底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)抗震研究

底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)抗震研究[摘要]底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)是一種復雜的結(jié)構(gòu)形式，在我國高層建筑中應用非常廣泛。由于受力機理復雜，設(shè)計難度很大，在工程實際中大空間剪力墻結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式有梁式轉(zhuǎn)換和板式轉(zhuǎn)換兩種。由于結(jié)構(gòu)體型復雜，在該類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)多項指標設(shè)計規(guī)范限值的情況。目前對體型復雜的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能研究尚顯不足，多數(shù)研究主要是對結(jié)構(gòu)進行整體結(jié)構(gòu)的有限元理論分析。本文緊密圍繞該兩類結(jié)構(gòu)進行了深入的研究。

[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)換層；大空間；剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震性能

一、底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)應用與研究現(xiàn)狀

1.1底部大空間剪力墻解耦股轉(zhuǎn)換形式

現(xiàn)代的高層建筑日益向多功能、大體量的方向發(fā)展，從結(jié)構(gòu)豎向來看，結(jié)構(gòu)上部往往布置為住宅、旅館，中間作為辦公用房，下部作為商店、餐飲及文化娛樂設(shè)施。不同用途的樓層，需要大小不一的開間，適用不同的結(jié)構(gòu)形式。從建筑功能上看，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的要求；中部辦公用房需要中小型的室內(nèi)空間，可以在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體；而下部公用部分，則希望有盡可能大的自由靈活空間，柱網(wǎng)要大，墻要盡量少。

上述要求于結(jié)構(gòu)的合理、自然布置趨勢正好相反，由于高層建筑結(jié)構(gòu)下部樓層受力很大，上部樓層受力很小，這樣正常布置時應當是下部剛度大、墻多、柱網(wǎng)密，從上部逐漸減少墻、柱，擴大軸線間距。結(jié)構(gòu)的正常布置與建筑功能之間就產(chǎn)生了矛盾。

為了滿足建筑功能的要求，在某些結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)布置合理性原則相悖的布置方式：上部布置小空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。為了實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)布置，就必須在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。

1.2國內(nèi)外轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應用現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家高層建筑的發(fā)展已有較長的歷史，自二十世紀五六十年代以來帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸成為豎向不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用的一種滿足建筑功能及美學要求的結(jié)構(gòu)布置形式，在世界各地興建了許多帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑。

我國高層建筑雖起步較晚但發(fā)展迅速，底部大空間的結(jié)構(gòu)形式越來越受到青睞。從1975年上海天目路建成的13層使用梁式轉(zhuǎn)換層的底層大開間剪力墻結(jié)構(gòu)住宅以來，到現(xiàn)在短短幾十年，梁式轉(zhuǎn)換層的工程應用發(fā)展迅猛，并且出現(xiàn)了板式、桁架式和箱形等新型結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換層。

1.3底部大空間剪力墻研究現(xiàn)狀

帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計概念最初由前蘇聯(lián)和東歐的學者于二十世紀五、六十年代提出，他們提出了柔性底層房屋的方案即上部各層為剪力墻，下部為框架的結(jié)構(gòu)體系，并認為柔性底層有利于隔震，可以提高整座建筑物的抗震性能。但是，地震震害情況表明柔性底層房屋并不具有人們所期望的隔震、抗震能力，底層框架柱不能承受過大變形，在地震中容易破壞而使整座建筑物倒塌。

二、結(jié)構(gòu)地震反應分析

2.1對復雜體系帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來說，影響地震反應的振型可能是某方向的前幾個振型，高振型會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，但不會從根本上改變結(jié)構(gòu)地震反應。由于體系復雜，振型的出現(xiàn)順序規(guī)律性不強，確定參與組合的振型數(shù)量時，應根據(jù)結(jié)構(gòu)的自身特點加以分析，扭轉(zhuǎn)效應明顯的結(jié)構(gòu)，采用的參與振型數(shù)量應該多一些，一般情況而論，不應少于15個。

2.2時程分析中地震波的選擇是影響抗震性能分析的關(guān)鍵，地震波的頻譜特性必須與場地情況相匹配；從CQC法與時程分析結(jié)果的對比來看，CQC法的計算結(jié)果都大于時程分析的結(jié)果。說明該類的結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震分析應該從振型分解反應譜分析為基礎(chǔ)，時程分析可以作為補充計算手段。

