1、第 卷第期 年月地震工程学报 ，收稿日期：基金项目：江 西 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 项 目“绿 色 建 筑 对 成 本 的 影 响 分 析”（）；教 育 部 高 等 教 育 司 协 同 育 人 项 目（）；南昌交通学院校级教学团队项目（）第一作者简介：俞希楠（），女，浙江义乌人，硕士，讲师，研究方向：土木工程、工程造价。：通信作者：宋颜培（），女，吉林公主岭人，硕士，高级工程师，研究方向：土木工程、建筑结构。俞希楠，宋颜培 考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析 地震工程学报，（）：，（）：考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析俞希楠，宋颜培（南昌交通学院
2、土木建筑学院，江西 南昌 ）摘要：为了减少地震对建筑结构层间位移的影响，在考虑结构底部受剪的建筑中，针对层间位移调控与抗震性能的关系展开分析研究。设计建筑层间位移计算方法，计算梁、柱和节点受剪后的侧移，并依据计算结果，设置建筑层间位移限值约束条件，采用降低框架的梁距与柱距、平面结构与立体结构间的转换、弯剪双重体系等方式，调控建筑层间位移。以某实际工程为例进行抗震性能测试验证，结果表明：所使用的层间位移计算公式的误差小于；在 波与 波下的层间位移范围分别为 和 ；经调控后，层间位移保持在之间，能够提升建筑的抗震性能。关键词：结构底部受剪；结构框架；层间位移调控；抗震性能；剪切形态中图分类号：文献
3、标志码：文章编号：（）：，（，）：，：；引言分析地震影响下建筑的抗震相关因素，是确保建筑结构抗震性能的关键。相关研究成果显示，建筑中的梁、柱、节点是建筑结构形态转变的关键因素，通过调控建筑层间位移，能够控制建筑结构的整体形态稳定性，从而提升建筑结构的抗震性能。基于此，有必要深入分析建筑层间位移调控，以期为改善建筑的抗震性能提供理论参考。一些学者对这一问题也进行了相关研究：蒋利学等根据建构位移与延性对建筑的抗震性能展开评估，该方法能够准确评估建筑结构的抗震性能，但关于建筑抗震方面给出的调控策略方面，有待进一步完善。冯力强等考虑地震影响，根据建筑位移理论进行建筑结构的减震设计，对建筑结构具有一定的
4、消能减震作用，但在精细化建筑消震调控方面，有待进一步优化。张亚飞等设计层间隔震结构，以非线性动力时程响应，分析地震波震动响应下的钢筋混凝土框架损伤情况；该方法可以有效获取建筑结构损伤位置及损伤等级，但针对建筑结构位移对抗震性的影响研究有待完善。周云等在高层建筑振动测试的基础上，建立剪力墙结构有限元模型，通过增量动力分析得到最大层间位移数值，有效评估建筑结构抗震性能，但该方法修正斜撑单元特征参数时，容易产生数据冗余问题。通过安装传感器的方式设计地震监测系统，估计建筑物的损坏程度和损伤位置，获取建筑结构层间位移剖面抗震结果。模拟结果显示：相对于建筑物的弹性性能，该方法能够快速评估建筑物的损伤状态，
5、但是存在前期成本投入较高、无法广泛推广的问题。等采用层间漂移量化模态组合，利用回归分析得出钢筋混凝土高层建筑层间位移和损伤指数之间的函数关系，推导最佳层间位移数值。实验结果显示：这种方法能够定量确定建筑损伤状态和相应地性能水平，但是由于需要对各个模态组合进行漂移和剪切力分析，所以计算时间较长。等 研究了钢筋混凝土框架在重力和地震荷载作用下的相关性能，运用系统应用程序 和 产 品（，）对模型进行非线性分析，并对建筑框架的抗震能力进行评估。试验结果显示：该方法可以计算建筑在不同地震荷载作用下的位移程度，但计算过程较复杂。通过分析上述研究学者的研究成果，发现建筑位移的组成与抗震性计算研究均有待完善。
