（土木工程专业论文）带转换层的复杂高层建筑结构弹塑性分析及合理层刚比研究.pdf

摘要 摘要 带转换层结构属于蛏向不规则结构，结构的倒向刚度在转换层 、下层处存 在突变，转换层下部相对于转换层上部为薄弱环节。历次地震的震害表明，底部 柔软层房屋在大地震中的倒塌非常普遍。因此，有必要对带转换层结构的抗震性 能进行研究。 本文使用通用结构有限元分析软件s a p 2 0 0 0 ，采用静力非线性方法和振型分 解反应谱方法对带转换层结构的抗震性能进行研究。在推导得出能综合考虑抗侧 构件弯曲刚度和剪切刚度的转换层上、下层侧向刚度比公式后，分别对带有转换 层的框架剪力墙结构和框架核心筒结构进行了大量的分析计算，在此基础上得 出转换层上、下层刚度比限值的合理范围及转换层设置高度对结构抗震性能的影 u 向。这些工作对于实际工程具有一定的参考价值。 关键词：转换层，刚度比，s a p 2 0 0 0 ，框支剪力墙结构，带转换层框架核心筒 结构，静力非线性分析，振型分解反应谱法 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s f e rs t o r ys t r u c t u r e sb e l o n gt oi r r e g u l a rb u i l d i n g si nv e r t i c a ld i r e c t i o n t h e r e m a yb ea b r u p tc h a n g e so fl a t e r a ls t i f f n e s si ns t r u c t u r e sw i t ht r a n s f e rs t o r y s t r u c t u r e w i t hs p a c i o u sf i r s ts t o r yw a so f t e nd e s t r o y e ds e r i o u s l yi ne a r t h q u a k e sb e c a u s eo fi t s s o f tf i r s ts t o r y t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es e i s m i cb e h a v i o ro ft r a n s f e rs t o r y s t r u c t u r e s ， t h em a i np a r to ft h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo ft h es e i s m i cb e h a v i o ro f t r a n s f e rs t o r ys t r u c t u r e su s i n gt h en o n l i n e a rs t a t i c a n a l y s i sm e t h o da n dt h em o d e d e c o u p l i n gr e s p o n s es p e c t r am e t h o dw i t h t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e s a p 2 0 0 0 a f t e rd e d u c i n gan e wf o r m u l af o rt h el a t e r a ls t i f f n e s sr a t i o ，t h ep a p e rd e a l s w i t ht h es e i s m i cb e h a v i o ro fs h e a rw a l ls t r u c t u r ew i t hs u p p o r t i n gf r a m e sa n d f l a m e t u b es t r u c t u r ew i t ht r a n s f e rs t o r e y , r e s p e c t i v e l y a st h er e s u l t so fal a r g en u m b e r o fc a l c u l a t i o n sa n da n a l y s i s ，t h er e a s o n a b l er a n g eo ft h el a t e r a ls t i f f n e s sr a t i oi sp u t f o i w a r da n dt h ee f f e c to ft h es t i f f n e s sr a t i oo ns e i s m i cb e h a v i o ro fs t r u c t u r ew i t h d i f f e r e n tt r a n s f e rs t o r yl e v e li sd i s c u s s e da sw e l li nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：t r a n s f e rs t o r y , s t i f f n e s sr a t i o ，s a p 2 0 0 0 ，s h e a rw a l l s t r u c t u r ew i t h s u p p o r t i n g f r a m e s ，f l a m e t u b es t r u c t u r ew i t ht r a n s f e rs t o r y ， n o n l i n e a rs t a t i ca n a l y s i s ，m o d ed e c o u p l i n gr e s p o n s es p e c t r am e t h o d h 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文! 