黄志辉
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摘要：在土地资源紧缺形势日渐加剧的情况下，转换层的设置高度也越来越高，转换层的抗震需求也随着增加，但是却很少有设计人员对转换层的抗震性能进行研究。为此，本文从实验研究应用分析模型出发，并以实际案例从转换层高度、刚度、框支柱刚度、连梁刚度四个方面分析了转换层和弹性时程之间的关系。
关键词：高位转换层；框支剪力墙结构；弹塑性地震
引言：为了同时满足建筑物上部空间和下部空间的需求，设计人员在设计建筑物内部结构时，经常应用空间变化设计理论在楼层中间设置转换层，而带有转换层的建筑结构在质量和刚度上与普通建筑结构存在一定差异性，这份差异性会导致其地震结构的不同，为此，设计人员在应用楼层转换层的过程中需要研究其弹塑性地震。
1.实验研究应用的分析模型
1.1模型建立的假设前提
为了计算方便，本次实验在应用分析模型前，对分析模型进行了以下假设。
第一，建筑结构内的各层楼板刚度为无穷大，并且不考虑楼板在平面刚度上的变化，此外，尽管各层建筑结构中的楼板都会发生轻微变形，并且变形现象会对其结构内部应力的分配产生一定影响，但是支撑楼板的框架支柱的剪力要比实际设计计算数据要大，为了简化计算流程，忽略楼板变形的客观因素，以其定性规律来计算楼板刚度。
第二，按照建筑结构可以将楼板结构划分为若干个抗侧力结构，并且每个抗侧力结构只有在楼板的平面内才能产生抗侧刚度，现假设楼板的平面内的刚度为0，此时楼板每个抗侧力结构的变形程度均取决于楼板的变形程度[1]。
第三，各个楼层结构的质量集中在楼层中间位置处。
1.2模型动力方程
在上述假设前提下，可以将高位转换层的框支剪力墙结构在地震时的动力方程总结为：[M]{X}+[C]{X}+[K]{X}=-[M]{Xg}。在上述动力方程中，[M]代表的是楼层结构的质量矩阵，[C]代表的是楼层结构的阻尼矩阵，[K]代表的是楼层结构的侧移刚度矩阵，三个{X}分别代表的是计算楼层结构中的质点的位移、速度、加速度质量，{Xg}代表的是地面运动的加速度。
在弹性时程计算过程中，本次实验应用的是静力凝聚方式，并通过此方式计算出了楼层结构的抗侧力矩阵，该计算方式的应用优势是精确度较高，缺陷是计算的矩阵是满秩矩阵。在塑性时程计算过程中，楼层结构的刚度矩阵发生了变化，选择时间函数计算方式能够减少刚度矩阵的变化[2]。因此，在本次实验中，先用静力凝聚方式计算出了楼层结构梁单元的弯矩和墙柱单元的弯矩，随后对楼层结构的静力弹塑性进行了分析，并计算出了各个楼层之间的剪力，确定了各个楼层之间的位移和剪力后，便可以利用上述动力方程模型计算出各个楼层结构的刚度，以及各个楼层结构的抗侧力刚度。
2.案例分析与影响因素分析
2.1案例概述
本次实验选择的案例基本资料如下：建筑工程为高层商务楼，共有楼层18层，防震强度为8度，建筑结构的下部为框支剪力墙，作为商场应用，建筑结构的上部为纯剪力墙，作为办公室应用。建筑工程的地层层高为5米，商场每层层高为4.5米，办公室每层层高为3米，建造过程中应用的是C30号混凝土。
2.2转换层高度和弹性时程之间的关系
现假设除了建筑结构楼层外，其他客观因素不变化，现选取2、4、6、8、10、12几个楼层进行了关于转换层高度和弹性时程关系的研究，并通过上述分析模型和计算方式计算出了各个楼层结构的抗侧力刚度、刚度、剪力等所需数据。
所得到的数据分析和研究总结如下。
第一，转换层高度的逐渐增加，会延长楼层结构的周期，这种现象产生 的主要原因有以下两点：转换层位置越高，说明建筑结构对下部空间的需求越大，因此建筑下部结构的层高较大，这代表着建筑结构总高度和柔度提高，进而延长了楼层结构的周期；随着转换层的设置，框支剪力墙中的剪力墙数量在不断减少，建筑结构的刚度也会随之减少，提高了建筑结构的柔度，进而延长了楼层结构的周期[3]。
