考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析

俞希楠　宋颜培

摘要： 为了减少地震对建筑结构层间位移的影响，在考虑结构底部受剪的建筑中，针对层间位移调控与抗震性能的关系展开分析研究。设计建筑层间位移计算方法，计算梁、柱和节点受剪后的侧移，并依据计算结果，设置建筑层间位移限值约束条件，采用降低框架的梁距与柱距、平面结构与立体结构间的转换、弯－剪双重体系等方式，调控建筑层间位移。以某实际工程为例进行抗震性能测试验证，结果表明：所使用的层间位移计算公式的误差小于3.5%;在Kobe波与El－Centro波下的层间位移范围分别为0.43～0.82 mm和0.40～0.42 mm;经调控后，层间位移保持在0.4～1.1 mm之间，能够提升建筑的抗震性能。

关键词： 结构底部受剪; 结构框架; 层间位移调控; 抗震性能; 剪切形态

中图分类号： TU973文献标志码：A 文章编号： 1000－0844（2023）04-0845-07

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220801001

Control of story drift and seismic performance analysis of buildings considering shear at the base

YU Xi'nan， SONG Yanpei

Abstract：  To reduce the impact of earthquakes on the story drift of building structures， the relationship between the story drift control and the seismic performance of buildings was analyzed considering the shear at the bottom of the structure. A method for calculating the story drift of buildings was developed to determine the lateral displacement of beams， columns， and joints after shearing. The constraint conditions of the story drift limit were set based on these calculations. The story drift was controlled by reducing the beam and column spacings of the frame， the transformation between the plan structure and the three－dimensional structure， and implementing the bending－shear system. The seismic performance was tested and verified for an actual practical project. The results show that the error in the calculation of story drift was <3.5%. Furthermore， the ranges of the story drift under the Kobe wave and the El－Centro wave were 0.43-0.82 mm and 0.40-0.42 mm， respectively. After adjustment and control， maintaining the story drift in the range of 0.4-1.1 mm can improve the seismic performance of the building.

Keywords： shear at the bottom of structure; structural frame; control of the story drift; seismic performance; shear form

0 引言

分析地震影响下建筑的抗震相关因素，是确保建筑结构抗震性能的关键［1］。相关研究成果显示，建筑中的梁、柱、节点是建筑结构形态转变的关键因素［2］，通过调控建筑层间位移，能够控制建筑结构的整体形态稳定性，从而提升建筑结构的抗震性能［3］。基于此，有必要深入分析建筑层间位移调控，以期为改善建筑的抗震性能提供理论参考。一些学者对这一问题也进行了相关研究：

蒋利学等［4］根据建构位移与延性对建筑的抗震性能展开评估，该方法能够准确评估建筑结构的抗震性能，但关于建筑抗震方面给出的调控策略方面，有待进一步完善。馮力强等［5］考虑地震影响，根据建筑位移理论进行建筑结构的减震设计，对建筑结构具有一定的消能减震作用，但在精细化建筑消震调控方面，有待进一步优化。张亚飞等［6］设计层间隔震结构，以非线性动力时程响应，分析地震波震动响应下的钢筋混凝土框架损伤情况;该方法可以有效获取建筑结构损伤位置及损伤等级，但针对建筑结构位移对抗震性的影响研究有待完善。周云等［7］在高层建筑振动测试的基础上，建立剪力墙结构有限元模型，通过增量动力分析得到最大层间位移数值，有效评估建筑结构抗震性能，但该方法修正斜撑单元特征参数时，容易产生数据冗余问题。Hoult［8］通过安装传感器的方式设计地震监测系统，估计建筑物的损坏程度和损伤位置，获取建筑结构层间位移剖面抗震结果。模拟结果显示：相对于建筑物的弹性性能，该方法能够快速评估建筑物的损伤状态，但是存在前期成本投入较高、无法广泛推广的问题。Pejovic等［9］采用层间漂移量化模态组合，利用回归分析得出钢筋混凝土高层建筑层间位移和损伤指数之间的函数关系，推导最佳层间位移数值。实验结果显示：这种方法能够定量确定建筑损伤状态和相应地性能水平，但是由于需要对各个模态组合进行漂移和剪切力分析，所以计算时间较长。Kavitha等［10］研究了钢筋混凝土框架在重力和地震荷载作用下的相关性能，运用系统应用程序和产品（System Applications and Products，SAP）对模型进行非线性分析，并对建筑框架的抗震能力进行评估。试验结果显示：该方法可以计算建筑在不同地震荷载作用下的位移程度，但计算过程较复杂。