篮挂逸屋的复苤直屋建篡缝掏翌 塑性佥圭丘丛金理层圈4 出婴究”o 除论文中已经注明引用的内容外，对 论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：香凇 2 0 0 5 年4 月1 1 1i = = j 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 我国高层建筑的发展1 1 】 高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，是现代城市的重要标志， 是一个国家或地区科技水平与经济发展的综合反映，它可以有效地利用宝贵的土 地资源和空间资源。近年来随着国民经济的高速发展，我国在高层建筑的建设速 度、规模、质量等各方面取得了举世瞩目的成就。总体来讲，我国商层建筑发展 有以f 特点： 1 层数增加，高度加大 山于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地紧张，近年来国内高层建筑 的层数越来越多，高度不断增加。1 9 9 4 年末，我国已建成的按高度统计为前1 0 0 名的建筑中，最高的是2 0 8 m ，最低的是1 0 4 m ；至1 9 9 6 年末，在高度为前1 0 0 名的建筑中，原来统计的1 0 0 幢只剩下了2 5 幢，最高的建筑达到了3 2 5 m ，最低 的是1 2 0 m 。近几年变化更大，高度为3 6 5 m ( 荐尖达4 2 1 m ) 的金茂大厦己经投入 使用；我国最高的建筑、达到4 9 2 m 的上海环球金融中心己经开工。 2 向多用途、多功能发展 我国高层建筑在早期多为单一用途，如高层住宅、高层旅馆、高层办公楼等。 到上世纪7 0 年代末，上层为住宅、下层为商店的商住楼开始在上海、北京兴建。 另一方面，层数目益增多的高层公共建筑，为满足不同用户的需要，同时也为适 应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦。不同的功能对结构 的要求不同，因而结构变得越来越复杂。 3 平面布置和立面体型日益复杂 我国高层建筑在上世纪8 0 年代以前，体型大多撬贝i j 。平面多为矩形，少量 为l 形、槽形，一般比较简单。近年来，随着我国经济实力的增强，建筑科技 伴随其它科技领域的发展而迅速发展起来。结构的平面形状日趋复杂，立面体型 也越来越不规则。在平面上，出现了双风车型、- - x 型、s 型、环型、u 型、蝴 第一章绪论 蝶结型等多姿多彩的平面形式：在立面上，有立面开大洞、外挑内收和大底盘多 塔楼等。 4 结构体系h 趋多样化 上世纪8 0 年代以前，我国商层建筑结构基本上是钢筋混凝土三大常规体系： 框架结构、剪力墙结构和框架剪力墙结构。随着建筑功能和建筑艺术要求提高， 平面布置和竖向体型只益复杂，设防烈度提高，这三大结构体系已难以满足要求。 以守问整体受力为特征的简体结构得到了广泛应用。另外还有一些更新颖的结构 型式也得到了应用，取得了良好的效果，如巨型框架体系和框架一支撑体系。目 前超高层建筑所采用的结构体系主要有以下四种：框架- 筒体体系、多简体系、 框架一支撑体系、巨型框架体系。 1 1 2 复杂高层建筑结构 随着高层建筑结构体型和空间布置的日益复杂，出现了越来越多的复杂高层 建筑。复杂高层建筑的出现有着其社会背景：由于城市用地紧张，建筑物向空中 和地下发展；公众审美观的多样化促使建筑师对建筑形态不断变化和创新；房产 市场需求的不断变化，居住者对居住建筑设计中“四明”的要求以及需求的多样 化促使设计者不断翻新；也有些来自建筑地块本身形状的制约。这些是复杂高层 建筑越来越多的外在原因。 根据高层建筑混凝土结构技术规程【2 】( j g j 3 2 0 0 2 ) 中的规定，复杂高 层建筑结构包括带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构和多塔 楼结构等。和一般高层建筑结构相比，复杂高层建筑结构在荷载和地震作用下受 力复杂，因此高层建筑混凝土结构技术规程1 2 ( j g j 3 2 0 0 2 ) 中对复杂高层 建筑结构的设计有另外具体的规定： 1 复杂高层建筑结构的抗震设计应采用至少两个不同力学模型的结构分析 软件进行整体计算，以资分析、对比，合理进行结构构件设计；同时在构造上应 采取有效措施，保证结构有良好的抗震性能。 2 为了保证结构设计的安全性，7 度、8 度抗震设计时的高层建筑不宜同时 采用两种以上的复杂结构。 