桁架转换层的高层结构抗震性能分析

摘 要：随着高层建筑的迅速发展，建筑功能的要求也日益复杂化，建筑结构常常需要用结构转换层来完成上、下层建筑物结构的转换。桁架转换层因其特殊的优点，使其在工程的运用比较广泛,因此本文在综合分析对比各种转换层的基础上，阐述了桁架转换层的薄弱环节，以及常用的结构抗震分析方法。对以后的相关设计，施工人员在进行桁架转换层的设计施工是有比较大的实用性。

关键词：高层建筑结构；转换层；转换桁架；结构抗震分析。

1. 高层结构转换层的简介

带转换层结构设计概念最初是由前苏联和东欧的学者于五、六十年代提出，他们提出了柔性底层房屋的方案即是上部各层为剪力墙，下部为框架的结构体系，这也是首次通过设置转换层而取得底层大空间的尝试；但是，实践表明柔性底层房屋并不具有人们所期望的隔震、抗震能力，底层框架柱不能承受过大变形，在地震中容易破坏而使整座建筑物倒塌。我国在这方面的研究及实际工程应用始于70年代中期，1975年首先在上海天日路建成一栋13层底层大开间框架上部剪力墙的住宅，并对其进行了现场应力实测、光弹性试验、钢筋混凝土模型试验及框支剪力墙有限元分析等一系列研究。这些研究为底部大空间剪力墙结构的整体刚度和楼层相对刚度的选择和控制，提供了试验和理论上的技术依据。

1.1 高层结构转换层的分类

随着高层建筑的发展，因建筑功能需要下部大空间，上部部分竖向构件不能直接连续贯通落地而在高层建筑中设置转换层。转换结构一般可归纳为4种基本形式：梁式、桁架式、箱形、厚板。

2 高层建筑桁架转换层结构

2.1 桁架转换层结构的受力分析

转换桁架主要用于承受竖向荷载，转换桁架的受力特征主要表现为竖向荷载作用下的受力规律。转换桁架的工作机制可视为由多根截面较大的弦杆(梁)共同承担上部荷载的工作机制，各腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置，起卸载作用。根据桁架腹杆的分布情况的不同，高层建筑转换桁架的结构形式主要有：空腹桁架、斜杆桁架、交叉桁架：但由于转换桁架承受的竖向荷载往往是相当大的，有时上部较高的荷载，单层的转换桁架在计算上无法满足结构要求，此时就必须设置双层或多层的转换桁架结构，即叠层桁架转换体系，当然还包括由于建筑立面美观或结构简化受力的目的而采用的无竖腹杆的交叉斜杆桁架；以及由于桁架受力较大，为更好的保证桁架端部与柱的锚固及减小桁架端部柱的内力，实际工程中往往将桁架体系伸过所要转换跨的下一跨。

3 高层建筑转换桁架的设计原则及构造要求

1.带桁架转换层的结构应按“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”的原则，使转换层上下主体结构的侧向刚度尽量接近，平滑过渡。

2．将转换桁架置于整体空间结构中进行整体分析。此时，腹杆作为柱单元，上、下弦杆作为梁单元，按空间协同工作或三维空间分析程序计算整体的内力和位移。计算时，转换桁架按实际杆件布置参与整体分析，但上、下弦杆的轴向刚度、弯曲刚度中应计入楼板的作用。整体结构计算需采用两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析并宜采用弹塑性时程分析校核。

3．带钢桁架转换层的结构设计中应按转换层“强斜腹杆，强节点”：桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则，以保证转换层的结构具有较好的延性，确保塑性铰在梁端出现，能够满足工程抗震的要求。

4．换桁架的弦杆相邻位置设置边梁使其受力更为合理。如果在布置转换桁架弦杆的二、三、四层的弦杆相邻位置设置一根边梁，保证与桁架相邻的楼面的荷载通过与桁架节点相连的横梁以集中力的形式传递至桁架的节点上，这样可以使转换桁架的弦杆受力特点更与普通的桁架一致，即弦杆的受力形态以轴力为主，尽量减少弦杆受到弯矩作用，特别是平面外弯矩的作用，使转换桁架的受力更为合理。

5．转换钢桁架的下弦钢骨混凝土部分后浇使型钢钢骨预先受力。由于桁架下弦为主要受轴向拉力作用的构件，在计算中我们主要以型钢构件输入进行计算，而在实际的设计中为了使下弦杆与周边的梁与板更好的连接，设计人员将下弦枰设计成为以型钢为钢骨的钢骨混凝土。在轴向拉力的作用下，由于钢的极限拉应变远大于混凝土的极限拉应变(钢筋的极限拉应变将达001)，为了使型钢钢骨预先受力、混凝土内的裂缝开展较小，设计时采取了下弦杆混凝土后浇的做法。这样，当上部较大荷载作用至转换桁架时，下弦的型钢受到较大的拉力，产生了相当的拉应变，然后在浇筑混凝土时，型钢内增加的拉应力相对有限，大大的减缓了混凝土内裂缝的开展。

