楼层位移角的转换层也发生了突变。

4 转换层设置位置对框支剪力墙抗震性能影响分析

转换层的位置分别设置在第3层、第5层、第7层，标记为M3、M5、M7。转换层下部由落地剪力墙和框架构成，其下部高度为4.5m，上部为3m。

4.1 反应谱分析

使用PKPM-SATWE进行反应谱分析，得出转换层位置下结构的自振周期。当转换层位置升高时，结构自振周期逐步提高。转换层位置较高时，结构的扭转效应突出。因此，在建设过程中转换层的位置不能设置过高。

4.2 结构的侧移和层间位移角

当转换层的位置升高时，其结构层的突变程度也会变大，下部结构为剪切变形，上部结构为弯曲变形。而且当转换层的位置升高时，结构的顶点位移也会不断变大，层间位移角的突变幅度也会变大。从底部到转换层处，层间位移角的数值逐步变大，而转换层位置上的位移角是随机变化的。在本案例中，转换层从第3层提高到第5层时，结构顶点位移增大了约15.20%，最大层间位移角增大6.69%，从第5层到第7层的转换层结构顶点位移和最大层间位移角增大了22.42%和46.21%。可见，转换层位置升高时，结构的柔性越大，越不利于抗震。转换层位置越高，最大层间位移角的位置会逐步下降，下部越容易出现薄弱层。

4.3 结构的地震作用力

在转换层，因为其转换梁刚度大，地震作用力也较大。随着转换层位置的提高，结构总刚度变小，其地震作用也逐渐变小。在转换层处，地震作用力的突变增大，应力集中也容易产生，抗震也受到了不利影响。

4.4 转换层的内力

对比发现：①当转换层上部剪力墙的层数减少时，位置轴的轴力会不断减小。当转换层位置升高时，柱子的剪力会逐渐变小。导致这一结果的原因是，结构的绝对刚度变小时，地震作用力也减小。②当转换层位置变高时，框支层的数量逐渐增多，导致其结构的总刚度减小，所受到的地震力也变小，抗侧力构件分配的内力也变小。

4.5 时程分析

一是顶点位移的曲线变化。当地震波作用相同时，顶点时程位移曲线相似，Electro波的顶点位移最大，而Taft波的顶点位移最小。即如果地震波作用相同而转换层位置不同时，顶点位移最大值的发生时间也不同。二是基底剪力时程曲线。受不同地震波作用的影响，结构基底时程曲线是不同的，基底剪力最大值的发生时间也不同。

4.6 对结构振型的影响

当提高转换层位置后，这一框支剪力墙结构的框支柱截面变大，根数增多，结构刚度和质量的分布很不规则，进而使结构自振周期逐渐变小，影响了地震系数，进而导致地震对结构产生的作用力变大，基底建立也随之增大。

5 结语

本文使用了PKPM-SATWE软件对转换层位置的抗震性能进行了分析，框支框架比重、结构的自振周期随着转换层高度的提高变小，基底剪力也逐渐变大。而且在转换层升高后，相邻转换层位移角的突变更加明显，容易形成薄弱层，进而其抗震能力也弱。