探讨如何控制高层结构的周期比

蔡政杰

（广东省建筑设计研究院 广东广州 510010）

0 引言

随着国内城市化进程的不断加快，建筑工程的体量与规模急剧增加。现阶段，城市中高层建筑的数量越来越多。在进行高层建筑的设计工作时，大多采用剪力墙结构，这就需要对结构的周期比进行严格控制，提高建筑的安全性与抗震效果。尤其对于一些平面分布不规则、不对称的建筑项目，要做好结构整体计算工作，确保结构周期比不能超过《高规》所规定的限值。同时，还要对建筑平面结构的布置方案进行调整与优化，确保结构设计的合理性。

1 概述

在我国颁布实施的《高规》中明确指出，建筑结构平面布置工作中，要尽可能降低扭转效应对建筑的影响。这一过程中，要对第一自振周期T1进行严格的控制。对于A级高度的建筑工程来说，由结构扭转为主的T3和以平动为主的T1之间的比值不能超过0.9。对于B级高层建筑工程来说，该数值不能超过0.85。从上述规定能够看出，对结构造成限制的抗扭刚不不能太弱，进而避免结构产生严重的扭转效应，避免结构发生严重的损毁。要想对高层建筑结构的抗扭刚度进行限制，需要对结构设计工作引起重视。一方面，可以在抗侧力结构的布置方面进行调整，进而提高结构的抗扭刚度。另一方面，对于高层结构而言，应由梁柱结构进行承重，但是周期比还达不到满足时，不能盲目的通过增加梁柱结构的截面进行设计，因为这一方式往往收不到良好的效果[1]。这一过程中，要对各项影响因素进行分析，可以从平面刚度、构件刚度以及抗震缝的调整等方面完善设计工作。

2 控制周期比的意义

所谓的周期比，是第一扭转周期和平动周期之间存在的比值系数。在进行周期比的计算工作时，首先要对楼板刚性进行假设，也就是将楼板的平面内刚度假定为无限大。同时，假定楼板平面外刚度趋近于零。这一过程中，需要对偶然偏心地震力的作用进行考虑。具体计算过程中，要借助于计算机软件以及结构设计程序，对高层建筑的结构周期比进行计算。之所以要对周期比限值进行控制，主要因为以下几点原因：①通过进行周期比的计算，能够对结构的扭转效应进行判断，同时也可以对结构布置的合理性做出衡量。对周期比进行严格的计算，能够防止结构平面出现过大的扭转效应，当有地震等自然灾害发生时，结构不至于遭受严重的破坏。②通过进行周期比的控制，可以提高结构的抗震效果[2]。一般来说，如果周期比不超过限值，那么当地震发生时，平动周期的出现时间要比扭转周期早，因而结构的抗震性能将会显著提高。通过对国内一些特大型地震震害进行研究表明，如果结构的平面存在不规则、不对称等现象，那么其扭转刚度将会显著降低，因而在地震作用下会出现扭转脆性破坏，进而对人们的生命与财产安全造成极大的威胁。

3 高层框架结构周期比的控制方法

3.1 对平面刚度中心进行适当的调整

通过对建筑结构的平面刚度中心进行调整，可以使结构刚心和质心尽可能的接近。在进行高层建筑的结构抗震设计工作中，经常会遇到以下类似的状况：即便是高层建筑的平面相对简单，并且对称性效果较好，但是其周期比仍然不能达到《高规》中的相关要求。对于这一现象，主要是因为该建筑的结构平面存在着抗侧力构件布置不规则或者是不对称的问题，进而造成建筑结构平面的刚度中心与质量中心之间存在着较大的偏移。鉴于此，在开展建筑结构平面的布置工作时，应针对剪力墙进行相应的加法、减法处理。具体来说，可以适当提高结构平面的剪力墙设计质量，尤其在长度与宽度、数量方面进行调整，对于周边剪力墙也要做好调整工作。此外，还要降低刚心一侧剪力墙的长度、宽度以及数量，特别要对中间剪力墙进行调整。在进行剪力墙的具体布置时，应力求对称、均匀，并且要提高剪力墙的分散效果。此外，要确保建筑结构质量的分布均匀，不存在偏心等问题。总体而言，通过对建筑结构平面的刚心、质心做出调整，使得二者在位置上更加接近，提高周期比的控制效果。

