底部大空间剪力墙结构抗震研究

底部大空间剪力墙结构抗震研究[摘要]底部大空间剪力墙结构是一种复杂的结构形式，在我国高层建筑中应用非常广泛。由于受力机理复杂，设计难度很大，在工程实际中大空间剪力墙结构常用的结构转换形式有梁式转换和板式转换两种。由于结构体型复杂，在该类型结构的设计中经常出现多项指标设计规范限值的情况。目前对体型复杂的底部大空间剪力墙结构的抗震性能研究尚显不足，多数研究主要是对结构进行整体结构的有限元理论分析。本文紧密围绕该两类结构进行了深入的研究。

[关键词]转换层；大空间；剪力墙结构；抗震性能

一、底部大空间剪力墙结构应用与研究现状

1.1底部大空间剪力墙解耦股转换形式

现代的高层建筑日益向多功能、大体量的方向发展，从结构竖向来看，结构上部往往布置为住宅、旅馆，中间作为办公用房，下部作为商店、餐饮及文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不一的开间，适用不同的结构形式。从建筑功能上看，上部需要小开间的轴线布置，需要较多的墙体以满足旅馆和住宅的要求；中部办公用房需要中小型的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体；而下部公用部分，则希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要大，墙要尽量少。

上述要求于结构的合理、自然布置趋势正好相反，由于高层建筑结构下部楼层受力很大，上部楼层受力很小，这样正常布置时应当是下部刚度大、墙多、柱网密，从上部逐渐减少墙、柱，扩大轴线间距。结构的正常布置与建筑功能之间就产生了矛盾。

为了满足建筑功能的要求，在某些结构中会出现与结构布置合理性原则相悖的布置方式：上部布置小空间，下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置转换层。

1.2国内外转换层结构应用现状

国外发达国家高层建筑的发展已有较长的历史，自二十世纪五六十年代以来带转换层结构已经逐渐成为竖向不规则高层建筑结构经常采用的一种满足建筑功能及美学要求的结构布置形式，在世界各地兴建了许多带转换层的高层建筑。

我国高层建筑虽起步较晚但发展迅速，底部大空间的结构形式越来越受到青睐。从1975年上海天目路建成的13层使用梁式转换层的底层大开间剪力墙结构住宅以来，到现在短短几十年，梁式转换层的工程应用发展迅猛，并且出现了板式、桁架式和箱形等新型结构形式的转换层。

1.3底部大空间剪力墙研究现状

带转换层结构设计概念最初由前苏联和东欧的学者于二十世纪五、六十年代提出，他们提出了柔性底层房屋的方案即上部各层为剪力墙，下部为框架的结构体系，并认为柔性底层有利于隔震，可以提高整座建筑物的抗震性能。但是，地震震害情况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。

二、结构地震反应分析

2.1对复杂体系带转换层结构来说，影响地震反应的振型可能是某方向的前几个振型，高振型会对结构产生重大影响，但不会从根本上改变结构地震反应。由于体系复杂，振型的出现顺序规律性不强，确定参与组合的振型数量时，应根据结构的自身特点加以分析，扭转效应明显的结构，采用的参与振型数量应该多一些，一般情况而论，不应少于15个。

2.2时程分析中地震波的选择是影响抗震性能分析的关键，地震波的频谱特性必须与场地情况相匹配；从CQC法与时程分析结果的对比来看，CQC法的计算结果都大于时程分析的结果。说明该类的结构设计抗震分析应该从振型分解反应谱分析为基础，时程分析可以作为补充计算手段。

2.3体系复杂的底部大空间结构应将高宽比控制在合理的限值内，否则很难控制结构的位移反应。

2.4刚度比产生变化时，对楼层剪力分布和转换层以上结构的位移反应影响不大，但对转换层以下结构的位移反应会产生较大的影响，上部结构增加的主要是无害位移，其有害位移反应的影响不明显。

2.5与刚度比变化后结构地震反应的改变相比，转换层设置高位的变化对结构地震反应的影响更大，因此在复杂体系结构的转换设计中合理确定转换层高位对结构来说是很重要的。

2.6转换层结构形式的改变对结构地震反应的影响不大，地震力的分布会随着转换层质量的变化而变化，但对结构位移反应而言，梁式转换结构与厚板转换结构基本相同。

2.7从结构的弹塑性地震反应分析来看，剪力墙结构的位移延性指标不是很好，基底剪力-顶点曲线中没有明显的屈服点，基底剪力随着顶点位移的增加而不断提高，进入下降阶段之前，没有明显的破坏先兆。说明在剪力墙结构设计中，突出结构的抗力性能的重要性。在罕遇烈度地震动作用下，不应过分强调结构的延性性能。

三、设计方法

3.1采用厚板转换层的结构，由于转换层刚度极大，对结构的变形特征产生重大影响，转换层以上结构变形以弯剪为主，转换层以下结构以剪切为主；可以将厚板转换层本身当做刚性层处理，但转换层本身强大的刚度和质量会对结构振型产生重大影响。采用厚板转换层的结构，在结构设计中应该发挥厚板自身刚度强大的优势，在结构中约束相邻楼层的位移；如果结构高宽比过大，则这种约束作用很难发挥。

3.2从结构弹塑性分析结果来看，计算模型与振动台试验模型相比，前者的剪切变形能力明显大于后者，这是因为在有限元分析模型中，梁式构件均采用杆系单元模拟，过分强调了梁的抗弯能力，导致结构的剪切变形能力得到强化，而抑制了整体弯曲变形的能力。说明该类结构在弹塑性地震反应分析中，梁式构件应该根据不同的跨高比和布置位置的不同来分别设置弯曲塑性铰和剪切塑性铰。

3.3结构有限元分析的建模中，梁式构件应该根据跨高比的不同分别采用不同的单元类型。

3.4试验过程中发现边缘构件开裂比较严重，是对结构抗扭能力的一种削弱，结构弹塑性状态下三个方向主振型自振频下降的幅度基本相等，表明了加强结构边缘构件的强度和刚度的重要性。

四、结构优化建议

4.1结构平面不规则性对结构的抗震性能产生较大影响，尤其是存在突出部位的结构，对结构的扭转特征的影响较大，而这种扭转振动程度与两个因素有关：一是突出尺寸，二是转换层以下结构对上部结构的嵌固能力。

4.2试验现象和理论分析结果表明梁式转换结构在7度多遇烈度地震动作用下结构即产生刚度退化，尤其y向退化幅度较大，这一现象的出现虽然对耗能抗震有利，但仍有开裂过早之嫌，说明结构设计中将塑性铰定义开裂过早，对罕遇烈度地震作用下结构抗震延性要求过高。因此，在结构设计中应该合理布置塑性铰。

4.3振动台试验结果表明，7度罕遇烈度地震动作用下转换层以上剪力墙出现水平裂缝，对结构的整体性能不利，说明应该加强该部位结构的配筋设计。

4.4振动台试验的原型结构的设计是通过调整转换层上下楼层的层高改变刚度比的，这一措施并没有明显改善结构的抗震性能，反而造成了刚度比的失常，建议结构设计对层高及抗侧构件进行调整。

五、结束语

带转换层的底部大空间剪力墙结构是为了满足建筑使用功能和艺术效果的需求而出现的一种结构形式，目前在我国的