带箱形转换层高层建筑结构抗震设计

摘 要: 结合某工程实例, 运用有限元软件对带箱形转换层短肢剪力墙高层结构进行反应谱分析 , 提出对箱形转换层、短肢剪力墙设计中应该注意的一些问题, 供设计参考。

关键词:高层建筑； 箱形转换层; 短肢剪力墙; 抗震设计

中图分类号：TU97文献标识码： A

1 工程案例

某工程原设计塔楼为2 栋32 层公寓式写字楼, 裙楼5 层, 采用梁式转换框-筒结构, 地下室及裙房施工完毕后因故停建。4 年后业主为适应市场发展的需要, 将塔楼改为2 栋33 层住宅楼。修改设计后塔搂为全剪力墙结构。塔楼剪力墙和裙楼柱网严重错位, 且塔楼平面比裙楼柱网平面尺寸大, 如果仍用转换梁来转换, 转换构件传力路线长、不直接, 而且有挑梁转换, 转换形式不合理, 改用箱形转换。箱形转换层位于第7 层, 层高3 m, 上、下板厚均为300 mm。转换层的结构布置如图1 所示。

图1 结构平面布置图

2 建筑结构建模

运用有限元分析软件ANSYS 建立整体结构模型。墙体采用弹性壳单元shell63, 墙体的厚度可以通过实常数反映。杆采用梁单元beam188。为了节约计算时间和计算机内存, 在有限元网格划分时, 将墙体壳单元的尺寸控制在1.5m以内, 而楼板单元则根据短肢墙体的位置, 考虑墙板节点耦合后定下单元尺寸, 所以对于楼板单元的尺寸会出现尺寸较大的情况。但因为在结构整体计算时, 楼板刚度对结构的侧向刚度影响较小, 楼板壳单元仅为结构提供质量和部分刚度( 平面内非无限刚) , 所以这种大尺寸的出现不会对计算精度产生太大影响。

3 建筑工程振型分解反应谱分析

对结构进行反应谱分析。该工程地处Ⅱ场地, 建筑设防裂度为6 度, 基本风压0.4kN/m2, 地面粗糙度为C 类。设计地震分组为2 组, 查规范得场地特征周期T g 为0. 35 s, 水平地震影响系数最大值为0.04。根据以上条件和模态分析结果, 计算各个控制点所对应的地震影响系数, 再将地震影响系数乘以重力加速度,即得到反应谱分析中所用到的加速度反应谱值,见表1,其中ƒ代表频率,ɑ代表加速度。

表1 加速度频谱关系表

结构计算时各振型以位移为基础进行作用效应组合, 采用SRSS 法计算结构的作用效应。在结构计算时, 将表1 的数值分别作用在结构的X 方向、Y 方向上, 计算出的地震作用效应, 包括节点位移、单元力和层剪力。

图2 给出了X 方向、Y 方向的水平地震作用时, 结构层位移及相应的层间位移角变化曲线。

图2 结构层间位移角图

在X 方向水平地震作用下, 结构整体变形中, X 方向的位移分量占据主要成分, 其他方向的位移分量很小; 同时X 方向的基本振型在参与组合时, 也占据着很大的成分。Y 方向水平地震作用时, 结构Y 方向的变形特点与X 方向相同。

计算出的最大层间位移角远小于弹性层间位移角限值( 1/1 000) 。层间位移角的变化趋势基本同该方向基本振型的变化规律, 转换层上部结构表现出明显的弯剪变形特性。虽然转换层的层间位移和层间位移角数值都很小, 但转换层附近的层间位移角发生一定程度的突变, 转换层成为层间位移角曲线的转折点。在X 方向层间位移角图中可以明显地看到与转换层相连的上下楼层, 层间位移角在明显减少。

