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1、第”I - A 届全国杰麓建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 钢桁架转换层不同设置高度 对高层建筑抗震性能的影响 秦从律贺明卫周建炉1 1 裘涛 ( 1 浙江大学建筑设计研究院，3 1 0 0 2 7 2 深圳市举森建筑设计公司5 1 8 0 6 7 ) 提要：结合工程实例，通过对不同设置高度下大跨度钢桁架转换层的动力特性和抗震性能差异的对比分 析，得出了钢桁架转换结构的动力响应特点和地震作用下的响应规律，同时对竖向地震作用下，钢桁架转 换层的受力和变形进行了探讨，为大跨度钢桁架转换层的抗震性能设计提出了一些建议。 关键词：大跨度，钢桁架，转换层，动力特性，抗震性能。 1 引言 随着建筑物
2、的功能愈来愈复杂，结构工程师经常会遇到转换层结构位置较高、转换构 件跨度较大的情况，工程师们对转换层位置较高时结构的受力特点甚为关注。本文邋过 个工程实例来分析大跨度钢桁架转换层结构在不同设置高度的动力特性，探讨设计带大跨 度钢桁架转换结构的高层建筑时应注意的问题。 浙江电力调度大楼工程地上1 5 层，总高度6 5 4 m ，采用现浇型钢混凝框架一剪力墙 结构体系，抗震设防烈度为6 度，乙类建筑，场地I l 类。该工程在第9 层有三榀转换桁架， 属高位转换层结构。桁架高度为8 0 m ，其上承托5 层钢筋混凝土框架结构。其平面和立面 如图1 、图2 所示。桁架l 为单跨桁架，跨度5 0 9 m
3、 ；桁架2 、3 在1 5 轴处设置了中间支座， 为连续两跨桁架，跨度分别为5 8 8 m 、6 5 5 m ，单跨最大跨度均为4 0 0 m 。 图1 转换钢桁架所在层的平蘑布置图图2 钢桁架1 ( c 轴) 、2 ( B 轴) 、3 ( A 轴) 立面布置圈 辩从簿舅，1 9 6 2 1 2 出生高级工程卿。主任工程师 1 3 8 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 本文进行了钢桁架转换层实际位于九层和假想位于二层、五层时转换结构的模态分柝 和弹性反应谱分析，对结构的动力特性和抗震性能进行了分析比较，考察了大跨度钢桁紫 转换结构在不同设置高度的动力响应特点和地震作用下的
4、响应规律。考虑到工群体型比较 复杂，楼板不宜假定为绝对刚性，假设楼板平面内刚度无穷大将会带来较大的计算误差。 为保证理论分析的准确性，应当采用高精度的板壳单元模拟结构楼板和剪力墙，采用结掏 通用有限元分析程序S A P 2 0 0 0 非线性版本进行计算。 1 ) 模型一：转换层设置于二层楼面，结构总高度不变； 2 ) 模型二：转换层设置于五层楼面，结构总离度不变； 3 ) 模型三：结构实际模型，转换层设置于第九层楼西。 2 结构动力特性分析 2 1 自振周期分析 模态分析一共计算了结构的前5 0 阶自振周期，图 3 所示为结构的前3 0 阶周期。分析可得：三个计算模 型结构的前三阶自振周期比
5、后面的各阶自振周期要大 很多，对应于结构的主要振型。同时，随着转换层设 置高度的降低，由于转换层上部楼层增加，使得结构 质量随之增大，因此，结构的自振周期也有所增：赶。 从整体上看，转换层设置在不同高度时，计算得 到的结构前三个周期相差不大，整体趋势也基本致， 说明转换层设置高度的变化对结构自振周期的影响不 大。 图3 不同计算模型的各阶自振周期 2 2 振型分析 结构的前6 阶振型特性如表l 所示，各阶振型参与系数变化如图4 所示。结果显示， 转换层设置于不同结构层时，结构的前三阶振型基本相同。在前面的6 阶振型中，当转换 层设置于九层时，出现了两阶( 2 、5 ) 的扭转振型，且在第6 阶