第二，如果楼层转换层的设置位置较低，此时建筑结构中的最大层侧移并不在转换层之中；如果楼层转换层的设置位置较高，建筑结构中最大层侧移则建筑结构中最大层间侧移。
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第三，对比转换层在2、4、6、8、10、12几个楼层的最大侧移、最大间层侧移、最大间层侧移角度，可以发现，当转换层在8楼层时，上述设计数值均超过了其他楼层，以8层为分界线，设置楼层离8层越远设计数值越小，这一现象说明，将转换层设置在中间楼层的影响最大。
2.3转换层刚度和弹性时程之间的关系
现假设除了建筑结构楼层外，其他客观因素不变化，现选取2、4、6、8、10、12几个楼层进行了关于转换层刚度和弹性时程关系的研究。
所得到的数据分析和研究总结如下。
第一，如果楼层转换层的设置位置较低，建筑结构的刚度将会减少，建筑结构在地震下的侧移将会减少，进而实现了改善建筑结构抗震性能提高的目标[4]。
第二，如果楼层转换层的设置位置较高，建筑结构的刚度将会减少，但是建筑结构在地震下的侧移并不会减少，实现不了改善建筑结构抗震性能提高的目标。这种现象产生的主要原因是在转换层以下的建筑结构中，落地墙肢的加厚和墙肢翼缘的加长，使得建筑结构刚度和质量同时增加，每层建筑结构需要承担的地震作用也在加大，这种作用在达到一定程度后，楼层结构刚度变不会再起主导作用，变增加了结构侧移。
2.4转换层框支柱刚度和弹性时程之间的关系
现假设除了建筑结构楼层外，其他客观因素不变化，现选取4、6、8几个楼层进行了关于转换层连梁刚度和弹性时程关系的研究。
所得到的数据分析和研究总结如下。
第一，如果增加了转换层以下建筑结构下框支柱的截面面积，支柱的刚度也会增加，如果楼层转换层的设置位置较低，建筑结构在地震作用下的侧移将会降低，如果转换层设置到了一定高度，建筑结构在地震作用下的侧移将会增加。
2.5转换层连梁刚度和弹性时程之间的关系
现假设除了建筑结构楼层外，其他客观因素不变化，现选取8楼层进行了关于转换层框支柱刚度和弹性时程关系的研究。
所得到的数据分析和研究总结如下。
当转换层连梁刚度增加时，转换成以上的各层楼层层间侧移会逐渐减少，同时转换层以下的各层楼层层间侧移会逐渐增加，这说明建筑结构的上部结构对弹性时程的影响要大于下部结构[5]。
3.高位转换层的框支剪力墙结构设计建议
第一，如果转换层的设置位置较高，转换层的临近楼层层间位移将会出现剧烈变化，进而引起楼层结构的内力变化，在地震作用下，这些楼层的刚度将首先被破坏。
第二，在设置了转换层的高层建筑结构内，设计人员可以通过提高建筑结构下部刚度的方式来减少转换层上下楼层之间的刚度变化，这种方式不一定能够成功的减少建筑结构的侧移，但是却能增加结构的侧移，此方式适合被应用在转换层设置在建筑结构底部的情况。
结束语：总之，对带高位转换层的框支剪力墙结构弹塑性地震反应进行分析，能够为设计人员设计合理的建筑结构奠定基础，设计人员需要提高对相关计算和模型建设的重视程度。
参考文献
[1]张兰英，李艳娜，吴庆荪.带高位转换层的框支剪力墙结构弹塑性地震反应分析[J].工业建筑，2013，06：24-27.
[2]邓雪松，吴从晓，周云，吴从永.高位转换防屈曲支撑减震结构支撑简化设计方法研究[J].振动与冲击，2011，3002：248-251.
[3]赵恒晶.带高位转换层的框支剪力墙结构静力弹塑性分析[J].结构工程师，2011，2702：38-44.
[4]吴涌.建筑高位转换层框支剪力墙结构的设计分析[J].四川建材，2017，4302：48-49.
[5]程志辉，周富威.框支剪力墙结构在大震下的失效概率分析[J].工程抗震与加固改造，2016，3803：67-72+66.
论文作者:黄志辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/17
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