層間位移角比在高層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、第37卷第8期建筑結(jié)構(gòu)2007年8月層間位移角比在高層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用榮維生王亞勇(中國(guó)建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所北京100013)提要高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量和剛度較大。隨著轉(zhuǎn)換梁質(zhì)量和剛度的增加,轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的層間位移角差距明顯增大,僅限制轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比無(wú)法有效控制結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)。定義層間位移角比為轉(zhuǎn)換層下部與上部結(jié)構(gòu)層間位移角的最大比值。計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),采用層間位移角比對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制可以得到比較好的抗震性能。關(guān)鍵詞高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層間位移角比側(cè)向剛度ApplicationofRatioofStoryDriftAnglesAboveandBelowtheransfer

2、BuildingStructureRongWeisheng,WangYayong(InstituteofEarthquakeResearch,Beijing100013,China)Abstract:Themassandstiffnessoftransarein2Withtheincreasingofthemassandstiffnessoftransferbeam,theinter2ovebelowthetransferlayerdiverselargely.Theearthquakeresponseofonlybylimitingthelateralstiffnessbelowandabo

3、vethetransferstory.Theratioangleofaboveandbelowisdefinedasthemaximumvalueofthem.Thecalculationresultshowsthatseismicresponsecanbegotusingtheinter2storydisplacementangleratioascontrolindex.Keywords:high2risebuilding;transferstructure;inter2storydisplacementangleratio;lateralstiffness0前言12雖然現(xiàn)行的抗規(guī)高規(guī)、均對(duì)

4、抗震設(shè)防區(qū)12001600,梁的附加恒載為60kNm。1三個(gè)框架計(jì)算模型按抗規(guī)提供的地震參數(shù)進(jìn)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度進(jìn)行一定的限制,來(lái)避免轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)薄弱層及轉(zhuǎn)換層附近樓層構(gòu)件內(nèi)力和位移的突變,但這種限制是不全面的。結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)不僅與剛度有關(guān),而且還與質(zhì)量相關(guān)。在高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中,轉(zhuǎn)換層一般集中較大的質(zhì)量,特別是板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。這種質(zhì)量的不均勻分布對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震作用效應(yīng)的影響是明顯的。由于轉(zhuǎn)換層質(zhì)量對(duì)下部結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)產(chǎn)生較大的影響,而對(duì)上部結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)影響較小,從而使得等效側(cè)向剛度比無(wú)法有效地控制轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和位移的突變。以下就單榀框架結(jié)構(gòu)中某一層框

5、架梁尺寸、質(zhì)量的改變對(duì)地震作用下結(jié)構(gòu)變形效應(yīng)的影響進(jìn)行討論。1轉(zhuǎn)換梁質(zhì)量、剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響行計(jì)算。抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0110g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,類場(chǎng)地。經(jīng)程序計(jì)算,得到三個(gè)框架計(jì)算模型各層層間位移角見(jiàn)表1。三個(gè)計(jì)算模型各層層間位移角計(jì)算模型KL1KL2KL3表1層6147851478514926層1119341173311585層2115221136811241層3117151192311757層4120961277812899層51284912825128992按高規(guī)轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的定義計(jì)算,得到三個(gè)計(jì)算模型的等效側(cè)向剛度比e:KL1為110

6、,KL2,KL3均為01966。當(dāng)梁的剛度增大到一定程度后,梁對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)也趨于定值,因而KL2,KL3的等效側(cè)向剛度比基本相同。三個(gè)計(jì)算模型的等效側(cè)向剛度比只相差314%,這表明僅改變結(jié)構(gòu)中框架梁的剛度對(duì)等效側(cè)向剛度比的影響是有限的。然而,在水平地震作用下結(jié)構(gòu)的變形效應(yīng)受框架梁質(zhì)量、剛度的影響是明顯的。從各層層間位移角的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,隨著轉(zhuǎn)換梁質(zhì)量、剛度的增加,轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的層間位移角基本上在增加,而轉(zhuǎn)換層上第1層(層4)層間位移角在明顯減小。與模型KL1相比,單榀框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和荷載簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。將框架層3擬定為轉(zhuǎn)換層,通過(guò)改變層3框架梁的截面尺寸和荷載而得到3個(gè)計(jì)算模型。層3框

