高层建筑结构转换层设置高度对抗震性能的影响

高层建筑结构转换层设置高度对抗震性能的影响

一、框支剪力墙结构体系通过多年的研究，中国建筑科学研究院（gacurrent）结构研究所等部门首次提出，在8号地震区域，可采用大型底板空间墙结构，也称为低级框架墙结构，并介绍了该新结构的抗疲劳设计的概念和方法。随即该体系在国内得到大量推广应用。八十年代末至九十年代初,我国《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)、《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)以及《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3-91)都列出了该结构体系及其抗震设计的有关规定。九十年代的十年间,框支剪力墙结构的高层建筑发展迅速。在地震区,许多框支剪力墙结构的转换层位置较高,一般做到3～6层,有的工程转换层位于7～10层,个别工程转换层位于更高处,而其抗震设计的概念和方法仍然与底层框支剪力墙结构类同。本文通过研究得出结论,转换层位置较高时,易使框支剪力墙结构在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变,并易形成薄弱层,对抗震不利,其抗震设计概念与底层框支剪力墙结构有较多差异。二、结构体系的地震响应为研究此问题,本文采用三维有限元分析程序(TBSAP,SAP)以及高层结构空间分析程序TBSA,TBWE分析了若干个典型结构,得到一些规律和概念。现以图1所示结构为例,论述转换层设置高度的变化对框支剪力墙结构刚度突变的影响。该结构总高为121.5m,转换层及下部为“框支”结构,由落地剪力墙和支承框架组成,层高4.5m,结构平面如图1(a),其中括号内梁尺寸为转换托梁尺寸,转换层上部为剪力墙结构,层高3m,结构平面如图1(b)。分析中变化转换层设置高度,即增加转换层下部“框支”结构的层数,相应减少转换层上部剪力墙结构的层数,而结构的总高度保持不变。上部剪力墙结构与下部“框支”结构的层剪切刚度比γ=1.71。分析中地震作用方向为横向(y向)。图2所示为按弹性动力分析得出的结构层间位移角包络,输入地震波为ELCentro波,加速度峰值取35gal。图2中的7条曲线表示转换层分别位于1～7层时结构的层间位移包络,由图可见,转换层位于底层、2层及3层时,层间位移角包络无明显突变;转换层分别位于4～7层时,层间位移角包络线有明显突变。应当指出,输入不同地震波得出的层间位移角包络均有差异。笔者经比较得出一个共有的规律,当转换层位于3层以上时,易使框支剪力墙结构在转换层附近层间位移角发生突变。转换层位置较高时,层间位移角包络发生突变的主要原因是,结构设计中沿用了底层框支剪力墙结构抗震设计概念,仅仅控制上部剪力墙结构与下部“框支”结构的层剪切刚度比γ。当转换层位置较低时,仅仅控制层剪切刚度比基本上能控制转换层附近层间位移角不产生突变,然而,当转换层位置较高时,仅仅控制层剪切刚度比是不够的,还应控制转换层下部框支结构的等效刚度(即考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合刚度)。框支剪力墙结构可视为转换层上部的剪力墙结构与下部的框架-剪力墙结构的组合。控制转换层下部的框架-剪力墙结构的等效刚度与同样高度的剪力墙结构等效刚度相等,实质上是使下部框架-剪力墙结构的变形特征及刚度与上部剪力墙结构接近,以避免转换层附近刚度突变。按此抗震设计概念,我们对图1所示结构作一调整,以转换层位于7层的结构为例,调整前转换层下部框架-剪力墙结构的等效刚度E1J1与同样高度的剪力墙结构(结构布置与转换层上部剪力墙结构一致)等效刚度E2J2之比为1/1.6,调整后E1J1/E2J2为1。