浅析高层建筑转换层结构侧向受力特点及其合理屈服机制

作者：张毅

   带转换层的高层建筑沿高度方向质量和刚度都不均匀，且一般存在竖向构件的不连续，因而在地震作用下的反应与均匀结构不同。历次重大地震灾难及振动台模型试验均表明：转换层结构设计不当将导致严重的震害。把握高层建筑转换层结构体系在地震作用下的受力及变形特征，分清结构总体系与分体系之间的关系，了解结构合理的屈服机制，有助于结构工程师在初步设计阶段，通过正确的整体概念把握与主导设计。

1  高层建筑转换层结构体系地震作用下的受力及变形特征

1.1  高层建筑转换层结构地震作用下整体侧向力分布特点

  大量的弹塑性算例均表明：多遇地震作用下，当结构处于弹性阶段时，传统高度较小（小于40m）且无明显刚度及质量突变的多层、小高层结构（以下简称规则小高层）呈现出近倒三角形的侧向力分布模式；而高层建筑转换层结构由于转换层下部刚度的突变及结构总层数和高度的增加，高振型影响的增大，其侧向力分布已明显偏离这种近倒三角形分布模式，呈现出侧向力分布偏向结构中下部集中，侧向力合力点下移（以下简称剪力下移），如图1所示。罕遇地震作用下，结构进入弹塑性状态时，规则小高层由于底层往往首先进入塑性屈服阶段，侧向力分布已呈现出与底部刚度突变结构类似的偏向中下部集中的分布趋势；而底部刚度及强度不足的高层建筑转换层结构，在转换层下部屈服后，其侧向力分布将进一步向结构中下部集中，剪力下移效应进一步加剧，如图2所示。

1.2  高层建筑转换层结构局部侧向力分布特点

  由1.1节所论述的整体侧向力分布模式，同样可以近似地得出高层建筑转换层结构整体剪力分布如图3所示。若高层建筑结构只有层高的突变而不存在转换，即没有竖向构件的不连续，设剪力墙W1抗侧刚度为k1和剪力墙W2抗侧刚度为k2，为方便定性分析，假设剪力墙间仅由不提供侧向刚度的连系梁连接，则整体剪力将根据各墙肢抗侧刚度按比例分配，剪力墙W1与剪力墙W2各自承受的剪力比例为：

  墙肢侧向水平力分布与整体侧向水平力分布一致，其侧向力合力作用点位置不变。

  当高层建筑转换层结构同时存在刚度突变和竖向构件不连续时，在水平作用力下，忽略框支柱的拉压所引起的位移差，则框支剪力墙W1在转换层上部开始受力并产生转角，并没有因转换层下部结构的变形而产生附加转角；而落地剪力墙W2由转换层下部开始受力并产生转角，在转换层上部所产生的转角已累积了转换层下部结构的变形而产生附加转角。设转换层下部转角为a，而转换层上部的转角为口，则框支剪力墙W1与落地剪力墙W2在转换层上部所承受的剪力分别为k1β,K2(β-a)；框支剪力墙W,与落地剪力墙W2各自承受的剪力比例为：

由于a/β≤1，则：

  可见，由于框支剪力墙W1与落地剪力墙W2在转换层上部存在不相一致的有害转角，框支剪力墙W1与落地剪力墙W2所占整体剪力的比例取决于其各自抗侧刚度及转换层上、下部的转角差。框支剪力墙W1所占整体剪力的比例随转换层上、下部的转角差的增大而明显增加，如图4所示。因此，墙肢侧向力分布与整体侧向力分布并不一致。当转换层底部刚度过弱时，框支剪力墙W1承受的剪力将大于层间剪力，而落地剪力墙W2将承受负剪力（剪力方向与整体层间剪力方向相反）。这种效应加剧了仅由转换层下部刚度的突变给墙肢所带来的剪力下移效应。由于剪力下移所引起竖向构件剪跨比的减少，框支剪力墙W1及落地剪力墙W2将可能出现类似矮墙的剪切破坏。