6、基于以上问题，提出了一种考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析方法。在结构底部受剪条件下，设计建筑结构层间位移的计算方法，通过改进相关算法可以减小层间位移计算误差，提高建筑层间位移调控的精确性，解决传统方法精度不高的问题。设定建筑层间位移限值约束条件，并根据计算的层间位移情况，设计建筑层间位移的调控方法，调控建筑层间位移，提升计算效率，解决原方法中的效率低、计算复杂和数据冗余问题。另外本方法无需借助大规模传感器，成本控制在合理范围，解决传统方法造价较贵的问题。建筑层间位移调控与抗震性能关系的分析方法考虑结构底部受剪的建筑层间位移计算方法设计在地震影响下，考虑结构底部受剪的建筑层间位移
7、，可视为建筑标准框架与梁、柱等相结合形成的侧移，即考虑结构底部受剪的建筑层间位移是由：建筑底部结构受剪条件下梁形态转变导致的侧移、柱形态转变导致的侧移、节点受剪形态转变导致的侧移共同形成的。其中和均由受剪形态转变与弯曲形态转变共同影响。梁形态转变形成的侧移计算在建筑梁形态转变过程中，可依照弹性理论，确定梁端纵筋屈服前的弹性形态转变。弹性理论是指：在对建筑梁进行内力分析时，假定梁是理想的弹性体系，其荷载与内力、荷载和变形、内力和变形都呈线性关系。因此，可以按照结构力学方法，更直观地计算梁形态侧移。以表示梁长度，若为线性分布，即固定端曲率和自由端曲率分别为屈服曲率和。由此可通过式（）计算确定：地震
8、工程学报 年（）梁端纵筋产生屈服后，紧邻节点区的位置将产生塑性铰，在梁形态转变中，这部分区域的转动所占比例最高，在此条件下的梁形态转变由塑性铰区内、外的弹性位移、和梁纵筋黏结滑移导致的位移共同组成。利用式（）能够确定与柱相对的梁端转角：（）式中：和分别表示梁截面有效高度和钢筋截面面积。由此能够确定建筑结构中，由梁形态转变导致的侧移为：（）式中：表示梁截面高度。柱形态转变形成的侧移计算考虑结构底部受剪的建筑层间位移中，柱受结构底部水平剪力影响同样会产生位移。相关学者对这一现象进行了大量试验，结果显示：在建筑结构底层柱下部出现混凝土大量脱落、因无法承受压力导致崩溃以及纵向钢筋与箍筋变形或断裂等现象
9、，但同结合核心区连接的柱端内部纵筋没有满足屈服条件，也就是说此区域内柱端没有发生塑性铰现象，所以依旧可以根据弹性理论确定柱形态转变的程度。柱形态转变可分为两个主要部分，分别是弯曲形态转变导致的柱顶侧移，与建筑结构底部受剪导致的柱顶侧移。通过式（）描述：.（）式中：和分别表示柱端水平剪力和剪力作用位置到梁顶（底）和梁面的距离；和分别表示混凝土弹性模量及柱截面惯性矩；表示形状系数。节点受剪形态转变形成的侧移计算建筑接受底部受剪条件下，节点核心区上部分承受拉力作用、下部分承受压力作用，由此产生剪切作用，形成剪切形态转变角。建筑节点的形状从矩形转换成菱形，同时受建筑底部水平循环荷载影响，建筑节点形状在
10、方向上相互交替。在建筑底部水平剪力的影响下，节点区域在对角线方向上分别产生延长和缩减现象，由此产生形态转变后的夹角和，在此条件下获取剪切形态转变角的计算公式为。若与一致，则可利用式（）确定因建筑底部受 剪 影 响，节 点 区 域 剪 切 形 态 转 变 导 致 的 侧移：（）（）（）式中：和分别表示节点的截面宽度与高度值。通过上述过程及相关测量数据，能够计算建筑不同部分非线性形态转变导致的层间位移。建筑层间位移限值的设定依照弹性方法确定建筑结构层间位移同层高比值的限值，结果如表所列。表建筑结构层间位移同层高比值的限值 建筑结构类别风荷载影响下地震作用影响下框架轻质隔墙 砌体填充墙 框架剪力墙普
11、通装修标准 框架简体较高装修标准 筒中筒普通装修标准 较高装修标准 剪力墙普通装修标准 较高装修标准 层间位移调控方法通过上一小节可计算建筑结构当前的层间位移情况，对照建筑层间位移限值设定约束条件，在建筑结构层间位移与层高比值，高于相关标准所设定的限值时，可采用图所示的几种方法，进行建筑建构层间位移调控。图建筑结构层间位移调控方法 降低框架梁距与柱距的层间位移调控建筑结构的框架主要由梁和柱共同组成，梁与柱的截面和数量对建筑结构的刚度产生直接影响。第 卷 第期俞希楠，等：考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析通过单纯提升建筑结构中梁或柱的数量，能够在一定程度上完成层间位移调控，却无法有
