高层结构设计中六个“比”的控制与调整

高层结构设计中”比值”的控制与调整引言：高层建筑（10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物）的应用日益广泛，由于高层建筑相对较柔，水平荷载作用效应明显，在满足使用条件下如何才能达到既安全又经济的设计要求，这是结构设计人员必须去追求与面对的。对于混凝土结构，一般需要控制一些参数，宏观控制的5大比值：周期比，位移比，刚度比，剪重比，刚重比。微观控制的6大比值：轴压比，剪压比，剪跨比，跨高比，高厚比（剪力墙），长细比（柱），位移比。对于高层结构设计来说，位移比、周期比、刚度比、刚重比、剪重比、轴压比是保证结构规则、安全、经济的六个极其重要的参数，《建筑抗震设计规范GB50011-2010》（以下简称为抗规）;《混凝土结构设计规范GB50010-2010》（以下简称为砼规）;《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》（以下简称为高规）均在相关章节对以上”六个比”进行了严格控制。在初步设计和施工图设计阶段，结构设计和审图人员对以上”六个比”都非常重视，各类结构设计软件也对这”六个比”有详细的电算结果输出，便于设计人员进行分析与调整。本文仅以我国目前较为权威且应用最为广泛的PKPM软件中的SATWE程序的电算结果，结合规范条文的要求，谈谈如何对电算结果进行判读、控制与调整。1.位移比（层间位移比）：1.1名词释义：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。层间位移比：即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。最大水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移。平均水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2。层间位移角：墙、柱层间位移与层高的比值。最大层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值。平均层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值与最小值之和除2。1.2控制目的：高层建筑层数多，高度大，为了保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其最大位移和层间位移加以控制，位移比的大小是反映结构平面规则与否的重要依据，它侧重控制的是结构侧向刚度和扭转之间的一种相对关系，而非绝对大小，它的目的是使结构抗侧力构件布置更有效、更合理。控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。1.3相关规范条文的控制：a)[抗规强条]3.4.1条规定：建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。b)[抗规]3.4.3-1条规定，在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），不宜大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。c)[高规]3.4.5条规定，结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。d)[高规]3.7.3条规定，高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层间之比（即最大层间位移角）Δu/h应满足以下要求：结构休系Δu/h限值框架1/550框架-剪力墙，框架-核心筒1/800筒中筒，剪力墙1/1000框支层1/10001.4电算结果的判别与调整要点：PKPM软件中的SATWE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WDISP.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，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，楼盖周边两端位移不超过平均位移2倍的情况称为刚性楼盖，超过2倍则属于柔性楼盖。因此，这种”刚性楼盖”，并不是刚度无限大。计算扭转位移比时，楼盖刚度可按实际情况确定而不限于刚度无限大假定（空楼板及跃层柱会受刚性楼板假设约束而失真）。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。e)因为高层建筑在水平力作用下，几乎都会产生扭转，故楼层最大位移一般都发生在结构单元的边角部位。f)由于位移比是在”全楼刚性楼板”的假定下计算的，这时的每层楼板在楼层平面内被假定为刚体，因为考虑偶然偏心，在水平地震力的作用下，即使是规则对称的结构也不可能是纯粹的平动，其最大水平位移与层间位移一定是发生在楼层边角部位的某处。所以一般情况下位移比是由结构边角部位的水平位移与层间位移决定的。因此调整结构外围抗侧力构件的刚度是控制位移比的最为有效的方法。周期比的控制在于结构具备足够的抗扭转刚度，而结构外围抗侧力构件对结构的抗扭转刚度贡献最大。因此调整结构外围抗侧力构件刚度以控制位移比时，必然对周期比产生较大影响。考虑到对周期比的影响，可根据周期比的大小采用相应的方法调整位移比。当周期比大于或接近规范限值时，应采用加强刚度的方法。当周期比小于规范限值较多时，可采用削弱刚度的方法。同样，对周期比的调整也可能影响位移比。特别是当某主轴方向的位移比接近规范限值时，此时对刚度的调整应以结构的质心为中心尽量对称。Xs、Ys表示该层的刚心座标，Xm、Ym表示该层的质心座标，Rx、Ry分别表示该层与下一层在X、Y方向的层刚比2.周期比：1.1名词释义：周期比即结构扭转为主的第一自振周期（也称第一扭振周期）Tt与平动为主的第一自振周期（也称第一侧振周期）T1的比值。