浅析高层结构设计中六个比值的控制与调整

刘成刚

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。在高层建筑结构设计初始阶段，合理确定结构布置成了此阶段的重点，如何判断结构布置的合理及结构体系的经济性能也就成了关键所在，本文就混凝土高层建筑结构设计中所需控制的六个参数作了简明的阐述，并针对六个比值调整方法进行了探讨，对提升高层建筑结构设计水平及高层建筑综合效益有一定的实践意义。

关键词：高层建筑；结构设计；六个比值；控制与调整；SATWE计算

1.前言

高层结构设计过程中，在建筑初步布置确定后，首先进行的是结构抗侧构件的初步布置，所以首先控制抗侧构件的平面布置合理性，位移比、周期比及刚重比是控制构件平面布置的三个主要参数，在平面布置满足要求后，竖向刚度比的控制成了第二步的重点，其后进行轴压比、剪重比及层间受剪承载力比的控制是保证结构的延性及抗震安全性，这三步是相互关联的，要得到更合理的结构布置，就要求设计人员深刻理解六个比值含义并能熟练掌握运用。

2.六个设计要点的名词释义及控制与调整

高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中需控制六个参数分别为：位移比、周期比、刚重比、刚度比、轴压比、剪重比。

2.1位移比：在考虑偶然偏心的规定水平力作用下，楼层的竖向构件的最大水平位移和层间位移，与该楼层位移平均值的比值。

位移比主要为控制结构平面规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。规范相关要求见10版抗规3.4.2，10版高规3.4.5和3.7.3。如不满足规范要求时，应按如下措施或方法进行调整：

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；由于位移比是在刚性楼板假定下计算的，结构最大水平位移与层间位移往往出现在结构的边角部位；因此应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构刚心与质心的偏心距。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。

2.2周期比：规范条文，新高规的3.4.5条规定，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比，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。

周期比主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。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。规范相关要求见10版高规3.4.5与5.1.13，如果周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，结构扭转效应过大，应按如下方法进行调整：

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。

2.3刚重比：是指结构的侧向刚度和重力荷载设计值之比。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。见10版高规5.4.1和5.4.4。如不满足规范要求时，应按如下方法进行调整：

1）程序调整：刚重比不满足规范上限要求，在SATWE的“设计信息”中勾选“考虑P-Δ效应”，程序自动计入重力二阶效应的影响。

2）人工调整：只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

2.4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。规范相关要求见10版抗规3.4.2，10版高规3.5.2与5.3.7与10.2.3；对于形成的薄弱层则按10版高规3.5.8予以加强。如不满足规范要求时，应按如下措施或方法进行调整：

1）程序调整：如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10版高規3.5.8将该楼层地震剪力放大1.25倍。

2）人工调整：如还需人工干预，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。

2.5轴压比：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。

规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见10版高规6.4.2和7.2.13。如不满足规范要求时，应按如下措施或方法进行调整：

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。

2.6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，出于对结构安全的考虑，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，见高规10版高规4.3.12。如不满足规范要求时，应按如下措施或方法进行调整：

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，SATWE按10版抗规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。

在SATWE的“调整信息”中的“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。

在SATWE的“地震信息”中的“周期折减系数”中适当减小系数，增大地震作用，以满足剪重比要求。

2）人工调整：一般是调整墙柱截面大小，调整刚度。

3.结语

作为一名建筑结构设计师，最求的是经济、合理、安全的建筑，结合现行国家规范规程使用计算软件，合理选取结构设计中涉及的计算参数，避免计算盲目性和模式化，工程师须不断地提高自身的理论水平，不断地总结实践经验，通过整体和局部判断软件计算结果的合理性；学会利用结构概念设计来把握结构整体的设计，利用简化力学模型来检验局部构件的设计，通过有主次的控制六大主要参数指标值，使高层的结构布置更加合理、高效，达到更好的效果。

参考文献

1.李勤.高层建筑结构计算程序satwe的计算结果分析[J].山西建筑，2006（8）.

2.任以超.混凝土结构高层设计中需控制的六个比值[J].工程技术，2006（3）.

3.中华人民共和国行业标准中华人民共和国建设部.高层建筑沉凝土结构技术规程JGJ3-2010）[s].北京：中国建筑工业出版社，2010.