陕西省土地工程建设集团有限责任公司 陕西西安 710075
摘 要：本文以一带梁式转换层的实际工程结构为研究对象，利用SATWE结构空间有限元分析设计软件，应用高层建筑有限元分析方法及动力分析相关理论，通过对结构改变转换层位置，分析了结构地震作用下的反应规律，得到了转换层位置改变对结构抗震性能的影响。
关键词;抗震性能，有限元分析，SATWE
Study On The Seismic Performance Of
The Structure With Different Height Of The Transfer Floor
Liu Dan
(Shaanxi Land Engineering Construction Group,Xian)
Abstract: In this paper,a practical engineering structure of beam transfer story of the mechanical behaviors was analyzed.It used SATWE structure of the space finite element software and applied the theories of finite element analysis and dynamic analysis for the reaction rule of structure under earthquake when the structures were changed the height of the transfer floor .We got the effects on seismic behavior of the structure with different height of the transfer floor .
Keywords: Seismic Performance;Finite element analysis;SATWE
0引 言
随着我国经济的不断发展，城镇化步伐的不断加快，越来越多的人进入城市生活，城市中高层建筑的数量也越来越多。由于城市中人口的集中和用地的紧张，并且为了满足人们对建筑多功能的需求，促使了高层建筑向着层数多，高度大，功能多，平立面变化多和结构体系多元化的方向发展。为了满足建筑的多功能和结构体系的多元化，结构竖向构件上部和下部不能连续贯通，这时就需要在结构体系变化部位设置水平转换构件，也就是转换层结构。比如，在商业比较密集的街区，一栋建筑就会集多种功能于一体，沿建筑的竖直方向，上部楼层多布置酒店、住宅或是办公写字间等，而下部楼层则多布置地下车库、商场和电影院等娱乐设施。一般酒店和住宅需要剪力墙多，柱网密集，而下层的酒店、车库等则需要大空间，需要很少墙体和大的柱网开间。而从结构受力角度，一般下部楼层受力大，需要较多刚度大的剪力墙抗衡外力作用，上部楼层受力小，则较少墙体即可，这样，满足建筑功能的结构布置就和满足受力的结构布置出现了矛盾，而转换层结构则巧妙的化解了这一矛盾，满足了建筑使用功能和结构受力安全的共同要求。
1工程概况
本项目位于陕西省商洛市，该项工程的设计使用年限为50年，结构安全等级二级，建筑抗震设防类别为丙类，剪力墙的抗震等级为三级，框架的抗震等级为二级。所占用的场地类别是二类场地，场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度是 0.10g，设计地震分组是第三组，场地特征周期是 0.45s，结构的阻尼比是 0.05。 地面粗糙度类别为B级，修正后基本风压为0.4kN/m2。建筑功能上要求该建筑结构地上一、二层作为商铺使用，二层以上作为普通住宅，地下要求有两层车库，总建筑楼层数为地上18层。
模型结构基本对称布置，转换层模型和上部结构标准层模型平面图如图1、2所示，
图2 标准层模型平面图
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第10.2.5条规定：部分框支剪力墙结构在地面以上设置转换层的位置，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高[1]。本工程实例位于7度区，转换层设置在地面以上第2层，为了对比分析不同位置转换层对结构受力性能的影响，现再将转换层分别设置地面以上第4层和第6层，分别称之为模型一、模型二、模型三。
（c）模型三
图3 计算模型
2 结构抗震性能分析
2.1 结构自振特性分析
结构自振周期和振型是计算地震作用和风振作用的主要参数，是结构的动力特性之一，结构的自振周期是结构按某一振型完成一次振动所需要的时间。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010）的5.1.13要求，高层建筑抗震设计计算时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，所选取的振型数不应该小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔数的9倍，且计算振型数应使各振型参与质量之和不少于总质量的90%。
