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自20世纪70年代,为了争取建筑物有较大空间、满足建筑体型变化等功能要求,带转换层结构或设置转换构件越来越多的应用在结构设计中。转换层结构已经成为了现代高层建筑的一种发展趋势之一。
一般而言,当高层建筑下部楼层竖向结构轴线体系或形式与上部楼层差异较大或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时,就必须在结构改变的楼层布置转换层结构,目前在很多高层设计中取得广泛应用的是梁式转换层。
本文先阐述了建筑抗震分析理论的几种方法和高层建筑在设计中的几个问题,比如转换层上、下结构侧向刚度比的取值,以及转换层楼板平面的内力和变形等问题。为保证转换层下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力,应尽量强化转换层下部主体结构,弱化转换层上部主体结构的刚度,使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。目前的高层建筑的结构分析软件,均采用在楼板平面内刚度无限大的假定,楼板在平面内只做刚体运动。然而,在转换层结构中,实验表明转换层上、下几层的楼板内,是有较大的相对变形,因此精确的计算是取消转换层楼板平面内刚度无穷大的假定。
接着本文运用ANSYS有限元软件,结合孝感市的一个带梁式转换层的实际工程,分别将转换层在2层、转换层在4层和转换层在6层,建立有限元模型。对结构进行模态分析,求出结构的自振周期和振型。对比分析之后发现,随着转换层的位置升高,结构的自振周期也随之增大。无论转换层在何高度位置,第1阶和第2阶的振型均为平动振型,第3阶振型为扭转振型。在转换层在不同位置时,对结构的抗震性能影响也是十分明显。转换层设置位置对结构的层间位移曲线也有十分明显的影响,在转换层所在位置之处,曲线存在明显突变,并且随着转换层位置的升高,这种影响越来越明显。从模型提取的数据绘制的曲线,能发现,随着转换层位置的升高,楼层的水平侧移明显增大。这是由于,随着下框支结构的层数增多,上部的剪力墙的层数减少,因而上部的整体刚度减少,在水平地震作用下,楼层的水平位移就会相对变大。随着转换层位置的增高,各楼层的底部剪力不断的减小,并且减小的幅度也在减小。由模型也能容易发现,随着转换层的位置不断变高,结构转换层上、下的等效侧向刚度比也在不断增大,结构的抗震性能越差。