2.3體系復雜的底部大空間結(jié)構(gòu)應將高寬比控制在合理的限值內(nèi)，否則很難控制結(jié)構(gòu)的位移反應。

2.4剛度比產(chǎn)生變化時，對樓層剪力分布和轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)的位移反應影響不大，但對轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)的位移反應會產(chǎn)生較大的影響，上部結(jié)構(gòu)增加的主要是無害位移，其有害位移反應的影響不明顯。

2.5與剛度比變化后結(jié)構(gòu)地震反應的改變相比，轉(zhuǎn)換層設(shè)置高位的變化對結(jié)構(gòu)地震反應的影響更大，因此在復雜體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換設(shè)計中合理確定轉(zhuǎn)換層高位對結(jié)構(gòu)來說是很重要的。

2.6轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的改變對結(jié)構(gòu)地震反應的影響不大，地震力的分布會隨著轉(zhuǎn)換層質(zhì)量的變化而變化，但對結(jié)構(gòu)位移反應而言，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)基本相同。

2.7從結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應分析來看，剪力墻結(jié)構(gòu)的位移延性指標不是很好，基底剪力-頂點曲線中沒有明顯的屈服點，基底剪力隨著頂點位移的增加而不斷提高，進入下降階段之前，沒有明顯的破壞先兆。說明在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，突出結(jié)構(gòu)的抗力性能的重要性。在罕遇烈度地震動作用下，不應過分強調(diào)結(jié)構(gòu)的延性性能。

三、設(shè)計方法

3.1采用厚板轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)換層剛度極大，對結(jié)構(gòu)的變形特征產(chǎn)生重大影響，轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)變形以彎剪為主，轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)以剪切為主；可以將厚板轉(zhuǎn)換層本身當做剛性層處理，但轉(zhuǎn)換層本身強大的剛度和質(zhì)量會對結(jié)構(gòu)振型產(chǎn)生重大影響。采用厚板轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應該發(fā)揮厚板自身剛度強大的優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)中約束相鄰樓層的位移；如果結(jié)構(gòu)高寬比過大，則這種約束作用很難發(fā)揮。

3.2從結(jié)構(gòu)彈塑性分析結(jié)果來看，計算模型與振動臺試驗模型相比，前者的剪切變形能力明顯大于后者，這是因為在有限元分析模型中，梁式構(gòu)件均采用桿系單元模擬，過分強調(diào)了梁的抗彎能力，導致結(jié)構(gòu)的剪切變形能力得到強化，而抑制了整體彎曲變形的能力。說明該類結(jié)構(gòu)在彈塑性地震反應分析中，梁式構(gòu)件應該根據(jù)不同的跨高比和布置位置的不同來分別設(shè)置彎曲塑性鉸和剪切塑性鉸。

3.3結(jié)構(gòu)有限元分析的建模中，梁式構(gòu)件應該根據(jù)跨高比的不同分別采用不同的單元類型。

3.4試驗過程中發(fā)現(xiàn)邊緣構(gòu)件開裂比較嚴重，是對結(jié)構(gòu)抗扭能力的一種削弱，結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)下三個方向主振型自振頻下降的幅度基本相等，表明了加強結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的強度和剛度的重要性。

四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

4.1結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性對結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生較大影響，尤其是存在突出部位的結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)特征的影響較大，而這種扭轉(zhuǎn)振動程度與兩個因素有關(guān)：一是突出尺寸，二是轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)對上部結(jié)構(gòu)的嵌固能力。

4.2試驗現(xiàn)象和理論分析結(jié)果表明梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在7度多遇烈度地震動作用下結(jié)構(gòu)即產(chǎn)生剛度退化，尤其y向退化幅度較大，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)雖然對耗能抗震有利，但仍有開裂過早之嫌，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計中將塑性鉸定義開裂過早，對罕遇烈度地震作用下結(jié)構(gòu)抗震延性要求過高。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應該合理布置塑性鉸。

4.3振動臺試驗結(jié)果表明，7度罕遇烈度地震動作用下轉(zhuǎn)換層以上剪力墻出現(xiàn)水平裂縫，對結(jié)構(gòu)的整體性能不利，說明應該加強該部位結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計。

4.4振動臺試驗的原型結(jié)構(gòu)的設(shè)計是通過調(diào)整轉(zhuǎn)換層上下樓層的層高改變剛度比的，這一措施并沒有明顯改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，反而造成了剛度比的失常，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計對層高及抗側(cè)構(gòu)件進行調(diào)整。

五、結(jié)束語

帶轉(zhuǎn)換層的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)是為了滿足建筑使用功能和藝術(shù)效果的需求而出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)形式，目前在我國的