基于7度（0.1g）大震作用下的框架結構與

摘 要：文章通過分析豎向靜力荷載作用和7度（35cm/s2）大震下的框架結構和轉換層結構的層間位移和出鉸情況，來對比分析這兩種結構在地震作用下的反應性能。最后，找到框架轉換結構的力學結構模型，以指導設計人員在對轉換結構進行抗震性能分析時應著重注意的關鍵設計部位。

關鍵詞：轉換層結構；結構分析；大震時程

1 結構模型

框架結構尺寸如圖1所示，柱截面尺寸皆為500mm×500mm；沿軸線A、B、C方向的主梁截面尺寸皆為300mm×500mm；沿軸線1～4方向的次梁截面尺寸也皆為300mm×500mm；樓板厚皆為120mm。如圖1中布置混凝土填充墻體厚度為200mm（只需要考慮它的質量）。

轉換結構中，一二層梁截面尺寸皆為500mm×1000mm，三層及以上均為300mm×500mm；1-4軸線的懸挑梁截面均為300mm×500mm；轉換層混凝土斜壓桿為500mm×1000mm；樓板厚皆為120mm。

帶樓板的梁及柱的截面配筋情況如圖2所示。梁在從柱側面算起的1/4凈跨范圍內的箍筋間距為100mm，為梁跨中部分箍筋間距的一半；柱的縱筋為820，柱中（包括梁柱節點）沿全高布置有間距為100mm的封閉方箍；樓板配筋亦采用φ10，雙層雙向配置，間距為200mm。

框架結構

轉換結構

圖1 結構平立面圖

混凝土強度等級為：1～5層采用C40；6、7層采用C30。恒載按實際梁、板、柱實際重量計算，不考慮裝飾荷載，活荷載按2KN/m2考慮，不考慮風荷載。

地震波選用Al Centro波（1942，NS分量，峰值341.7cm/s2）震動方向為沿B軸（SAP2000中X軸方向）方向地震記錄要根據7度地震的要求調整地震加速度的幅值。屈服及屈服后性能采用離散鉸來模擬。采用sap2000軟件中指定鉸。

圖2 梁（左）柱（右）截面配筋

2 7度大震下的時程反應分析

2.1 7度（0.1g）大震作用信息

7度時，大震的《抗規2010》峰值加速度為220cm/s2； 大震下的非線性時程反應荷載工況，比例系數為《抗規2010》7度時大震下的峰值加速度220cm/s2與地震波峰值加速度341.7cm/s2的比值。即：220/341.7=0.6438。根據前期的模態分析得出的第一和第二周期來確定質量比例阻尼和剛度比例系數。

確定時程反應的荷載工況數據，為對結構進行非線性分析，定義分析工況類型為“Time History（時程）”，分析類型為非線性，時程類型為直接積分；輸出時段數為地震波記錄的數據數2688，輸出的時段大小為加速度增量時段為0.02；時間積分取wilson-θ法，θ取值1.4；在SAP2000建模時全局單位為：KN，m，C，Al Centro波（1942，NS分量，峰值341.7cm/s2）中數據單位為cm/s2，所以比例系數應縮小100倍，即6.438E-3。

2.2 7度（0.1g）大震下兩種結構的性能對比分析

2.2.1 變形對比

（1）位移對比分析

圖3 層位移對比圖

圖4 層間位移對比圖

如圖3所示，框架結構層位移曲線成剪切型，即隨著層號的增加，曲線切線斜率越來越大，切線越來越陡，增量越來越小；而對于轉換框架，一二層的位移相差不大，即第二層位移增量很小，分析其原因，主要是因為二層為轉換層，轉換大梁及柱子的截面尺寸都比較大，側移剛度就比較大，側移就比較小；轉換框架的三層及三層以上曾位移曲線與框架位移曲線走勢基本吻合。

（2）層間位移對比分析

從圖4兩條曲線對比中可以看出，框架集轉換框架的層間位移變化相差很大。對于框架結構，層間位移逐漸減小，主要原因是框架結構各層構件尺寸相差不大，其側向剛度就相差很小，但是隨著層號的增加，層間剪力越來越小，所以層間位移越來越小；而轉換框架結構，雖然轉換層的層剪力較其它層大，但轉換層剛度也較其它層大的多，所以第二層的位移增量很小，而第三層的剛度較下兩層小很多，所以層間位移突然增大很多，五層及以上的層間位移變化與框架相似。

（3）層間位移角對比分析

圖5 層間角位移對比圖

圖6 最大層間剪力對比圖

從圖5中曲線可以看出，框架結構和轉換框架結構的層間位移角變化曲線與各自層間位移變化相似，只是框架結構在底層的層間位移角較小，這是因為一層的層高為3.75m，而其它層的層高為3.0m。

2.2.2 最大層間剪力對比

與層間位移對比圖相對應，對于框架結構而言，各層的抗側剛度較均勻，圖6中層間剪力隨著層號的增加逐漸降低，轉換框架結構轉換層以上各層的層剪力變化與框架結構相似，在轉換層中，由于其抗側剛度很大，層間位移很小，層間剪力也較小。

2.2.3 塑性鉸對比（B軸一榀框架）

（1）首次出現塑性鉸時的時間和變形對比

框架結構

轉換層結構

圖7 首次出現塑性鉸圖

在圖7中，框架結構在第96步即1.92秒時首次出現塑性鉸，且出現在一二層的梁中，轉換框架在第84步即1.68秒時首次出現塑性鉸，且出現在三四層的梁中，原因主要是轉換框架轉換層梁截面尺寸較大，配筋也相應較多，所能承擔的屈服彎矩就較大，在1.68秒時的彎矩還沒達到轉換梁的屈服彎矩，所以沒有出現塑性鉸，而在三四層的梁中由于達到其屈服彎矩而出現塑性鉸。

（2）30s時兩種結構的變形及塑性鉸情況

框架結構

轉換框架

圖8 最終狀態出鉸圖

分析如圖8所示，兩種結構均為梁柱混合鉸，框架結構梁柱鉸主要集中在中部樓層，且在底層柱底出現鉸；轉換框架的梁柱鉸則主要出現在上部樓層，轉換層級底層基本沒出現塑性鉸。是因為框架結構梁柱尺寸較為均勻，在地震作用下，能量主要通過中下部樓層的鉸消散掉，上部樓層處鉸較少；轉換框架結構中，與轉換層及底層相比，上部樓層所能承擔的屈服彎矩小，在地震作用持續下，都紛紛達到其屈服彎矩而出現鉸，地震輸入的能量主要通過上部樓層的梁柱鉸消散掉。

地震作用結束時，框架結構底層柱底都出現較，且塑性鉸主要集中在中下部樓層；轉換框架結構塑性鉸主要出現在中上部樓層，轉換層基本不出鉸，且底層柱也沒出現較。

3 結束語

底層抽柱的轉換層結構可以看成上柔（框架部分）下剛（轉換層）的結構，轉換層承擔了較大的內力，保護了上部較弱的框架部分。另外，轉換層結構也可以看成這樣一種結構模型：上部較柔的框架與基礎通過具有一定彈性的剛性轉換層相固結。即把轉換層作為較小彈性變形的固端約束連接上部框架。

因此，轉換層結構中轉換部位是關鍵部位，在抗震設計時應按規范要求提高其抗震等級或可依據抗震性能設計方法對轉換層進行專門分析。

參考文獻

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作者簡介：李軒直，身份證號：130406198811190713。