考虑转换层高度影响的框支剪力墙结构刚度比限值问题及其改进方法研究

【摘 要】为改善现行规范刚度比控制措施及转换层高度限值的不足，保障转换层下部结构弹塑性层间变形不明显高于上部结构，以实现“框支层不过早失效”的破坏机制，框支剪力墙结构设计时可继续沿用规范刚度比控制方法，取消控制效果不佳的转换层高度限值，代之以考虑转换层高度影响的刚度比限值。

【关键词】框支剪力墙；刚度比限值；层间变形；整体刚度；P-？驻效应

0 引言

鉴于规范框支剪力墙结构破坏机制控制措施的不足，为保障转换层下部结构弹塑性层间变形不明显高于上部结构，本文改进了规范刚度比控制措施，即沿用规范刚度比控制方法，取消转换层高度限值代之以考虑转换层高度影响的刚度比限值。该项措施可使转换层下部结构具有不低的刚度，基本可以保障“框支层不过早失效”。

1 考虑转换层高度影响的刚度比限值

1.1 刚度比限值确定方法

设置刚度比限值的目的是控制结构失效时转换层下部结构弹塑性层间位移角不明显高于上部结构。《高规》规定框支层及剪力墙结构层间弹塑性位移角限值均为 1/120，因此设置刚度比限值的目的也可表述为保障转换层上部结构先于下部结构达到1/120 层间位移角。

通过等效剪切刚度比控制底层转换结构，通过等效抗侧刚度比控制高位转换结构。刚度比限值的确定考虑转换层高度的影响，即考虑转换层高度变化对结构弹塑性变形的影响，这种影响主要体现为：转换层高度与楼层数量变化会影响转换层上下部结构相对水平力的大小，转换层高度较高或楼层数量较少时下部结构承担的水平力会明显高于上部结构，下部结构层间变形相对较大；转换层高度较高时，不同侧向荷载模式下转换层上下部结构承担的水平力差别较大，刚度比验算时应采用转换层下部变形相对不利的侧力模式；转换层高度较高时，重力二阶效应明显增大了转换层下部结构的侧向变形。

转换层高度较高时，转换层下部及上部结构均存在不均匀变形，即采用《高规》的计算模型及计算方式，刚度比验算时得到的上下部结构变形与结构高度的比值可能低于某楼层层间位移角，考虑到转换层附近楼层的变形通常小于其他楼层，且结构主要薄弱部位位于转换层附近，因此不以层间变形最大的楼层确定刚度比限值，即不考虑转换层上下部结构不均匀变形的影响。

1.2 刚度比限值的基本形式

转换层上下层间位移角均为 1/120 左右时，剪力墙的刚度退化程度大致为框架的2 倍，也就意味着转换层上下部楼层承担的侧向力相等且刚度比等于 2时，转换层上下部结构变形比较均匀。《高规》规定底层转换结构抗震设计时的等效剪切刚度比限值恰为 2.0。但刚度比限值确定时应考虑下部结构结构变形最为不利的情况，考虑转换层上下结构侧向力差别，及重力二阶效应的不利影响。

2 考虑侧向力分布不利影响的方法

①侧向力模式的选择

研究表明，剪力墙刚度退化的同时转换层上部楼层水平地震力降低，此时上下部结构相对变形的变化具有不确定性。转换层层数较低时，输入 EI Centro 波及Taft 波时下部结构变形可能高于矩形侧力模式。因此，本文基于矩形侧力模式验算结构变形，确定刚度比限值。结构竖向质量分布十分不规则时，应依据具体质量分布确定侧向荷载。

②转换层高度及楼层数量的影响

3 刚度比控制措施改进方法

1）仍然采用以转换层上下刚度比为主要控制指标的控制方法，通过等效剪切刚度比控制底层转换结构，通过等效抗侧刚度比控制高位转换结构。变形性能及承载能力是结构抗震性能最主要的方面，以弹塑性层间变形为控制目标对于结构性能的保障更为合理，但由于框支剪力墙结构体系复杂，在初步设计阶段准确掌握结构弹塑性层间变形较为困难，甚至施工图设计阶段设计人员也不一定准确了解结构的弹塑性层间变形。因此有必要保留刚度比控制措施，一方面因为该方法比较合理有效，另一方面也易于被理解和接受。

2）取消转换层高度限值，代之以考虑转换层高度影响的刚度比限值。转换层高度限值一方面影响了高位转换结构的工程应用，另一方面对结构破坏机制的控制效果不尽如人意，满足规范要求的结构可能出现转换层下部结构及整体结构抗震性能过弱的情况，为此取消转换层高度限值，代之以考虑转换层高度影响的刚度比限值。高位转换结构转换层下部较为不利的本质原因是依照现行刚度比措施进行层间变形控制时，未考虑侧向力分布、重力二阶效应对转换层下部结构变形的不利影响。因此进行刚度比限值计算时，考虑侧向荷载模式、重力二阶效应、转换层高度及楼层数量对结构变形的影响，以体现转换层高度不同时的转换层上下部结构变形性能的差别。

3）不同于规范及相关研究的弹性层间变形控制，以结构失效时转换层下部结构弹塑性层间变形不明显高于上部结构为刚度比控制目标。

4 结束语

总之，为保障结构失效时转换层下部结构弹塑性层间变形不明显高于上部结构，笔者给出了框支剪力墙结构刚度比改进措施，主要包括：

1）仍然采用以转换层上下刚度比为主要控制指标的控制方法，通过等效剪切刚度比控制底层转换结构，通过等效抗侧刚度比控制高位转换结构。

2）取消转换层高度限值，代之以考虑转换层高度影响的刚度比限值。刚度比限值计算时，考虑侧向荷载模式、重力二阶效应、转换层高度及楼层数量等因素对结构变形的影响，以体现转换层高度不同时的转换层上下部结构变形性能的差别。

【参考文献】

[1]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社， 2002.

[2]徐培福，王翠坤，郝锐坤，等.转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响[J].建筑结构，2000，30（1）：38-42.