层间位移角比在高层转换结构抗震设计中的应用

1、第37卷第8期建筑结构2007年8月层间位移角比在高层转换结构抗震设计中的应用荣维生王亚勇(中国建筑科学研究院工程抗震研究所北京100013)提要高层建筑结构转换层的质量和刚度较大。随着转换梁质量和刚度的增加,转换层上下结构的层间位移角差距明显增大,仅限制转换层上下结构侧向刚度比无法有效控制结构地震作用效应。定义层间位移角比为转换层下部与上部结构层间位移角的最大比值。计算分析发现,采用层间位移角比对结构进行控制可以得到比较好的抗震性能。关键词高层建筑转换结构层间位移角比侧向刚度ApplicationofRatioofStoryDriftAnglesAboveandBelowtheransfer

2、BuildingStructureRongWeisheng,WangYayong(InstituteofEarthquakeResearch,Beijing100013,China)Abstract:Themassandstiffnessoftransarein2Withtheincreasingofthemassandstiffnessoftransferbeam,theinter2ovebelowthetransferlayerdiverselargely.Theearthquakeresponseofonlybylimitingthelateralstiffnessbelowandabo

3、vethetransferstory.Theratioangleofaboveandbelowisdefinedasthemaximumvalueofthem.Thecalculationresultshowsthatseismicresponsecanbegotusingtheinter2storydisplacementangleratioascontrolindex.Keywords:high2risebuilding;transferstructure;inter2storydisplacementangleratio;lateralstiffness0前言12虽然现行的抗规高规、均对

4、抗震设防区12001600,梁的附加恒载为60kNm。1三个框架计算模型按抗规提供的地震参数进转换结构的转换层上、下结构的侧向刚度进行一定的限制,来避免转换层出现薄弱层及转换层附近楼层构件内力和位移的突变,但这种限制是不全面的。结构的地震作用效应不仅与刚度有关,而且还与质量相关。在高层建筑转换结构中,转换层一般集中较大的质量,特别是板式转换结构。这种质量的不均匀分布对结构动力特性和地震作用效应的影响是明显的。由于转换层质量对下部结构的地震作用效应产生较大的影响,而对上部结构地震作用效应影响较小,从而使得等效侧向刚度比无法有效地控制转换层下部结构构件内力和位移的突变。以下就单榀框架结构中某一层框

5、架梁尺寸、质量的改变对地震作用下结构变形效应的影响进行讨论。1转换梁质量、刚度对结构性能的影响行计算。抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0110g,设计地震分组为第一组,类场地。经程序计算,得到三个框架计算模型各层层间位移角见表1。三个计算模型各层层间位移角计算模型KL1KL2KL3表1层6147851478514926层1119341173311585层2115221136811241层3117151192311757层4120961277812899层51284912825128992按高规转换层上、下结构等效侧向刚度比的定义计算,得到三个计算模型的等效侧向刚度比e:KL1为110

6、,KL2,KL3均为01966。当梁的刚度增大到一定程度后,梁对结构侧向刚度的贡献也趋于定值,因而KL2,KL3的等效侧向刚度比基本相同。三个计算模型的等效侧向刚度比只相差314%,这表明仅改变结构中框架梁的刚度对等效侧向刚度比的影响是有限的。然而,在水平地震作用下结构的变形效应受框架梁质量、刚度的影响是明显的。从各层层间位移角的计算结果来看,随着转换梁质量、刚度的增加,转换层下部结构的层间位移角基本上在增加,而转换层上第1层(层4)层间位移角在明显减小。与模型KL1相比,单榀框架结构计算简图和荷载简图见图1。将框架层3拟定为转换层,通过改变层3框架梁的截面尺寸和荷载而得到3个计算模型。层3框

7、架梁的变化形式为:KL1为普通框架结构,梁的截面和荷载同其他各层;KL2拟定为转换大梁,截面尺寸由400800增为6001600,该梁的附加恒载由30kNm增为40kNm;KL3拟定为板式转换结构的等代框架梁,截面尺寸为uiKi=Vi式中,Vi为层i地震剪力,ui为层i层间位移。(1)从式(1)中可得出启示:直接采用地震工况下层间位移角来限制转换层上、下结构层侧向刚度的突变是一种较合理的方法。这样不仅避免了层侧向刚度计算的近似性,而且结果计算更方便获得,也能真实地反应结构的动力特性。转换层上、下结构层间位移角比定义为:以转换层顶为参考点,顺序比较下、上相对应楼层层间位移角比值的大小,将其层间位

8、移角比的最大值取为转换层上、下结构层间位移角比。设转换层所在楼层为n,转换层上、:(2)=e(n-i+1)e(nii,n)imax(,1n(3)i图1框架结构计算简图和荷载简图为转换层下层(ni,-(n+i)的层间位移角之比,为转转换层下部结构层间位移角增大:模型K111%,模型KL3为2217%;减幅:模型KL25KL37%KL3KL2有较大幅度增加,由以上分析可知,随着转换梁质量、刚度的增加,转换层上、下部结构层间位移角的差距在明显增大,特别是在模拟板式转换结构的模型KL3,转换层下部结构第2层层间位移角是上部结构第1层的213倍。这样,在水平地震作用下,结构层间位移角形成了较明显的突变。

