淺析高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)側(cè)向受力特點(diǎn)及其合理屈服機(jī)制
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作者：張毅
帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑沿高度方向質(zhì)量和剛度都不均勻，且一般存在豎向構(gòu)件的不連續(xù)，因而在地震作用下的反應(yīng)與均勻結(jié)構(gòu)不同。歷次重大地震災(zāi)難及振動臺模型試驗(yàn)均表明：轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)將導(dǎo)致嚴(yán)重的震害。把握高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的受力及變形特征，分清結(jié)構(gòu)總體系與分體系之間的關(guān)系，了解結(jié)構(gòu)合理的屈服機(jī)制，有助于結(jié)構(gòu)工程師在初步設(shè)計階段，通過正確的整體概念把握與主導(dǎo)設(shè)計。
1 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系地震作用下的受力及變形特征
1.1 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)地震作用下整體側(cè)向力分布特點(diǎn)
大量的彈塑性算例均表明：多遇地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于彈性階段時，傳統(tǒng)高度較�。ㄐ∮�40m）且無明顯剛度及質(zhì)量突變的多層、小高層結(jié)構(gòu)（以下簡稱規(guī)則小高層）呈現(xiàn)出近倒三角形的側(cè)向力分布模式；而高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)換層下部剛度的突變及結(jié)構(gòu)總層數(shù)和高度的增加，高振型影響的增大，其側(cè)向力分布已明顯偏離這種近倒三角形分布模式，呈現(xiàn)出側(cè)向力分布偏向結(jié)構(gòu)中下部集中，側(cè)向力合力點(diǎn)下移（以下簡稱剪力下移），如圖1所示。罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時，規(guī)則小高層由于底層往往首先進(jìn)入塑性屈服階段，側(cè)向力分布已呈現(xiàn)出與底部剛度突變結(jié)構(gòu)類似的偏向中下部集中的分布趨勢；而底部剛度及強(qiáng)度不足的高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換層下部屈服后，其側(cè)向力分布將進(jìn)一步向結(jié)構(gòu)中下部集中，剪力下移效應(yīng)進(jìn)一步加劇，如圖2所示。
1.2 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)局部側(cè)向力分布特點(diǎn)
由1.1節(jié)所論述的整體側(cè)向力分布模式，同樣可以近似地得出高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)整體剪力分布如圖3所示。若高層建筑結(jié)構(gòu)只有層高的突變而不存在轉(zhuǎn)換，即沒有豎向構(gòu)件的不連續(xù)，設(shè)剪力墻W1抗側(cè)剛度為k1和剪力墻W2抗側(cè)剛度為k2，為方便定性分析，假設(shè)剪力墻間僅由不提供側(cè)向剛度的連系梁連接，則整體剪力將根據(jù)各墻肢抗側(cè)剛度按比例分配，剪力墻W1與剪力墻W2各自承受的剪力比例為：
墻肢側(cè)向水平力分布與整體側(cè)向水平力分布一致，其側(cè)向力合力作用點(diǎn)位置不變。
當(dāng)高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)同時存在剛度突變和豎向構(gòu)件不連續(xù)時，在水平作用力下，忽略框支柱的拉壓所引起的位移差，則框支剪力墻W1在轉(zhuǎn)換層上部開始受力并產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，并沒有因轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的變形而產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)角；而落地剪力墻W2由轉(zhuǎn)換層下部開始受力并產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)換層上部所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角已累積了轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的變形而產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)角。設(shè)轉(zhuǎn)換層下部轉(zhuǎn)角為a，而轉(zhuǎn)換層上部的轉(zhuǎn)角為口，則框支剪力墻W1與落地剪力墻W2在轉(zhuǎn)換層上部所承受的剪力分別為k1β,K2(β-a)；框支剪力墻W,與落地剪力墻W2各自承受的剪力比例為：