调整前与调整后的结构,其位移反应和层间位移角反应包络分别示于图3。由图3可见,对转换层位置较高的框支剪力墙结构,控制其等效刚度是十分必要的,效果也很显著。三、换层结构的内力和传力途径的变化仍以图1所示结构为例,分析不同标高转换层的框支剪力墙结构的内力和传力途径的变化。计算分析中采用弹性楼板假定,即考虑楼板在平面内的变形及平面外的刚度。1.转换层设置特点图4所示为倾覆力矩在横向(y向)各片抗侧力结构间的分配情况。图中示出轴②落地剪力墙及轴③框支剪力墙所受倾覆力矩的变化,转换层设置高度分为底层、4层、7层及14层四种情况。由图可见,倾覆力矩分布曲线在转换层处呈现转折,转换层下部是以剪力墙为主的框架-剪力墙结构,落地剪力墙所分配的倾覆力矩由转换层往下递增较快,而支承框架的倾覆力矩递增量很少。此外,转换层处框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙,这也是倾覆力矩曲线呈现转折的原因。总的看来,倾覆力矩的分配和传力途径还没有产生明显突变。2.转换层位置的影响图5所示为剪力在结构横向(y向)各片抗侧力结构间的分配情况。图5(a)所示底层框支剪力墙结构的剪力分配和传力途径虽有突变,但还可通过3,2,1层楼板逐步将框支剪力墙的剪力传递给落地剪力墙。当转换层位于7层时,剪力分配和传力途径发生剧烈突变,在转换层上部几层,第8层3榀框支剪力墙所受剪力总和等于0.63Q0,通过第7层转换层的楼板使框支剪力墙所受剪力总和减少到0.2Q0,落地剪力墙所受剪力总和增加到0.65Q0,这样的间接传力途径当强震发生时是难以实现的,对抗震十分不利。转换层位置较高时,在相应层剪力分配和传力途径发生如此急剧的突变,其原因之一是因为设计中仅仅控制层剪切刚度比γ,而没有控制“等效刚度”。按本文第二部分中提出的调整方法,对转换层下部的结构等效刚度加以调整后,剪力分配和传力途径突变情况有较大改善。图6所示为调整“等效刚度”后的7层设转换层时框支剪力墙结构的剪力分配情况,剪力分布突变情况有很大改善。转换层位置较高时,剪力分配突变加剧的另一原因是单片落地剪力墙的转角随着转换层位置的提高而增大,单片框支剪力墙的变形曲线随着转换层位置的提高呈现出转折,即转换层下部的框架变形曲线与转换层上部剪力墙变形曲线不协调的程度加大。落地墙和框支墙两种墙体的变形通过弹性楼板的协调而趋于接近,从而导致剪力分配突变。我们调整转换层下部落地剪力墙的等效刚度可减小其转角,改善剪力分配突变,但难以做到像底层框支剪力墙结构那样的剪力分配情况。四、框支剪力墙结构受倾覆力分析对于底层框支剪力墙结构体系有个基本的抗震设计概念,即保证底层结构的刚度和强度,使结构在地震作用下,屈服发生在转换层以上的剪力墙结构,底层结构不屈服,仅出现少量裂缝。拟动力试验和理论分析表明,该结构体系可满足7度和8度抗震设防要求,其抗震设计概念是合理的。对转换层较高的框支剪力墙结构很难做到转换层下部“框支”结构在地震作用下仅出现少量裂缝。相反,当转换层位置较高时,转换层附近几层更容易形成薄弱层。1.转换层下部的落地剪力墙容易出现弯曲裂缝或弯剪裂缝,随着裂缝的出现和发展,落地剪力墙的刚度迅速递减。根据以往大量试验,剪跨比较大的剪力墙当层间位移达到1/500时,其刚度降低60%;而转换层下部的支承框架当层间位移达到1/500时,其刚度基本上仍未降低。这一情况的发生将使整个框支剪力墙结构的剪力和倾覆力矩分配情况与弹性分析结果有较大的差异。图7为7层设转换层时框支剪力墙结构当剪力墙刚度降低60%时计算得出的剪力分配和倾覆力矩分配情况。对比图7(a)和图5(b)可明显看出,随着剪力墙刚度的降低,转换层附近的剪力突变进一步加剧,框支剪力墙在转换层上一层的剪力总和已接近基底剪力Q0,转换层下一层支承框架所受剪力达到0.4Q0。