6．《高层混凝土结构技术规程》规定转换层结构的楼板厚度不宜小于180mm。并配置双层钢筋，而在前面的分析中我们已经知道，当弦杆考虑板的作用时，对转换桁架的受力更为有利。这一方面可以使设计人员在建筑的限定梁高的情况下充分加大弦杆的刚度：另一方面作为转换桁架弦杆平面外稳定最有力的支撑和保障构件，加厚楼板后可以更好的保证桁架弦杆的平面外的稳定。另外，结构的水平力传递主要依靠楼板和转换构件，因此楼板和转换构件都要承受较大的剪力，并且有一个交互和传递的过程，如果转换桁架的弦杆仅有一侧的楼板可以相连，可以加厚与之相连楼板的板厚，这样更好的保证转换桁架上的水平力向转换层楼层平面内转移，使转换层的整体受力更加均匀。

4 高层结构的抗震分析方法

除特殊规定外，建筑结构应进行多遇地震作用下的内力和变形分析，此时，可假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形分析可采用线性静力方法或线性动力方法。规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。此时，可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法。

模态分析用于确定设计结构的振动特性，即结构的固有频率与振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也是后面要进行的谱分析和动力时程分析的前期分析过程。

非线性静力分析(pushover)法是一种简化的非线性地震反应评估方法。其基本原理是：在结构分析模型上施加按某种方式分布的荷载(如均匀荷载，倒三角荷载，一阶振型荷载等)模拟地震水平惯性力，并逐级按比例增大，直到结构达到预定的状态(位移超限或位移达到目标位移)，然后评估结构的性能。它没有严密的理论基础，基于两个假定：(1)结构的地震反应受单一振型控制，可以忽略高阶振型的影响，因此多自由度体系可以等效为单自由度体系；(2)控制结构地震反应的振型不发生变化。显然，对于大多数结构，这两个假定都无法满足，但是它提供了一个评估结构地震反应尤其是非线性地震反应的简单而有效的方法，该分析法能追踪结构从屈服直到极限状态的整个非弹性变形过程。许多学者的研究表明，对于短周期和响应为一阶振型为主的结构，利用上述两个假定来预测其地震峰值响应，能得到令人比较满意的结果。同一般的非线性静力分析方法相比，pushover分析法有以下特点：(1)pushover分析需要预先假定一个荷载分布模式，这同一般的非线性静力分析确定的外荷载不一样。(2) pushover分析需要预先确定同结构性能相关的位移极限，如屈服位移、倒塌破坏极限位移等。(3) pushover分析的结果是特征荷载和特征位移之间相互作用的曲线。(4) pushover分析还需要同能谱分析相结合，以完成最终对结构性能的评估。

2000年Balram Gupta,M.EERI,和Sashi K.Kunnath提出了改进的基于反应谱理论的pushover分析法，与传统的pushover分析法相比该方法的不同之处在于：(1)现行的方法采用某一特征场地的反应谱定义加载模式；(2)随着结构动力特性的改变所加的荷载大小也随之改变。改进的适应谱pushover分析法的基本步骤如下：

建立结构的数学模型

确定结构中不同单元的非线性力-位移关系，即确定初始刚度，屈服弯矩和屈服后刚度。

求解特定场地下的有阻尼弹性反应谱。

求解结构体系的周期和振型向量和振型参与系数。

其中：第j阶振型的振型参与系数

第i个质点在j阶模态下的位移

第i个质点的重量

N层数

计算n个模态下的力分布模式：

其中：第j阶模态下第i个质点的恢复力

第j阶模态的加速度反应谱值

6）.求解各阶模态下的基底剪力并按SRSS(或CQC法)组合得到基底总剪力：

7）.将各层所受的力按系数均匀增大：

其中：

，结构所受基底剪力的估计值； 需要施加的荷载步

8）.逐级施加荷载进行静力分析。

9）.计算单元力，位移，层间位移，转角等

10）.在每一荷载步计算结束后检查单元内力是否超过屈服值。当任何一个单元屈服后须重新计算单元刚度矩阵。

11）.重复以上步骤直至达到最大基底剪力或最大层间位移。

为便于对相关分析结果进行对比，桁架转换层高层建筑拟采用Gupta等人提出的改进的pushover分析法的基础上做适当的改进。采用这样的方法能比较好的形成对比与掌握分析过程。

5 展望

由于时间和水平有限，本文需要解决的问题还有很多，为了深入研究此类带桁架转换层结构的抗震性能，仍有以下工作值得开展：

(1)竖向地震作用对此类带转换层的高层结构有一定影响，值得深入探讨。

(2)对于静力弹塑性推覆分析，如何合理的选取水平荷载模式，在理论和实际应用中，仍需进一步研究。

(3)在罕遇地震作用下，用弹塑性时程分析会得到比较精确的结果，但由于弹塑性时程分析计算复杂，特别是对这类桁架转换层结构。其工作量非常大，具体实施起来较为困难。

参考文献

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[5] 赵鸿铁,胡安妮,高层建筑转换层结构形式选择影响因素的统计分析[j].西安建筑科技大学报(自然科学版).2000.l(6).