某厚板转换高层建筑结构动力分析

尹芸琼

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

随着现代科技飞速发展以及人们生活水平逐步提升，高层建筑结构使用功能要求的复杂性与综合性愈加突出，致使功能要求与结构布置形成矛盾，而设置结构转换层是解决该矛盾的一种有效途径，故其具备广阔的市场前景。目前，工程结构实际中运用较广泛的形式包括梁式转换、箱型转换以及厚板转换等[1,2]。其中，厚板转换最能良好兼顾建筑功能需求与结构布置，但同时亦有其不可忽视的缺点，例如传力不明确、设计复杂以及厚板质量过大引起结构刚度突变[3,4]等。基于此，根据某工程实际项目中的带厚板转换层高层建筑结构，利用Midas gen有限元分析软件，建立相应的数值分析模型，模拟水平地震作用下结构整体的地震响应，分析整体结构动力特性。

1 工程概况

该工程为一商业住宅，建筑高度为75.5 m。地下2层主要用作车库；地上22层，其中1层～2层为大开间商业用房，3层为商业用房及电影院，4层及以上为住宅。由于使用功能要求不同，1层～3层需要大空间，选用框支剪力墙结构体系，而4层以上则采用剪力墙结构体系。因此，3层与4层的结构布置以及轴网布置相差悬殊，结构设计人员在4层标高处设置了厚板转换层结构，转换板厚度为1.6 m。

该工程属丙类建筑，主体结构设计使用年限为50年，场地为抗震有利地段，非液化区，抗震基本烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅱ类，最大地震影响系数αmax=0.04(第一设防水准)，场地特征周期为0.35 s。

2 转换结构分析模型

2.1 模型分析单元

模型建立与分析运用有限元分析软件Midas gen。采用梁单元模拟结构中的混凝土梁及柱，该单元各节点均有X、Y、Z三个方向的转动与平动，共有6个自由度，且具备拉、压、弯、剪、扭各项变形刚度[5]。采用薄板单元模拟结构中的楼板及剪力墙，采用厚板单元模拟转换厚板，该单元自由度以单元坐标系为基准，各节点具有X、Y、Z三个方向的平动以及绕X、Y轴的转动，可实现平面张拉、压缩、剪切、沿厚度方向的弯曲等。

2.2 转换层结构参数

模型中转换层柱截面尺寸为1 000 mm×1 000 mm、1 200 mm×1 200 mm、1 200 mm×3 200 mm；主梁截面尺寸为1 200 mm×1 600 mm、1 500 mm×1 600 mm、2 000 mm×1 600 mm；次梁截面尺寸为600 mm×1 600 mm、800 mm×1 600 mm、1 000 mm×1 600 mm；转换板厚1 600 mm，其他板厚800 mm。转换层下部相连剪力墙墙厚为200 mm、300 mm、400 mm、600 mm，其上部相连剪力墙厚度为200 mm。通过调整弹性模量从而考虑梁、板、柱中的钢筋，泊松比为0.2，结构阻尼比为0.05。

3 模态分析

利用Midas gen分析软件对整体结构进行模态分析，计算得到了结构总质量为9 183 t，其中梁单元质量为675 t，板单元质量为1 897 t，荷载转化质量为1 984 t，节点质量为4 627 t。同时计算得到了结构前15阶振型曲线及对应频率及周期。

3.1 结构自振周期及振型曲线

结构前15阶自振周期计算结果如表1所示。

表1 结构前15阶自振周期及频率

同时得到了结构前15阶振型曲线图，其中前三阶振型分别体现为主要沿X轴方向的平动、绕Z轴的扭转且伴随沿Y轴方向的平动以及主要绕Z轴的扭转。低振型较多表现为沿两个方向的平动，随着振型阶数升高，绕Z轴扭转或局部扭转振型逐渐增加。

3.2 模态分析结论

根据周期计算结果，可知结构第一扭转振动周期Tt=1.942 s，结构第一平动周期T1=2.281 s，Tt/T1=0.85<0.9，故结构抗扭刚度适中，对其扭转效应有一定抑制作用。与此同时，结构第一频率并无明显扭转，结构质心与刚度中心偏差较小，刚度分布较为合理。由振型曲线可知，高阶振型对结构抗震不利。且由于转换厚板刚度及质量较大，因而会引起结构振型形状变化，往往成为振型曲线转折点，对结构整体性能影响较大，故在设计过程中需重点关注。