6、出现了以Z 向为主的竖向 振型；转换层设置在第五层和第二层时，均只出现了l 阶扭转振型，平动振型增加，且Z 向为主的竖向振型提前到了第4 阶。当转换层设置在篇二层时，栩对于另外两个模型，结 构以Y 向为主的振型有所增加。 分析表明，随着大跨度钢桁架转换层设置高度的降低，结构的整体性有所增强。反之， 则结构的整体性变差，扭转效应增加。 由图4 可知，三种分析模型的各阶振型中，X 、Y 向的前三阶的振型参与系数较大， 且随阶数的提高而波动式地衰减。说明在计算水平地震作1 肆j 效应时，起控制作用的是前儿 阶。第1 、3 阶X 或Y 向振型参与系数较Y 或X 向振型参与系数要大，故振型以平动为主。
7、1 3 9 第十八届全凰离屡建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 而第2 阶X 和Y 向振型参与系数较为接近，故振型以扭转为主。这主要是结构平面不规则、 体型复杂所致。 裁 瞵 胛 舔 剥 蜷 星 表1 结构模型基本动力特性 阶次 模型一 模型二檬珏! = l Y 向为主的第一振型Y 向为主的第一振型Y 向为主的第一振型 2扭转为主的第一振型扭转为主的第一振型扭转为主的第一振型 3 X 向为主的篼一振型X 向为主能第一振型X 向为主的第一振型 4Z 向为主的第一振型Z 向为主的第一振型Y 向为主的第二振型 5 Y 向为主的第二振型Y 向为主的第二振型扭转为主的第二振型 6Y 向为主的第兰振型
8、X 向为主的第二振型Z 向为主的第一振型 05 l O1 52 0 2 5 ：；o 模态阶次 051 01 5 2 0 2 53 0 模态阶次 图4 振型参与系数分布 转换层设置高度较低的模型一和模型二的振型参与系数均在前几阶处较大，在高阶处 较小。而转换层设置高度较高的模型三的振型参与系数在高阶处仍有较大值出现。这说明 转换层设置高度较低时，结构的整体性要好于转换层设置较高的结构。 在前3 0 阶振型中，有多阶振型在Z 方向的振型参与系数均大于x 和Y 方向的振型参 与系数。在转换层设置在二层的模型一中有1 2 阶，在转换层设置在五层的模型二中有1 4 阶，在转换层设置在九层的模型三中有1
9、3 阶。Z 向为主的第一振型在模型一中出现在第4 阶，在模型二中出现在第4 阶，在模型三中出现在第6 阶。 这说明对于大跨度的钢桁架转换层结构，竖向地震作用比较明显，且随着转换层设置 高度的降低而加大。同时，对于大跨度转换层结构，可能出现某较高振塑的地震作用较大， 在进行这类结构的计算分析时，应选取较多振型计算结构的地震作用。 1 4 0 2 0 8 6 4 2 O 2 4 6 L 扎m n m m m 幔m n 豢嚼婶舔科蜷星 i i m n m m m吨m吨m叱吨 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 3 结构地震位移及层问位移分析 1 4 1 2 1 0 隧8 辎6 4
10、 2 0 0 0 0 51 01 52 0 互53 0 3 5 4 0 位移( 啦) X 向地震作用下 1 4 1 2 1 0 蹬8 耧6 4 O 0 0 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 o 2 00 2 50 3 00 3 5 层闯位移( 啪) X 向地震作用下 i 4 1 2 l O 隧8 帮6 4 2 O 图5 结构位移曲线 0l23456 位移( 嘞) Y 向地震作用下 图6 结构层问位移曲线 Y 向地震作用下 图5 是分别在X 向地震作用和Y 向地震作用下，不同分析模型的各楼层位移曲线。计 算结果表明，在整体上，当转换层设置于不同的高度时，随着高度的降低，楼层数增加， 结构质
11、量增大，从而使结构在X 和Y 向地震作用下，地震作用增加，导致位移有所增大。 图6 为X 向地震作用和Y 向地震作用下不同分析模型的各楼层层间位移曲线。计算结 果表明，随着转换层设置高度的降低，结构的层间位移有所增大。同时，在X 向地震作用 下，由于水平转换层的设置，导致结构局部楼层的刚度增大，因此，三个模型均在转换层 所在楼层产生较小的层间位移。模型一在l 一4 层的层问位移较小，模型二在5 - - 7 层的层 间位移较小，模型三在9 一1 4 层的层间位移较小。 由图可见，对于转换层设置较低的模型一( 转换层位于结构第二层) ，整体上层间位移 1 4 l 第十八届全国离层建筑结构学术会议论