3 一般高层建筑设计，采用合适的计算分析程序进行整体计算，按各构件 承受的内力进行截面设计与配筋构造：而复杂高层建筑结构则要求在进行整体计 2 第一章绪论 算后，对其中某些受力复杂部位，宜用有限元法等方法进行详细的应力分析，了 解应力分布情况，并按应力进行配筋校核。 1 1 3 超限高层建筑结构 按1 9 9 8 年1 月建设部令中的定义，超限高层建筑结构是指超出现行有关技 术标准所规定的适用高度、高宽比限值或体型舰则性要求的高层建筑结构1 5 j 。从 目前的工程实践来看，超限高层建筑结构主要包括以下3 种： 1 ，高度和高宽比超限 我国高层建筑混凝土结构技术规程f2 1 ( j g j 3 2 0 0 2 ) 适用范围的上限为 1 5 0 米( 抗震设计) ，因此可以认为超过1 5 0 米的高层建筑属于高度超限建筑。 另外，高层建筑混凝土结构技术规程1 2 1 ( j g j 3 。2 0 0 2 ) 对钢筋混凝土高层 建筑结构适用的最大高宽比做出了具体规定，凡是超出此规定的高层建筑可认为 是高宽比超限建筑。 2 ，平面规则性超限 平面规则性超限是当前设计中的一种较主要的超限形式，其主要表现为：( 1 ) 楼板开凹口深度太大【2 l ( 图1 1 a 示) ，b b 0 3 ；( 2 ) 楼板之间连接较弱( 图1 1 b 示) ，( s 1 + s 2 ) b 、 1 ；( 4 ) 楼板 开洞太大( 图1 _ 1 d 示) ，b b 0 3 ；( 5 ) 平面长宽比超限等。 ( a ) 凹口太深( b ) 楼板间连接较弱 ( c ) 楼板突出( d ) 楼板开洞 图1 】平面规则性超限的几种情况 3 ，蛏向规则性超限 竖向规则性超限包括以下几种情况：( 1 ) 立面收进幅度过大( 如图1 2 a 所 示) 。一般当收进尺寸超过收进方向平面尺寸的2 5 以上时即为超限。从结构抗 侧刚度的变化来讲，收迸层与下层刚度比小于7 0 ，连续两次收进后的刚度小于 未收进层的5 0 ，均可认为是超限。( 2 ) 连体建筑( 如图1 2 b 所示) 。连体建筑 第章绪论 顶部的重量较大，对结构抗震很不利。一般情况下连体部位的层数不宜超过该建 筑层数的2 0 。( 3 ) 立面丌大洞建筑( 如图1 2 c 所示) 。立面扦大洞建筑容易形 成蛏向刚度突变，成为竖向规则性超限建筑。一般情况下洞u 尺寸不宜大于整个 建筑立而面积的3 0 。( 4 ) 大底盘多塔楼建筑( 如图1 2 d 所示) 。大底盘多塔楼 建筑由于底盘裙房刚度与塔楼刚度有差异以及底盘裙房尺寸与塔楼尺寸有较大 差异，也容易造成竖向刚度变化较大而成为超限。c 5 ) 带有转换层结构由于结构 上部楼层的部分竖向构件不能直接连续贯通落地，容易造成竖向刚度有突变，从 而形成竖向不规则结构。对于这类结构中转换层的位置，7 度区( 抗震规范的适用 范围1 为第2 层，超过此位置即为超限，但最高不宜超过第5 层。8 度区不宜超过 第3 层。 f a ) 立面收近 ( b ) 连体建筑( c ) 立面开大洞 ( d ) 多塔楼 图1 2 竖向规则性超限的情况 1 2 带有转换层的结构【1 】【6 1 1 7 1 1 2 1 问题的提出 现代高层建筑向多功能、综合用途发展，在同竖点线上，顶部楼层布置住 宅、旅馆，中部楼层作为办公用房，下部楼层作商店、餐馆、文化娱乐设施。不 同用途的楼层，需要大小不同的开间，采用不同的结构形式。 从建筑功能上，上部需要小开间的轴线布置，需要较多的墙体以满足旅馆和 住宅的要求；中部办公用房则需要小的和中等大小的室内空间，可在柱网中布置 一定数量的墙体；下部公用部分，则希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要大， 墙要尽量少。 上述要求与结构的合理、自然布置趋势正好相反。由于商层建筑结构下部楼 层受力很大，上部楼层受力较小，正常布置时应当是下部刚度大，墙多，柱网密， 4 l一 jllllllj 一 l_llli 第一章绪论 到上部渐渐减少墙、柱，扩大轴线间距。结构的正常布置与建筑功能之间就产生 了矛盾。 为了满足建筑功能的要求，结构必须以常规方式相反布置：上部布置小空间， 下部布置大空i 、日j ：上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实 现这种结构布置，就必须在结构转换的楼层设置转换层。 1 2 2 转换层的分类 按转换层所实现的结构转换，可分为两类： 1 上层和下层结构类型转换 这种转换层广泛用于剪力墙结构和框架一剪力墙结构，它将上部剪力墙转换 为下部的框架，以创造个较大的内部自由空间，如图1 3 a 所示。例如深圳市 彩龙商业城商住楼，3 7 层( 含三层地下室) ，地上1 至4 层和裙房为商场，采用 框架结构( 含核心筒) ，6 至2 9 层为住宅，采用剪力墙结构，第5 层为梁式转换 层，转换托梁高达2 4 m 。 2 上、下层的柱网、轴线改变 转换层上、下的结构形式并没有改交，但是通过转换层使下层柱距扩大，形 成大柱网，并常用于外框筒的下层形成较大的入口，如图1 3 b 所示。例如香港 新鸿基中心，5 1 层，总高度达1 7 8 6 m ，采用简中筒结构，5 层以上办公楼，【 至4 层为商业用房。外框筒柱距为2 4 m ，无法安置底层入口，采用2 0 5 5 m 的 预应力大梁进行结构轴线转换，将下层柱距扩大为1 6 8 m 和1 2 m 。 