转换板上几层层间位移角在迅速增大, 意味着倾覆力矩的变化加剧。整个结构相当于单根悬臂梁, 依据梁的初等理论中弯矩和曲率的基本关系式, 层间位移角为结构侧移的一阶导数, 层间位移角的导数即可得到弯矩的变化规律。

对结构X 方向、Y 方向层间位移角比较分析可知, 转换层下部结构, 各楼层的X 方向层间位移角变化速度大于Y 方向, 而转换层上临近楼层, Y 方向层间位移角的变化速度大于X 方向; 转换层上部结构X 方向的弯剪变形特性弱于Y 方向。这些变化规律与结构的抗侧抗度是相符合的。转换层下部结构抗侧刚度X 方向小于Y 方向, 转换层上部抗侧刚度X 方向大于Y 方向, 同时结构的Y 方向含有较多的短肢剪力墙,表现出部分框架结构的变形特征。

从层间位移角的图中可以看出, X 方向层间位移角变化图中, 除结构顶部几层层间位移角相差较大外,其他部位两者之间相差较小。在Y 方向层间位移角变化比X 方向要强烈一点, 而且位移角在转换层上下和结构顶部都有较大的变化。说明在Y 方向的地震力作用下, 结构受扭较为严重。

在不考虑楼板平面内无限刚的情况下, 同一楼层内的竖向构件层间位移角也存在较大差异, 除部分受扭转影响外, 主要还是来自于竖向抗侧构件分配剪力的差异。

对上述计算结果进行比较, 分析结果如下:

1) 在箱形转换层存在的情况下, 转换层附近的层间位移角有明显减小趋势。在结构弹性范围内, 转换层附近的层间位移角不会出现超过规范的限值。最大层间位移角均出现在远离转换层的楼层。原因是因为箱形转换层有很大的侧向刚度和平面外刚度, 转换层有很大的抗侧刚度和平面外刚度, 转换板对上下抗侧构件有较强的约束, 因而此处楼板的层间位移角出现明显的减小现象。

2) 转换层上、下楼层的层间位移角在发生明显变化。转换层以下楼层层间位移角曲线出现在以下楼层中部出现反弯点, 在转换层处位移角出现最小值; 转换层以上临近楼层( 7—13) 的层间位移角随着与转换层的远离, 迅速增大。超过13 层以后层间位移角曲线继续增大, 但变化速度趋于缓和, 并在结构中上部( 22 层左右) 达到最大值, 形成位移角曲线的第2 个反弯点。箱形转换层上下变化趋势的加大, 意味着该部分楼层地震倾覆力矩的增大。

3) 转换层附近楼层层间位移角的变换趋势加快, 上部比下部变化更快, 说明下部的框架相对于上部短肢剪力墙来说, 有更大的抗弯刚度, 上部短肢墙体使结构上部柔性增大。

4) 结构的顶部由于局部的缩进, 刚度的突变, 易造成位移角的突变, 即产生较大的地震倾覆力矩。在抗震设计时, 须对此部位竖向构件采取一定的加强措施。

4 结 论

a. 下部的框架相对于上部短肢剪力墙来说, 有更大的抗弯刚度, 上部短肢墙体使结构上部柔性增大。在地震力作用下, 转换层下部主要受剪, 上部主要受弯。

b. 箱形转换层有很大的侧向刚度和平面外刚度, 转换层有很大的抗侧刚度和平面外刚度, 转换板对上下抗侧构件有较强的约束, 此处楼板的层间位移角出现明显的减小现象。最大层间位移角均出现在远离转换层的楼层。

c. 由于转换层的存在和影响, 导致了结构地震反应突变, 成为抗震设计需重点加强的部位。与转换层相邻的上下两层范围内容易引起应力集中, 为了能更好的实现在转换层处上下力的传递, 应加强下部柱头和上部短肢剪力墙的侧向约束, 加强周边梁的配筋, 并严格控制该部位柱和短肢墙体的轴压比, 这样可以保证节点力的传递及下部柱的延性。