框架核心筒结构结构层间位移分析

　　摘要：通过分析结构变形组成，将楼层位移分为受力层间位移及非受力层间位移，并给受力层间位移简化计算方法。通过算例分析了框架核心筒结构楼层处截面转角、层间位移、受力层间位移沿高度的变化规律。对于高层建筑结构建议采用受力层间位移作为控制指标。
　　关键词:框架核心筒结构；层间位移；受力层间位移；
　　
　　0引言
　　框架-核心筒[1]结构由于其具有良好的结构抗侧刚度，可以灵活多样地实现建筑功能布置要求，目前已被广泛应用于商务楼、宾馆等各类型高层公共建筑中。
　　我国现行规范[2]在对结构进行抗震变形验算时均采用层间变形，并给出了相应结构的层间位移角限值。对于弯曲变形较大的框架核心筒结构，由于存在弯曲变形引起的结构层转动，增大了结构上部楼层的相对位移，使得层间位移最大值出现位置[3]与结构实际破坏情况不符，现行规范所采用的层间位移指标并不适用。本文将结构层间变形分为受力层间变形[4]和非受力层间变形，并给出了受力层间位移的简化计算方法。通过计算实例，对结构水平荷载作用下截面转角及受力层间位移沿高度变化规律进行分析研究，为高层结构设计提供参考。
　　1．结构层间位移分析
　　从结构层面上来说，层间位移[5]是指楼层质心的层位移差，受力层间位移是指楼层竖向构件受力引起的层间位移差。对于弯曲变形为主的结构，水平荷载作用下，倾覆弯矩使结构层一侧拉伸、一侧压缩，引起结构层转动，使上部楼层的层间位移加大。因此弯曲型结构层间位移可分为本层的受力层间位移和下一楼层弯曲变形引起本层的非受力位移，则有：
　　
　　（1）
　　
　　式中，为层间位移；为受力层间位移，为下一楼层弯曲变形引起的非受力位移，为下一楼层弯曲变形引起的竖向构件转角。
　　由以上分析可以看出，对于弯曲变形较大的框架核心筒结构，层间位移中包含有对结构破坏不起作用的非受力位移，层间位移沿高度分布规律与结构实际受力不符，甚至在中上部出现相反的现象，在结构变形验算时应扣除这部分的影响。因此本文建议采用受力层间位移作为控制指标。
　　2．受力层间位移计算方法
　　根据结构变形分析可以看出，受力层间位移即为本层层间位移减去本层刚体位移，因此，对于弯曲型结构受力层间位移
　　（2）
　　对于存在明显楼层水平转动变形的结构，文献[6]中建议采用以下公式：
　　（3）
　　式中，为相邻楼层的相对水平层间转角；为楼层距质心最远的竖向构件到质心的距离。
　　此种方法基于构件变形基础上的，表达形式上反映出受力层间位移由总层间位移减去底部转角引起的本层刚体位移的思想，其中底部转角的取值为竖向构件变形曲线在楼层处的切线角，即下层竖向构件底部转角（图1），故称切线角法。下层竖向构件底部转角可由多种程序求出，在此不再赘述。由于结构中竖向构件底部转角各不相同，故选用部分与结构总体变形相关的竖向构件底部转角平均值带入上式进行计算。
　　
　　图1切线角法示意图
　　3．受力层间位移计算及分析
　　西安某大厦为框架核心筒结构共33层，底部5层为加强层，层高4.5m，6~33层层高3.05m。结构标准层平面布置图见图2。抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.20g，场地类别为Ⅱ类，利用PKPM软件中的PMSAP模块计算Y向地震作用下的结构竖向构件截面转角平均值及结构整体受力层间位移分别见图3、4。
　　
　　
　　图2框架核心筒结构标准层平面布置图
　　
　　
　　图3框架核心筒结构整体截面转角图
　　图4框架核心筒结构整体受力层间位移角
　　由图3可以看出，除底层外，结构每层都会产生由于弯曲引起的截面转角，结构中下层截面转角呈增大趋势，到达中部后截面转角逐渐减小，但数值变化不大，都在1/900左右。结构总层间位移角由底部往上呈增大趋势，当到达结构第20层时达到最大值，随后又会逐渐减小。
　　图4的计算结果表明，框架核心筒结构底层层间位移角等于受力位移角，最大受力位移角均出现在底部楼层。受力层间位移角在底部3层与层间位移角曲线基本重合，在第3层达到最大值1/2671，7层以上沿高度方向逐渐减小。由于截面转角的沿高度积累作用，结构非受力位移逐渐增加，使得受力位移在总层间位移中所占比重与高度呈反比。层间位移最大处为结构中部第19层，为1/822，但本层受力层间位移仅为层间位移的0.1%。当以层间位移角作为结构变形控制指标时，
　　4结论
　　（1）层间位移由受力层间位移和非受力层间位移组成，受力位移是由受力变形引起，它会导致结构构件的破坏，非受力位移是由下一楼层竖向构件弯曲变形引起，除了引起二阶效应及非结构构件的破坏外不会直接影响本楼层的结构破坏。建议工程中应用切线角法计算结构受力层间位移。
　　（2）通过对一框架核心筒结构层间位移的分析，受力层间位移最大值出现在结构底部楼层，沿高度分布呈减小趋势。受力层间位移更能反映结构实际的受力及破坏情况，故应用受力层间位移作为层间变形的控制指标。
　　参考文献：
　　References:
　　[1]钱振羽,胡海涛.高层框架-核心筒结构模态响应及水平荷载作用下变形分析[J].四川建筑,2011,31(1):133-135.
　　[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京中国建筑工业出版社,2010.
　　[3]芮佳，王毓麟等.新天地国际大厦基于目标位移的Pushover分析[J].建筑结构,2010,40(11)(45-48).
　　[4]刘大海.高层建筑抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.
　　[5]魏琏，王森.论高层建筑结构层间位移角限值的控制[J].建筑结构，2006，36(S1):(1-49)-(1-55).
　　[6]李春和,刘雁,陈燚等.地震作用下高层建筑结构的受力层间位移[J].扬州大学学报（自然科学版）,1999,2(2):72-74.

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