楼板刚_弹性计算假定对梁式转换高层建筑地震作用效应的影响_荣维生

第35卷第11期建　筑　结　构2005年11月楼板刚、弹性计算假定对梁式转换高层

建筑地震作用效应的影响

荣维生　王亚勇

(中国建筑科学研究院工程抗震研究所　北京100013)

[提要]　论述了楼板刚弹性计算假定对梁式转换结构地震反应的影响。提出楼层地震剪力在抗侧力构件中的分配除按楼盖的刚性、柔性和弹性三种情况考虑以外,还存在另一种分配方式,即转换层上邻近楼层框支剪力墙分配的地震剪力受转换层下部结构落地剪力墙设置的间距和楼板面内变形的影响。建议进行复杂高层建筑结构内力与位移计算时,楼板宜按弹性考虑。

[关键词]　楼板计算模型　刚性　弹性　抗侧力构件　地震剪力分配　框支剪力墙　楼板面内变形

E ffects of Floor Rigid or Flexible H ypotheses on Seismic R esponse of T all Building with T ransferring B eams/Rong

Weisheng,Wang Y ayong(China Academy of Building Research,Beijing100013,China)

Abstract:The effect on seismic responses of structure with transfer beams is discussed when horizontal diaphragms are assumed to be rigid or flexible.Except that the story shear forces of earthquake are assigned among the vertical lateral force2resisting members with the three types of rigidity,flexibility,and elasticity of the floor,the other kind of as2 signment is introduced that translated shear walls in adjacent stories above the transfer story receiving shear forces is impacted by spaces of shear walls below the transfer story and in2plane diaphragm deformations.Therefore,the advice that a flexible diaphragm model should be adopted in calculating internal forces and displacements of complex tall building structure is presented.

K eyw ords:rigid;flexible;diaphragm models;lateral force2resisting members;assignments of earthquake shear forces;translated shear wall;in2plane diaphragm deformation

1　问题的提出

对带转换层的高层建筑的结构计算分析往往采用常规的计算方法,在结构计算模型中假定楼板在其自身平面内为无限刚性。这种假定在竖向抗侧力构件不连续的情况下,计算结果可能不符合结构构件的实际受力状况,特别是在结构地震作用效应分析中[1,2]。

文[3]中采用了与文[1],[2]相似的算例,只将梁式转换结构改为板式转换结构,而计算的结果则刚好相反:转换层上部几层框支剪力墙分配的剪力不仅没有增加,反而出现一定程度的减小。在梁式和板式两种转换结构没有实质性改变的情况下,出现了两种不同的计算结果。在排除了人为、计算程序错误外,首先应分析框支剪力墙分配剪力增大的原因。框支剪力墙下端与框支柱相连,框支柱侧向刚度小,变形较容易,这样与框支柱相连的框支剪力墙也应容易变形。而框支剪力墙之所以分配较多的剪力,是由于受到较强的约束,不容易变形。在梁截面不变时,产生这种变化的原因只能是楼板的计算假定。

为了验证此判断的正确性,选取一个梁式转换结构的算例,其结构平面布置如图1所示。

计算模型结

图1　计算模型结构布置

构总高度9616m,转换层以下为框支剪力墙结构,层高415m,转换层上部为剪力墙结构,层高310m;转换层设置在层3。计算模型两个主轴方向转换层上、下结构等效侧向刚度比分别为γex=1158,γey=1110。

在计算模型中,对结构楼板采用不同的有限元假定,得到三种计算模型。其具体计算模型:L d为假定结构各层楼板均为刚性膜,即每层楼板在平面内无限刚;L etr为假定结构转换层顶板为弹性板,其他各层楼板均为刚性膜;L e为假定结构各层楼板均为弹性板。转换层楼板厚为200mm,其他各层楼板厚均为

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150mm。采用SA TWE软件进行结构计算,分析三种楼板有限元假定对梁式转换结构地震作用效应的影响,分析中梁的刚度保持不变。考虑地震作用方向为横向(结构短向y向)。

