轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置對框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響的分析

（青島理工大學，山東 青島 266033）

當前，建筑物的空間大小及數(shù)量、空間分布十分明確，上部多為較小的空間，其豎向荷載不能直接傳遞給下部樓層。因此，應(yīng)設(shè)置位于上下空間的轉(zhuǎn)換層，形成上下剛度大小不同的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。本文就對轉(zhuǎn)換層位置對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進行了研究。

1 框支剪力墻結(jié)構(gòu)簡介

由于樓層上部和下部使用功能、結(jié)構(gòu)類型不同，需對不同樓層的結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換，其被稱為轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層的主要類型有：一是梁式轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換方式受力清晰，多使用梁式、桁架式和板式，建筑材料多為混凝土和鋼架。其結(jié)構(gòu)為框支柱和框支梁，框支柱和轉(zhuǎn)換梁的截面較大，較為脆弱。二是厚板轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換方式多用在結(jié)構(gòu)上下部軸網(wǎng)相互交錯、剪力墻布置復雜的情況中。在地震中由于厚板剛度比相鄰樓板的剛度大，兩者產(chǎn)生的薄弱層不利于抗震。三是桁架式轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換方式具有受力性強、耗材少等優(yōu)點，但施工較麻煩，而且下弦桿撓度大易裂縫。四是斜柱式轉(zhuǎn)換。桁架轉(zhuǎn)換和梁式轉(zhuǎn)換的結(jié)合即為斜柱轉(zhuǎn)換，其空間小、靈活度高，能夠?qū)崿F(xiàn)豎向荷載的傳遞以及側(cè)力的傳遞。

2 工程簡介

某工程位于山東省淄博市，地上建筑26層，地下2層，總高度87.00m，建筑總面積18827平方米。其中，地下每層高度為4.5m，地上第一二層的高度為3.9m，三四層的高度為3.6m，四層以上的每層高度為3m。建筑頂部有水箱間和電梯間。第一層到第三層為商場，其余為公寓。這一建筑為框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層在3層，使用鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換層。上部剪力墻的厚度為250mm，下部剪力墻的厚度為400mm。其構(gòu)件為轉(zhuǎn)換梁特一級抗震，非加強部位的落地剪力墻為一級。

3 以模型為基礎(chǔ)的抗震計算

1）模型的建立。根據(jù)有關(guān)規(guī)范建立PKPM-CAD模型分析構(gòu)件結(jié)構(gòu)，其主要信息如下：一是按照有關(guān)要求設(shè)計框支柱以及剪力墻的軸壓比，二是嚴格控制轉(zhuǎn)換層上部、下部樓層的高度比，三是轉(zhuǎn)換層的位置決定了落地剪力墻和框支柱各自的剪力比例，應(yīng)提高樓板厚度，四是為了減小扭力，主要使用調(diào)整構(gòu)件截面、布置方式等。

2）計算。主要包括：①振型及地震力方向角。取用28個振型，計算結(jié)構(gòu)周期、扭轉(zhuǎn)作用力，地震作用的最大方向角為-0.669°。②扭轉(zhuǎn)周期和平動周期比。兩者比為0.83，小于0.85，滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定。③有效質(zhì)量系數(shù)。X向的有效質(zhì)量系數(shù)為98.74%；Y向有效質(zhì)量系數(shù)為98.82%。

3）結(jié)構(gòu)變形分析。受地震影響，在X向上，第27層的位移比最大，位移角為1/2732；在Y向上，第22層的位移比最大，位移角為1/186。當偏心地震發(fā)生時，構(gòu)件的位移比要比1.5小，符合有關(guān)標準的要求。還可以提高落地底部剪力墻的墻肢厚度來提高剪力墻剛度，以使轉(zhuǎn)換層的上下剛度比滿足技術(shù)規(guī)程要求，且大于1.0。另外，沿豎向的剪切剛度在Y方向上的突變，結(jié)構(gòu)層位置、樓層位移角的轉(zhuǎn)換層也發(fā)生了突變。

4 轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置對框支剪力墻抗震性能影響分析

轉(zhuǎn)換層的位置分別設(shè)置在第3層、第5層、第7層，標記為M3、M5、M7。轉(zhuǎn)換層下部由落地剪力墻和框架構(gòu)成，其下部高度為4.5m，上部為3m。

