浅析高层结构需要控制的七个比值及调整方法.docx

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浅析高层结构需要控制的七个比值及调整方法

浅析高层结构需要控制的七个比值及调整方法

摘要：

随着苏州经济的高速发展，近几年苏州市区、园区及高新区越来越多的高层建筑在不断的拔地而起，特别是随着由苏州乾宁置业有限公司投资开发的具有号称“中国结构最复杂的超高层建筑”和“中国最高的苏式园林”的东方之门建筑将高层建筑推向了顶峰。

可是随着建筑结构的高度不断增高，建筑外形越复杂，平面凹凸越严重，那对于建筑本身的结构整体性能的控制条件也就越严格，因此这就给我们设计者带来很多矛盾，正确合理的把握好高层结构的竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，快速准确的控制好目标参数的合理取值及掌握各个目标参数相应的调整方法，使其即要满足规范要求，又要满足建筑的使用功能，这将是日常设计工作的中学习的关键点。

关键词：

轴压比剪重比刚度比位移比周期比刚重比层间受剪承载力比

1.轴压比

柱（墙）轴压比N/（fc*A）是指柱（墙）轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土周欣抗压强度设计值乘积之比。

它反映了柱（墙）的受压情况，是影响柱（墙）抗震性能的主要因素之一，为了使柱（墙）具有很好的延性和耗能能力，规范采取的措施之一就是限制轴压比。

规范对墙肢和柱均有相应的限制要求，详见《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ-2010第6.4.2条和第7.2.13条，其中，柱轴压比计算中轴力设计值考虑地震作用计算，当可不进行地震作用计算的结构，取无地震作用组合的轴力设计值；而在剪力墙的轴压比计算中，轴力取重力荷载代表值，与柱子不一样；

轴压比不满足时的调整方法：

（1）.程序调整：

SATWE程序不能实现；

（2）.人工调整：

增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。

电算结果的判别与具体调整方法：

a.抗震等级越高的建筑结构，其延性要求也越高,因此对轴压比的限制也越严格。

对于框支柱、一字形剪力墙等情况而言，则要求更严格。

抗震等级低或非抗震时可适当放松，但任何情况下不得小于1.05；

b.限制墙柱的轴压比，通常取底截面（最大轴力处）进行验算，若截面尺寸或混凝土强度等级变化时,还验算该位置的轴压比。

STEAW验算结果当与规范不符时，轴压比数值会自动以红色字符显示。

c.需要说明的是，对于墙肢轴压比的计算时，规范取用重力荷载代表值作用下产生的轴压力设计值来计算其名义轴压比,是为了保证地震作用下的墙肢具有足够的延性,避免受压区过大而出现小偏压的情况,而对于截面复杂的墙肢来说,计算受压区高度非常困难,故作以上简化计算。

d.试验证明，混凝土强度等级，箍筋配置的形式与数量，均与柱的轴压比有密切的关系，因此，规范针对情况的不同，对柱的轴压比限值作了适当的调整。

e.当墙肢的轴压比虽未超过上表中限值，但又数值较大时,可在墙肢边缘应力较大的部位设置边缘构件,以提高墙肢端部混凝土极限压应变，改善剪力墙的延性。

当为一级抗震（9度）时的墙肢轴压比大于0.1时，一级（8度）大于0.2，二级大于0.3时，应设置约束边缘构件，程序对底部加强部位及其上一层所有墙肢均按约束边缘构件考虑。

2.剪重比

剪重比即最小地震剪力系数λ，主要是控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于基本周期大于3.5S的结构，以及存在薄弱层的结构，对于结构安全的考虑,规范增加了对剪重比的要求主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，详见《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ-2010第4.3.12条。

这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的地震剪力如果达不到规范的最低要求，就要人为提高，并按这个最低要求完成后续的计算，即满足最小地震剪力是结构后续抗震计算的前提，只有调整到符合最小剪力要求才能进行相应的地震倾覆力矩、构件内力、位移等的计算分析。

剪重比不满足时的调整方法：

（1）.程序调整：

在SATWE的“调整信息”中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”后，程序按抗震规范5.2.5自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。

（2）.人工调整：

如果还需人工干预，可按下列三种情况进行调整：

a.当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度；

b.当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标；

c.当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时,可在SATWE的“调整信息”的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。

电算结果的判别与具体调整方法：

a.对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大1.15倍，即抗规表5.2.5中楼层最小剪力系数λ应乘以1.15倍。

当基本周期介于3.5S和5.0S之间时，可对于抗规表5.2.5数值采用插入法求值。

b.当底部总剪力相差较多时，结构的选型和总体布置需重新考虑，不能仅采用乘以增大系数方法处理；只要底部总剪力不满足要求，则结构各楼层的剪力均需要调整，不能仅调整不满足的楼层。

c.6度区剪重比可在0.7％～1％取。

若剪重比过小，均为构造配筋,说明底部剪力过小，要对构件截面大小、周期折减等进行检查;若剪重比过大，说明底部剪力很大，也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。

3.刚度比

刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值（也称层刚度比），该值主要为了控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。

