高層建筑轉(zhuǎn)換層抗震設(shè)計(jì)分析

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摘要：本文主要是對(duì)高層建筑轉(zhuǎn)換層整體抗震性能及設(shè)計(jì)原則，以及應(yīng)用SATWE軟件對(duì)帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換層；抗震設(shè)計(jì)原則，剪力墻，SATWE軟件

一、轉(zhuǎn)換層整體抗震性能及設(shè)計(jì)原則

帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑，轉(zhuǎn)換層上下的豎向結(jié)構(gòu)體系或形式有較大差異，沿建筑物高度方面剛度的均勻性受到破壞，豎向承力構(gòu)件不連續(xù)，墻、柱截面發(fā)生突變，導(dǎo)致傳力路線曲折，變形和應(yīng)力集中，且轉(zhuǎn)換層自身剛度和質(zhì)量較大，地震作用下的地震反應(yīng)力很大，導(dǎo)致帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑的抗震性能較差。從整體受力的角度，可以總結(jié)出一些改善轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震性能的方法及設(shè)計(jì)原則：

1、控制轉(zhuǎn)換層下部框支結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度（即考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合剛度）。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置較高時(shí)，易使整體結(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，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)換層位于3層以上時(shí)，按彈性動(dòng)力時(shí)程分析得出的結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)線在轉(zhuǎn)換層處產(chǎn)生明顯突變，其主要原因就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沿用了底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)概念，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 [γ=（Gi+1* Ai+1 ）*hi/（Gi* Ai ）*hi+1 ] 。事實(shí)上，當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，下部框支結(jié)構(gòu)在側(cè)向力的作用下，由于構(gòu)件自身彎曲變形以及側(cè)向力作用平面內(nèi)兩端構(gòu)件的拉伸和壓縮軸向變形所造成的整個(gè)下部框支結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移加大，加上原有的由于剪切變形所造成的側(cè)移，相同的側(cè)向力作用下，綜合側(cè)移加大導(dǎo)致綜合側(cè)移剛度減小，轉(zhuǎn)換層上下的剛度突變加大，轉(zhuǎn)換層間位移角包絡(luò)發(fā)生突變。因此，《高規(guī)》附錄E提出了一個(gè)等效側(cè)向剛度γe的概念，用單位側(cè)向力作用下下部框支結(jié)構(gòu)的側(cè)移與同樣高度的上部剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移的比值來(lái)綜合反映彎曲、剪切和軸向變形對(duì)側(cè)移剛度的影響。其實(shí)質(zhì)就是使下部框支結(jié)構(gòu)的變形特征及綜合剛度與上部剪力墻結(jié)構(gòu)接近，以避免剛度突變。

2、加強(qiáng)框支柱的強(qiáng)度和延性，以彌補(bǔ)彈性理論分析計(jì)算的不足。按照彈性理論的分析結(jié)果，在地震作用下，上部剪力墻結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的水平地震剪力通過轉(zhuǎn)換層樓板的間接傳力途徑在下部框支框架和落地剪力墻之間進(jìn)行完全的剪力重分配，由于框支框架和落地剪力墻的側(cè)向剛度相差懸殊，即使理論分析時(shí)考慮了轉(zhuǎn)換層樓板在平面內(nèi)的變形及平面外的剛度，框支框架所受水平剪力的理論計(jì)算值仍然是比較小的。事實(shí)上，由于以下兩個(gè)主要原因?qū)е孪虏靠蛑Э蚣芩艿膶?shí)際水平剪力遠(yuǎn)大于彈性計(jì)算值：①、部分水平剪力通過抗側(cè)力結(jié)構(gòu)自身的直接傳力途徑進(jìn)行傳遞。地震作用的持續(xù)時(shí)間僅為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)力通過樓板的間接傳力途徑進(jìn)行傳遞是難以實(shí)現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)：轉(zhuǎn)換層下部的大部分框支柱出現(xiàn)裂縫，上部剪力墻所受的剪力并未全部通過樓板的間接傳力途徑傳遞到落地筒體，部分內(nèi)力直接傳給下部與之相連的框支柱上，導(dǎo)致框支柱所受水平剪力遠(yuǎn)大于彈性靜力分析結(jié)果，對(duì)抗震十分不利。②、轉(zhuǎn)換層下部的落地剪力墻容易出現(xiàn)彎曲、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。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，這將導(dǎo)致整個(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)果有較大差異。也就是說(shuō)，隨著落地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，框支框架所受的剪力和傾覆力矩大幅增加，形成薄弱部位，對(duì)抗震十分不利。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)換層較高時(shí)，框支柱宜采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，以提高柱的強(qiáng)度和延性。落地剪力墻宜形成筒體，并增強(qiáng)落地墻的承載能力和延性，加強(qiáng)端部約束，且落地剪力墻的間距和數(shù)量均嚴(yán)于底層框支剪力墻結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可在落地墻端部配置型鋼，以避免或推遲落地剪力墻出現(xiàn)裂縫和剛度退化。另外，在條件和預(yù)算允許的情況下，采用箱形轉(zhuǎn)換層加大轉(zhuǎn)換層平面內(nèi)剛度，可使下部框支柱受力均勻，接近彈性分析的計(jì)算假定。

