高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對(duì)抗震性能的影響

高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度對(duì)抗震性能的影響

一、框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系通過(guò)多年的研究，中國(guó)建筑科學(xué)研究院（gacurrent）結(jié)構(gòu)研究所等部門首次提出，在8號(hào)地震區(qū)域，可采用大型底板空間墻結(jié)構(gòu)，也稱為低級(jí)框架墻結(jié)構(gòu)，并介紹了該新結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)的概念和方法。隨即該體系在國(guó)內(nèi)得到大量推廣應(yīng)用。八十年代末至九十年代初,我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ10-89)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ11-89)以及《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ3-91)都列出了該結(jié)構(gòu)體系及其抗震設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定。九十年代的十年間,框支剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑發(fā)展迅速。在地震區(qū),許多框支剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層位置較高,一般做到3～6層,有的工程轉(zhuǎn)換層位于7～10層,個(gè)別工程轉(zhuǎn)換層位于更高處,而其抗震設(shè)計(jì)的概念和方法仍然與底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)類同。本文通過(guò)研究得出結(jié)論,轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),易使框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變,并易形成薄弱層,對(duì)抗震不利,其抗震設(shè)計(jì)概念與底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)有較多差異。二、結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)為研究此問(wèn)題,本文采用三維有限元分析程序(TBSAP,SAP)以及高層結(jié)構(gòu)空間分析程序TBSA,TBWE分析了若干個(gè)典型結(jié)構(gòu),得到一些規(guī)律和概念?，F(xiàn)以圖1所示結(jié)構(gòu)為例,論述轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度的變化對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)剛度突變的影響。該結(jié)構(gòu)總高為121.5m,轉(zhuǎn)換層及下部為“框支”結(jié)構(gòu),由落地剪力墻和支承框架組成,層高4.5m,結(jié)構(gòu)平面如圖1(a),其中括號(hào)內(nèi)梁尺寸為轉(zhuǎn)換托梁尺寸,轉(zhuǎn)換層上部為剪力墻結(jié)構(gòu),層高3m,結(jié)構(gòu)平面如圖1(b)。分析中變化轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度,即增加轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的層數(shù),相應(yīng)減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻結(jié)構(gòu)的層數(shù),而結(jié)構(gòu)的總高度保持不變。上部剪力墻結(jié)構(gòu)與下部“框支”結(jié)構(gòu)的層剪切剛度比γ=1.71。分析中地震作用方向?yàn)闄M向(y向)。圖2所示為按彈性動(dòng)力分析得出的結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò),輸入地震波為ELCentro波,加速度峰值取35gal。圖2中的7條曲線表示轉(zhuǎn)換層分別位于1～7層時(shí)結(jié)構(gòu)的層間位移包絡(luò),由圖可見(jiàn),轉(zhuǎn)換層位于底層、2層及3層時(shí),層間位移角包絡(luò)無(wú)明顯突變;轉(zhuǎn)換層分別位于4～7層時(shí),層間位移角包絡(luò)線有明顯突變。應(yīng)當(dāng)指出,輸入不同地震波得出的層間位移角包絡(luò)均有差異。筆者經(jīng)比較得出一個(gè)共有的規(guī)律,當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于3層以上時(shí),易使框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近層間位移角發(fā)生突變。轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),層間位移角包絡(luò)發(fā)生突變的主要原因是,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沿用了底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概念,僅僅控制上部剪力墻結(jié)構(gòu)與下部“框支”結(jié)構(gòu)的層剪切剛度比γ。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較低時(shí),僅僅控制層剪切剛度比基本上能控制轉(zhuǎn)換層附近層間位移角不產(chǎn)生突變,然而,當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),僅僅控制層剪切剛度比是不夠的,還應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)的等效剛度(即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度)?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)可視為轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)與下部的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的組合?？刂妻D(zhuǎn)換層下部的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度與同樣高度的剪力墻結(jié)構(gòu)等效剛度相等,實(shí)質(zhì)上是使下部框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的變形特征及剛度與上部剪力墻結(jié)構(gòu)接近,以避免轉(zhuǎn)換層附近剛度突變。按此抗震設(shè)計(jì)概念,我們對(duì)圖1所示結(jié)構(gòu)作一調(diào)整,以轉(zhuǎn)換層位于7層的結(jié)構(gòu)為例,調(diào)整前轉(zhuǎn)換層下部框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度E1J1與同樣高度的剪力墻結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)布置與轉(zhuǎn)換層上部剪力墻結(jié)構(gòu)一致)等效剛度E2J2之比為1/1.6,調(diào)整后E1J1/E2J2為1。調(diào)整前與調(diào)整后的結(jié)構(gòu),其位移反應(yīng)和層間位移角反應(yīng)包絡(luò)分別示于圖3。由圖3可見(jiàn),對(duì)轉(zhuǎn)換層位置較高的框支剪力墻結(jié)構(gòu),控制其等效剛度是十分必要的,效果也很顯著。三、換層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和傳力途徑的變化仍以圖1所示結(jié)構(gòu)為例,分析不同標(biāo)高轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和傳力途徑的變化。計(jì)算分析中采用彈性樓板假定,即考慮樓板在平面內(nèi)的變形及平面外的剛度。1.轉(zhuǎn)換層設(shè)置特點(diǎn)圖4所示為傾覆力矩在橫向(y向)各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)間的分配情況。圖中示出軸②落地剪力墻及軸③框支剪力墻所受傾覆力矩的變化,轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度分為底層、4層、7層及14層四種情況。由圖可見(jiàn),傾覆力矩分布曲線在轉(zhuǎn)換層處呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折,轉(zhuǎn)換層下部是以剪力墻為主的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),落地剪力墻所分配的傾覆力矩由轉(zhuǎn)換層往下遞增較快,而支承框架的傾覆力矩遞增量很少。此外,轉(zhuǎn)換層處框支剪力墻的大量剪力通過(guò)樓板傳遞給落地剪力墻,這也是傾覆力矩曲線呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因?？偟目磥?lái),傾覆力矩的分配和傳力途徑還沒(méi)有產(chǎn)生明顯突變。2.轉(zhuǎn)換層位置的影響圖5所示為剪力在結(jié)構(gòu)橫向(y向)各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)間的分配情況。圖5(a)所示底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力分配和傳力途徑雖有突變,但還可通過(guò)3,2,1層樓板逐步將框支剪力墻的剪力傳遞給落地剪力墻。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于7層時(shí),剪力分配和傳力途徑發(fā)生劇烈突變,在轉(zhuǎn)換層上部幾層,第8層3榀框支剪力墻所受剪力總和等于0.63Q0,通過(guò)第7層轉(zhuǎn)換層的樓板使框支剪力墻所受剪力總和減少到0.2Q0,落地剪力墻所受剪力總和增加到0.65Q0,這樣的間接傳力途徑當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)是難以實(shí)現(xiàn)的,對(duì)抗震十分不利。轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),在相應(yīng)層剪力分配和傳力途徑發(fā)生如此急劇的突變,其原因之一是因?yàn)樵O(shè)計(jì)中僅僅控制層剪切剛度比γ,而沒(méi)有控制“等效剛度”。按本文第二部分中提出的調(diào)整方法,對(duì)轉(zhuǎn)換層下部的結(jié)構(gòu)等效剛度加以調(diào)整后,剪力分配和傳力途徑突變情況有較大改善。圖6所示為調(diào)整“等效剛度”后的7層設(shè)轉(zhuǎn)換層時(shí)框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力分配情況,剪力分布突變情況有很大改善。轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),剪力分配突變加劇的另一原因是單片落地剪力墻的轉(zhuǎn)角隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高而增大,單片框支剪力墻的變形曲線隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)折,即轉(zhuǎn)換層下部的框架變形曲線與轉(zhuǎn)換層上部剪力墻變形曲線不協(xié)調(diào)的程度加大。落地墻和框支墻兩種墻體的變形通過(guò)彈性樓板的協(xié)調(diào)而趨于接近,從而導(dǎo)致剪力分配突變。我們調(diào)整轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻的等效剛度可減小其轉(zhuǎn)角,改善剪力分配突變,但難以做到像底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)那樣的剪力分配情況。四、框支剪力墻結(jié)構(gòu)受傾覆力分析對(duì)于底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系有個(gè)基本的抗震設(shè)計(jì)概念,即保證底層結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度,使結(jié)構(gòu)在地震作用下,屈服發(fā)生在轉(zhuǎn)換層以上的剪力墻結(jié)構(gòu),底層結(jié)構(gòu)不屈服,僅出現(xiàn)少量裂縫。擬動(dòng)力試驗(yàn)和理論分析表明,該結(jié)構(gòu)體系可滿足7度和8度抗震設(shè)防要求,其抗震設(shè)計(jì)概念是合理的。對(duì)轉(zhuǎn)換層較高的框支剪力墻結(jié)構(gòu)很難做到轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)在地震作用下僅出現(xiàn)少量裂縫。相反,當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),轉(zhuǎn)換層附近幾層更容易形成薄弱層。1.轉(zhuǎn)換層下部的落地剪力墻容易出現(xiàn)彎曲裂縫或彎剪裂縫,隨著裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展,落地剪力墻的剛度迅速遞減。根據(jù)以往大量試驗(yàn),剪跨比較大的剪力墻當(dāng)層間位移達(dá)到1/500時(shí),其剛度降低60%;而轉(zhuǎn)換層下部的支承框架當(dāng)層間位移達(dá)到1/500時(shí),其剛度基本上仍未降低。這一情況的發(fā)生將使整個(gè)框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力和傾覆力矩分配情況與彈性分析結(jié)果有較大的差異。圖7為7層設(shè)轉(zhuǎn)換層時(shí)框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)剪力墻剛度降低60%時(shí)計(jì)算得出的剪力分配和傾覆力矩分配情況。對(duì)比圖7(a)和圖5(b)可明顯看出,隨著剪力墻剛度的降低,轉(zhuǎn)換層附近的剪力突變進(jìn)一步加劇,框支剪力墻在轉(zhuǎn)換層上一層的剪力總和已接近基底剪力Q0,轉(zhuǎn)換層下一層支承框架所受剪力達(dá)到0.4Q0。從圖7(b)與圖4的比較可以看出,隨著剪力墻剛度的降低,框支剪力墻所受傾覆力矩也明顯增加。以上分析說(shuō)明,轉(zhuǎn)換層較高的框支剪力墻結(jié)構(gòu),落地剪力墻易產(chǎn)生裂縫,框支剪力墻在轉(zhuǎn)換層上部的墻體所受內(nèi)力很大,易破壞,轉(zhuǎn)換層下部的支承框架也易屈服,從而形成幾個(gè)薄弱層。文中的結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明,轉(zhuǎn)換層較高的框支剪力墻結(jié)構(gòu)很難避免轉(zhuǎn)換層下部落地剪力墻不出現(xiàn)裂縫,該結(jié)構(gòu)中未形成筒體的一些落地剪力墻多處出現(xiàn)裂縫,剛度迅速降低,從而使框支柱的內(nèi)力增加,有幾層框支柱隨即出現(xiàn)裂縫,鑒于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中框支柱采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),避免了框支柱的破壞?？蛑е喜康募袅κ芰?破壞嚴(yán)重。2.