对于地下室结构顶板能否作为嵌固端，转换层上、下结构刚度能否满足要求，及薄弱层的判断，均以层刚度比作为依据。

高规的3.5.2条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%。

高规的5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。

转换层结构当转换层设置在1~2层时，转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比，非抗震时不应小于0.4，抗震设计时不应小于0.5且宜接近1。

刚度比不满足时的调整方法：

（1）.程序调整：

如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求，SATWE自动将该楼层定义为薄弱层，并按将该楼层地震剪力放大1.25倍。

（2）.人工调整：

如果还需人工干预，可适当降低本层层高和加强本层墙、柱或梁的刚度，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的刚度。

电算结果的判别与具体调整方法：

a.规范对结构层刚度比和位移比的控制一样，也要求在刚性楼板假定条件下计算。

对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次，在刚性楼板假定条件下计算层刚度比并找出薄弱层，然后在真实条件下完成其它结构计算。

b.层刚比计算及薄弱层地震剪力放大系数的结果详建筑结构的总信息WMASS.OUT。

一般来说，结构的抗侧刚度应该是沿高度均匀或沿高度逐渐减少，但对于框支层或抽空墙柱的中间楼层通常表现为薄弱层，由于薄弱层容易遭受严重震害，故程序根据刚度比的计算结果或层间剪力的大小自动判定薄弱层，并乘以放大系数，以保证结构安全。

当然，薄弱层也可在调整信息中通过人工强制指定。

c.SATWE提供有三种方法计算层刚度，即剪切刚度（Ki=GiAi/hi）、剪弯刚度（Ki=Vi/Δi）、地震剪力与地震层间位移的比值（Ki=Qi/Δui）。

对于上述三种计算层刚度的方法，我们应根据实际情况进行选择：

对于底部大空间为一层时或多层建筑及砖混结构应选择“剪切刚度”；对于底部大空间为多层时或有支撑的钢结构应选择“剪弯刚度”；而对于通常工程来说，则可选用第三种规范建议方法，此法也是SATWE程序的默认方法。

4.位移比（层间位移比）

位移比即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。

位移比的大小反映了结构的扭转效应，它是考察刚心与质心的相对位置，是度量结构是否规则、对称、刚度分布是否均匀的方法。

高规的3.4.5条规定，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

位移比不满足时的调整方法：

（1）.程序调整：

SATWE程序不能实现；

（2）.人工调整：

只能通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；可利用程序的节点搜索功能在STEAW的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度；也可找出位移最小的节点削弱其刚度；直到位移比满足要求。

电算结果的判别与具体调整方法：

STEAW程序对每一楼层计算并输出最大水平位移、最大层间位移角、平均水平位移、平均层间位移角及相应的比值，详位移输出文件WDIST.OUT,但对于计算结果的判读,应注意以下几点：

a.若位移比（层间位移比）超过1.2时，则需要在总信息参数设置中考虑双向地震作用；

b.验算位移比需要考虑偶然偏心作用，验算层间位移角则不需要考虑偶然偏心作用。

c.验算位移比应选择强制刚性楼板假定，但当凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响。

d.最大层间位移、位移比是在刚性楼板假设下的控制参数。

构件设计与位移信息不是在同一条件下的结果（即构件设计可以采用弹性楼板计算，而位移计算必须在刚性楼板假设下获得）,故可先采用刚性楼板算出位移，而后采用弹性楼板进行构件分析。

5.周期比

周期比是指第一扭转周期与第一侧振周期的比值。

规范规定：

T扭/T1≤0.9（A级高度），T扭/T1≤0.85（B级高度）。

周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。

周期比不满足时的调整方法：

（1）.程序调整：

SATWE程序不能实现；

（2）.人工调整：

只能通过人工调整改变结构布置，提高结构的扭转刚度；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。

当第一振型为扭转时，说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴（一般都靠近X轴和Y）方向的侧移刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，并适当削弱结构内部的刚度。

当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（侧移刚度较小方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（侧移刚度较大方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当加强结构外围（主要是沿侧移刚度较大方向）的刚度，并适当削弱结构内部沿侧移刚度较大方向的刚度。

电算结果的判别与具体调整方法：

（1）.因SATWE电算结果中并未直接给出周期比,故对于通常的规则单塔楼结构，需人工按如下步骤验算周期比：

a.根据各振型的两个平动系数和一个扭转系数（三者之和等于1）判别各振型分别是扭转为主的振型（也称扭振振型）还是平动为主的振型（也称侧振振型）。

一般情况下，当扭转系数大于0.5时可认为该振型是扭振振型，反之应为侧振振型。

周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期Tt,周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期T1。

计算Tt/T1，看是否超过0.9（0.85）；

b.振型分解反应谱法分析计算周期，地震力时，还应注意两个问题，即计算模型的选择与振型数的确定。

一般来说，当全楼作刚性楼板假定后，计算时宜选择“侧刚模型”进行计算。

而当结构定义有弹性楼板时则应选择“总刚模型”进行计算较为合理。

至于振型数的确定，应按高规5.1.13条执行，振型数是否足够，应以计算振型数使振型参与质量不小于总质量的90%作为唯