7、架梁的變化形式為:KL1為普通框架結(jié)構(gòu),梁的截面和荷載同其他各層;KL2擬定為轉(zhuǎn)換大梁,截面尺寸由400800增為6001600,該梁的附加恒載由30kNm增為40kNm;KL3擬定為板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的等代框架梁,截面尺寸為uiKi=Vi式中,Vi為層i地震剪力,ui為層i層間位移。(1)從式(1)中可得出啟示:直接采用地震工況下層間位移角來(lái)限制轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度的突變是一種較合理的方法。這樣不僅避免了層側(cè)向剛度計(jì)算的近似性,而且結(jié)果計(jì)算更方便獲得,也能真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比定義為:以轉(zhuǎn)換層頂為參考點(diǎn),順序比較下、上相對(duì)應(yīng)樓層層間位移角比值的大小,將其層間位

8、移角比的最大值取為轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比。設(shè)轉(zhuǎn)換層所在樓層為n,轉(zhuǎn)換層上、:(2)=e(n-i+1)e(nii,n)imax(,1n(3)i圖1框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和荷載簡(jiǎn)圖為轉(zhuǎn)換層下層(ni,-(n+i)的層間位移角之比,為轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)層間位移角增大:模型K111%,模型KL3為2217%;減幅:模型KL25KL37%KL3KL2有較大幅度增加,由以上分析可知,隨著轉(zhuǎn)換梁質(zhì)量、剛度的增加,轉(zhuǎn)換層上、下部結(jié)構(gòu)層間位移角的差距在明顯增大,特別是在模擬板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的模型KL3,轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)第2層層間位移角是上部結(jié)構(gòu)第1層的213倍。這樣,在水平地震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角形成了較明顯的突變。

9、由此可見(jiàn),轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用下變形效應(yīng)的約束是非常有限的。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)僅限制轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比無(wú)法有效控制結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng),對(duì)于復(fù)雜的高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),這種參數(shù)的作用將會(huì)更加有限。因而,有必要提出新的控制參數(shù),來(lái)解決高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)自身的特殊性。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼共同決定著結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,為避免轉(zhuǎn)換層附近樓層產(chǎn)生較大的變形差距,從地震作用效應(yīng)(層間位移角)的角度來(lái)控制顯得更加有效和合理。進(jìn)而提出新控制參數(shù)“轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比”,給轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)增加新的約束,來(lái)限制轉(zhuǎn)換層附近樓層層間位移角產(chǎn)生過(guò)分突變,從而緩減轉(zhuǎn)換層附近樓層剪力墻和框支

10、柱的應(yīng)力集中問(wèn)題。另外,隨著轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置的提高,轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比的作用更加有限3。因而,在高位轉(zhuǎn)換時(shí),此概念的提出顯得更加必要。2層間位移角比的定義1在抗規(guī)的條文說(shuō)明中,給出了層側(cè)向剛度的近似計(jì)算公式:2、上結(jié)構(gòu)層間位移角比。此定義的優(yōu)點(diǎn)在于:控制層間位移角比要比控制等效側(cè)向剛度比更具有可操作性,一般商用結(jié)構(gòu)分析軟件均能給出結(jié)構(gòu)模型的層間位移角數(shù)值,而等效側(cè)向剛度比的計(jì)算還涉及到不同模型的建立以及加載;全面準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征,從單一的側(cè)向剛度控制到側(cè)向剛度、質(zhì)量分布、各振型的綜合控制。雖然層間位移角比和層側(cè)向剛度比都涉及到地震工況下的層間位移,但計(jì)算結(jié)果的差距還

11、是明顯的,其結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2,表中下層層側(cè)向剛e3為轉(zhuǎn)換層上、度比,上層層間位移角比。3為轉(zhuǎn)換層下、轉(zhuǎn)換層及相鄰層層側(cè)向剛度比、層間位移角比表2計(jì)算模型e3=K4K3(剛度比)3=e3e4(位移角比)(e3-e3(%)3)KL111041112221714KL211116114442914KL311162116494119從表2的對(duì)比結(jié)果可看出,此處定義的轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比與相應(yīng)的層側(cè)向剛度比不是同一或可相互代替的概念,二者存在著本質(zhì)的差別。因而,可認(rèn)為該定義是一個(gè)新的設(shè)計(jì)概念。在三個(gè)計(jì)算模型中,隨著轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度的增加,二者的差距明顯加大,同時(shí),也表明在高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中采用層側(cè)向