由于a/β≤1，則：
可見，由于框支剪力墻W1與落地剪力墻W2在轉(zhuǎn)換層上部存在不相一致的有害轉(zhuǎn)角，框支剪力墻W1與落地剪力墻W2所占整體剪力的比例取決于其各自抗側(cè)剛度及轉(zhuǎn)換層上、下部的轉(zhuǎn)角差�？蛑Ъ袅1所占整體剪力的比例隨轉(zhuǎn)換層上、下部的轉(zhuǎn)角差的增大而明顯增加，如圖4所示。因此，墻肢側(cè)向力分布與整體側(cè)向力分布并不一致。當(dāng)轉(zhuǎn)換層底部剛度過弱時，框支剪力墻W1承受的剪力將大于層間剪力，而落地剪力墻W2將承受負(fù)剪力（剪力方向與整體層間剪力方向相反）。這種效應(yīng)加劇了僅由轉(zhuǎn)換層下部剛度的突變給墻肢所帶來的剪力下移效應(yīng)。由于剪力下移所引起豎向構(gòu)件剪跨比的減少，框支剪力墻W1及落地剪力墻W2將可能出現(xiàn)類似矮墻的剪切破壞。
1.3剪力下移所帶來的內(nèi)力集中效應(yīng)
將高層建筑結(jié)構(gòu)理想化為一均質(zhì)豎向懸臂桿件，抗彎剛度El為常數(shù)，忽略桿件因剪切變形所產(chǎn)生的能量，那么該純彎曲桿件所吸收的能量為：
當(dāng)桿件承受倒三角形側(cè)向力分布，如圖5，則其所吸收的能量為：
當(dāng)桿件承受均布側(cè)向力分布，如圖6，則其所吸收的能量為：
當(dāng)桿件承受三角形側(cè)向力分布，如圖7所示，則其所吸收的能量為：
一個符合工程實(shí)際的高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，受建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)層間位移角、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)長寬比和高寬比等宏觀條件的限制，轉(zhuǎn)換層下部剛度的突變，并不會從宏觀上對結(jié)構(gòu)整體剛度、質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，結(jié)構(gòu)第一自振周期通常相差在5%以內(nèi)；而結(jié)構(gòu)在地震作用下總能量的輸入主要取決于結(jié)構(gòu)彈性階段的第一自振周期，因此，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層下部剛度的突變帶來側(cè)向力分布的改變，但并沒有對結(jié)構(gòu)總能量的輸入帶來太大影響�？梢哉J(rèn)為三種側(cè)向力分布下結(jié)構(gòu)所吸收的能量相等：
聯(lián)合式(5)、(9)、(13)及(17)可得三種側(cè)向分布力q比值為：
聯(lián)合式(6)、(10)、(14)及(18)可得三種側(cè)向分布力分布下基底剪力V比值為：
聯(lián)合式(7)、(11)、(15)及(18)可得三種側(cè)向分布力分布下基底彎矩M比值為：
聯(lián)合式(8)、(12)、(16)可得三種側(cè)向分布力分布下基底彎矩M與剪力比λ比值為：
可見，在總體輸入能量不變的情況下，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層下部剛度的突變，豎向構(gòu)件的不連續(xù)，所導(dǎo)致的剪力集中，將使框支剪力墻與落地剪力墻所承受的剪力和彎矩急劇增加及剪跨比的相應(yīng)減少，以致提供主要抗側(cè)剛度的剪力墻可能在尚未彎曲屈服,或剛屈服而尚未充分發(fā)揮其塑性耗能機(jī)制時，因剪力過大所引起承載力的急劇下降而迅速破壞。
2 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)合理的屈服機(jī)制
2.1局部延性與總體延性的關(guān)系
國際著名混凝土及抗震專家R．Park教授和T．Paulay教授為了說明基于能力的設(shè)計原理時，曾用一水平鏈環(huán)說明局部延性與總體延性的關(guān)系如圖8所示。
若假設(shè)圖中的鏈環(huán)由19個脆性鏈環(huán)和1個延性系數(shù)為μ1的延性鏈環(huán)組成，要求該鏈環(huán)的總體延性達(dá)到3，那么延性鏈環(huán)的延性為：