上部剪力墙 转换层 。一 i _ r 1 = 二! 一大柱网框架 j i - - - l - - - - _ 一 ( a ) 结构类型转换 图1 3 转换层的类型 5 a ) ) 柱网、轴线改变 小柱网框架 转换层 大柱网框架 第一章绪论 1 2 3 转换层的建筑功能 1 提供大的室内空问 底部大空间剪力墙结构可以在建筑物下部形成一层或多层的大空问。剪力墙 间距小，适合于布置住宅和旅馆的客房层。当需要在底部布置商店、会议厅、餐 厅及其它需要较大空间的公用房间时，可以将部分剪力墙通过转换层变为框支剪 力墙，用框架柱代替剪力墙以满足建筑功能的要求。 2 为建筑提供大的入口 当采用外框筒时，外框柱距往往在3 0 m 以内，无法提供建筑物的较大入口， 因此必须在下层部分通过转换层改变柱距以形成入口。 1 2 4 转换层的结构形式 目前在工程中应用的转换层主要结构形式有：梁式、桁架式、空腹桁架式、 箱型和板式转换层，如图1 4 所示。 梁式转换层应用最广泛，它设计和施工简单，受力明确，一般用于底部大空 问框支剪力墙结构体系。当需要纵横向同时转换时，采用双向梁布置。梁式转换 层结构目前在工程应用中实例很多，在深圳市就有彩龙商业城商住楼、裕龙大厦、 华裕大厦、流花大厦和航空大厦等。 单向托梁、双向托梁如果连同上、下层较厚的楼板共同作用，可以形成刚度 很大的箱形转换层。这在铁路工程中是常见的结构用于房屋结构的工程较少， 北京市艺苑假日皇冠饭店就采用了箱形转换层。 当上下柱网、轴线错开较多，难以用梁直接承托时，则需要做成厚板，形成 板式承台转换层。板式转换层的下层柱网可以灵活布置，无须与上部结构对齐， 但自重很大，材料耗用较多。采用板式转换层结构的实际工程有深圳华采花园、 佳宁娜友谊广场、福田彩虹城大厦，香港绿杨新村以及国外的斯洛伐克首都布拉 迪斯拉发的基辅饭店等。 当底部大空间楼层的柱距较大时，转换梁的高度常达到楼层的高度。转换大 梁的工作性质决定了它不能开大的孔洞，因而转换层的空间无法利用。采用桁架 式转换层，可以方便地设置通道和门窗，使转换层的空间可作为建筑用途。应用 桁架转换层的实际工程有上海龙门宾馆、铁路大厦、北京香格里拉饭店、南京新 世纪广场。 豁一章绪论 f j 一 j l 】 ( a ) 粱 i i 一 _ 一f 上二_ r 二；二二了二二二一。二i r 一一1 一1 l l 【i 一 ( b ) 桁架( c ) 空腹 ( d ) 箱型柒( e ) 厚板 图1 4 转换层的结构形式 1 3 基于性能的抗震设计 1 3 1 性能抗震设计理论的提出 近一个世纪以来，随着人类对地震地面运动特征及结构地震反应特征的不断 认识，建筑结构的地震反应分析和抗震设汁方法也在不断地发展和完善。在过去 近一百年，结构地震反应分析方法逐步从静力理论、反应谱理论、弹性动力理论， 发展到了非线性动力理论。同时，抗震设防标准及设计方法的合理性也在不断经 受强烈地震的验证。在抗震设防的早期阶段，抗震设防是以单设防水准来保证 结构安全为标准的。上世纪七十年代以来，随着人们对地震的不确定性及经济与 结构安全性之间的合理关系的认识，多级抗震设荫的思想逐步得到地震工程界的 认同。“小震不坏、大震不倒”的设计思想在上世纪八十年代初逐步被一些国家 的抗震设计规范所采用，但在规范中地具体实施仍主要以确保生命安全为一级设 计准则f 8 】 9 1 ，抗震设计仍主要是采用基于强度的设计方法，难以有效控制结构在 未来地震下的破坏程度【1 0 1 。 近期世界上几次强烈地震表明，现行的以保证生命安全为一级设计准则的抗 震设计理念在避免建筑出现造成人员伤亡的破坏方面确实具有一定的可靠性，但 却不能在强烈地震或中等强度地震中有效地控制地震造成的经济损失。比如： 1 9 8 9 年1 0 月美国加州洛马普里埃塔( l o m ap r i e t a ) 7 1 级地震造成的经济损失 达7 0 亿美元，1 9 9 4 年1 月美国加州北蛉( n o r t h r i d g e ) 6 9 级地震所造成的经济 损失达3 0 0 亿美元，1 9 9 5 年1 月日本神户7 2 级地震所造成的经济损失则高达 第一奇绪论 1 0 0 0 亿美元，1 9 9 9 年9 月我国台湾省南投县集集地震也造成了3 7 6 6 亿新台币的 经济损失，无疑，随着社会经济的发展和城市信息化水平的提高，现行的抗震设 计理念在减少地震损失方面将越来越显得力不从心。基于对上述问题的深刻反 思，荚国学者在上世纪9 0 年代初期率先提出了基于结构性能的抗震设计理论 ( p e r f o r m a n c e b a s e d s e i s m i c d e s i g n ，p b s d ) ，并在政府的资助下启动了许多相关 的研究项f 1 1 1 1 1 1 2 1 。随后，基于结构性能的抗震设计理论很快得到了日本和拉美 等多地震国家的地震工程界的广泛认同【9 】并逐步引起了我国地震工程界的注意 1 1 3 l h 【1 5 l 。可以肯定地说，基于结构性能的抗震设计理念是二十一世纪世界各国 建筑抗震设计规范修订的主要理论依据。因此，基于性能抗震设计理论的实用化 研究是目前国际地震工程界的重要研究课题。 