周期比主要控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，使结构的抗扭刚度不能太弱。因为当两者接近时，由于振动藕连的影响，结构的扭转效应将明显增大。1.2控制目的：其主要目的是控制结构在地震作用下的扭转效应。周期比实际上反映了结构的扭转刚度和侧向刚度之间的一种对应关系，同时也反映了结构抗侧力钩件布置的合理性和有效性。1.3相关规范条文的控制：a)[高规]4.3.5条规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（即周期比），A级高度高层建筑不应大于0.9；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0.85。b)[高规]5.1.13条规定，高层建筑结构计算振型数不应小于9，抗震计算时，宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应，振型数不小于15，对于多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。1.4电算结果的判别与调整要点：2.3.1验算周期比应选择强制刚性楼板假定，计算结果详周期、地震力与振型输出文件。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。当然，对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进行判断，.对于刚度均匀的结构，在考虑扭转耦连计算时，一般来说前两个或几个振型为其主振型，但对于刚度不均匀的复杂结构，上述规律不一定存在。总之在高层结构设计中，使得扭转振型不应靠前，以减小震害。SATWE程序中给出了各振型对基底剪力贡献比例的计算功能，通过参数Ratio（振型的基底剪力占总基底剪力的百分比）可以判断出那个振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每个振型对基底剪力的贡献大小，以此滤除局部震动产生的周期；b)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；c)计算Tt/T1，看是否超过0.9（0.85）。d)多层建筑结构，体育场馆，空旷结构和特殊的工业结构不需控制周期比。2.3.2对于多塔结构周期比，不能直接按上面的方法验算，这时应该将多塔结构分成多个单塔，按多个结构分别计算、分别验算（注意不是在同一结构中定义多塔，而是按塔分成多个结构）。2.3.3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，应按上述[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%作为唯一的条件进行判别。2.3.4如同位移比的控制一样，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，而非其绝对大小，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。即周期比控制不是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合理性。考虑周期比限制以后，以前看来规整的结构平面，从新规范的角度来看，可能成为”平面不规则结构”。一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，总的调整原则是要加强结构外圈，或者削弱内筒。2.3.5扭转周期控制及调整难度较大，要查出问题关键所在，采取相应措施，才能有效解决问题。a)扭转周期大小与刚心和形心的偏心距大小无关，只与楼层抗扭刚度有关；b)剪力墙全部按照同一主轴两向正交布置时，较易满足；周边墙与核心筒墙成斜交布置时要注意检查是否满足；c)当不满足周期限制时，若层位移角控制潜力较大，宜减小结构竖向构件刚度，增大平动周期；d)当不满足周期限制时，且层位移角控制潜力不大，应检查是否存在扭转刚度特别小的层，若存在应加强该层的抗扭刚度；e)当不满足扭转周期限制，且层位移角控制潜力不大，各层抗扭刚度无突变，说明核心筒平面尺度与结构总高度之比偏小，应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚，增大核心筒的抗扭刚度。f)当计算中发现扭转为第一振型，应设法在建筑物周围布置剪力墙，不应采取只通过加大中部剪力墙的刚度措施来调整结构的抗扭刚3.刚度比3.1名词释义：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。[抗规]与[高规]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）。3.2控制目的：主要为控制结构竖向规则性，确定结构中的薄弱层。为了保证结构竖向刚度变化的均匀性，防止出现突变的情况。层刚度比比较直观反映了结构楼层侧向刚度沿竖向分布的均匀程度，它是衡量结构竖向规则与否的重要标志。3.3相关规范条文的控制：a)[抗规]附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2；b)[高规]3.5.2条规定，对框架结构，本层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8。c)[高规]5.3.7条规定，高层建筑结构整体计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2。d)[高规]10.2.3条规定，底部大空间剪力墙结构，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度。[高规]附录E的规定：E.01）当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1表示转换层上、下层结构刚度的变化，γe1宜接近1，非抗震设计时γe1不应小于0.4，抗震设计时γe1