摘 要：隨著高層建筑的迅速發展，建筑功能的要求也日益復雜化，建筑結構常常需要用結構轉換層來完成上、下層建筑物結構的轉換。桁架轉換層因其特殊的優點，使其在工程的運用比較廣泛,因此本文在綜合分析對比各種轉換層的基礎上，闡述了桁架轉換層的薄弱環節，以及常用的結構抗震分析方法。對以后的相關設計，施工人員在進行桁架轉換層的設計施工是有比較大的實用性。

　　關鍵詞：高層建筑結構;轉換層;轉換桁架;結構抗震分析。

　　1. 高層結構轉換層的簡介

　　帶轉換層結構設計概念最初是由前蘇聯和東歐的學者于五、六十年代提出，他們提出了柔性底層房屋的方案即是上部各層為剪力墻，下部為框架的結構體系，這也是首次通過設置轉換層而取得底層大空間的嘗試;但是，實踐表明柔性底層房屋并不具有人們所期望的隔震、抗震能力，底層框架柱不能承受過大變形，在地震中容易破壞而使整座建筑物倒塌。我國在這方面的研究及實際工程應用始于70年代中期，1975年首先在上海天日路建成一棟13層底層大開間框架上部剪力墻的住宅，并對其進行了現場應力實測、光彈性試驗、鋼筋混凝土模型試驗及框支剪力墻有限元分析等一系列研究。這些研究為底部大空間剪力墻結構的整體剛度和樓層相對剛度的選擇和控制，提供了試驗和理論上的技術依據。

　　1.1 高層結構轉換層的分類

　　隨著高層建筑的發展，因建筑功能需要下部大空間，上部部分豎向構件不能直接連續貫通落地而在高層建筑中設置轉換層。轉換結構一般可歸納為4種基本形式：梁式、桁架式、箱形、厚板。

　　2 高層建筑桁架轉換層結構

　　2.1 桁架轉換層結構的受力分析

　　轉換桁架主要用于承受豎向荷載，轉換桁架的受力特征主要表現為豎向荷載作用下的受力規律。轉換桁架的工作機制可視為由多根截面較大的弦桿(梁)共同承擔上部荷載的工作機制，各腹桿改變了豎向荷載的傳力方向和位置，起卸載作用。根據桁架腹桿的分布情況的不同，高層建筑轉換桁架的結構形式主要有：空腹桁架、斜桿桁架、交叉桁架：但由于轉換桁架承受的豎向荷載往往是相當大的，有時上部較高的荷載，單層的轉換桁架在計算上無法滿足結構要求，此時就必須設置雙層或多層的轉換桁架結構，即疊層桁架轉換體系，當然還包括由于建筑立面美觀或結構簡化受力的目的而采用的無豎腹桿的交叉斜桿桁架;以及由于桁架受力較大，為更好的保證桁架端部與柱的錨固及減小桁架端部柱的內力，實際工程中往往將桁架體系伸過所要轉換跨的下一跨。

　　3 高層建筑轉換桁架的設計原則及構造要求

　　1.帶桁架轉換層的結構應按“強化轉換層及其下部、弱化轉換層上部”的原則，使轉換層上下主體結構的側向剛度盡量接近，平滑過渡。

　　2.將轉換桁架置于整體空間結構中進行整體分析。此時，腹桿作為柱單元，上、下弦桿作為梁單元，按空間協同工作或三維空間分析程序計算整體的內力和位移。計算時，轉換桁架按實際桿件布置參與整體分析，但上、下弦桿的軸向剛度、彎曲剛度中應計入樓板的作用。整體結構計算需采用兩個以上不同力學模型的程序進行抗震計算，還應進行彈性時程分析并宜采用彈塑性時程分析校核。

　　3.帶鋼桁架轉換層的結構設計中應按轉換層“強斜腹桿，強節點”：桁架轉換層上部框架結構按“強柱弱梁、強邊柱弱中柱”的原則，以保證轉換層的結構具有較好的延性，確保塑性鉸在梁端出現，能夠滿足工程抗震的要求。

　　4.換桁架的弦桿相鄰位置設置邊梁使其受力更為合理。如果在布置轉換桁架弦桿的二、三、四層的弦桿相鄰位置設置一根邊梁，保證與桁架相鄰的樓面的荷載通過與桁架節點相連的橫梁以集中力的形式傳遞至桁架的節點上，這樣可以使轉換桁架的弦桿受力特點更與普通的桁架一致，即弦桿的受力形態以軸力為主，盡量減少弦桿受到彎矩作用，特別是平面外彎矩的作用，使轉換桁架的受力更為合理。

　　5.轉換鋼桁架的下弦鋼骨混凝土部分后澆使型鋼鋼骨預先受力。由于桁架下弦為主要受軸向拉力作用的構件，在計算中我們主要以型鋼構件輸入進行計算，而在實際的設計中為了使下弦桿與周邊的梁與板更好的連接，設計人員將下弦枰設計成為以型鋼為鋼骨的鋼骨混凝土。在軸向拉力的作用下，由于鋼的極限拉應變遠大于混凝土的極限拉應變(鋼筋的極限拉應變將達001)，為了使型鋼鋼骨預先受力、混凝土內的裂縫開展較小，設計時采取了下弦桿混凝土后澆的做法。這樣，當上部較大荷載作用至轉換桁架時，下弦的型鋼受到較大的拉力，產生了相當的拉應變，然后在澆筑混凝土時，型鋼內增加的拉應力相對有限，大大的減緩了混凝土內裂縫的開展。