1 3 2 静力非线性分析方法 基于性能的结构设计主要包括静力非线性分析( n o n l i n e a rs t a t i cp r o c e d u r e ， 也称为p u s h o v e r a n a l y s i s ) 和动力非线性分析( n o n l i n e a rd y n a m i cp r o c e d u r e ) 。 动力非线性分析可以计算地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形状态， 给出结构的开裂和屈服的顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而判明结构 的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型，因此被认为是结构弹塑性分析的最可 靠方法。目前，对一些特殊的、复杂的重要结构愈来愈多地利用动力非线性方法 进行计算分析，许多国家已将其纳入规范。但是，动力非线性分析技术复杂、计 算耗费机时，计算工作量大、结果处理繁杂，且许多问题在理论上还有待改进( 直口 输人地震动及构件恢复力模型的不确定性等) ，各规范有关动力非线性分析的规 定又缺乏可操作性，因此在实际工程抗震设计中该方法并没有得到广泛的应用， 通常仅限于理论研究中。 静力非线性分析方法是一种较简便且非常有效的弹塑性地震反应分析法。这 一方法通过对结构施加特定的单调增加的水平侧向荷载来确定结构的承载能力。 通过静力非线性分析，可以得到下列结构特性： a 、 整个结构体系的抗力与延性； b 、 结构各单元的屈服顺序； c 、整个结构的塑性极限破坏机制； d 、局部薄弱环节和部位： 第一章绪论 e 、局部变形能力。例如，局部屈曲、塑性铰等。 静力非线性分析方法在国外应用较早，上世纪8 0 年代初期在一些重要刊物上就 有论文采用过这种方法，1 1 w c e e 论文集中更有多篇关于该方法的介绍。近年来， 在a s c e 、e e r ! 及e a r t h q u a k ee n g i n e e r i n ga n ds t r u c t u r a ld y n a m i c s 等刊物以及一 些相关的论文集和研究报告中，时常可以见到这方面的论文【1 6 1 1 7 h 1 8 艄】f 加1 。 1 方法概述 静力非线性分析方法，应用于强烈地震f 结构的非线性分析，是以假定结构 的地震反应与一个等效单自由度体系的动力反应之间存在某中对应关系为理论 基础的。 其大致步骤如下： ( 1 ) 输入设计地震参数、荷载、几何及材料信息； ( 2 ) 建立结构计算模型，形成初始单元刚度矩阵并集成总剐； ( 3 ) 求解等效单自由度体系的侧推目标位移； ( 4 ) 根据设定的水平荷载模式，确定荷载增量系列，按荷载增量分级施 加于结构上，静力推覆结构，得到相应于该荷载下的响应； ( 5 ) 对在上一步荷载下进入屈服的构件，改变其状态，重新形成计算模 型，形成新的刚度矩阵，再按荷载增量系列累积施加水平荷载，得到相应 该荷载下的响应： ( 6 ) 不断重复第5 步，直到结构达到目标位移，或塑性铰过多形成机构； ( 7 ) 对结构计算成果进行整理。 2 理论基础 静力非线性分析方法作为一种结构非线性响应的简化计算方法实际上是一4 种静力方法，没有特别严密的理论基础。它的目标是获得结构在可能遭遇的地震 作用下结构构件的内力、结构整体或局部变形等。最先提出的静力非线性分析方 法的两个基本假定是： ( 1 ) 实际工程中的多自由度结构体系的地震响应与一个等效的单自由度体 系相关，这意味着结构的地震响应仅由第一振型控制。 ( 2 ) 结构沿高度的变形由形状向量静 表示，在整个地震反应过程中，无论 结构的变形大小，形状向量 甜保持不变。 第一章绪论 1 3 2 带转换层结构的非线性分析 带转换层结构属于竖向不规则结构，结构的抗侧刚度在转换层上、下层处存 在突变，转换层f 部相对于转换层上部为薄弱环节。历次地震震害的经验教训告 诫我们，底部柔软层房屋在大地震中的倒塌非常普遍。 因此对于底层框支剪力墙结构，建筑抗震设计规范【3 】( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 和高 层建筑混凝土结构技术规程【2 】( j g j 3 2 0 0 2 ) 都提出了控制转换层上、下层结构 抗侧刚度比y 的要求，非抗震设计时y 不应大于3 ，抗震设计时y 不应大于2 。这 样的目的就是为了保证转换层下部结构的抗侧剐度接近转换层上部临近结构的 抗侧刚度，不发生明显的刚度突变，避免转换层下部结构成为软弱层。 但是同时也要指出，建筑抗震设计规范【3 1 ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 和高层建筑混凝 土结构技术规程【2 】( j g j 3 2 0 0 2 ) 提出的控制转换层上、下层结构抗侧刚度比y 的 要求也有不完善的地方： 1 建筑抗震设计规范纠( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 和高层建筑混凝土结构技术规程 1 2 1 ( j g j 3 2 0 0 2 ) 中给出的控制转换层上、下层抗侧刚度比公式都是用转换层上、 下层的剪切刚度比来近似代替楼层侧向刚度比，那么楼层的剪切刚度比能不能代 替楼层的侧向刚度比，有没有一个适用范围，即在什么情况下这样的近似可以接 受，什么情况下不可以，这些问题需要进一步的探讨。 