高层结构设计的七个比值

马雄机

广东省华城建筑设计有限公司东莞分公司 广东 东莞 523000

【摘 要】对于刚接触结构设计的从业者来说，在高层建筑结构设计中，往往感到无从下手，笔者认为这是一个新手常见的问题，究其原因，是因为对规范的理解和设计经验的不够导致的。本文中，笔者根据从业多年来的工作经验和对规范的理解，就混凝土高层建筑结构设中所需控制的七个参数作一个简明的阐述，并针对七个比值调整方法进行了探讨，对结构新手提升高层建筑结构设计水平有一定的实践意义。

【关键词】高层；结构设计；七个参数；调整

1概述

一般而言，在高层结构设计过程中，建筑专业把平面方案初步确定后，随即结构专业应该介入，进行结构抗侧构件的初步布置。首先应该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。结构设计中，如要得到更合理的结构布置，就要求结构设计人员能够深刻的理解这七个比值含义，并能在实际工程中熟练掌握它、运用它。

2七个比值详解及调整的方法

在实际工程中，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，设计过程中需控制七个参数分别为：周期比、位移比、刚度比、刚重比、剪重比、层间受剪承载力、轴压比。下面，笔者将结合规范条文和PKPM软件对以上七个参数进行一一阐述。

2.1周期比

[规范条文：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，减小扭转对结构产生的不利影响。一句话，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。周期比主要为控制结构扭转效应。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。根据个人经验，周期比不满足时的调整方法如下：

a.程序调整：SATWE程序不能实现。

b.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。也就是说要加强结构外圈刚度，削弱结构内筒刚度。

2.2位移比

[规范条文：高规的3.4.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角，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。根据个人经验，位移比不满足时的调整方法如下：

a.程序调整：SATWE程序不能实现。

b.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SATWE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。位移比的限值是根据刚性楼板假定的条件下确定的，其平均位移的計算方法，也基于“刚性楼板假定”，所以，在SATWE参数中，要点上该选项再计算。

2.3刚度比

刚度比主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.3，高规3.5.2；对于形成的薄弱层则按高规3.5.8予以加强。根据个人经验，刚度比不满足时的调整方法：

a.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，并按高规3.5.8将该楼层地震剪力放大1.25倍。

b.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。

对于错层结构或带有夹层的结构，层刚度比有时得不到合理的计算，这是因为层的概念被广义化了。此时，需要采用模型简化才能计算出层刚度比。

2.4刚重比

[规范条文：高规第5.4.1-5.4.2条规定了高层建筑结构要考虑重力二阶效应的情况。高规5.4.4规定了高层建筑稳定性的条件。]刚重比主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。根据个人经验，刚重比不满足时的调整方法：

a.程序调整：在“考虑重力二阶效应”的地方打对勾。

b.人工调整：人工调整改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

2.5剪重比

剪重比主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5，高规4.3.12。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。根据个人经验，剪重比不满足时的调整方法：

a.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。

b.人工调整：如果还需人工干预，可按下列三种情况进行调整：

b-1.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-2.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；

b-3.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”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。

2.6层间受剪承载力

层间受剪承载力控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层，见抗规3.4.3，高规3.5.3；对于形成的薄弱层应按高规3.5.8予以加强。根据个人经验，层间受剪承载力比不满足时的调整方法：

a.程序调整：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3.5.8将该楼层地震剪力放大1.25倍。

b.人工调整：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、柱等抗侧力构件的承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的承载力。

2.7轴压比

轴压比主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.6和6.4.5，高规6.4.2和7.2.14。

轴压比不满足时的调整方法：

a.程序调整：SATWE程序不能实现。

b.人工调整：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。

2.8总结

如果结构竖向较规则，第一次试算时可只建一个结构标准层，待结构的周期比、位移比、剪重比、刚度比等满足之后再添加其它标准层；这样可以减少建模过程中的重复修改，加快建模速度。

3结语

随着计算机科学技术的不断发展，PKPM系列及相关结构计算软件的出现大大地提高了结构工程师们的工作效率，但同时也逐渐使工程师养成了依赖软件的习惯，形成了盲目相信软件计算结果，手算能力大大降低。在实际工作中，结构工程师们应该结合现行国家规范规程来使用计算软件，能够合理地选取结构设计中涉及的各項计算参数，要避免计算盲目性和走模式化。结构工程师们应该要与时俱进的更新科学知识，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，然后应用于实际工程；结构工程师们还应学会利用结构概念设计来把握结构整体的设计，能够利用简化力学模型来检验局部构件的设计，通过有主次的控制七大主要参数指标值，使高层的结构布置更加合理、安全、经济。

参考文献：

[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）

[2]广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程（DBJ15-92-2013）