1.3剪力下移所带来的内力集中效应

  将高层建筑结构理想化为一均质竖向悬臂杆件，抗弯刚度El为常数，忽略杆件因剪切变形所产生的能量，那么该纯弯曲杆件所吸收的能量为：

  当杆件承受倒三角形侧向力分布，如图5，则其所吸收的能量为：

  当杆件承受均布侧向力分布，如图6，则其所吸收的能量为：

  当杆件承受三角形侧向力分布，如图7所示，则其所吸收的能量为：

  一个符合工程实际的高层建筑转换层结构，受建筑的使用功能、结构层间位移角、结构整体稳定、结构长宽比和高宽比等宏观条件的限制，转换层下部刚度的突变，并不会从宏观上对结构整体刚度、质量产生较大影响，结构第一自振周期通常相差在5%以内；而结构在地震作用下总能量的输入主要取决于结构弹性阶段的第一自振周期，因此，高层建筑转换层结构转换层下部刚度的突变带来侧向力分布的改变，但并没有对结构总能量的输入带来太大影响。可以认为三种侧向力分布下结构所吸收的能量相等：

  联合式(5)、(9)、(13)及(17)可得三种侧向分布力q比值为：

  联合式(6)、(10)、(14)及(18)可得三种侧向分布力分布下基底剪力V比值为：

  联合式(7)、(11)、(15)及(18)可得三种侧向分布力分布下基底弯矩M比值为：

  联合式(8)、(12)、(16)可得三种侧向分布力分布下基底弯矩M与剪力比λ比值为：

  可见，在总体输入能量不变的情况下，高层建筑转换层结构转换层下部刚度的突变，竖向构件的不连续，所导致的剪力集中，将使框支剪力墙与落地剪力墙所承受的剪力和弯矩急剧增加及剪跨比的相应减少，以致提供主要抗侧刚度的剪力墙可能在尚未弯曲屈服,或刚屈服而尚未充分发挥其塑性耗能机制时，因剪力过大所引起承载力的急剧下降而迅速破坏。

2  高层建筑转换层结构合理的屈服机制

2.1局部延性与总体延性的关系

  国际著名混凝土及抗震专家R．Park教授和T．Paulay教授为了说明基于能力的设计原理时，曾用一水平链环说明局部延性与总体延性的关系如图8所示。

  若假设图中的链环由19个脆性链环和1个延性系数为μ1的延性链环组成，要求该链环的总体延性达到3，那么延性链环的延性为：

  这个例子说明在结构中局部延性与总体延性的大小有很大的差别，而且在总体延性不变的情况下，脆性链环的个数越多，对延性链环的延性需求就越大。若把一个以弯曲型变形为主的高层结构的每一个楼层看作一个链环，显然结构层将不可能提供延性系数为41的塑性变形；而由于结构出现塑性层后动力效应变化所致的能量集中，结构不可能在总体延性不变的情况下，增设塑性层以降低结构对单个塑性层的延性需求。

  但水平链环原理说明了总体延性与局部延性的关系，并没有揭示延性环的位置对局部延性对总体延性贡献的关系。设结构的位移延性μ为顶点极限位移与屈服位移的比值，链环的位移以每一层的转角与层高乘值表示，脆性链环的转角为a．，结构为n+1层，结构沿竖向高度只设置一个塑性层，延性系数为μ1，那么总体延性与局部延性的关系为：

局部延性与总体延性的关系为：

式中：hi、hi分别为脆性链环、延性链环所在层的层高；Hi为延性链环所在层至结构顶点的距离；μ为结构顶点位移延性；μ1为塑性层延性系数；ai为脆性链环转角系数。

  假设各层转角ai相等，结构层数分别为20、30、40，层高均为3m，结构顶点位移延性μ需求为3，那么结构塑性层分别在不同位置出现时，塑性层的延性需求如图9所示。

  可见，在确定了总体延性需求、结构层高与总高度的情况下，塑性层的设置位置是影响塑性层延性需求的重要因素。塑性层设置越低，塑性层对结构总体延性的贡献就越大，塑性层自身的延性需求越小；当塑性层设置越高，塑性层对结构总体延性的贡献就越小，塑性层自身的延性需求越大。但随着塑性层设置位置的降低，塑性层对结构总体延性贡献的递增将减缓。如图中层数为20层的高层结构所示，塑性层从10层变化至首层，塑性层延性需求约从5递减至3。可以认为从结构中下部选择其中一个合适的塑性层将不会对塑性层产生明显差别的延性需求。

