某厚板轉換高層建筑結構動力分析

尹蕓瓊

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

隨著現代科技飛速發展以及人們生活水平逐步提升，高層建筑結構使用功能要求的復雜性與綜合性愈加突出，致使功能要求與結構布置形成矛盾，而設置結構轉換層是解決該矛盾的一種有效途徑，故其具備廣闊的市場前景。目前，工程結構實際中運用較廣泛的形式包括梁式轉換、箱型轉換以及厚板轉換等[1,2]。其中，厚板轉換最能良好兼顧建筑功能需求與結構布置，但同時亦有其不可忽視的缺點，例如傳力不明確、設計復雜以及厚板質量過大引起結構剛度突變[3,4]等。基于此，根據某工程實際項目中的帶厚板轉換層高層建筑結構，利用Midas gen有限元分析軟件，建立相應的數值分析模型，模擬水平地震作用下結構整體的地震響應，分析整體結構動力特性。

1 工程概況

該工程為一商業住宅，建筑高度為75.5 m。地下2層主要用作車庫；地上22層，其中1層～2層為大開間商業用房，3層為商業用房及電影院，4層及以上為住宅。由于使用功能要求不同，1層～3層需要大空間，選用框支剪力墻結構體系，而4層以上則采用剪力墻結構體系。因此，3層與4層的結構布置以及軸網布置相差懸殊，結構設計人員在4層標高處設置了厚板轉換層結構，轉換板厚度為1.6 m。

該工程屬丙類建筑，主體結構設計使用年限為50年，場地為抗震有利地段，非液化區，抗震基本烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第1組，場地類別為Ⅱ類，最大地震影響系數αmax=0.04(第一設防水準)，場地特征周期為0.35 s。

2 轉換結構分析模型

2.1 模型分析單元

模型建立與分析運用有限元分析軟件Midas gen。采用梁單元模擬結構中的混凝土梁及柱，該單元各節點均有X、Y、Z三個方向的轉動與平動，共有6個自由度，且具備拉、壓、彎、剪、扭各項變形剛度[5]。采用薄板單元模擬結構中的樓板及剪力墻，采用厚板單元模擬轉換厚板，該單元自由度以單元坐標系為基準，各節點具有X、Y、Z三個方向的平動以及繞X、Y軸的轉動，可實現平面張拉、壓縮、剪切、沿厚度方向的彎曲等。

2.2 轉換層結構參數

模型中轉換層柱截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 200 mm、1 200 mm×3 200 mm；主梁截面尺寸為1 200 mm×1 600 mm、1 500 mm×1 600 mm、2 000 mm×1 600 mm；次梁截面尺寸為600 mm×1 600 mm、800 mm×1 600 mm、1 000 mm×1 600 mm；轉換板厚1 600 mm，其他板厚800 mm。轉換層下部相連剪力墻墻厚為200 mm、300 mm、400 mm、600 mm，其上部相連剪力墻厚度為200 mm。通過調整彈性模量從而考慮梁、板、柱中的鋼筋，泊松比為0.2，結構阻尼比為0.05。

3 模態分析

利用Midas gen分析軟件對整體結構進行模態分析，計算得到了結構總質量為9 183 t，其中梁單元質量為675 t，板單元質量為1 897 t，荷載轉化質量為1 984 t，節點質量為4 627 t。同時計算得到了結構前15階振型曲線及對應頻率及周期。

3.1 結構自振周期及振型曲線

結構前15階自振周期計算結果如表1所示。

表1 結構前15階自振周期及頻率

同時得到了結構前15階振型曲線圖，其中前三階振型分別體現為主要沿X軸方向的平動、繞Z軸的扭轉且伴隨沿Y軸方向的平動以及主要繞Z軸的扭轉。低振型較多表現為沿兩個方向的平動，隨著振型階數升高，繞Z軸扭轉或局部扭轉振型逐漸增加。

3.2 模態分析結論

根據周期計算結果，可知結構第一扭轉振動周期Tt=1.942 s，結構第一平動周期T1=2.281 s，Tt/T1=0.85<0.9，故結構抗扭剛度適中，對其扭轉效應有一定抑制作用。與此同時，結構第一頻率并無明顯扭轉，結構質心與剛度中心偏差較小，剛度分布較為合理。由振型曲線可知，高階振型對結構抗震不利。且由于轉換厚板剛度及質量較大，因而會引起結構振型形狀變化，往往成為振型曲線轉折點，對結構整體性能影響較大，故在設計過程中需重點關注。

