基于7度（0.1g）大震作用下的框架结构与

摘 要：文章通过分析竖向静力荷载作用和7度（35cm/s2）大震下的框架结构和转换层结构的层间位移和出铰情况，来对比分析这两种结构在地震作用下的反应性能。最后，找到框架转换结构的力学结构模型，以指导设计人员在对转换结构进行抗震性能分析时应着重注意的关键设计部位。

关键词：转换层结构；结构分析；大震时程

1 结构模型

框架结构尺寸如图1所示，柱截面尺寸皆为500mm×500mm；沿轴线A、B、C方向的主梁截面尺寸皆为300mm×500mm；沿轴线1～4方向的次梁截面尺寸也皆为300mm×500mm；楼板厚皆为120mm。如图1中布置混凝土填充墻体厚度为200mm（只需要考虑它的质量）。

转换结构中，一二层梁截面尺寸皆为500mm×1000mm，三层及以上均为300mm×500mm；1-4轴线的悬挑梁截面均为300mm×500mm；转换层混凝土斜压杆为500mm×1000mm；楼板厚皆为120mm。

带楼板的梁及柱的截面配筋情况如图2所示。梁在从柱侧面算起的1/4净跨范围内的箍筋间距为100mm，为梁跨中部分箍筋间距的一半；柱的纵筋为820，柱中（包括梁柱节点）沿全高布置有间距为100mm的封闭方箍；楼板配筋亦采用φ10，双层双向配置，间距为200mm。

框架结构

转换结构

图1 结构平立面图

混凝土强度等级为：1～5层采用C40；6、7层采用C30。恒载按实际梁、板、柱实际重量计算，不考虑装饰荷载，活荷载按2KN/m2考虑，不考虑风荷载。

地震波选用Al Centro波（1942，NS分量，峰值341.7cm/s2）震动方向为沿B轴（SAP2000中X轴方向）方向地震记录要根据7度地震的要求调整地震加速度的幅值。屈服及屈服后性能采用离散铰来模拟。采用sap2000软件中指定铰。

图2 梁（左）柱（右）截面配筋

2 7度大震下的时程反应分析

2.1 7度（0.1g）大震作用信息

7度时，大震的《抗规2010》峰值加速度为220cm/s2； 大震下的非线性时程反应荷载工况，比例系数为《抗规2010》7度时大震下的峰值加速度220cm/s2与地震波峰值加速度341.7cm/s2的比值。即：220/341.7=0.6438。根据前期的模态分析得出的第一和第二周期来确定质量比例阻尼和刚度比例系数。

确定时程反应的荷载工况数据，为对结构进行非线性分析，定义分析工况类型为“Time History（时程）”，分析类型为非线性，时程类型为直接积分；输出时段数为地震波记录的数据数2688，输出的时段大小为加速度增量时段为0.02；时间积分取wilson-θ法，θ取值1.4；在SAP2000建模时全局单位为：KN，m，C，Al Centro波（1942，NS分量，峰值341.7cm/s2）中数据单位为cm/s2，所以比例系数应缩小100倍，即6.438E-3。

2.2 7度（0.1g）大震下两种结构的性能对比分析

2.2.1 变形对比

（1）位移对比分析

图3 层位移对比图

图4 层间位移对比图

如图3所示，框架结构层位移曲线成剪切型，即随着层号的增加，曲线切线斜率越来越大，切线越来越陡，增量越来越小；而对于转换框架，一二层的位移相差不大，即第二层位移增量很小，分析其原因，主要是因为二层为转换层，转换大梁及柱子的截面尺寸都比较大，侧移刚度就比较大，侧移就比较小；转换框架的三层及三层以上曾位移曲线与框架位移曲线走势基本吻合。

（2）层间位移对比分析

从图4两条曲线对比中可以看出，框架集转换框架的层间位移变化相差很大。对于框架结构，层间位移逐渐减小，主要原因是框架结构各层构件尺寸相差不大，其侧向刚度就相差很小，但是随着层号的增加，层间剪力越来越小，所以层间位移越来越小；而转换框架结构，虽然转换层的层剪力较其它层大，但转换层刚度也较其它层大的多，所以第二层的位移增量很小，而第三层的刚度较下两层小很多，所以层间位移突然增大很多，五层及以上的层间位移变化与框架相似。

（3）层间位移角对比分析

图5 层间角位移对比图

图6 最大层间剪力对比图

从图5中曲线可以看出，框架结构和转换框架结构的层间位移角变化曲线与各自层间位移变化相似，只是框架结构在底层的层间位移角较小，这是因为一层的层高为3.75m，而其它层的层高为3.0m。

2.2.2 最大层间剪力对比

与层间位移对比图相对应，对于框架结构而言，各层的抗侧刚度较均匀，图6中层间剪力随着层号的增加逐渐降低，转换框架结构转换层以上各层的层剪力变化与框架结构相似，在转换层中，由于其抗侧刚度很大，层间位移很小，层间剪力也较小。

2.2.3 塑性铰对比（B轴一榀框架）

（1）首次出现塑性铰时的时间和变形对比

框架结构

转换层结构

图7 首次出现塑性铰图

在图7中，框架结构在第96步即1.92秒时首次出现塑性铰，且出现在一二层的梁中，转换框架在第84步即1.68秒时首次出现塑性铰，且出现在三四层的梁中，原因主要是转换框架转换层梁截面尺寸较大，配筋也相应较多，所能承担的屈服弯矩就较大，在1.68秒时的弯矩还没达到转换梁的屈服弯矩，所以没有出现塑性铰，而在三四层的梁中由于达到其屈服弯矩而出现塑性铰。

（2）30s时两种结构的变形及塑性铰情况

框架结构

转换框架

图8 最终状态出铰图

分析如图8所示，两种结构均为梁柱混合铰，框架结构梁柱铰主要集中在中部楼层，且在底层柱底出现铰；转换框架的梁柱铰则主要出现在上部楼层，转换层级底层基本没出现塑性铰。是因为框架结构梁柱尺寸较为均匀，在地震作用下，能量主要通过中下部楼层的铰消散掉，上部楼层处铰较少；转换框架结构中，与转换层及底层相比，上部楼层所能承担的屈服弯矩小，在地震作用持续下，都纷纷达到其屈服弯矩而出现铰，地震输入的能量主要通过上部楼层的梁柱铰消散掉。

地震作用结束时，框架结构底层柱底都出现较，且塑性铰主要集中在中下部楼层；转换框架结构塑性铰主要出现在中上部楼层，转换层基本不出铰，且底层柱也没出现较。

3 结束语

底层抽柱的转换层结构可以看成上柔（框架部分）下刚（转换层）的结构，转换层承担了较大的内力，保护了上部较弱的框架部分。另外，转换层结构也可以看成这样一种结构模型：上部较柔的框架与基础通过具有一定弹性的刚性转换层相固结。即把转换层作为较小弹性变形的固端约束连接上部框架。

因此，转换层结构中转换部位是关键部位，在抗震设计时应按规范要求提高其抗震等级或可依据抗震性能设计方法对转换层进行专门分析。

参考文献

[1]GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.

[2]JGJ3-2010-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社.

[3]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]王祖华，吴勇明.多高层建筑中的转换层结构体系[J].建筑结构，1994（12）.

作者简介：李轩直，身份证号：130406198811190713。