12、效提升建筑结构框架的其他效能。若降低框架的梁距与柱距，则既能够显著提升建筑结构框架的抗推刚度，又可以增强建筑结构框架的效能。平面结构与立体结构间转换的层间位移调控受水平作用影响的建筑结构层间位移中，建筑结构的综合弯曲形态转变是最显著的。因此为约束建筑结构的形态转变，需有效降低建筑结构的综合完全形态转变。平面结构的综合抗侧刚度并不显著，因此其层间位移较为显著。若将平面结构转换为立体结构，即可显著提升建筑结构的整体抗侧刚度，也可最大限度令建筑结构的层间位移下降。采用弯剪双重体系的层间位移调控弯剪双重抗侧力体系所描述的是通过弯曲与剪切两类完全差异化的形态转变属性，构建层间位移调控体系。由此大幅降低建
13、筑结构定点位移与底部不同楼层间的层间位移上限。竖向支撑的交错布置的层间位移调控建筑结构框墙体系内的竖向支撑，一般为框架的相同跨度内依竖向不间断设置。这种设置模式下，受侧力影响，竖向支撑宽度较小，综合弯曲形态转变所导致的建筑结构顶部位移较为显著，所以建筑结构的顶部，基层内竖向支撑的抗侧力效能下降。通过交错布置可有效完成层间位移变化，降低建筑结构定点位移，同时可令不同楼层的层间位移一致度更高。抗剪墙板斜向布置的层间位移调控针对建筑结构的外框筒，在部分情况下考虑视野的开阔性，在设计过程中要求抗剪墙板斜向布置，外圈框架柱与柱间的距离有所提升，同时令裙梁高度下降，可有效调节层间位移。试验测试与结果分析研
14、究区域概况用于研究的建筑为一幢层跨的钢筋混凝土结构，地处于度抗震设防区。该建筑结构依照我国建筑抗震标准与混凝土结构设计的相关要求进行建造，横向、纵向柱距均为。以该建筑结构内单榀平面框下底部三层子结构为目标设计试件，依照的比例制作试件，表所列为试件设计过程中的相关参数。表试件设计相关参数 试件编号节点编号轴压比梁柱线刚度比柱端弯矩放大系数 以 波与 波作为地震震动输入，设定 加 速度 峰 值为。地震震动时程如 图所示。图地震震动时程 实验中采用拟静力试验，模拟地震波作用下的加载过程。采用电液伺服加载控制装置。将转换梁、柱的两端连接到刚性的反力墙上。在柱脚上设有一铰链支撑，与地面连接，柱头由千斤顶
15、作用于柱截面的屈服载荷，从而产生垂直轴向作用力。为了防止钢梁出现平面不稳定，拟采用槽钢在梁加载端设置横向支承，运用 的作动器在梁端上进行了多次的低周重复载荷。在载荷端设置垂直和横地震工程学报 年向位移计，用垂直位移计测量载荷端的位移，横向位移计监测梁的外部扭转。分析结果为验证本文方法中建筑层间位移计算公式的可应用性，将本文方法对各试件不同节点的层间位移分析结果同其试验实测数据相比较，所得结果如表所列。分析表可知，本文方法中所使用的考虑结表不同节点层间位移分析结果同试验数据的对比 试件编号节点编号加载位移层间位移理论位移试验位移试件编号节点编号加载位移层间位移理论位移试验位移 构底部受剪的建筑层
16、间位移计算公式，所得结果同试验实测数据一致相同。如 试件 节点在加载位移为 、层间位移为 时，理论位移和试验位移分别为 和 ，计算误差较小，均低于，说明本文方法中所使用的计算公式具有较好的应用性。因为本文方法在计算位移前，考虑了建筑底部结构受剪情况，根据建筑层间位移由梁形态转变导致的侧移、柱形态转变导致的侧移、节点受剪形态转变导致的侧移共同形成的特点，设计了位移计算公式，从而提高了计算精度。基于本文方法获取的该建筑结构平面框架层间位移角作为限值条件下，各节点的形态转变情况，所得结果如表所列。表试件形态转变情况 结构位移角限制节点编号构件位移角梁弹性梁塑性柱构件位移角均值梁弹性梁塑性柱 （基本无破坏）（轻微破坏）（一般破坏）第 卷 第期俞希楠，等：考虑结构底部受剪的建筑层间位移调控及抗震性能分析续表结构位移角限制节点编号构件位移角梁弹性梁塑性柱构件位移角均值梁弹性梁塑性柱 （严重破坏）（完全破坏）分析表得到，考虑在梁铰机制的破坏模式下，该建筑结构破坏等级逐渐升高，结构层间位移情况受梁端形态转变的影响与柱端相比更为显著，且梁端塑性形态转变所占比例逐渐提升。抗震性能分析对比层间位移调控后，不