4 時程分析

時程分析即為將地震的不間斷作用劃分為許多小的時間過程，輸入適當的地震加速度時程，從結構初始狀態起，逐步積分，最終獲得更為真實的結構地震響應隨時間變化曲線，進而計算結構構件內力及變形，以此分析結構抗震性能[6]。

利用Midas gen進行彈性時程分析，得到了在X向及Y向水平地震作用下，轉換層結構模型的層剪力、層位移以及層間位移角等關鍵指標。

4.1 地震波選取

按照規范要求，用于分析的地震波對于結構時程分析的準確性及有效性具有重大影響，故而地震波的選擇十分關鍵，應依據建筑物的場地類別、地震分組以及結構周期類型確定。

因此，經過眾多分析與比較，最終選定了天然波Superstition Hills波，其卓越周期Tg=0.51 s，地面加速度時程曲線如圖1所示，根據結構自振周期，將時間間距取為0.02 s。

4.2 樓層關鍵指標分布曲線

將Midas gen計算得到的X、Y向水平地震作用下的樓層關鍵指標數據繪制成圖，如圖2所示，縱坐標為樓層，橫坐標分別為層剪力(kN)、層位移(mm)以及層間位移角(10-4)。

4.3 時程分析結論

由圖2(a)和圖2(b)可得到結論，不論受到X向還是Y向水平地震作用，厚板轉換層附近層剪力均發生較大突變，而受到Y向水平地震作用時，剪力突變更為劇烈。這是因為結構地震力隨剛度增大而增大，轉換厚板質量大且剛度大，較相鄰層而言剛度發生了突變，故引起剪力突變，且受到Y向地震作用時剛度突變更為明顯。

由圖2(c)和圖2(d)可得到結論，樓層位移隨著樓層增高而增加，且受到X向水平地震作用時樓層位移值比Y向稍大，說明結構彎曲剛度在X方向稍小于Y方向。

由圖2(e)和圖2(f)可得到結論，轉換層上部層間位移角迅速增大，說明其結構側移變化加劇，因此在設計過程中需加強。不論是在X向還是Y向水平地震作用下，結構層間位移角峰值都出現在偏頂部位置，說明中上部是結構的薄弱位置。由圖2(e)可知，受到X向水平地震作用時，結構層間位移角曲線在轉換層處發生了突變，層間位移角值急劇減小，是由于轉換層增強了相鄰層豎向構件的約束。而Y向變化不明顯，是由于其相鄰層側向剛度雖有變化，但位移角亦與層高有關。X向與Y向曲線差異明顯，是由于結構布置不對稱。

5 結 論

a.Midas gen分析軟件能較好的模擬帶厚板轉換層的高層建筑在水平地震作用下的受力性能，且其操作較為簡單，便于實際工程設計使用。

b.高振型下結構易發生扭轉，不利于抗震，應在設計過程中針對相應的樓層及位置采取加強措施。

c.厚板轉換層因其大質量及大剛度往往成為振型的轉折點，同時也引起樓層剪力及層間位移角的突變，結構設計過程中需加強厚板與其上下部豎向受力構件的連接以及注重轉換層相鄰樓層的剛度調整。

d.通過時程分析，證明結構周期、剪力、位移、層間位移角等計算結果均符合規范要求，結構整體受力性能良好。

e.厚板轉換結構雖受力復雜，結構特性有一定缺陷，但具備良好的使用功能，故在6度區有較大的實用價值。

[1] 王 楠,張曉光,趙眈崴.厚板轉換層結構的應用及研究現狀[J].工業建筑,2016,46(S1):271-275.

[2] Wu Meiliang,Qian Jiaru,Fang Xiaodan,et al.Experimental and Analytical Studies on Tall Buildings with a High-level Transfer Story[J].The Structural Design of Tall and Special Buildings,2007,16(3):301-319.

[3] 彭 斌,李溪喧.高層建筑厚板轉換層整體分析方法研究[J].武漢大學學報(工學版),2003(1):64-68.

[4] 扶長生,鞠 進,姜 平.鋼筋混凝土轉換厚板的抗震設計[J].建筑結構,2010(8):57-63.

[5] 彭 斌,李傳才.高層建筑轉換厚板有限元模型的建立[J].工程建設與設計,2001(6):34-36.

[6] 榮維生,王亞勇,周仁刀.轉換層上、下結構側向剛度對帶板式轉換高層建筑結構抗震性能的影響[J].工程抗震與加固改造,2004(6):1-8.