這個例子說明在結(jié)構(gòu)中局部延性與總體延性的大小有很大的差別，而且在總體延性不變的情況下，脆性鏈環(huán)的個數(shù)越多，對延性鏈環(huán)的延性需求就越大。若把一個以彎曲型變形為主的高層結(jié)構(gòu)的每一個樓層看作一個鏈環(huán)，顯然結(jié)構(gòu)層將不可能提供延性系數(shù)為41的塑性變形；而由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性層后動力效應(yīng)變化所致的能量集中，結(jié)構(gòu)不可能在總體延性不變的情況下，增設(shè)塑性層以降低結(jié)構(gòu)對單個塑性層的延性需求。
但水平鏈環(huán)原理說明了總體延性與局部延性的關(guān)系，并沒有揭示延性環(huán)的位置對局部延性對總體延性貢獻(xiàn)的關(guān)系。設(shè)結(jié)構(gòu)的位移延性μ為頂點(diǎn)極限位移與屈服位移的比值，鏈環(huán)的位移以每一層的轉(zhuǎn)角與層高乘值表示，脆性鏈環(huán)的轉(zhuǎn)角為a．，結(jié)構(gòu)為n+1層，結(jié)構(gòu)沿豎向高度只設(shè)置一個塑性層，延性系數(shù)為μ1，那么總體延性與局部延性的關(guān)系為：
局部延性與總體延性的關(guān)系為：
式中：hi、hi分別為脆性鏈環(huán)、延性鏈環(huán)所在層的層高；Hi為延性鏈環(huán)所在層至結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的距離；μ為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移延性；μ1為塑性層延性系數(shù)；ai為脆性鏈環(huán)轉(zhuǎn)角系數(shù)。
假設(shè)各層轉(zhuǎn)角ai相等，結(jié)構(gòu)層數(shù)分別為20、30、40，層高均為3m，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移延性μ需求為3，那么結(jié)構(gòu)塑性層分別在不同位置出現(xiàn)時，塑性層的延性需求如圖9所示。
可見，在確定了總體延性需求、結(jié)構(gòu)層高與總高度的情況下，塑性層的設(shè)置位置是影響塑性層延性需求的重要因素。塑性層設(shè)置越低，塑性層對結(jié)構(gòu)總體延性的貢獻(xiàn)就越大，塑性層自身的延性需求越�。划�(dāng)塑性層設(shè)置越高，塑性層對結(jié)構(gòu)總體延性的貢獻(xiàn)就越小，塑性層自身的延性需求越大。但隨著塑性層設(shè)置位置的降低，塑性層對結(jié)構(gòu)總體延性貢獻(xiàn)的遞增將減緩。如圖中層數(shù)為20層的高層結(jié)構(gòu)所示，塑性層從10層變化至首層，塑性層延性需求約從5遞減至3�？梢哉J(rèn)為從結(jié)構(gòu)中下部選擇其中一個合適的塑性層將不會對塑性層產(chǎn)生明顯差別的延性需求。
2.2 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)彈塑性階段的動力效應(yīng)
當(dāng)塑性層出現(xiàn)后，該層所能提供的抗彎強(qiáng)度的增加是有限的，而由于結(jié)構(gòu)動力特性的急劇變化，結(jié)構(gòu)在某些地震激勵下，在結(jié)構(gòu)彈塑性分析的某一時刻，剪力增加明顯大于該層所承受的彎矩的增加，整個層間作用力重分布，在塑性層所受彎矩變化不大的情況下，剪力合力作用點(diǎn)迅速下移。當(dāng)塑性層出現(xiàn)在本已剛度較弱的轉(zhuǎn)換層下部時，加劇了轉(zhuǎn)換層上下間的剛度差異，進(jìn)一步增大了轉(zhuǎn)換層上、下部的轉(zhuǎn)角差值，使剪力下移這種對結(jié)構(gòu)不利的效應(yīng)迅速加��；當(dāng)塑性層出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層以上時，上述不利效應(yīng)大為減緩，但仍須保證轉(zhuǎn)換層下部剛度的遞減不至于使其不能提供足夠的強(qiáng)度以抵抗因動力效應(yīng)變化所增大的內(nèi)力效應(yīng)。
2.3 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)震害及擬動力試驗(yàn)分析
在1971年美國圣費(fèi)南多地震、1979年美國EL-Centro地震、1995年日本阪神地震中，帶有剪力墻豎向構(gòu)件不連續(xù)的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)底部剛度和強(qiáng)度的不足使結(jié)構(gòu)發(fā)生較嚴(yán)重的震害。大量擬動力試驗(yàn)也表明剛度不足的轉(zhuǎn)換層下部往往首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，落地剪力墻出現(xiàn)彎曲裂縫或彎剪裂縫，隨著裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，落地剪力墻的剛度迅速遞減，框支剪力墻與落地剪力墻承擔(dān)的剪力差值進(jìn)一步加劇，框支柱內(nèi)力也急劇增加，轉(zhuǎn)換層下部位移增加，能量進(jìn)一步集中在本已薄弱的結(jié)構(gòu)底部。結(jié)構(gòu)底部破壞嚴(yán)重。保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)底部足夠的剛度和強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)在地震作用下，底層結(jié)構(gòu)不過早進(jìn)入屈服，或僅出現(xiàn)少量裂縫，而屈服首先發(fā)生在轉(zhuǎn)換層上部，其抗震設(shè)計概念在歷次重大震害及震動臺模型試驗(yàn)中得到證明。