12、剛度比來(lái)緩解轉(zhuǎn)換層附近樓層構(gòu)件內(nèi)力和位移突變的收效也是不明顯的。3層間位移角比在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用從上述單榀框架算例的計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看,無(wú)論是轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比,還是轉(zhuǎn)換層上、下層層側(cè)向剛度比,均與水平地震工況下層間位移角比不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中轉(zhuǎn)換層質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。因而,運(yùn)用新概念來(lái)解決實(shí)際工程的設(shè)計(jì)是十分必要的,尤其是在高層建筑板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中。文3對(duì)帶板式轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了較深入的研究,其中研究了轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、轉(zhuǎn)換層位置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。在研究轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度對(duì)其結(jié)構(gòu)抗震性能的影響時(shí),選取轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比不同的五個(gè)計(jì)算模型。其

13、計(jì)算模型來(lái)源于廈門安寶大廈工程。廈門安寶大廈地下兩層,地上主體部分為32層,結(jié)構(gòu)總高度為98170m。轉(zhuǎn)換板設(shè)置在層3頂,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2(a),其中虛線部位為厚板內(nèi)設(shè)置的暗梁,黑色填充區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)換層下部框支柱和落地剪力墻,實(shí)線部位為轉(zhuǎn)換板上布置的框支剪力墻。轉(zhuǎn)換板所在的上、下樓層的層高分別為212,316m(凈高,不含轉(zhuǎn)換板厚);轉(zhuǎn)換板厚212m。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2(b),高為310m。其具體計(jì)算模型為:M0,力墻厚為600mm;M1厚設(shè)置為2,x向在M2,僅取掉軸, 上軸;M4在M2的基礎(chǔ)上,取掉軸,上的落地墻體,以及軸,上的落地墻體。內(nèi)筒開洞以及墻體數(shù)量改變的位置見(jiàn)圖2(a)所示的斜

14、線填充區(qū)域。按照層間位移角比的定義,得到五個(gè)計(jì)算模型的轉(zhuǎn)換層下、上結(jié)構(gòu)層間位移角比的計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表3,同時(shí),表中給出計(jì)算模型結(jié)構(gòu)x,y向轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比和層側(cè)向剛度比,以便于對(duì)比分析。位移角比與等效側(cè)向剛度比之比由模型M0的2179降到模型M4的1161;而y向兩者之比由模型M0的1144降到模型M4的111。層間位移角比雖然與層側(cè)向剛度比在數(shù)值上相差在減小,但二者仍然存在一定的差別。轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比計(jì)算模型等效剛度比側(cè)向剛度比反應(yīng)譜彈性時(shí)程exeyexeyxx表3M1103811499117671157511676116551183921023M0125701686

15、014500191701717019900156211015M0137401888017021110401896111850173311M01705018971130411117115011120411M0170611130112951131411486114071140911534,但總的變化;隨著等效側(cè)向剛度比的增大,轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比的增幅在減小。因而,對(duì)板式轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)謹(jǐn)慎采用轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比來(lái)限制轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和位移的突變。從時(shí)程法和反應(yīng)譜法的層間位移角比相比較來(lái)看,在轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比小于110的模型中,時(shí)程法的層間位移角比沒(méi)有明

16、顯增大,甚至出現(xiàn)減小;而在等效側(cè)向剛度比大于110的模型中,時(shí)程法的層間位移角比有一定程度的增大,并且隨著等效側(cè)向剛度比的增加而增大,增幅為910%2212%。這表明,在等效側(cè)向剛度比大于110時(shí),時(shí)程法分析得到的轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角的突變更明顯。因而,在板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,當(dāng)?shù)刃?cè)向剛度比較大時(shí),需采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的結(jié)構(gòu)計(jì)算,以避免對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性帶來(lái)不利的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)上述計(jì)算模型層間位移角比數(shù)值的對(duì)比,并結(jié)合相應(yīng)的層側(cè)向剛度比、等效側(cè)向剛度比的計(jì)算值,以及參考抗規(guī)高規(guī)、對(duì)層側(cè)向剛度比、等效側(cè)向剛度比限值的規(guī)定,建議在7度抗震設(shè)防區(qū),轉(zhuǎn)換層下、上結(jié)構(gòu)層間位移角比一般宜不大