2 ，建筑抗震设计规范p 1 ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 和高层建筑混凝土结构技术规程 脚( j g j 3 2 0 0 2 ) 中提出了控制转换层上、下层结构抗侧刚度比y 的要求。非抗震 设计时y 不应大于3 ，抗震设计时r 不应大于2 。对于“抗震设计时y 不应大于2 ” 这一要求，缺乏必要的试验验证和理论依据。也就是说，抗震设计时如果做到了 y 不大于2 ，那么是否可以保证转换层上、下层不发生明显的刚度突变，在罕遇 地震时转换层下部结构是否就可以不成为软弱层，这些问题都需要认真的研究探 讨。 3 ，在地震区，许多工程的转换层位置较高，一般做到3 - 6 层，有的工程转 换层甚至位于7 1 0 层，甚至更高，这就是我们所说的高位转换结构。对于这类 结构，工程师往往沿用转换层在底层时结构的设计方法，但是原有的设计方法是 否满足高位转换结构的需要，转换层位置对结构的抗震性能有何影响，在设计中 l o 尊一章绪论 应注意哪些问题，这都是工程设计人员迫切关注的。 带转换层结构属于竖向不规则的复杂结构，由于转换层的存在易使结构在转 换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，并易形成薄弱层，对抗震不利1 2 1 1 1 2 2 】。 因此有必要对带转换层结构在大震下的弹塑性性能进行分析，对转换层上、下层 结构在塑性阶段的内力和刚度情况进行精细计算，以得出符合实际的计算结果来 指导工程实际。 1 4 本文的主要工作 本课题在掌握与应用高层建筑结构计算分析方法的基础上，借鉴前人对其它 形式复杂高层建筑结构的研究方法，以振型分解反应谱法和p u s h o v e r 方法作为抗 震计算理论，以大型通用结构分析软件s a p 2 0 0 0 i 2 3 j 1 2 4 1 1 2 5 】作为计算工具，对具有 不同类型转换层的结构进行了多方面的计算分析。具体丌展了以下工作： 1 广泛收集国内外文献资料，在深入研究分析的基础上，讨论了p u s h o v e r 分析方法的基本原理以及实施步骤，对于p u s h o v e r 分析方法的有关方面作了评 价。其次，对于目前国内外有关该分析的研究现状作了扼要总结，并对其应用作 了评价和展望。 2 对通用结构分析软件s a p 2 0 0 0 的p u s h o v e r 功能进行了深入研究。在对结构 进行整体三维建模的基础上，提出利用非线性三维梁柱单元模拟结构中的梁、 柱构件的方法。对t s a p 2 0 0 0 无法直接对剪力墙进行非线性分析的情况，参考有 关文献【2 6 】【2 7 1 ，提出了一种利用刚性梁和非线性三维梁柱单元组合模拟剪力墙的 方法。在对混凝土和钢筋本构关系深入研究的基础上，选择了适用于本文的混凝 土和钢筋本构关系表达式。对构件塑性铰长度的选取作了细致的分析，提出了适 用于本文的构件塑性铰等效长度计算公式。利用截面分析软件r e s p o n s e 2 0 0 0 = t 算构件截面的m 一妒关系和一m 相关面，给出构件截面开裂、屈服和破坏时的 弯矩和曲率。另外，还简要介绍t s a p 2 0 0 0 的p u s h o v e r 分析中使用的侧向荷载模 式和目标位移计算方法。 3 ，对建筑抗震设计规范【3 1 ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 和高层建筑混凝土结构技术规 程【捌( j g j 3 2 0 0 2 ) 中建议的转换层上、下层结构等效剪切刚度比公式进行分析， 1 1 第一章绪论 指出其使用范围和不足之处。推导并提出了综合考虑构件抗剪刚度和抗弯刚度的 结构转换层上、下层结构侧向刚度比公式。 4 ，对具有不同转换层上、下层侧向刚度比的底层框支剪力墙结构进行静力 非线性分析，对结果进行对比分析，提出了底层框支剪力墙结构转换层上、下层 结构侧向刚度比限值。 5 ，对转换层设置高度不同的框支剪力墙结构进行静力非线性分析，对结果 进行划比分析，提出对于高位转换层应当控制转换层上部剪力墙结构与下部框支 结构等效抗侧刚度的建议。 6 ，时带转换层的框架核心筒结构进行静力非线性分析，提出转换层设在底 层的框架核心筒结构转换层上、下层结构侧向刚度比限值。研究了转换层设置 高度对框架核心筒结构抗震性能的影响。 第一章静力弹塑性分析 2 1 概述 第二章静力弹塑性分析方法 为了了解结构进入非弹性阶段的内力与变形状况，特别是探明柔弱楼层和其 它薄弱环节的塑性变形，工稃上4 般采用非线性动力分析。通过建立复杂的动力 非线性模型，选取合适的地震动参数和结构构件的恢复力模型，进行动力时程分 析，可以全过程的描述结构各构件的：l 作状态。但是动力非线性分析要建立复杂 的分析模型，计算量很大，而且其中还有许多问题在理论上有待改进：例如假定 的输入地面运动及恢复力模型的不确定性。在实际工程中人们往往需要在分析的 简单性和结果的有效性二者之间寻求一种平衡和协调。因此动力非线性时程分析 目前还仅限于一些重要、复杂结构的设计后性能验算和评价。