9、由此可见,转换层上、下结构等效侧向刚度比对结构地震作用下变形效应的约束是非常有限的。对于框架结构仅限制转换层上、下结构侧向刚度比无法有效控制结构地震作用效应,对于复杂的高层建筑转换结构,这种参数的作用将会更加有限。因而,有必要提出新的控制参数,来解决高层建筑转换结构自身的特殊性。在结构抗震设计时,结构的刚度、质量和阻尼共同决定着结构的动力特性,为避免转换层附近楼层产生较大的变形差距,从地震作用效应(层间位移角)的角度来控制显得更加有效和合理。进而提出新控制参数“转换层上、下结构层间位移角比”,给转换结构增加新的约束,来限制转换层附近楼层层间位移角产生过分突变,从而缓减转换层附近楼层剪力墙和框支

10、柱的应力集中问题。另外,随着转换层设置位置的提高,转换层上、下结构等效侧向刚度比的作用更加有限3。因而,在高位转换时,此概念的提出显得更加必要。2层间位移角比的定义1在抗规的条文说明中,给出了层侧向刚度的近似计算公式:2、上结构层间位移角比。此定义的优点在于:控制层间位移角比要比控制等效侧向刚度比更具有可操作性,一般商用结构分析软件均能给出结构模型的层间位移角数值,而等效侧向刚度比的计算还涉及到不同模型的建立以及加载;全面准确反映转换层上、下结构的动力特征,从单一的侧向刚度控制到侧向刚度、质量分布、各振型的综合控制。虽然层间位移角比和层侧向刚度比都涉及到地震工况下的层间位移,但计算结果的差距还

11、是明显的,其结果对比见表2,表中下层层侧向刚e3为转换层上、度比,上层层间位移角比。3为转换层下、转换层及相邻层层侧向刚度比、层间位移角比表2计算模型e3=K4K3(刚度比)3=e3e4(位移角比)(e3-e3(%)3)KL111041112221714KL211116114442914KL311162116494119从表2的对比结果可看出,此处定义的转换层上、下结构层间位移角比与相应的层侧向刚度比不是同一或可相互代替的概念,二者存在着本质的差别。因而,可认为该定义是一个新的设计概念。在三个计算模型中,随着转换层质量和刚度的增加,二者的差距明显加大,同时,也表明在高层建筑转换结构中采用层侧向

12、刚度比来缓解转换层附近楼层构件内力和位移突变的收效也是不明显的。3层间位移角比在转换结构中的运用从上述单榀框架算例的计算结果对比来看,无论是转换层上、下结构等效侧向刚度比,还是转换层上、下层层侧向刚度比,均与水平地震工况下层间位移角比不存在对应关系,其中转换层质量起着关键性的作用。因而,运用新概念来解决实际工程的设计是十分必要的,尤其是在高层建筑板式转换结构中。文3对带板式转换高层建筑结构抗震性能进行了较深入的研究,其中研究了转换层上、下结构侧向刚度、转换层位置对结构抗震性能的影响。在研究转换层上、下结构侧向刚度对其结构抗震性能的影响时,选取转换层上、下结构等效侧向刚度比不同的五个计算模型。其

13、计算模型来源于厦门安宝大厦工程。厦门安宝大厦地下两层,地上主体部分为32层,结构总高度为98170m。转换板设置在层3顶,转换层结构布置见图2(a),其中虚线部位为厚板内设置的暗梁,黑色填充区域为转换层下部框支柱和落地剪力墙,实线部位为转换板上布置的框支剪力墙。转换板所在的上、下楼层的层高分别为212,316m(净高,不含转换板厚);转换板厚212m。标准层结构布置见图2(b),高为310m。其具体计算模型为:M0,力墙厚为600mm;M1厚设置为2,x向在M2,仅取掉轴, 上轴;M4在M2的基础上,取掉轴,上的落地墙体,以及轴,上的落地墙体。内筒开洞以及墙体数量改变的位置见图2(a)所示的斜

14、线填充区域。按照层间位移角比的定义,得到五个计算模型的转换层下、上结构层间位移角比的计算结果,见表3,同时,表中给出计算模型结构x,y向转换层上、下结构等效侧向刚度比和层侧向刚度比,以便于对比分析。位移角比与等效侧向刚度比之比由模型M0的2179降到模型M4的1161;而y向两者之比由模型M0的1144降到模型M4的111。层间位移角比虽然与层侧向刚度比在数值上相差在减小,但二者仍然存在一定的差别。转换层上、下结构层间位移角比计算模型等效刚度比侧向刚度比反应谱弹性时程exeyexeyxx表3M1103811499117671157511676116551183921023M0125701686

