探讨高层结构设计中的控制与调整

周丽春

摘要：随着城市的发展和科学技术的进步,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。在满足使用功能的情况下,高层建筑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面对的问题。对于高层结构设计来说,位移比、周期比、刚度比、层间受剪承载比、刚重比、剪重比、轴压比是保证结构规则、安全、经济的七个极其重要的参数,《抗震规范》、《混凝土规范》《高规》均在相关章节对以上"七个比值"进行了严格控制。

关键词：高层建筑;结构设计;七个"比值";规范条文; SATWE程序;电算结果;名词释义;控制与调整

Abstract: with the development of the city and the progress of science and technology, high-rise buildings (10 layer and 10 layer above or a house height more than 28 m buildings) are applied widely. To satisfy the use function, high building how to achieve both safe and economic design requirements of this is structure design personnel must face the problem. For top structure design for, displacement ratio, cycle, stiffness, layer than than between shear bearing than, than just heavy, heavy cut than axial compression ratio, is the guarantee structure rules, safety, economic seven extremely important parameters, the seismic code ", "the concrete code", "high rules" are in the relevant sections on the above "seven ratio" are strictly control.

Keywords: high building; Structure design; Seven "ratio"; Standard article; SATWE program; Computing results; Nouns explanation; Control and adjustment

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

1位移比

1. 1名词释义

位移比包含两项内容:

(1)楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。

(2)楼层竖向构件的最大层间位移与平均层间位移的

比值。计算位移比仅考虑墙顶、柱顶等竖向构件上节点的最大位移,不考虑其他节点的位移。高层建筑层数多、高度大,為保证高层建筑结构具有必要的刚度,应对其位移比加以控制。

1. 2相关规范条文的控制

[抗规]3. 4. 2条规定:建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;当存在结构平面扭转不规则时,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。[高规]4. 3. 5条规定:楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,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。[高规]4. 6. 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高之比Δu/h不宜大于表1的限值。

1. 3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:

(1)若位移比超过1. 2,则需要在总信息参数设置中考

虑双向地震作用。

(2)验算位移比应考虑偶然偏心的影响。

(3)验算位移比应选择强制刚性楼板假定。如果在结构模型中设定了弹性板或楼板开大洞,应计算两次,第一次抗震计算时选择<对所有楼板强制采用刚性楼板假定>,按规范要求计算位移比;第二次应在位移比满足要求后,不选择该项,以弹性楼板假定进行配筋等计算。

(4)对于体育场馆、特殊工业建筑、空旷结构、错层和越层等结构,由于其竖向构件高度不一致,采用强制刚性楼板假定会带来较大的计算误差,因此,对这类复杂的建筑结构不宜强行进行位移比控制。

(5)位移比不满足要求的原因,往往是结构平面不规则,刚度布置不均匀,结构上下层刚度偏心较大等,解决办法主要是改进设计,使结构规则,刚度均匀。

2周期比

2. 1名词释义

周期比即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。限制周期比是为了控制结构的抗扭刚度不能太弱。当Tt与T1两者接近时,由于振动耦连的影响,结构的扭转效应将明显增大。因此,在抗震设计中采取措施减小周期比Tt/T1值,使结构具有必要的抗扭刚度。

2. 2相关规范条文的控制

[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。”[高规]5. 1. 13条规定,“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%。”

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(也称层间刚度比),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,均以层间刚度比作为依据。[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相关规范条文的控制

[抗规]附录E. 2. 1规定:筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。[高规]4. 4. 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]5. 1. 14条规定:对竖向不规则的高层建筑结构,包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%……其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1. 15的增大系数。[高规]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。

4层间受剪承载力比

4. 1名词释义

层间受剪承载力比与刚度比一样也是控制结构竖向不规则性和判断薄弱层的重要指标。

4. 2相关规范条文的控制

[抗规]3. 4. 3条规定:平面規则而竖向不规则的建筑结构……楼层承载力突变时,薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。[高规]4. 4. 3条规定:A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%,不应小于其上一层受剪承载力的65%; B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。[高规]5. 1. 14条规定:对竖向不规则的高层建筑结构……结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%……其薄弱层对应与地震作用标准值的地震剪力应乘以1. 15的增大系数。

4. 3电算结果的判别与调整要点

层间受剪承载力比在<建筑结构的总信息>WMASS.OUT文件中输出,程序没有自动判定承载力是否超过限值而出现薄弱层。若有薄弱层,应在SATWE的"调整信息"中的"指定薄弱层个数"中填入该楼层层号,将该楼层强制定义为薄弱层, SATWE按[高规]5. 1. 14条将该楼层地震剪力放大1. 15倍。如果还需人工干预,可适当提高本层构件强度(如增大配筋、提高混凝土强度或加大截面)以提高本层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力,或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力。

5刚重比

5. 1名词释义

刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定的重要指标。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下,重力荷载产生的二阶效应(P-Δ效应)不致过大,导致结构失稳倒塌。结构的刚重比是影响重力二阶效应的主要参数,通过对结构刚重比的控制,满足高层建筑稳定性要求。

5. 2相关规范条文的控制

[高规]5. 4. 4条规定:1剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构稳定性应

符合下列规定:EJd/∑Gi≥1. 4H22框架结构稳定性应符合下列规定: DHi i/∑Gi≥10

6轴压比

6. 1名词释义

柱(墙)轴压比N/( fcA)指柱(墙)考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱(墙)的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。它是影响墙柱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。

6. 2相关规范条文的控制

[砼规]11. 4. 16条、[抗规]6. 3. 7条、[高规]6. 4. 2条同时规定:柱轴压比不宜超过表3中限值。

6. 3相关规范条文的控制

轴压比计算结果程序已经给出:梁弹性挠度、轴压比、墙边缘构件简图。轴压比若不满足规范要求,则结构的延性要求无法保证;轴压比过小,则说明结构的经济技术指标较差,宜适当减少相应墙、柱的截面面积。轴压比不满足规范要求时, SATWE程序不能自动实现调整,一般通过增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度进行调整。上述几个参数的调整涉及构件截面、刚度及平面位置的改变,在调整过程中可能相互关联,应注意不要顾此失彼

参考文献:

[1]沈励操《西安地区湿陷性黄土场高层建筑地基处

理方法的选用》

[2]国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025

-2004

[3]行业标准JGJ79-2002《建筑地基处理技术规

范》

[4]行业标准JGJ94-94《建筑桩基技术规范》

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。