从图7(b)与图4的比较可以看出,随着剪力墙刚度的降低,框支剪力墙所受倾覆力矩也明显增加。以上分析说明,转换层较高的框支剪力墙结构,落地剪力墙易产生裂缝,框支剪力墙在转换层上部的墙体所受内力很大,易破坏,转换层下部的支承框架也易屈服,从而形成几个薄弱层。文中的结构模型振动台试验结果也说明,转换层较高的框支剪力墙结构很难避免转换层下部落地剪力墙不出现裂缝,该结构中未形成筒体的一些落地剪力墙多处出现裂缝,刚度迅速降低,从而使框支柱的内力增加,有几层框支柱随即出现裂缝,鉴于该结构设计中框支柱采用型钢混凝土结构,避免了框支柱的破坏。框支柱上部的剪力墙受力集中,破坏严重。2.转换层较高的框支剪力墙结构,内力分配产生急剧突变,内力的传递仅仅依靠转换层一层楼板的间接传力途径来实现是很困难的。地震作用的持续时间一般为30～60s,地面运动加速度正、反方向的变化时间一般在零点几秒之内,在如此快速的动力作用下,全部内力通过楼板的间接传力途径进行传递是难以实现的,部分内力将通过抗侧力结构自身的直接传力途径进行传递,从而使框支剪力墙转换层以下的支承框架内力远大于计算分析结果,对抗震十分不利。文的结构模型振动台试验结果可以证实上述概念的合理性。图8所示为该试验结构的平面(实际模型比例为1/35),图9为裂缝分布。由图可见,该结构转换层下部的大部分框支柱出现裂缝,而且裂缝分布于转换层下部的多个楼层;中部的落地筒体仅在转换层上、下的局部区段出现很少量的裂缝;外围框支剪力墙,在转换层上部的墙体出现很多裂缝。这一试验结果证明,结构在地震作用下,外围框支剪力墙与中部落地筒体之间的内力分布和传力途径与弹性静力分析结果有较大差异,外围框支剪力墙在转换层上一层所受的倾覆力矩直接传给下部框支柱,所受的剪力并未全部通过楼板的间接传力途径传递到落地筒体,有部分内力直接传给下部的框支柱。五、转换层下“框支”结构的等效刚度1.框支剪力墙结构当转换层位置较高时,转换层附近层间位移角及内力分布急剧突变,内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现;转换层下部的“框支”结构易于开裂和屈服,转换层上部几层墙体易于破坏。这种结构体系不利于抗震。高烈度区(9度及9度以上)不应采用;8度区可以采用,但应限制转换层设置高度,可考虑不宜超过3层;7度地区可适当放宽限制。2.转换层位置较高的框支剪力墙结构,应控制转换层下部“框支”结构的等效刚度(即考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合刚度),宜使EgJg与EcJc接近。EgJg为剪力墙结构的等效刚度,剪力墙结构高度取框支层的总高度,其平面和层高与转换层上部的剪力墙结构相同;EcJc为转换层下部“框支”结构的等效刚度。分析表明,控制转换层下部“框支”结构的等效刚度对于减少转换层附近的层间位移角和内力突变是十分必要的,效果也很显著。当转换层位置较高时,对落地剪力墙间距的限制应比底层框支剪力墙结构更严一些。对平面为长矩形的建筑,落地横向剪力墙的数目应多于全部横向剪力墙数目的50%。落地墙宜形成筒体,避免采用单肢或仅用弱连梁连接的矩形、T形和L形墙。应增强落地墙的承载能力和延性,加强端部约束,也可配置型钢,并控制转换层以下落地墙的最小构造配筋率为0.3%。3.转换层下部的支承框架所受剪力将远大于弹性计算值,设计中应调整框支柱所受总剪力不应小于某一数值,该数值应随转换层位置的提高而增大。可考虑对底层框支剪力墙结构,框支柱总剪力不小于0.2Q0(Q0为结构基底总剪力);对转换层位于6层的框支剪力墙结构,框支柱总剪力不小于0.35Q0。框支柱总数少于10根时,每根柱所受剪力至少取0.02Q0～0.035Q0。对框支柱剪力的调整不能仅限于转换层处的柱,应包括转换层以下的各