在近年来的多次强 震灾害影响下，世界各国工程界目前广泛关注基于建筑物性能 f p e r f o r m a n c e b a s e ds e i s m i cd e s i 助) 的抗震思想【1 5 】f 2 8 j 捌。该思想为针对每一种设 防水准，将结构的抗震性能划分为不同等级，设计人员根据业主的要求，采用合 理的抗震性能目标和合适的结构措施。而静力弹塑性分析，即p u s h o v e r 分析， 是使结构受力而其位移达到目标位移或形成倒塌机制，从某种意义上说，这些都 是性能目标。基于这一背景，p u s h o v e r 分析被重新提出，并吸引了越来越多的研 究者。 p u s h o v e r 分析方法是对结构施加能近似反映地震动对结构作用的单调增长 的水平荷载，逐步进行弹塑性分析，直到结构达到目标位移或形成倒塌机制状态。 该方法简单实用，并可根据分析目的，结合地震反应谱，用图形的形式对结构的 抗震性能进行评价，因此可以非常直观地表示结构的能力。在这一过程中可得到 结构从弹性、屈服、一直到极限倒塌状态的内力、变形、可考察塑性铰的形成， 找到结构的薄弱部位。p u s h o v e r 分析可看作预测地震作用和变形需求的方法，它 大致描述了当结构承受超出弹性范围时啜性力的内力熏分布。 2 2p u s h o v e r 分析方法的目的 p u s h o v e r 分析是一种分析方法，并不是设计方法。其目的是评价结构体系的 陆能，预计在地震作用下的强度和变形需求，在感兴趣的性能水平上将这些需求 第二章静力抖靼惶分析 和结构的能j 进行比较。评价指标可根据分析目的来确定，包括整体侧移，层间 侧移，非线性单元变形等等。 p u s h o v e r 分析可提供以下信息： ( 1 ) 结构静力弹塑性性能 可以大致预测结构在水平力作用下的反应，进行结构构件的令过程分析，得 到塑性铰出现的先后顺序、塑性铰的分布和结构的薄弱环节等信息。 ( 2 ) 削断结构抗震承载能力 基于结构性能的抗震设计要求比较两个基本量：抗震需求与抗震能力。由 p u s h o v e r 分析得到抗震能力，即结构的基底剪力一顶点位移曲线。在能力谱方法 中，该曲线又称为“能力曲线”，它可以反应结构抵抗水平作用的能力。 f 3 1 确定结构的目标位移 基于结构性能的抗震设计的目标是控制结构在不同强度水平的地震作用下 的破损程度，以达到预期的结构性能。而确定目标位移是基于性能设计的关键。 确定目标位移有两种方法：一种为能力谱方法，另一种为间接方法。 ( 4 ) 建立结构整体位移与构件局部变形间的关系 结构的顶点位移或层间位移是由构件的变形产生的。p u s h o v e r 分析可得到结 构达到目标位移时杆端塑性转角的大小，甚至可以得到杆端截面混凝土极限压应 变的大小，从而可以确定对杆端塑性铰区的约束要求，来保证杆件有足够的变形 能力。 ( 5 ) 用于弹塑性时程分析 p u s h o v e r 分析得到的层剪力层间位移曲线，即为结构剪切层模型的层间滞回 曲线的骨架曲线，将其折线化并选取合适的恢复力模型即可进行层模型的弹塑性 时程分析。 2 3 p u s h o v e r 分析方法的背景 2 3 1 基本假定 p u s h o v e r j f f 析的基本假定为； ( 1 ) 结构( 多自由度体系m d o f ) f 舨应可简化成一个等效单自由度体系的 1 4 兰三里塑尘塑型生坌堑 反应，这就意味着结构的响应仪由结构的第一振型控制。 ( 2 ) 结构沿高度的变形由形状向量 声) 表示，在整个地震反应过程中，不管 结构的变形大小，形状向量 妒 保持不变。 可见，该方法没有特别严密的理论笨础，尽管上述两个假定在理论上不完全 正确，但已有的研究表明。”1 对于响应以第一振型为主的结构最大地震反应，浚方 法能得到较为合理的结果。 结构( m d o f f 本系) 的动力微分方程表示为： 【肘_ 】 x + 【c 】 x ) + q ) ；一f 】l f 】 u 工。 ( 2 1 ) 式中m 为结构质量矩阵，c 为阻尼矩阵，q 为结构层间恢复力向量，x 为 结构相对位移向量，膏。为地震加速度时程。 出上述两个基本假定，定义m d o f 体系的相对位移向量： 仁) ；静h ( 2 2 ) t 为结构顶点位移。则式( 2 1 ) 为： 【 ，】 妒) x r + 【c 】 庐 工r + q = 一【m 】 】，z 。( 2 3 ) 定义等效单自由度体系( s d o f ) 参考位移r + 为 善+ ，勰 甜【 f 】 1 ) ”v 将( 2 4 ) 代入( 2 3 ) ，则将结构( m d o f ) 的动力微分方程转化为等效单自由度体 系( s d o f ) 的动力微分方程： m z + c z + q = 一m x g ( 2 5 ) 式中m + 、c 、q 分别为s d o f 体系的等效质量、阻尼、恢复力。 m 一p r 【m 】 1 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 蓦| m ； 幽川 ：。 烂舻 | 柳 纠 q q f p 舻 伽 号 i q c 第二章静力弹浆性分析 2 3 2 等效单自由度体系模型 i t l p u s h o v e r 分析得到多自由度体系( m d o f ) 的能力曲线，即基底剪力v 顶点 位移x t 图( 见图2 1 ) 。