3.2 对周边与中间构件的刚度进行调整

设计工作中，可以适当提高建筑结构平面周边构件的刚度，同时适当降低平面中间构件的刚度。周期比不仅受到建筑结构扭转刚度的影响，同时与结构的侧向刚度有着密切的关系。现阶段，在进行周期比的计算设计工作时，主要借助计算机软件程序完成结构的设计工作。这一过程中，要想取得较为理想的计算结果，首先要对第一以及第二振型周期进行控制，设计时最好以平动为主。同时，还要确保扭转周期最好发生在第三振型周期。一方面，在增加建筑结构周边构件刚度的工作中，可以采取以下几点措施：①适当提高建筑结构平面周边的柱、剪力墙数量，并且在长度、宽度方面做出适当的增加；②可以在平面的凹槽外进行拉梁以及连接板的设置，进而提高其刚度；③可以对平面周边的连梁高度做出适当的调整。比如在进行窗台砌体墙的设计时，可以使用钢筋混凝土墙。同时，还要与楼下的连梁形成整体。另一方面，要适当降低平面中部构件的刚度。具体来说，可以采用以下措施：首先，在进行建筑结构平面设计时，可以适当降低中部剪力墙的数量，并且可以减短、减薄剪力墙。同时，还可以在剪力墙的设计工作中设置相应的结构洞，以降低剪力墙的刚度。其次，在进行结构平面的设计时，可以在中部位置降低剪力墙连梁的高度；此外，在保证结构强度的前提下，可以进行框架梁、柱结构的弱化。通过上述措施，可以使结构平面的刚度状况得到优化，进而提高周期比的控制效果。

3.3 加强对抗震缝的应用

通过设置抗震缝，能够把建筑平面中不规则的部分进行分割，进而形成独立、规则几个空间单元。尤其在进行高层建筑的设计工作时，由于受到使用功能以及造型等方面因素的影响，会提高平面设计的复杂度。具体设计工作中，经常会出现L形、Z形以及Y形、T形等一系列不规则的平面。这些平面在刚心、质心方面会存在很大的偏移，并且在结构分析的电算过程中，其周期比计算结果会存在严重的超限问题。在对建筑平面布置方案进行调整与优化时，就可以使用设置防震缝的方法进行调整。这一措施可以使结构平面变得简单，使得结构的质心和刚心更加接近，并且能够降低偏移问题对结构单元的影响。

4 案例分析

4.1 工程概况

在进行某小区的1#住宅设计时，该建筑地下2层，地上31层。地上部分的层高达到了3m。同时，室外地坪到建筑工程檐口之间的高度达到了89m。设计施工时，所采用的结构为现浇剪力墙结构，建筑的抗震设防类别是丙类，其场地类型是Ⅱ类。查阅相应的规范了解到，该地区的抗震设防烈度是Ⅶ度，抗震等级是二级。设计时，将剪力墙的外墙厚度设定为250mm，内墙的厚度设定为200mm。

4.2 工程分析

通过对该工程进行试算，其具体结果如下所示：首先，T1=3.729s，在平动系数方面为0.35（X）。同时，扭转系数的计算结果为0.65。其次，T2的计算结果为3.4745s，在平动系数方面为0.96（Y），扭转系数的计算结果是0.04。另外，计算得到T3=3.283s，平动系数是0.67（X），扭转系数的计算结果是0.31。

因而，对于周期比进行相应的计算，得到了：T3/T1=0.88。从计算结果可以看出，在该工程中计算得到的周期比要比《高规》中规定的限制0.85大，因而在建筑结构的抗扭刚度方面需要进行调整，进而改善结构的抗扭刚度。

4.3 周期比的控制

设计中为了适当提高建筑结构的抗扭刚度，主要使用了以下措施予以处理：一方面，对建筑结构中平面周边构件的刚度做出了调整，周边剪力墙的厚度从原来的250mm进一步提高为300mm，并在建筑功能不变的前提下，增加周边剪力墙墙肢的长度。同时，在平面的凹槽位置处设置了相应的拉梁。另一方面，对平面周边构件的连梁刚度做出了调整，适当加高部分连梁高度。最后，增加纵向剪力墙以加强X方向刚度。

经过上述的调整之后，其计算结果如下所示：首先，T1的计算值达到了3.310s，并且平动系数控制为0.98（Y），扭转系数的计算结果是0.02。其次，计算得到T2=3.075s，平动系数控制为0.94（X），扭转系数为0.00。此外T3的计算结果是2.421s，平动系数为0.08，并且扭转系数控制为0.92。经过调整之后，周期比计算结果是T3/T1=0.73。从上述计算可以看出，通过采用上述措施予以处理，使得高层框架结构的抗扭刚度得到了有效控制，并且周期比能够达到《高规》中的限值要求。

5 结束语

在进行高层框架结构的设计工作时，周期比控制关系到高层框架结构的抗震效果，并直接影响到建筑的安全性与耐久性。因而，设计工作中要对建筑的实际状况做出分析，平面布置时要提高其规则性、对称性效果，并采用合理的处理措施对周期比进行严格控制，进而提高建筑结构设计的整体质量。