轉(zhuǎn)換層較高的框支剪力墻結(jié)構(gòu),內(nèi)力分配產(chǎn)生急劇突變,內(nèi)力的傳遞僅僅依靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)是很困難的。地震作用的持續(xù)時(shí)間一般為30～60s,地面運(yùn)動(dòng)加速度正、反方向的變化時(shí)間一般在零點(diǎn)幾秒之內(nèi),在如此快速的動(dòng)力作用下,全部?jī)?nèi)力通過(guò)樓板的間接傳力途徑進(jìn)行傳遞是難以實(shí)現(xiàn)的,部分內(nèi)力將通過(guò)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)自身的直接傳力途徑進(jìn)行傳遞,從而使框支剪力墻轉(zhuǎn)換層以下的支承框架內(nèi)力遠(yuǎn)大于計(jì)算分析結(jié)果,對(duì)抗震十分不利。文的結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果可以證實(shí)上述概念的合理性。圖8所示為該試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的平面(實(shí)際模型比例為1/35),圖9為裂縫分布。由圖可見(jiàn),該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層下部的大部分框支柱出現(xiàn)裂縫,而且裂縫分布于轉(zhuǎn)換層下部的多個(gè)樓層;中部的落地筒體僅在轉(zhuǎn)換層上、下的局部區(qū)段出現(xiàn)很少量的裂縫;外圍框支剪力墻,在轉(zhuǎn)換層上部的墻體出現(xiàn)很多裂縫。這一試驗(yàn)結(jié)果證明,結(jié)構(gòu)在地震作用下,外圍框支剪力墻與中部落地筒體之間的內(nèi)力分布和傳力途徑與彈性靜力分析結(jié)果有較大差異,外圍框支剪力墻在轉(zhuǎn)換層上一層所受的傾覆力矩直接傳給下部框支柱,所受的剪力并未全部通過(guò)樓板的間接傳力途徑傳遞到落地筒體,有部分內(nèi)力直接傳給下部的框支柱。五、轉(zhuǎn)換層下“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度1.框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變,內(nèi)力的傳遞僅靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實(shí)現(xiàn);轉(zhuǎn)換層下部的“框支”結(jié)構(gòu)易于開(kāi)裂和屈服,轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗震。高烈度區(qū)(9度及9度以上)不應(yīng)采用;8度區(qū)可以采用,但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度,可考慮不宜超過(guò)3層;7度地區(qū)可適當(dāng)放寬限制。2.轉(zhuǎn)換層位置較高的框支剪力墻結(jié)構(gòu),應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度(即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度),宜使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度,剪力墻結(jié)構(gòu)高度取框支層的總高度,其平面和層高與轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)相同;EcJc為轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度。分析表明,控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度對(duì)于減少轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角和內(nèi)力突變是十分必要的,效果也很顯著。當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí),對(duì)落地剪力墻間距的限制應(yīng)比底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)更嚴(yán)一些。對(duì)平面為長(zhǎng)矩形的建筑,落地橫向剪力墻的數(shù)目應(yīng)多于全部橫向剪力墻數(shù)目的50%。落地墻宜形成筒體,避免采用單肢或僅用弱連梁連接的矩形、T形和L形墻。應(yīng)增強(qiáng)落地墻的承載能力和延性,加強(qiáng)端部約束,也可配置型鋼,并控制轉(zhuǎn)換層以下落地墻的最小構(gòu)造配筋率為0.3%。3.轉(zhuǎn)換層下部的支承框架所受剪力將遠(yuǎn)大于彈性計(jì)算值,設(shè)計(jì)中應(yīng)調(diào)整框支柱所受總剪力不應(yīng)小于某一數(shù)值,該數(shù)值應(yīng)隨轉(zhuǎn)換層位置的提高而增大。可考慮對(duì)底層框支剪力墻結(jié)構(gòu),框支柱總剪力不小于0.2Q0(Q0為結(jié)構(gòu)基底總剪力);對(duì)轉(zhuǎn)換層位于6層的框支剪力墻結(jié)構(gòu),框支柱總剪力不小于0.35Q0?？蛑е倲?shù)少于10根時(shí),每根柱所受剪力至少取0.02Q0～0.035Q0。對(duì)框支柱剪力的調(diào)整不能僅限于轉(zhuǎn)換層處的柱,應(yīng)包括轉(zhuǎn)換層以下的各