2　楼板刚、弹性假定对结构水平地震效应的影响各计算模型均选取前20个振型参与组合,考虑水平地震作用扭转影响,采用CQC法计算结构地震作用效应。按现行抗震规范[4]提供的地震参数进行计算,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0115g,设计地震分组为第一组,Ⅱ类场地。

211层位移、层间位移角

图2给出了三种计算模型在y向地震作用下,各楼层的平均层位移和层间位移角曲线。对其计算结果分析如下。

(1)从层位移、层间位移角图形对比来看,模型L e 的层位移、层间位移角明显大于其他两个模型;模型L etr的层位移、层间位移角与模型L d相差较小。

(2)在转换层上部结构中,模型L etr的层间位移角最小,而模型L e的层间位移角最大。与模型L d相比,模型L etr层间位移角最大减幅为515%,出现在转换层上层1,模型L e上、下端部层间位移角增幅较小,而中部层间位移角增幅较大,上部结构层间位移角的平均增幅为1417%,最大增幅已达到2417%。

这表明,楼板采用刚、弹性计算假定对转换层上部结构层间位移角的影响明显,弹性板假定对控制结构在地震作用下的层间位移角不利。显然在结构设计中,若楼板采用刚性膜假定能够满足多遇地震作用下的抗震变形验算,而采用弹性板假定未必能满足。因而,在侧向刚度较小的结构中,需按弹性板假定来进行结构抗震变形验算。

楼板采用刚、弹性计算假定对转换层上部结构有害层间位移角[5]的影响也明显存在。图2(c)给出了转换层上部结构有害层间位移角,该图反映了三种计算模型上部结构层间受力变形的位移。从图中可看出,模型L d在转换层以上几层有害层间位移角明显大于其他两模型。与模型L e相比,模型L d在转换层以上2～5层有害层间位移角平均增幅达到了6218%,最大增幅为75%。这表明,楼板采用刚、弹性计算假定对转换层以上几层有害层间位移角的影响远大于层间位移角的影响,进而影响到楼层水平地震剪力。

(3)在转换层下部结构中,模型L etr,L e的层间位移角均较模型L d有不同程度的增加。与模型L d相比,L etr的层间位移角最大增幅为1016%,出现在转换层,其他层增幅较小;模型L e各层层间位移角增幅为517%～1611%。这表明,楼板采用刚、弹性计算假定对转换层下部结构层间位移角的影响也是明显的。

(4)模型L d的转换层上、下结构层间位移角比[3]为1102;L etr的为1119;L e的为1108。与模型L d相比,L e的层间位移角比增幅为519%,L etr的增幅为1517%。模型L etr层间位移角比增大较为明显的原因是仅对转换层楼板释放了约束自由度,使得转换层附近楼层变形差距加大。以上分析数据表明,楼板采用刚、弹性计算假定对转换层上、下结构层间位移角比的影响也是存在的,弹性板模型层间位移角比有一定程度的增大。

212楼层地震剪力分配和传力途径

经过对三种模型的计算和数据整理,得到层地震剪力、落地剪力墙、框支剪力墙和框支柱分配的剪力如图3所示。此处重点分析楼板刚、弹性计算假定对结构抗侧构件内力和传力途径的影响。

(1)从计算结果对比来看,模型L e的层剪力明显小于其他两模型;模型L d与L etr的层剪力相差较小。

在结构y向,模型L e第1自振周期与L d相比增加了1514%,而与之相反,模型L d的基底剪力比模型L e增加了1616%。两者变化基本一致。与模型L e相比,L d各楼层层剪力均在增大,各楼层的平均增幅为1319%,最大增幅为1616%,最小增幅为1018%。这表明楼板采用刚性膜假定时,结构地震作用计算结果明显偏大,这样设计出的结构偏于保守。

(2)楼板刚、

弹性计算假定对转换层上邻近楼层剪图2　结构y

向地震反应图3　结构y向剪力

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