17、于112,且不應(yīng)大于115。此限值僅能作為設(shè)計(jì)參考值。由于研究的工程實(shí)例數(shù)量有限,加之轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜,固定一個(gè)限值是不合適的。在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中,限值的確定應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)、抗震設(shè)防烈度和抗震等級(jí)等因素綜合考慮。在研究轉(zhuǎn)換層位置對(duì)其結(jié)構(gòu)抗震性能的影響時(shí),選取兩組模型中不同樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換板的五個(gè)計(jì)算模型,其中轉(zhuǎn)換板分別設(shè)置在層3,5,6和7。兩組計(jì)算模型的轉(zhuǎn)換層下、上結(jié)構(gòu)層間位移角比的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表圖2結(jié)構(gòu)平面布置從表3數(shù)值對(duì)比來(lái)看,層間位移角比與等效側(cè)向剛度比的變化趨勢(shì)基本一致,但數(shù)值相差較多。層間位移角比的數(shù)值均大于等效側(cè)向剛度比,兩者之間不存在一定比例關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等

18、效側(cè)向剛度比的增大,層間位移角比的增速變慢。x向?qū)娱g4。模型Hst3與上述模型M2相同,模型FL3,FL5,FL7是文3的另一組算例。轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比(反應(yīng)譜法)表4x11501112041148711412215921115731062113452192411479從表4數(shù)值對(duì)比來(lái)看,在轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比、層側(cè)向剛度比基本相同的情況下,兩組計(jì)算模型的y向轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性:隨著轉(zhuǎn)換板位置的提高,轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比在增大。轉(zhuǎn)換層設(shè)置在層5,6,7的結(jié)構(gòu)層間位移角比分別為轉(zhuǎn)換層設(shè)置在層3結(jié)構(gòu)的1116,1117和1128倍。這表明隨著

19、轉(zhuǎn)換層位置的提高,轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形效應(yīng)加大。在兩組計(jì)算模型的x向,由于第一組模型中含有較多的短肢剪力墻,而第二組轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比數(shù)值較大,變化規(guī)律不明顯,提高,高,對(duì)轉(zhuǎn)換層上、在高位轉(zhuǎn)換時(shí),較嚴(yán)格的限值,當(dāng)下部結(jié)構(gòu)超過(guò)4層時(shí),可將轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的層間位移角比的限值乘以019的折減系數(shù),促使轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度比差距進(jìn)一步減小。4結(jié)論(1)在高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中,尤其轉(zhuǎn)換層集中較大(上接第19頁(yè))質(zhì)量時(shí),僅對(duì)轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層側(cè)向剛度的限制起不到應(yīng)有的作用,因而,在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),采用轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比來(lái)控制轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和變形突變是較為合理

20、的。層間位移角比限值的確定應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)、抗震設(shè)防烈度和抗震等級(jí)等因素綜合考慮。在7度抗震設(shè)防區(qū),可參考以下取值:轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)層間位移角比宜不大于112,且不應(yīng)大于115;當(dāng)下部結(jié)構(gòu)超過(guò)4層時(shí),可將層間位移角比的限值乘以019的折減系數(shù)。(2)在高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中,一般同時(shí)存在著側(cè)向剛度不規(guī)則和豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的兩種情況?？紤]到轉(zhuǎn)換層集中較大的質(zhì)量,時(shí),需將限值提高。()上,參考文獻(xiàn)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ32002,J1862002)S.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.2建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500112001)S.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.3榮維生.帶

21、板式轉(zhuǎn)換高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究D.中國(guó)建筑科學(xué)研究院,2004.4榮維生,王亞勇等.轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度對(duì)帶板式轉(zhuǎn)換高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響J.工程抗震與加固改造,2004(6).5榮維生,王亞勇.板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層位置對(duì)高層建筑抗震性能的影響J.建筑科學(xué),2004(4).均側(cè)向剛度分別為519610kNm,418610kNm,相差18%,相差部分僅占總側(cè)向剛度的3%4%。該結(jié)果顯示,設(shè)置內(nèi)凹陽(yáng)臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度影響不大。不同計(jì)算模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力及位移參數(shù)模型2層單元3層單元4層單元6層單元8層單元12層單元24層單元T1(s)T2(s)T3(s)55表2(南北)21682166216921702170217021713141(扭轉(zhuǎn))11691167116711671166116611663138層間位移側(cè)向剛度(105)(東西)東西向南北向框架結(jié)構(gòu)116411363184851963215911621137118575161321201163113041802513931186116311216179