12、文2 0 0 4 年 变化比较缓和，没有突变。对于转换层设置较高的模型二( 转换层位于结构第五层) 和模 型三( 转换层位予结构第九层) ，在转换层所在层及其相邻层的层问位移变化较大。其中， 高位转换的模型三的层问位移突变最为严重，可能产生结构抗震薄弱层或薄弱部位。 4 地震剪力分析 图7 为不同模型各楼层在X 向和Y 向地震作用下的层间剪力变化曲线，从图中看出， 在Y 向地震作用下，三个模型的地震层剪力相差不大，转换层设置较高的模型二和模型三 的层地震剪力略大。在X 向地震作用下，转换层的设置高度越高，则结构的层地震剪力越 大。同时可以看出，在转换构件所在层的层地震剪力有突变。 由此可以看出
13、，转换层的设置高度越高，对结构的抗震性能越不利。因此，大跨转换 层的设置高度应当受到限制。 1 4 1 2 1 0 蹬8 郢6 4 O 03 0 06 0 09 0 01 2 0 0 层间剪力( k N ) x 向地震作用下 1 4 1 2 1 0 卫 8 糕6 4 2 O 图7 结构屡间剪力 5 竖向地震作用对钢桁架受力的影响 03 0 06 0 0 9 0 0 层闯剪力( k N ) Y 向地震作用下 由结构的动力特性分析得知，带大跨度钢桁架转换层的框架一剪力墙结构体系的各阶 振型中，竖向振动为主的振型较多。在结构的使用过程中，转换层构件主要承受上部结构 传下来的巨大竖向荷载，而转换层下部
14、是取消了支承构件而形成的大开洞。在遭遇地震作 用时，竖向地震作用将会对转换层构件( 特别是大跨度转换构件) 的受力产生一定的影响。 对7 度抗震设计时的钢桁架转换层，进行了考虑竖向地震作用的反应谱分析，为方便 比较，取以下工况进行分析： 1 ) 工况l ：重力荷载作用及水平地震作用； 2 ) 工况2 ：重力荷载作用及竖向地震作用； 3 ) 工况3 ：重力荷载作用、水平地震作用及竖向地震作用。 1 4 2 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年 表2 列出了各个工况下，各榀桁架中受力较大的中部弦杆和端部腹杆的轴力值，表3 列出了各个工况下，各榀桁架最大的竖向位移和最大的位移差，由
15、于桁架2 和桁架3 的位 移差别不大，表中仅列出了桁架l 和桁架2 的数值。 从表2 、表3 可以看出，桁架的变形和内力计算工况中，考虑重力荷载作用及竖向地 震作用的工况2 起控制作用，其次是工况3 ，不考虑竖向地震作用的工况1 的计算值最小。 表2 各个工况下桁架杆件的内力( 单位：k N ) 模型 工况上弦下弦 端部拉杆 端部压杆 - 4 2 8 0 0 74 5 3 8 5 69 2 2 4 21 2 2 7 5 2 8 重力+ 水平- 3 1 9 7 3 74 1 0 6 87 3 2 3 1 8- 9 5 3 0 5l - 2 0 1 1 1 32 6 5 6 2 64 7 8 6
16、8 1- 5 8 7 6 ，6 2 - 4 5 8 5 9 14 9 0 3 I l9 6 9 9 3 21 2 9 5 5 0 8 重力+ 竖向3 3 9 9 3 94 3 8 7 3 27 5 3 6 4 69 9 0 3 5 5 2 0 9 2 8 92 8 1 5 0 84 7 4 2 2 55 8 9 3 。O l | 4 2 6 2 74 2 2 6 2 89 5 2 5 71 2 6 3 6 8 8 重力+ 水平+ 竖向3 31 2 7 34 2 6 2 4 17 5 6 7 4 49 8 1 8 3 I 2 0 8 2 2 72 7 6 3 7 74 9 3 6 8 6- 6 0 4 8 4l 表3 各个工况下钢桁架的变形( 单位：m m ) 模型 项目重力+ 水平重力+ 竖向重力+ 水平+ 竖向 桁架l 、2 上弦位移差 1 7 51 8 41 8 桁架