通过分析上述研究学者的研究成果，发现建筑位移的组成与抗震性计算研究均有待完善。基于以上问题，提出了一种考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析方法。在结构底部受剪条件下，设计建筑结构层间位移的计算方法，通过改进相关算法可以减小层间位移计算误差，提高建筑层间位移调控的精确性，解决传统方法精度不高的问题。设定建筑层间位移限值约束条件，并根据计算的层间位移情况，设计建筑层间位移的调控方法，调控建筑层间位移，提升计算效率，解决原方法中的效率低、计算复杂和数据冗余问题。另外本方法无需借助大规模传感器，成本控制在合理范围，解决传统方法造价较贵的问题。

1 建筑层间位移调控与抗震性能关系的分析方法

1.1 考慮结构底部受剪的建筑层间位移计算方法设计

在地震影响下，考虑结构底部受剪的建筑层间位移，可视为建筑标准框架与梁、柱等相结合形成的侧移，即考虑结构底部受剪的建筑层间位移是由：建筑底部结构受剪条件下梁形态转变导致的侧移Δb、柱形态转变导致的侧移Δc、节点受剪形态转变导致的侧移Δj共同形成的。其中Δb和Δc均由受剪形态转变与弯曲形态转变共同影响。

1.1.1 梁形态转变形成的侧移计算

在建筑梁形态转变过程中，可依照弹性理论，确定梁端纵筋屈服前的弹性形态转变μbe。弹性理论是指：在对建筑梁进行内力分析时，假定梁是理想的弹性体系，其荷载与内力、荷载和变形、内力和变形都呈线性关系。因此，可以按照结构力学方法，更直观地计算梁形态侧移。以L表示梁长度，若L为线性分布，即固定端曲率和自由端曲率分别为屈服曲率ξy和0。由此可通过式（1）计算确定μbe：

式中：kj和Hj分别表示节点j的截面宽度与高度值。通过上述过程及相关测量数据，能够计算建筑不同部分非线性形态转变导致的层间位移。

1.2 建筑层间位移限值的设定

依照弹性方法确定建筑结构层间位移同层高比值的限值［13］，结果如表1所列。

1.3 层间位移调控方法

通过上一小节可计算建筑结构当前的层间位移情况，对照建筑层间位移限值设定约束条件，在建筑结构层间位移与层高比值，高于相关标准所设定的限值时，可采用图1所示的几种方法，进行建筑建构层间位移调控。

1.3.1 降低框架梁距与柱距的层间位移调控

建筑结构的框架主要由梁和柱共同组成，梁与柱的截面和数量对建筑结构的刚度产生直接影响。通过单纯提升建筑结构中梁或柱的数量，能够在一定程度上完成层间位移调控［14］，却无法有效提升建筑结构框架的其他效能。若降低框架的梁距与柱距，则既能够显著提升建筑结构框架的抗推刚度，又可以增强建筑结构框架的效能。

1.3.2 平面结构与立体结构间转换的层间位移调控

受水平作用影响的建筑结构层间位移中，建筑结构的综合弯曲形态转变是最显著的。因此为约束建筑结构的形态转变，需有效降低建筑结构的综合完全形态转变。平面结构的综合抗侧刚度并不显著，因此其层间位移较为显著。若将平面结构转换为立体结构，即可显著提升建筑结构的整体抗侧刚度，也可最大限度令建筑结构的层间位移下降。

1.3.3 采用弯－剪双重体系的层间位移调控

弯－剪双重抗侧力体系所描述的是通过弯曲与剪切两类完全差异化的形态转变属性，构建层间位移调控体系［15］。由此大幅降低建筑结构定点位移与底部不同楼层间的层间位移上限。

1.3.4 竖向支撑的交错布置的层间位移调控

建筑结构框－墙体系内的竖向支撑，一般为框架的相同跨度内依竖向不间断设置。这种设置模式下，受侧力影响，竖向支撑宽度较小，综合弯曲形态转变所导致的建筑结构顶部位移较为显著，所以建筑结构的顶部，基层内竖向支撑的抗侧力效能下降。通过交错布置可有效完成层间位移变化［16］，降低建筑结构定点位移，同时可令不同楼层的层间位移一致度更高。

1.3.5 抗剪墙板斜向布置的层间位移调控

针对建筑结构的外框筒，在部分情况下考虑视野的开阔性，在设计过程中要求抗剪墙板斜向布置，外圈框架柱与柱间的距离有所提升，同时令裙梁高度下降，可有效调节层间位移。

2 试验测试与结果分析

2.1 研究区域概况

用于研究的建筑为一幢7层3跨的钢筋混凝土结构，地处于8度抗震设防区。该建筑结构依照我国建筑抗震标准与混凝土结构设计的相关要求进行建造，横向、纵向柱距均为5.5 m。以该建筑结构内单榀平面框下底部三层子结构为目标设计试件，依照1∶5的比例制作试件，表2所列为试件设计过程中的相关参数。