4.1 反應(yīng)譜分析

使用PKPM-SATWE進行反應(yīng)譜分析，得出轉(zhuǎn)換層位置下結(jié)構(gòu)的自振周期。當轉(zhuǎn)換層位置升高時，結(jié)構(gòu)自振周期逐步提高。轉(zhuǎn)換層位置較高時，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)突出。因此，在建設(shè)過程中轉(zhuǎn)換層的位置不能設(shè)置過高。

4.2 結(jié)構(gòu)的側(cè)移和層間位移角

當轉(zhuǎn)換層的位置升高時，其結(jié)構(gòu)層的突變程度也會變大，下部結(jié)構(gòu)為剪切變形，上部結(jié)構(gòu)為彎曲變形。而且當轉(zhuǎn)換層的位置升高時，結(jié)構(gòu)的頂點位移也會不斷變大，層間位移角的突變幅度也會變大。從底部到轉(zhuǎn)換層處，層間位移角的數(shù)值逐步變大，而轉(zhuǎn)換層位置上的位移角是隨機變化的。在本案例中，轉(zhuǎn)換層從第3層提高到第5層時，結(jié)構(gòu)頂點位移增大了約15.20%，最大層間位移角增大6.69%，從第5層到第7層的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)頂點位移和最大層間位移角增大了22.42%和46.21%。可見，轉(zhuǎn)換層位置升高時，結(jié)構(gòu)的柔性越大，越不利于抗震。轉(zhuǎn)換層位置越高，最大層間位移角的位置會逐步下降，下部越容易出現(xiàn)薄弱層。

4.3 結(jié)構(gòu)的地震作用力

在轉(zhuǎn)換層，因為其轉(zhuǎn)換梁剛度大，地震作用力也較大。隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高，結(jié)構(gòu)總剛度變小，其地震作用也逐漸變小。在轉(zhuǎn)換層處，地震作用力的突變增大，應(yīng)力集中也容易產(chǎn)生，抗震也受到了不利影響。

4.4 轉(zhuǎn)換層的內(nèi)力

對比發(fā)現(xiàn)：①當轉(zhuǎn)換層上部剪力墻的層數(shù)減少時，位置軸的軸力會不斷減小。當轉(zhuǎn)換層位置升高時，柱子的剪力會逐漸變小。導致這一結(jié)果的原因是，結(jié)構(gòu)的絕對剛度變小時，地震作用力也減小。②當轉(zhuǎn)換層位置變高時，框支層的數(shù)量逐漸增多，導致其結(jié)構(gòu)的總剛度減小，所受到的地震力也變小，抗側(cè)力構(gòu)件分配的內(nèi)力也變小。

4.5 時程分析

一是頂點位移的曲線變化。當?shù)卣鸩ㄗ饔孟嗤瑫r，頂點時程位移曲線相似，Electro波的頂點位移最大，而Taft波的頂點位移最小。即如果地震波作用相同而轉(zhuǎn)換層位置不同時，頂點位移最大值的發(fā)生時間也不同。二是基底剪力時程曲線。受不同地震波作用的影響，結(jié)構(gòu)基底時程曲線是不同的，基底剪力最大值的發(fā)生時間也不同。

4.6 對結(jié)構(gòu)振型的影響

當提高轉(zhuǎn)換層位置后，這一框支剪力墻結(jié)構(gòu)的框支柱截面變大，根數(shù)增多，結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的分布很不規(guī)則，進而使結(jié)構(gòu)自振周期逐漸變小，影響了地震系數(shù)，進而導致地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用力變大，基底建立也隨之增大。

5 結(jié)語

本文使用了PKPM-SATWE軟件對轉(zhuǎn)換層位置的抗震性能進行了分析，框支框架比重、結(jié)構(gòu)的自振周期隨著轉(zhuǎn)換層高度的提高變小，基底剪力也逐漸變大。而且在轉(zhuǎn)換層升高后，相鄰轉(zhuǎn)換層位移角的突變更加明顯，容易形成薄弱層，進而其抗震能力也弱。