带箱型转换层的高层建筑结构体系的抗震性能分析

孙婷婷

郑州商学院 河南 巩义 451200

引言

随着高层建筑在城市建筑中所占的比重越来越高，也有越来越多的建筑带转换层。现阶段梁式转换层的拥有非常普遍，但是也有相关学者的研究表明，在拥有梁式转换层的建筑中，若是转换梁高度和层高接近时，梁下会有几十厘米的空间存在，这种情况虽然能够为相关人员设置管道设备提供方便，但是会在不同程度上降低本层框支柱的长度，从而对整体建筑的抗震性能产生不良影响。而对层高进行提升，不但对建筑立面不利，而且会浪费资源。若是对框支梁高度进行提升，保证拥有一致的层高与框支梁高度，上下结合，就会有箱型转换层形成。箱型转换层能够实现对空间结构受力性能的合理利用，其受力体系也与梁式转换层存在差异，能够在受力优化、结构承载力提升以及抗震性能增加方面发挥优势。

1 箱型转换层概述

在箱型转换层中转换梁上、下翼缘为梁式转换层的上、下层楼板，转换梁和上下楼板就组成了箱型转换层，可以根据该层腹板的实际情况，合理确定检修和管道孔洞的位置。通过分析实心厚板转换层和梁式转换层的实际情况可知，箱型转换层拥有介于两者之间的结构性能，与单层梁板结构相比其明显拥有更高的平面内刚度，但是与厚板转换层相比拥有较小的平面内刚度[1]。箱型转换层几乎拥有所有厚板转换层的功能，在抗震设防区，不但可以有效规避厚板转换结构方案存在的抗震超限缺陷，并且能够获取比厚板转换层更高的经济效益和受力情况；与单层梁板结构相比，箱型转换层能够对各种变形进行更好的抵御和承载，箱型转换能够有效弥补梁式转换中梁柱长度不足的问题，能够使结构的整体性得到有效增强；箱型结构拥有较大的抗扭刚度。

2 振动台模型设计与制作

在本次研究中将以某高层建筑实际工程为背景制作振动台试验模型，该高层建筑共18层，在结构体系方面框架剪力墙占据一定比重，第2层为箱式转换层，由于在本建筑中底部为商业用房，上部为住宅，在转换主梁上并未坐落全部的上部剪力墙，所使用的转换模式为正交主、次梁，其中第3层及以上拥有3.0m的层高，而第1层和第2层拥有4.5m的层高，转换层中设置1500mm高的箱体，箱体上下板拥有200mm厚度，箱体中选择400mm—700mm转换梁厚度，拥有7.8m的最大跨度。

通过振动台的性能参数和试验室的吊装能力、施工条件等因素进行综合考虑，在本次试验中将会使用如表1所示的相似常数。

表1 试验主要相似关系

3 振动台试验方案

在本次研究中将在某防灾减灾和土木工程重点试验室模拟振动台上完成试验，在试验中设置单向的激振方向，也就是Y向，在开展试验参数输入方面将有效结合加速度时程曲线和现实中的地震记录，两者的比例为1∶2，在本次试验中主要使用Shanghai人工波、Taft波以及ElCentro波，主要使用如表2所示的试验工况。

表2 振动台试验各工况参数

4 振动台试验结果

4.1 试验现象

在将各地震波激励输入7度小震的过程中，模型结构只出现了较小的位移反应，没有明显裂缝形成于模型表面，模型结构处于良好的工作状态[2]。

当地震烈度提升到7度基本时开始有第一个明显的裂缝在结构表面出现，其出现的准确地点为1轴下部框架梁端；之后裂缝进一步扩大，裂缝相继在8、9层连梁端部和2层上部剪力墙出现。在地震烈度较高的情况下，有塑性铰出现在多处连梁端部，1层框支柱处有贯穿性裂缝在根部出现，有肉眼可见的水平裂缝3～7层的剪力墙上出现，同时电梯井落地剪力墙根部也是出现裂缝的主要地点。在模型结构中，主要有以下几个部位集中出现裂缝：在剪力墙的连系梁端部裂缝呈斜向或竖直方向；在剪力墙筒体接近底部裂缝呈水平方向；2层上部剪力墙出现水平剪切裂缝；有水平裂缝集中在底部框支柱。

最终模型受振动台试验的影响为在模型的转换层中9轴框支柱被破坏，在1层根部出现多处框支柱断裂的问题，同时电梯井落地剪力墙根部也受到了地震的严重破坏。

4.2 模型结构动力反应

在加速度放大系数方面最终得出如下结果：①在不断增加楼层的过程中，结构楼层总体会出现先增大后降低最后在增大的加速度放大系数，出现了第1振型为主的结构反应，其中也存在一定的Y向第2和第3振型，因此在结构顶部和中部存在较大的反应。另外，加速度在16层到顶层有大幅度提升的现象存在，大多拥有超过50%的增幅，有鞭梢效应存在于结构中；②通过分析，在地震波相同的情况下，不同烈度的地震反应可知，在不断提升输入峰值的过程中，从整体来看有逐渐降低加速度放大系数的趋势，之所以会有这种现象出现，主要是随着各种各样的结构裂缝在模型中出现，也会逐渐降低刚度，材料的非线性程度也会不断提升，会减弱各楼层相对地层的动力反应，同时也会降低相关的放大系数。