　　6.《高層混凝土結構技術規程》規定轉換層結構的樓板厚度不宜小于180mm。并配置雙層鋼筋，而在前面的分析中我們已經知道，當弦桿考慮板的作用時，對轉換桁架的受力更為有利。這一方面可以使設計人員在建筑的限定梁高的情況下充分加大弦桿的剛度：另一方面作為轉換桁架弦桿平面外穩定最有力的支撐和保障構件，加厚樓板后可以更好的保證桁架弦桿的平面外的穩定。另外，結構的水平力傳遞主要依靠樓板和轉換構件，因此樓板和轉換構件都要承受較大的剪力，并且有一個交互和傳遞的過程，如果轉換桁架的弦桿僅有一側的樓板可以相連，可以加厚與之相連樓板的板厚，這樣更好的保證轉換桁架上的水平力向轉換層樓層平面內轉移，使轉換層的整體受力更加均勻。

　　4 高層結構的抗震分析方法

　　除特殊規定外，建筑結構應進行多遇地震作用下的內力和變形分析，此時，可假定結構與構件處于彈性工作狀態，內力和變形分析可采用線性靜力方法或線性動力方法。規則且具有明顯薄弱部位可能導致地震時嚴重破壞的建筑結構，應按規范有關規定進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析。此時，可根據結構特點采用靜力彈塑性分析或彈塑性時程分析方法。

　　模態分析用于確定設計結構的振動特性，即結構的固有頻率與振型，它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數。同時，也是后面要進行的譜分析和動力時程分析的前期分析過程。

　　非線性靜力分析(pushover)法是一種簡化的非線性地震反應評估方法。其基本原理是：在結構分析模型上施加按某種方式分布的荷載(如均勻荷載，倒三角荷載，一階振型荷載等)模擬地震水平慣性力，并逐級按比例增大，直到結構達到預定的狀態(位移超限或位移達到目標位移)，然后評估結構的性能。它沒有嚴密的理論基礎，基于兩個假定：(1)結構的地震反應受單一振型控制，可以忽略高階振型的影響，因此多自由度體系可以等效為單自由度體系;(2)控制結構地震反應的振型不發生變化。顯然，對于大多數結構，這兩個假定都無法滿足，但是它提供了一個評估結構地震反應尤其是非線性地震反應的簡單而有效的方法，該分析法能追蹤結構從屈服直到極限狀態的整個非彈性變形過程。許多學者的研究表明，對于短周期和響應為一階振型為主的結構，利用上述兩個假定來預測其地震峰值響應，能得到令人比較滿意的結果。同一般的非線性靜力分析方法相比，pushover分析法有以下特點：(1)pushover分析需要預先假定一個荷載分布模式，這同一般的非線性靜力分析確定的外荷載不一樣。(2) pushover分析需要預先確定同結構性能相關的位移極限，如屈服位移、倒塌破壞極限位移等。(3) pushover分析的結果是特征荷載和特征位移之間相互作用的曲線。(4) pushover分析還需要同能譜分析相結合，以完成最終對結構性能的評估。

　　2000年Balram Gupta,M.EERI,和Sashi K.Kunnath提出了改進的基于反應譜理論的pushover分析法，與傳統的pushover分析法相比該方法的不同之處在于：(1)現行的方法采用某一特征場地的反應譜定義加載模式;(2)隨著結構動力特性的改變所加的荷載大小也隨之改變。改進的適應譜pushover分析法的基本步驟如下：

　　1) 建立結構的數學模型

　　2) 確定結構中不同單元的非線性力-位移關系，即確定初始剛度，屈服彎矩和屈服后剛度。

　　3) 求解特定場地下的有阻尼彈性反應譜。

　　4) 求解結構體系的周期和振型向量和振型參與系數。

　　5) 計算n個模態下的力分布模式

　　6)求解各階模態下的基底剪力并按SRSS(或CQC法)組合得到基底總剪力

　　7)將各層所受的力按系數均勻增大

　　8)逐級施加荷載進行靜力分析。

　　9)計算單元力，位移，層間位移，轉角等

　　10)在每一荷載步計算結束后檢查單元內力是否超過屈服值。當任何一個單元屈服后須重新計算單元剛度矩陣。

　　11)重復以上步驟直至達到最大基底剪力或最大層間位移。

　　為便于對相關分析結果進行對比，桁架轉換層高層建筑擬采用Gupta等人提出的改進的pushover分析法的基礎上做適當的改進。采用這樣的方法能比較好的形成對比與掌握分析過程。

　　5 展望

　　由于時間和水平有限，本文需要解決的問題還有很多，為了深入研究此類帶桁架轉換層結構的抗震性能，仍有以下工作值得開展：

　　(1)豎向地震作用對此類帶轉換層的高層結構有一定影響，值得深入探討。

　　(2)對于靜力彈塑性推覆分析，如何合理的選取水平荷載模式，在理論和實際應用中，仍需進一步研究。

　　(3)在罕遇地震作用下，用彈塑性時程分析會得到比較精確的結果，但由于彈塑性時程分析計算復雜，特別是對這類桁架轉換層結構。其工作量非常大，具體實施起來較為困難。

　　參考文獻

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