2.4 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置
國內(nèi)大部分帶轉(zhuǎn)換層高層建筑商住樓均在轉(zhuǎn)換層以上布置密集的墻肢，而在轉(zhuǎn)換層以下，為了建筑大空間的需要而僅在電梯核心筒處布置整片剪力墻，周邊布置大間距的框支柱，四角為滿足結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層下部抗扭剛度的需要而設(shè)置適當(dāng)?shù)膲χ鐖D10所示。
從圖10可見，在抗震設(shè)計中，轉(zhuǎn)換層上部均勻布置的大量墻肢與以核心筒為主要受力構(gòu)件都具備足夠的剛度和強(qiáng)度以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板或連梁連接而協(xié)同工作，共同抵抗外力。在地震作用下，當(dāng)其中一部分有所損傷時，另一部分有足夠的剛度和承載力能夠承受較多地震作用，損傷部分（包括墻肢和連梁）可以與它共同擔(dān)當(dāng)抗震任務(wù)，并充分地發(fā)揮其延性耗能能力。結(jié)構(gòu)不會因某一墻肢或連梁出現(xiàn)屈服而產(chǎn)生不利于抗震效應(yīng)的
較大動力特性或承載力突變而倒塌，從而形成剛?cè)岵?jì)的多道設(shè)防機(jī)制。而以落地剪力墻為主要抗側(cè)力構(gòu)件單獨(dú)抵抗地震作用的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)底部首先出現(xiàn)屈服，將引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)震害。
3 結(jié)論
1)高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)底部剛度突變及豎向構(gòu)件不連續(xù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生與常規(guī)高層建筑結(jié)構(gòu)不一樣的側(cè)向力分布，該側(cè)向力分布導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的水平側(cè)向力合力作用點(diǎn)下移，將可能使提供主要抗側(cè)力的剪力墻成為受力上的矮墻而產(chǎn)生剪切破壞。
2)必須保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)底部有足夠的剛度和強(qiáng)度，減少不利的側(cè)向力分布，避免結(jié)構(gòu)底部過早屈服，充分地發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體延性耗能能力，形成剛?cè)岵?jì)的多道設(shè)防機(jī)制。
3)由于地震作用的不可預(yù)測性及高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)工程師不應(yīng)盲目依賴計算機(jī)，而應(yīng)在掌握轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)受力及變形特征的基礎(chǔ)上，以承載力、剛度和延性為主導(dǎo)的整體思想進(jìn)行概念設(shè)計。
4[摘要]本文針對性地論述了高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系地震作用下的受力及變形特征，并從局部延性與總體延性的關(guān)系、塑性層出現(xiàn)后的動力效應(yīng)、震害及擬動力試驗(yàn)分析、建筑結(jié)構(gòu)平面布置等方面論述高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)合理的屈服機(jī)制。研究結(jié)果表明：高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)底部有足夠的剛度和強(qiáng)度，從而減少不利的側(cè)向力分布，避免結(jié)構(gòu)底部過早屈服，充分地發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體延性耗能能力，最終形成剛?cè)岵?jì)的多道設(shè)防機(jī)制。