2.2  高层建筑转换层结构弹塑性阶段的动力效应

  当塑性层出现后，该层所能提供的抗弯强度的增加是有限的，而由于结构动力特性的急剧变化，结构在某些地震激励下，在结构弹塑性分析的某一时刻，剪力增加明显大于该层所承受的弯矩的增加，整个层间作用力重分布，在塑性层所受弯矩变化不大的情况下，剪力合力作用点迅速下移。当塑性层出现在本已刚度较弱的转换层下部时，加剧了转换层上下间的刚度差异，进一步增大了转换层上、下部的转角差值，使剪力下移这种对结构不利的效应迅速加剧；当塑性层出现在转换层以上时，上述不利效应大为减缓，但仍须保证转换层下部刚度的递减不至于使其不能提供足够的强度以抵抗因动力效应变化所增大的内力效应。

2.3  高层建筑转换层结构震害及拟动力试验分析

  在1971年美国圣费南多地震、1979年美国EL-Centro地震、1995年日本阪神地震中，带有剪力墙竖向构件不连续的转换层结构由结构底部刚度和强度的不足使结构发生较严重的震害。大量拟动力试验也表明刚度不足的转换层下部往往首先进入屈服状态，落地剪力墙出现弯曲裂缝或弯剪裂缝，随着裂缝的出现和发展，落地剪力墙的刚度迅速递减，框支剪力墙与落地剪力墙承担的剪力差值进一步加剧，框支柱内力也急剧增加，转换层下部位移增加，能量进一步集中在本已薄弱的结构底部。结构底部破坏严重。保证转换层结构底部足够的刚度和强度，使结构在地震作用下，底层结构不过早进入屈服，或仅出现少量裂缝，而屈服首先发生在转换层上部，其抗震设计概念在历次重大震害及震动台模型试验中得到证明。

2.4  高层建筑转换层结构平面布置

  国内大部分带转换层高层建筑商住楼均在转换层以上布置密集的墙肢，而在转换层以下，为了建筑大空间的需要而仅在电梯核心筒处布置整片剪力墙，周边布置大间距的框支柱，四角为满足结构转换层下部抗扭刚度的需要而设置适当的墙肢，如图10所示。

  从图10可见，在抗震设计中，转换层上部均匀布置的大量墙肢与以核心筒为主要受力构件都具备足够的刚度和强度以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板或连梁连接而协同工作，共同抵抗外力。在地震作用下，当其中一部分有所损伤时，另一部分有足够的刚度和承载力能够承受较多地震作用，损伤部分（包括墙肢和连梁）可以与它共同担当抗震任务，并充分地发挥其延性耗能能力。结构不会因某一墙肢或连梁出现屈服而产生不利于抗震效应的

较大动力特性或承载力突变而倒塌，从而形成刚柔并济的多道设防机制。而以落地剪力墙为主要抗侧力构件单独抵抗地震作用的转换层结构底部首先出现屈服，将引起严重的结构震害。

3  结论

  1)高层建筑转换层结构底部刚度突变及竖向构件不连续导致结构在地震作用下产生与常规高层建筑结构不一样的侧向力分布，该侧向力分布导致结构的水平侧向力合力作用点下移，将可能使提供主要抗侧力的剪力墙成为受力上的矮墙而产生剪切破坏。

  2)必须保证转换层结构底部有足够的刚度和强度，减少不利的侧向力分布，避免结构底部过早屈服，充分地发挥结构整体延性耗能能力，形成刚柔并济的多道设防机制。

3)由于地震作用的不可预测性及高层建筑转换层结构的复杂性，结构工程师不应盲目依赖计算机，而应在掌握转换层结构受力及变形特征的基础上，以承载力、刚度和延性为主导的整体思想进行概念设计。

4[摘要]本文针对性地论述了高层建筑转换层结构体系地震作用下的受力及变形特征，并从局部延性与总体延性的关系、塑性层出现后的动力效应、震害及拟动力试验分析、建筑结构平面布置等方面论述高层建筑转换层结构合理的屈服机制。研究结果表明：高层建筑转换层结构设计应保证转换层结构底部有足够的刚度和强度，从而减少不利的侧向力分布，避免结构底部过早屈服，充分地发挥结构整体延性耗能能力，最终形成刚柔并济的多道设防机制。