本例计算选取振型数为18，三种不同结构模型考虑扭转耦联时的振动周期如表2所示。各模型自振周期相应变化如图4所示。
表2中数据显示，三个模型的即以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期的比值分别为0.0993、
0.5333、0.1034，均小于0.85，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.4.5条的要求。X、Y两个方向有效质量系数均大于90%，满足规范相关规定。当转换层位于地上第二层时，即模型一的第一振型自振周期为1.8107，当转换层位于地上第四层时，即模型二的第一振型自振周期为1.8132，相比模型一的第一振型自振周期增幅为0.14%；当转换层位于地上第六层时，即模型三的第一振型自振周期为1.8506，相比模型二的第一振型自振周期增幅为2.1%，增幅明显加大，这说明转换层位置超过某些楼层对结构抗震十分不利。表中数据亦显示，随着转换层位置增高，周期也随之增大，这是因为，转换层位置增高使得转换层下部柔性的框架部分增多，转换层上部刚度较大的剪力墙结构减少，从而整体结构刚度变小，自振周期增大。
图6 Y方向地震作用下楼层水平位移
我们可以看出，三个模型的在地震作用下的楼层最大位移曲线增长平稳，说明模型结构设计合理，满足高层建筑舒适度的使用要求。X方向地震作用下，模型三楼层最大位移最大，模型二次之，模型一最小，模型一和模型二相差微小，说明不同转换层位置对结构地震反应影响明显，而且高位转换不利于结构抗震。Y方向地震作用下，三个模型楼层最大位移变化规律大致同X方向地震作用，但楼层号从17到20模型三楼层最大位移比模型一、模型二略有减小，楼层号从12到20模型二比模型一楼层最大位移略有减小。X方向地震荷载作用下模型三最大位移比模型二大3.9%，Y方向地震荷载作用下模型三最大位移比模型二小1.9%，总体而言，模型三在地震作用下最不利。
结构在X、Y方向地震作用下结构层间位移角如图7、8所示。
图8 Y方向地震作用下层间位移角
从图中我们看到，由于转换层刚度大，三个模型最大层间位移角在转换层位置附近均有突变，且转换层位置越高，突变越剧烈。三个模型在X、Y方向地震作用下最大层间位移角均满足规范规定的1/1000限值的要求。模型一在X方向地震作用下的最大层间位移角出现在第10层，值为1/1112、Y方向地震作用下的最大层间位移角出现在第11层，值为1/1068；模型二在X、Y方向地震作用下的最大层间位移角均出现在第12层，值分别为1/1116、1/1114；模型三在X、Y方向地震作用下的最大层间位移角均出现在第13层，值分别为1/1233，1/1252。三个模型薄弱层均出现在转换层上部楼层，符合设计要求。
2.3 结构受力分析
结构在X、Y方向地震作用下所受楼层剪力和弯矩分别如图9、10、11、12所示。
图10 Y方向地震作用下楼层剪力
从图9、10中可以看出，结构对于X、Y两个方向地震作用反应平稳，由于转换层刚度大，剪力曲线在转换层附近有一定突变。比较三条曲线，模型三的楼层剪力最大，模型二次之，模型一最小，这说明，随着转换层设置增高，楼层剪力也随之增大，转换层位置越高，对结构影响越不利。
观察图11、12，看到三个模型对于X、Y两个方向地震作用反应趋势一致，结构弯矩曲线平稳，转换层设置位置对结构地震作用下前几层结构弯矩有明显影响，相比较图4.14和图4.15中三个模型的弯矩曲线，模型三的弯矩最大，模型二次之，模型一最小，这说明，随着转换层设置增高，结构弯矩也随之增大，转换层位置越高，对结构越有不利影响。
图12 Y方向地震作用下弯矩
4 结论
本章利用SATWE结构空间有限元分析设计软件，计算分析了不同位置转换层对复杂高层梁式转换层结构受力性能的影响，得出以下结论与建议：
（1）在竖向静力荷载作用下，转换层位置越高，结构最大位移越小，这是由于较高位置转换层使得结构刚度增大的原因。
（2）在风荷载作用下，转换层位置越高，结构最大楼层位移越大，最大层间位移角突变越剧烈，结构整体性能变差，设计中应避免高位转换。在地震作用下，转换层位置越高，结构自振周期越大，尤其对前几阶振型影响明显，结构抗震性能越差。转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比越大，即转换层下部结构刚度增大，结构自振周期变小，抗震性能得以提高。
（3）地震作用下，转换层位置改变对结构最大楼层位移、最大层间位移角、楼层剪力、结构弯矩均有一定影响，即转换层位置越高，结构最大楼层位移越大，层间位移角突变越明显，楼层剪力越大，结构弯矩也越大，抗震性能越差。
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论文作者:刘丹
论文发表刊物:《防护工程》2017年第11期
论文发表时间:2017/9/18
标签：结构论文; 模型论文; 位移论文; 楼层论文; 方向论文; 位置论文; 弯矩论文; 《防护工程》2017年第11期论文;