在正常情况下，研究人员大多使用测得的各楼层质量乘以加速度时程计算模型结构楼层惯性力时程。某楼层的剪力就是该楼层及以上楼层惯性力的总和，最后由各楼层剪力时峰值明确随高度变化楼层剪力的包络图。

通过对模型结构在各种工况下的各层建立分布的包络图进行分析，最终得出以下结果，层剪力普遍还是呈现三角形分布，同时因为有箱型转换结构存在于第2层，在很大程度上改变了结构质量和竖向刚度，在很大程度上改变了此处的层间剪力，在大震烈度下这种突变会变得越来越明显。

5 分析原型结构的抗震性能

5.1 结构动力特性

在充分考虑模型动力特性的基础上，以设计的相似比作为依据，准确计算原高层建筑结果的动力特性，然后在利用有限元软件对其动力特性参数进行进一步优化，对比和验证试验所得结构Y向前三阶振型和理论计算的Y向前三阶振型。最终得出以下结果，振动台试验与理论计算中的振动形态拥有较好的一致性[3]。

对比原型结构自振频率实测值和计算值的情况如表3所示。由表3可知，与实验值相比理论计算值相对较小，拥有约10%的平均误差，主要是因为模型结构的施工和养护是在温度较高的环境下完成，并且微粒混凝土相对来说拥有更高的强度，导致其拥有比设计值更高的实际弹性模量，导致出现比设计值更高的结构初始刚度和频率。

表3 原型结构自振频率实测值和计算值的实际差异

5.2 分析振型分解反应谱

在计算普通高层建筑地震力时振型分解反应谱法是非常有效的方法，在组合中只需要使用9～15个振型就能够满足计算精度较高的要求，但是当高层建筑拥有带箱型转换结构体系时，因为其拥有更为复杂的情况，所以在本次研究中决定选取前36阶振型，Y向和X向分别能够达到99.87%和99.90%的质量参与系数，能够使相关规范中的要求得到满足。

最终结果证明，与拥有其他转换层的高层建筑相比，带箱型转换层结构并不会以中间高，两边低的趋势分布水平地震力，而是会在转换层附近存在水平地震力陡升的情况。另外，在接近顶层位置也会出现大幅度提升地震力的情况，在大多情况下，这种现象是由鞭梢效应导致的，振动台试验数据能够为其提供有力证明。

5.3 分析结构时程

5.3.1 结构加速度反应。充分考虑原型结构和模型结构之间的相似性，再合理利用振动台理论要求输出峰值和台面实际输出峰值的偏差比例，能够对原型结构在良好工作状态下的各项地震参数进行准确计算，在这个过程中需要使用如下偏差修正公式。

式中在原型结构第i层变量D的最大反应用Dpi表示；在模型结构第i层变量D的最大反应用Dmi表示；变量D在原型结构和模型结构中的相似关系用SD表示；在模型试验中台面加速度最大输入值用amg表示；模拟试验中实测振动最大台面加速度用aig表示。

通过上式可以计算原型结构的位移反应和加速度反应等。在7度多遇地震下本文的原型结构理论计算加速度时程和试验值加速度时程对比结果显示，加速度反应的试验值和理论值在结构顶层较为接近，将有限元程序有效融入计算模型，能够使模拟地震下的结构地震反应得到准确反映，同时也在一定程度上证明了振动台试验能够得到较为准确的结果。

5.3.2 结构层间剪力。通过分析在7度多遇地震下原型结构层间剪力理论计算值和试验值的对比情况可知，在原型结构的Y方向，在建筑各个楼层受到多遇地震影响的环境下，它们的时程分析结果和剪力试验结果只会存在微弱的差距，说明在多遇地震中结构能够维持较好的状态；与分布情况相结合，沿高度方向楼层剪力分布呈三角形；另外，在地震波不同的情况下结构各层最小剪重比的理论值和试验值分别为2.47%和2.90%，均在1.6%以上，能够使相关的抗震设计要求得到满足。

5.3.3 结构位移反应。在小震阶段结构拥有1/1456的最大层间位移角，能够满足抗震需求。通过沿结构高度方面位移角的变化情况可知，大多会在与转换箱体拥有较远距离的第8—10层出现最大值，主要是由于结构高阶振型的作用，另外也是由于转换箱体重量和刚度较高能够防止上、下层抗侧构件位移，所以在此处楼层层间只拥有较小的位移角，在各种工况条件下拥有1.05的最大位移比值，能够使相关要求得到满足。

6 结束语

综上所述，在高层建筑结构体系中应用带箱型转换层拥有一定的优势，拥有较好的总体抗震性能，在地震的作用下仍然能够满足工作性能较好的要求，值得进一步研究和推广。