为了更加便于分析，确定整体强度和位移量，可将曲线折线 化。由图2 2 a 所示，若简化为二折线则要确定屈服强度0 ，弹性刚度kt x t ， 以及屈服后刚度k 。并可根据这些特征点来定义等效的s d o f 体系的特征，图 2 2 b 中表示单自由度体系的z ；、珥可由图2 2 a 中的t 通过方程( 2 9 ) 与方程 ( 2 1 0 ) 求得： a 底部剪力 a ：= 驴r a y 。：丝2 ：! 丝】墅。 “ 驴r m i 僻“ ( 2 9 ) ( 2 i o ) 其中q 为屈服时的层恢复力向量 则等效体系的初始周期为 乙= h ，| 墨w 晶， ( a ) m d o f 体系 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) k l m d k一可一。_ 歹。 ， f ，数f l j 一一 ， a 。 成 图2 1m d o f 体系的能力曲线 图2 2 力位移曲线特征点 项部位移 一 一一j 。k s m o f z。x ( b ) 等效s d o f 结构的顶点位移t 和等效s d o f 的位移善+ 由方程( 2 1 0 ) 联系起来a 这样只要等 效s d o f 体系在承受设计地震作用时的位移可以估计出来，则相应的结构目标位 1 6 一 一 一一 ， y _ 第二章静力弹塑性分析 移也就町以得到了。目标位移可以认为是结构承受设计地震作用时，对其整体位 移的一个估计。运用p u s h o v e r 分析最本质的问题是确定目标位移的大小，结构抗 震性能评价即体现在该处。 2 3 3 分析步骤 可采用以下步骤得到结构基底剪力与顶点位移的关系曲线。 ( 1 ) 建立结构计算模型。 ( 2 ) 旌加竖向荷载，求初始内力。 ( 3 ) 旋加水平荷载，应尽量反映地震的 、jl i j 卜卜 i _ _ _ | 1 j_ _l q j l j ； 一 j 目l j 1 | ， 作用。( 见图2 3 ) 莲十 剪| 力| | 一一顶部付移 图2 3 侧向力分布模式 图2 4p u s h o v e r 分析曲线 ( 4 ) 判断单元应力是否达到了屈服强度，或单元弯矩是否达到屈服弯矩。对 已屈服单元置零或采用屈服后刚度。 f 5 1 对结构施加一新的侧向荷载增量，进行分析。 f 6 1 得到累积的基底剪力和顶部位移。 ( 8 ) n g ( 5 ) 一( 6 ) ，直到结构达到目标位移或形成倒塌机制。并在目标位移处 计算结构的内力和变形。 ( 9 ) 绘制基底剪力与顶部位移关系曲线，即能力曲线。( 见图2 4 ) 2 4p u s h o v e r 分析方法的研究现状 2 4 1 国外的研究与应用现状 在国外，上世纪七八十年代便已出现了关于p u s h o v e r 方法的研究，它并不是 一种新方法。近年来在广泛关注基于建筑物性能( p e r f o r m a n c e - b a s e ds e i s m i c d e s i g n ) 的抗震思想的背景下，世界各国的工程界又重新认识到p u s h o v e r 分析方法 的应用前景。由于该方法能充分利用现存地面运动信息和工程经验，又能灵活地 1 7 第二章静力弹塑性分析 融入新知识，现在己成为世界上几个主要机构研究的焦点，并致力于在抗震规范 中加以推广。例如，美国加州结构工程师协会的s e a o cv i s i o n2 0 0 0 ( 1 9 9 6 ) ；应 用技术委员会a t c 4 0 ( 1 9 9 7 ) ：联邦应急管j 里厅( f e m a - 2 7 3 2 7 4 ) ；建筑抗震安全 委员会( b s s c ) i 拘n e h r p ( 1 9 9 8 ) , 欧洲模式规范( e u r o c o d e 8 ) ；日本的p r e s s 钢筋 混凝士建筑结构设计指南等。 k r a w i n k l e r l 3 0 l 详细总结了p u s h o v e r 分析方法的基本原理，评价其优缺点，指 出了在何种情况下提供的信息充分可靠，或在何种情况下提供的信息不可靠，以 及哪些方面需要进一步的研究。 国外运用p u s h o v e r 分析的例子很多，但是大多数为对称结构。k i l a r 、f a j f a r 、 b a l r a m 等对于非对称的复杂结构的非线性地震响应进行了研究【1 6 】f ”i ，运用伪三 维数学模型，并进行了破坏评估，提出了一些简化分析程序，取得了较为理想的 结果，涕明p u s h o v e r 方法有广泛的应用空间。伪三维模型是一系列二维子结构的 集合体，将大型结构分为；框架、剪力墙、双肢墙和柱上墙等。它们分别对应一 种或多种可能产生的塑性机构，但每一种塑性机构形成所需的水平力增量不同， 因此塑性机构的出现形式对应于所需水平力增量最小的那一种。 在考虑高阶振型的影响方面，k s a s a k 3 2 1 提出取前凡阶振型来确定荷载分布 模式。每一种荷载模式中各结点的力幅值是根据相应振幅和各结点集中质量来确 定。 瓦；粤k ( 2 1 3 ) m 四 其中：为相应于第m 阶振型第i 节点的侧向力，w j 为i 节点的重量，屯是 第m 阶振型i 节点幅值，吒为m 阶振型的基底剪力。 f r e e