15、014500191701717019900156211015M0137401888017021110401896111850173311M01705018971130411117115011120411M0170611130112951131411486114071140911534,但总的变化;随着等效侧向刚度比的增大,转换层上、下结构层间位移角比的增幅在减小。因而,对板式转换高层建筑结构应谨慎采用转换层上、下结构等效侧向刚度比来限制转换层上、下结构构件内力和位移的突变。从时程法和反应谱法的层间位移角比相比较来看,在转换层上、下结构等效侧向刚度比小于110的模型中,时程法的层间位移角比没有明

16、显增大,甚至出现减小;而在等效侧向刚度比大于110的模型中,时程法的层间位移角比有一定程度的增大,并且随着等效侧向刚度比的增加而增大,增幅为910%2212%。这表明,在等效侧向刚度比大于110时,时程法分析得到的转换层上、下结构层间位移角的突变更明显。因而,在板式转换结构设计中,当等效侧向刚度比较大时,需采用弹性时程分析法进行多遇地震下的结构计算,以避免对结构的安全性带来不利的影响。经过对上述计算模型层间位移角比数值的对比,并结合相应的层侧向刚度比、等效侧向刚度比的计算值,以及参考抗规高规、对层侧向刚度比、等效侧向刚度比限值的规定,建议在7度抗震设防区,转换层下、上结构层间位移角比一般宜不大

17、于112,且不应大于115。此限值仅能作为设计参考值。由于研究的工程实例数量有限,加之转换结构一般较为复杂,固定一个限值是不合适的。在转换结构的抗震设计中,限值的确定应结合结构的自身特点、抗震设防烈度和抗震等级等因素综合考虑。在研究转换层位置对其结构抗震性能的影响时,选取两组模型中不同楼层设置转换板的五个计算模型,其中转换板分别设置在层3,5,6和7。两组计算模型的转换层下、上结构层间位移角比的计算结果见表图2结构平面布置从表3数值对比来看,层间位移角比与等效侧向刚度比的变化趋势基本一致,但数值相差较多。层间位移角比的数值均大于等效侧向刚度比,两者之间不存在一定比例关系。随着转换层上、下结构等

18、效侧向刚度比的增大,层间位移角比的增速变慢。x向层间4。模型Hst3与上述模型M2相同,模型FL3,FL5,FL7是文3的另一组算例。转换层上、下结构层间位移角比(反应谱法)表4x11501112041148711412215921115731062113452192411479从表4数值对比来看,在转换层上、下结构等效侧向刚度比、层侧向刚度比基本相同的情况下,两组计算模型的y向转换层上、下结构层间位移角比表现出明显的规律性:随着转换板位置的提高,转换层上、下结构层间位移角比在增大。转换层设置在层5,6,7的结构层间位移角比分别为转换层设置在层3结构的1116,1117和1128倍。这表明随着

19、转换层位置的提高,转换层上、下结构在地震作用下的变形效应加大。在两组计算模型的x向,由于第一组模型中含有较多的短肢剪力墙,而第二组转换层上、下结构等效侧向刚度比数值较大,变化规律不明显,提高,高,对转换层上、在高位转换时,较严格的限值,当下部结构超过4层时,可将转换层上下结构的层间位移角比的限值乘以019的折减系数,促使转换层上下结构层侧向刚度比差距进一步减小。4结论(1)在高层建筑转换结构中,尤其转换层集中较大(上接第19页)质量时,仅对转换层上、下结构层侧向刚度的限制起不到应有的作用,因而,在结构抗震设计时,采用转换层上、下结构层间位移角比来控制转换层上、下结构构件内力和变形突变是较为合理

20、的。层间位移角比限值的确定应结合结构的自身特点、抗震设防烈度和抗震等级等因素综合考虑。在7度抗震设防区,可参考以下取值:转换层上、下结构层间位移角比宜不大于112,且不应大于115;当下部结构超过4层时,可将层间位移角比的限值乘以019的折减系数。(2)在高层建筑转换结构中,一般同时存在着侧向刚度不规则和竖向抗侧力构件不连续的两种情况。考虑到转换层集中较大的质量,时,需将限值提高。()上,参考文献高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ32002,J1862002)S.北京:中国建筑工业出版社,2002.2建筑抗震设计规范(GB500112001)S.北京:中国建筑工业出版社,2001.3荣维生.带

21、板式转换高层建筑混凝土结构抗震性能研究D.中国建筑科学研究院,2004.4荣维生,王亚勇等.转换层上、下结构侧向刚度对带板式转换高层建筑结构抗震性能的影响J.工程抗震与加固改造,2004(6).5荣维生,王亚勇.板式转换结构转换层位置对高层建筑抗震性能的影响J.建筑科学,2004(4).均侧向刚度分别为519610kNm,418610kNm,相差18%,相差部分仅占总侧向刚度的3%4%。该结果显示,设置内凹阳台对结构的整体刚度影响不大。不同计算模型结构的动力及位移参数模型2层单元3层单元4层单元6层单元8层单元12层单元24层单元T1(s)T2(s)T3(s)55表2(南北)21682166216921702170217021713141(扭转)11691167116711671166116611663138层间位移侧向刚度(105)(东西)东西向南北向框架结构116411363184851963215911621137118575161321201163113041802513931186116311216179