二、應(yīng)用SATWE軟件進(jìn)行帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

《高規(guī)》定義帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，SATWE軟件在總信息中相對(duì)應(yīng)的提供了“復(fù)雜高層”這種結(jié)構(gòu)體系可供選擇，針對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)則相對(duì)應(yīng)的提供了“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系可供選擇，認(rèn)真分析后即可知道，在這兩種結(jié)構(gòu)體系中只有剪力墻在《高規(guī)》中有不同的規(guī)定，而SATWE計(jì)算結(jié)果中也確實(shí)有不同之處，而其中又尤以轉(zhuǎn)換層下的落地剪力墻區(qū)別較大，且對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響也大，故重點(diǎn)分析一下在兩種結(jié)構(gòu)體系中轉(zhuǎn)換層以下的落地剪力墻的不同之處。（以一棟7度區(qū)30層高，轉(zhuǎn)換層位于第5層的高層建筑為例，轉(zhuǎn)換層以下既有短肢剪力墻也有普通剪力墻。）

1、抗震等級(jí)。《高規(guī)》規(guī)定短肢剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)；當(dāng)轉(zhuǎn)換層的位置在3層及3層以上時(shí)，其框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震等級(jí)宜提高一級(jí)。從SATWE的計(jì)算結(jié)果可以看出，用“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的落地短肢剪力墻的抗震等級(jí)為特一級(jí)，落地普通剪力墻的抗震等級(jí)為一級(jí)；而用“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的兩種剪力墻均為一級(jí)。對(duì)于轉(zhuǎn)換層為3層或3層以上的結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)體系均要求提高一級(jí)，而“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系針對(duì)短肢剪力墻又提高了一級(jí)，故由二級(jí)提高到特一級(jí)。而對(duì)于“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系，由于程序不能自動(dòng)判斷短肢剪力墻，所以抗震等級(jí)僅提高了一級(jí)。

2、內(nèi)力分析。從SATWE的計(jì)算結(jié)果可以看出，在地震組合作用下“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算出的剪力墻彎矩值一般大于“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算出的彎矩值。這是因?yàn)椤陡咭?guī)》規(guī)定，對(duì)于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)其特一、一、二級(jí)落地剪力墻底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計(jì)值，應(yīng)按墻體底截面有地震組合的彎矩值乘以增大系數(shù)1.8、1.5、1.25，而短肢剪力墻并沒有要求對(duì)底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于短肢剪力墻，兩種結(jié)構(gòu)體系均要求在底部加強(qiáng)部位對(duì)剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整，一級(jí)和特一級(jí)應(yīng)分別放大1.6和1.9，但由于在“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系中落地短肢剪力墻的抗震等級(jí)為特一級(jí)，而在“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系中則為一級(jí)，二者的剪力設(shè)計(jì)值因此相差近20%。另外，在“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系中非底部加強(qiáng)部位的短肢剪力墻也提高到一級(jí)，其剪力設(shè)計(jì)值放大1.4，而在“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系中非底部加強(qiáng)部位的短肢剪力墻仍為二級(jí)，且剪力設(shè)計(jì)值不放大，二者相差40%。

綜上所述，對(duì)于帶短肢剪力墻的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)如果用SATWE的“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系來(lái)分析，則可能導(dǎo)致落地短肢剪力墻的抗剪性能受到影響，而如果采用SATWE的“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系來(lái)分析，則可能導(dǎo)致落地剪力墻的筋量不足。可見，單純按某一種結(jié)構(gòu)體系計(jì)算都有可能帶來(lái)不安全的隱患，只有按兩種結(jié)構(gòu)體系分別計(jì)算，才能充分考慮到規(guī)范規(guī)定的所有不同因素，得到一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于處于底部加強(qiáng)部位的剪力墻，無(wú)論是落地剪力墻還是轉(zhuǎn)換層以上兩層內(nèi)的上部剪力墻，若采用了“復(fù)雜高層”結(jié)構(gòu)體系計(jì)算，就必須手工復(fù)核短肢剪力墻的縱筋配筋率。

參考文獻(xiàn)：

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