近年來隨著高層建筑功能的多樣化,各種豎向不規則的復雜高層建筑結構大量涌現,其中主要包括帶轉換層的結構、帶加強層的結構、錯層結構、連體結構和多塔結構等.
這些結構豎向布置不規則,傳力路徑復雜,有些工程平面布置也不規則.
我們將建立具有代表性的平面不規則底層框支剪力墻結構為分析對象,對于轉換層設置在1層、2層的框支剪力墻結構,可近似采用轉換層與其上層結構的等效剪切剛度比γe1表示轉換層上、下層結構的結構剛度變化,γe1宜接近1,非抗震設計時γe1不應小于0.4,抗震設計時γe1不應小于．我們所建的模型屬于平面不規則結構,根據規范規定應計算雙向水平地震作用下結構的扭轉效應.
通過改變上部剪力墻的厚度來改變轉換層上、下側向剛度比,并對結構進行相應的計算分析,從中總結出轉換層上、下剛度比對結構扭轉效應的影響.
1、周期比和位移比對扭轉的影響
周期比是指結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1比.結構扭轉第一自振周期與地震作用方向的平動第一自振周期之比值,對結構的扭轉效應有明顯影響,當二者接近時,結構的扭轉效應顯著增大.徐培福推導出了考慮平動—扭轉耦聯反應的計算公式,并給出了考慮平動—扭轉耦聯的計算公式.他根據考慮平動扭轉耦聯的計算公式繪制了θr/u與Tt/T1的關系圖\\(θr/u為結構相對扭轉響應,該比值反應扭轉振動效應的程度\\).從中可以看出耦聯反應對結構的扭轉效應有明顯的放大作用,設計中應考慮平動—扭轉耦聯反應.同時可以看出當周期比>0.8以后,結構相對扭轉響應增大很快.
為了控制耦聯反應對結構的扭轉效應的放大作用,文獻中做了如下規定:在考慮偶然偏心影響的規定水平地震作用下,復雜高層建筑\\(包含帶轉換層結構\\)扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比不應大于0.85.位移比是指在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下,樓層豎向構件的最大水平位移\\(層間位移\\)與該樓層平均位移\\(平均層間位移\\)的比值.研究表明,扭轉效應越大,位移比越大.假定樓板為平面內無限剛,當一個結構發生平動和扭轉時,將發生如圖1所示的變形.
從圖1可以看出,當位移比逐漸增大時,整個結構的變形受力將變得非常不均勻.結構在地震作用下將在變形最大的豎向構件處首先破壞,從而造成結構破壞.為了控制樓層變形的均勻性,文獻中做了如下規定:在考慮偶然偏心影響的規定水平地震作用下,復雜高層建筑結構\\(包含帶轉換層結構\\)不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應大于該樓層平均值的1.4倍.從另一個角度來分析,控制結構扭轉變形的實質是控制結構扭轉變形小于結構平動變形或者控制結構扭轉變形的絕對值比較小,控制地震作用下結構扭轉振動效應不成為主振動效應,避免結構扭轉破壞.
2、算例及基本參數
模型共26層,平面布置分別見圖2、圖3.各跨長度均為8m,平面凹進l=16m,l/Bmax=0.5,所以平面凹進尺寸大于相應方向總尺寸的30%,模型為凹凸不規則結構.
轉換層位于第二層,底部兩層為框支結構,由落地剪力墻和框架組成,層高4.5m;轉換層上部為剪力墻結構,共24層,層高為3m,結構總高為81m.
算例1結構各跨長度均為8000mm,底層框架梁截面尺寸為400mm×800mm;二層轉換梁分為兩種:上部兩側均布置剪力墻的轉換梁截面尺寸為700mm×1000mm,上部一側布置剪力墻的轉換梁截面尺寸為700mm×1200mm;底部兩層的柱截面尺寸均為1200mm×1200mm;底部剪力墻厚度為400mm,轉換層上部剪力墻的厚度為350mm;轉換層樓板的厚度為250mm,其余各層樓板厚均為150mm.
轉換梁、柱及底部兩層剪力墻的混凝土強度等級為C50,底層框架梁及上部剪力墻的混凝土強度等級為C40,樓板的混凝土強度等級為C35.算例2~4分別為將上部剪力墻的厚度變為300mm、250mm、200mm,其余部位不變,結構的整體模型見圖4.
3結構的動力分析
運用大型分析軟件SAP2000對結構進行分析,本框支剪力墻結構按8度\\(0.2g\\)設防,場地類別為Ⅱ類場地,設計地震分組為第二組,特征周期Tg=0.4s,恒荷載組合值系數為1,活荷載組合值系數為0.5.
3.1動力特性分析
采用Rits向量法對結構進行模態分析,計算取24階振型,得到結構對應的自振周期、模態振型參與質量比、固有振型等動力特性,由4種結構模型的分析結果得振型參與系數的累計值均為0.99,滿足規范當中90%的參與系數的要求,說明所取的振型數能夠滿足計算精度的要求,模型1~4的自振周期及模態振型參與質量比見表1\\(取前3階振型\\).
通過表1可以判斷:
\\(1\\)結構的第一振型是X方向的平動,第二振型為Y方向的平動,第三振型為繞Z軸的扭轉振型,振型存在平動—扭轉耦聯現象;\\(2\\)當上層剪力墻厚度分別為350mm、300mm、250mm、200mm時結構的周期比分別為0.7101、0.7471、0.7864、0.8068.
3.2反應譜分析及彈性時程分析
高層建筑結構宜采用振型分解反應譜法進行分析,而對于帶轉換層的結構應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算.
地震波的合理選擇是時程分析的基礎,選擇EL-Centro\\(N-S\\)地震波\\(記錄時間為30s,加速度峰值為341.7cm/s2,記錄時間間隔0.02s\\)、Taft地震波\\(記錄時間為54.38s,加速度峰值為175.945cm/s2,記錄時間間隔0.02s\\)、蘭州波共三條地震波記錄作為激勵,地震持續時間定為20s.
當取三組時程曲線進行分析時,結構地震作用效應宜取時程分析法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值．\\(1\\)扭轉效應分析經分析得出結構豎向構件X向位移值,見表2.
均勻改變轉換層上部剪力墻厚度對結構豎向構件最大水平位移及平均位移影響不大,上部剪力墻厚從200mm增至350mm時結構的位移比有一定降低.
3.3層間位移分析
經分析對比所得層間位移如圖5所示.
由圖5可得各模型的層間位移角均能滿足文獻的要求.4種模型的樓層層間位移最大值都出現在11層,對于上部墻體較厚的結構由于轉換層上、下的側向剛度變化較大、地震作用大等原因,下部框支層層間位移大于較薄剪力墻的結構的層間位移.由于側向剛度較小,模型4的中間樓層最大層間位移明顯大于其他模型.
4、結論
\\(1\\)均勻增大墻厚改變轉換層上、下側向剛度比對結構的低階振型周期有一定影響,可以降低結構的位移比及扭轉效應.
\\(2\\)對平面不規則長形和平面尺寸較大的結構,應在考慮位移比的同時充分考慮扭轉對結構周邊構件的影響,防止構件扭轉破壞.
\\(3\\)對平面不規則帶梁式轉換層結構應在考慮控制轉換層上、下側向剛度比的同時,適當增大結構周邊抗側剛度,合理調整剛心附近抗側構件的剛度.