以Kobe波与El－Centro波作为地震震动输入，设定加速度峰值为0.4g。地震震动时程如图2所示。

实验中采用拟静力试验，模拟地震波作用下的加载过程。采用电液伺服加载控制装置。将转换梁、柱的两端连接到刚性的反力墙上。在柱脚上设有一铰链支撑，与地面连接，柱头由千斤顶作用于柱截面的屈服载荷，从而产生垂直轴向作用力。为了防止钢梁出现平面不稳定，拟采用槽钢在梁加载端设置横向支承，运用250 kN的作动器在梁端上进行了多次的低周重复载荷。在载荷端设置垂直和横向位移计，用垂直位移计测量载荷端的位移，横向位移计监测梁的外部扭转。

2.2 分析结果

为验证本文方法中建筑层间位移计算公式的可应用性，将本文方法对各试件不同节点的层间位移分析结果同其试验实测数据相比较，所得结果如表3所列。

分析表3可知，本文方法中所使用的考虑结构底部受剪的建筑层间位移计算公式，所得结果同试验实测数据一致相同。如K3试件K32节点在加载位移为100 mm、层间位移为0.031 6 mm时，理论位移和试验位移分别为34.691 mm和35.292 mm，计算误差较小，均低于3.5%，说明本文方法中所使用的计算公式具有较好的应用性。因为本文方法在计算位移前，考虑了建筑底部结构受剪情况，根据建筑层间位移由梁形态转变导致的侧移、柱形态转变导致的侧移、节点受剪形态转变导致的侧移共同形成的特点，设计了位移计算公式，从而提高了计算精度。

基于本文方法获取的该建筑结构平面框架层间位移角作为限值条件下，各节点的形态转变情况，所得结果如表4所列。

分析表4得到，考虑在梁铰机制的破坏模式下，该建筑结构破坏等级逐渐升高，结构层间位移情况受梁端形态转变的影响与柱端相比更为显著，且梁端塑性形态转变所占比例逐渐提升。

2.3 抗震性能分析

对比层间位移调控后，不同地震波条件下各节点的层间位移变化情况，所得结果如图3所示。

分析图3得到，在未应用本文方法前的层间位移在1.2～1.4 mm范围内。采用本文方法对建筑结构层间位移进行合理调控后，在不同地震波条件下，各节点的层间位移均呈現不同程度下降，层间位移控制在0.4～1.1 mm范围内。因为本文方法依据建筑结构当前的层间位移计算结果，设置了建筑层间位移限值约束条件，从而根据不同情况给出较精准的调控方式，可以及时调控建筑层间位移。由此说明通过调控建筑结构层间位移，能够提升其抗震性能。

3 结论

本文研究考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控方法，并进行抗震性能分析。建筑底部结构受剪条件下，建筑层间位移受剪形态转变导致的侧移影响。通过计算建筑结构当前的层间位移，设计调控方法。实验发现：

（1） 不同地震波作用下的建筑结构底部受剪，各节点层间位移随着加载位移的增多而逐渐提高;理论位移和试验位移之间的误差较小，均低于3.5%。

（2） 在梁铰机制破坏模式下，建筑结构破坏等级逐渐升高，结构试件形态转变效果较明显;层间位移情况受梁端、柱端形态转变影响较高。

（3） 在水平地震作用下，Kobe波为弯曲破坏，各节点的层间位移呈现先上升后大幅下降的趋势，层间位移保持在0.43～0.82 mm范围。

（4） 在水平地震作用下，El－Centro波为斜拉破坏，各节点的层间位移呈现先大幅上升后下降的趋势，层间位移在0.40～0.42 mm范围内。

（5） 利用本文方法后，层间位移在0.4～1.1 mm范围内，证明通过调控结构层间位移，可以提高建筑的抗震性能。

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（本文编辑：任 栋）

收稿日期：2022-08-01

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目“绿色建筑对成本的影响分析”（GJJ161565）;教育部高等教育司协同育人项目（202102315013）;南昌交通学院校级教学团队项目（xjxtd2021－005）

第一作者简介：俞希楠（1985-），女，浙江义乌人，硕士，讲师，研究方向：土木工程、工程造价。E－mail：yuxinan0624@163.com

通信作者：宋颜培（1980-），女，吉林公主岭人，硕士，高级工程师，研究方向：土木工程、建筑结构。