4 时程分析

时程分析即为将地震的不间断作用划分为许多小的时间过程，输入适当的地震加速度时程，从结构初始状态起，逐步积分，最终获得更为真实的结构地震响应随时间变化曲线，进而计算结构构件内力及变形，以此分析结构抗震性能[6]。

利用Midas gen进行弹性时程分析，得到了在X向及Y向水平地震作用下，转换层结构模型的层剪力、层位移以及层间位移角等关键指标。

4.1 地震波选取

按照规范要求，用于分析的地震波对于结构时程分析的准确性及有效性具有重大影响，故而地震波的选择十分关键，应依据建筑物的场地类别、地震分组以及结构周期类型确定。

因此，经过众多分析与比较，最终选定了天然波Superstition Hills波，其卓越周期Tg=0.51 s，地面加速度时程曲线如图1所示，根据结构自振周期，将时间间距取为0.02 s。

4.2 楼层关键指标分布曲线

将Midas gen计算得到的X、Y向水平地震作用下的楼层关键指标数据绘制成图，如图2所示，纵坐标为楼层，横坐标分别为层剪力(kN)、层位移(mm)以及层间位移角(10-4)。

4.3 时程分析结论

由图2(a)和图2(b)可得到结论，不论受到X向还是Y向水平地震作用，厚板转换层附近层剪力均发生较大突变，而受到Y向水平地震作用时，剪力突变更为剧烈。这是因为结构地震力随刚度增大而增大，转换厚板质量大且刚度大，较相邻层而言刚度发生了突变，故引起剪力突变，且受到Y向地震作用时刚度突变更为明显。

由图2(c)和图2(d)可得到结论，楼层位移随着楼层增高而增加，且受到X向水平地震作用时楼层位移值比Y向稍大，说明结构弯曲刚度在X方向稍小于Y方向。

由图2(e)和图2(f)可得到结论，转换层上部层间位移角迅速增大，说明其结构侧移变化加剧，因此在设计过程中需加强。不论是在X向还是Y向水平地震作用下，结构层间位移角峰值都出现在偏顶部位置，说明中上部是结构的薄弱位置。由图2(e)可知，受到X向水平地震作用时，结构层间位移角曲线在转换层处发生了突变，层间位移角值急剧减小，是由于转换层增强了相邻层竖向构件的约束。而Y向变化不明显，是由于其相邻层侧向刚度虽有变化，但位移角亦与层高有关。X向与Y向曲线差异明显，是由于结构布置不对称。

5 结 论

a.Midas gen分析软件能较好的模拟带厚板转换层的高层建筑在水平地震作用下的受力性能，且其操作较为简单，便于实际工程设计使用。

b.高振型下结构易发生扭转，不利于抗震，应在设计过程中针对相应的楼层及位置采取加强措施。

c.厚板转换层因其大质量及大刚度往往成为振型的转折点，同时也引起楼层剪力及层间位移角的突变，结构设计过程中需加强厚板与其上下部竖向受力构件的连接以及注重转换层相邻楼层的刚度调整。

d.通过时程分析，证明结构周期、剪力、位移、层间位移角等计算结果均符合规范要求，结构整体受力性能良好。

e.厚板转换结构虽受力复杂，结构特性有一定缺陷，但具备良好的使用功能，故在6度区有较大的实用价值。

[1] 王 楠,张晓光,赵眈崴.厚板转换层结构的应用及研究现状[J].工业建筑,2016,46(S1):271-275.

[2] Wu Meiliang,Qian Jiaru,Fang Xiaodan,et al.Experimental and Analytical Studies on Tall Buildings with a High-level Transfer Story[J].The Structural Design of Tall and Special Buildings,2007,16(3):301-319.

[3] 彭 斌,李溪喧.高层建筑厚板转换层整体分析方法研究[J].武汉大学学报(工学版),2003(1):64-68.

[4] 扶长生,鞠 进,姜 平.钢筋混凝土转换厚板的抗震设计[J].建筑结构,2010(8):57-63.

[5] 彭 斌,李传才.高层建筑转换厚板有限元模型的建立[J].工程建设与设计,2001(6):34-36.

[6] 荣维生,王亚勇,周仁刀.转换层上、下结构侧向刚度对带板式转换高层建筑结构抗震性能的影响[J].工程抗震与加固改造,2004(6):1-8.