混凝土結(jié)構(gòu)高層設(shè)計中需控制的六個比值

摘要 在混凝土結(jié)構(gòu)的高層設(shè)計中開始階段，初步確定結(jié)構(gòu)布置成了此階段的重點，如何判斷結(jié)構(gòu)布置的合理及結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟性能也就成了關(guān)鍵所在；本文就混凝土高層設(shè)計中所需控制的六個參數(shù)作了簡明的闡述。

關(guān)鍵詞 混凝土結(jié)構(gòu) 位移比 周期比 剛重比 剛度比 軸壓比 剪重比

一概述

所需控制六個參數(shù)分別為：位移比、周期比、剛重比、剛度比、軸壓比、剪重比。分析主次的思路如下：在建筑初步布置確定后，首先進行的是結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件的初步布置，所以首先控制抗側(cè)構(gòu)件的平面布置合理性，位移比、周期比及剛度比是控制構(gòu)件平面布置的三個主要參數(shù)，在平面布置滿足要求后，豎向剛度比的控制成了第二步的重點，其后進行軸壓比剪重比的控制是保證結(jié)構(gòu)的延性及抗震安全性；這三步是相互關(guān)聯(lián)的，要得到更合理的結(jié)構(gòu)布置，就需要對這三步按順序地不斷調(diào)試，在現(xiàn)在的計算機輔助設(shè)計中是可行的并且可以高效做到的。

二六個要點的詳解

1位移比：主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免形成扭轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。見抗規(guī)3.4.2及高規(guī)[1]4.3.5，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A級高度高級建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)范第10章所指的復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.4倍。

2周期比：主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。首先要明確什么是扭轉(zhuǎn)為主及平動為主的第一自振周期；主振型：對于某個特定的地震作用引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)而言，一般每個參與振型都有著一定的貢獻，貢獻最大的振型就是主振型，貢獻指標的確定一般有兩個，一是基底剪力的貢獻大小，二是應(yīng)變能的貢獻大小。一般而言，基底剪力的貢獻大小比較直觀，容易被我們接受。主振型所對應(yīng)的周期就是第一自振周期；其次結(jié)構(gòu)周期比大于規(guī)范要求的時候，結(jié)構(gòu)在平扭耦合作用下會出現(xiàn)嚴重的動力放大效應(yīng)，結(jié)構(gòu)相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會被大大放大，其中的詳解可參考論文[2]。

位移比及周期比的核心是抗側(cè)構(gòu)件的平面位置布置，原則是：最少的抗側(cè)構(gòu)件達到最有效的抗扭效果；抗側(cè)構(gòu)件在建筑平面布置時所提供的抗扭力最大，所以位移比不滿足時，平面周邊的抗側(cè)構(gòu)件是重點考慮對象。

3剛重比：主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆，要求見高規(guī)[1]5.4.4，研究表明，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)僅在豎向重力作用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性是很小。高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計主要是控制在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)（重力P-△效應(yīng)）不致過大，以致引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌。結(jié)構(gòu)的剛度和重力荷載之比（剛重比）是影響重力P-△效應(yīng)的主要參數(shù)。如結(jié)構(gòu)的剛重比滿足高規(guī)[1]5.4.4-1或5.4.4-2的規(guī)定。則重力P-△效應(yīng)控制在10%之內(nèi)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有適宜安全儲備。若機構(gòu)的剛重比進一步減小，則P-△效應(yīng)將會呈非線性關(guān)系幾何增長，直至引起結(jié)構(gòu)的的整體失穩(wěn)。在水平力作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定應(yīng)滿足本條的規(guī)定，不應(yīng)再放松要求，如不滿足本條的規(guī)定，應(yīng)調(diào)整并增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

4剛度比：主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，見抗規(guī)3.4.2。對非轉(zhuǎn)換層上下的抗側(cè)構(gòu)件的豎向剛度宜滿足高規(guī)[1]4.4.2的相關(guān)規(guī)定并應(yīng)滿足4.4.3的規(guī)定，當(dāng)不滿足4.4.2時，應(yīng)采取5.1.14的有效抗震措施；對轉(zhuǎn)換層上下側(cè)向剛度應(yīng)滿足高規(guī)[1]附錄E的規(guī)定。其計算方法詳文獻[3]。

5軸壓比：柱考慮地震作用組合的軸向力設(shè)計值與柱全截面面積和混凝土軸向抗壓強度設(shè)計值乘積的比值。控制鋼筋砼豎向構(gòu)件軸壓比對于抗震結(jié)構(gòu)來說是極其重要的，軸壓比的高低直接體現(xiàn)構(gòu)件延性的優(yōu)劣，軸壓比較小的延性較好，反之延性較差。由于地震作用的反復(fù)性及突發(fā)性，因此地震作用效應(yīng)組合下的豎向構(gòu)件軸壓比必須滿足軸壓比限值的要求，以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件有足夠的延性；而風(fēng)荷載效應(yīng)組合下的豎向構(gòu)件軸壓比則可略放松；此外，實際的高層建筑結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)十分復(fù)雜，盡管在結(jié)構(gòu)計算軟件技術(shù)不斷發(fā)展，計算精度不斷提高，但所計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與實際的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不可避免地存在一定差距，豎向構(gòu)件軸壓比限值的控制有利于彌補此差異帶來的結(jié)構(gòu)隱患，有利于保證結(jié)構(gòu)安全工作。

6剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性，見抗規(guī)5.2.5及高規(guī)[1]3.3.13。對于6度或不抗震沒有要求 ，規(guī)范規(guī)定最小剪重比主要是對于長周期結(jié)構(gòu)，規(guī)范所采用的振型分解反應(yīng)譜法無法做出正確的計算，所以出于結(jié)構(gòu)安全考慮，規(guī)定最小剪重比。 抗風(fēng)計算不存在剪重比，風(fēng)載不同于地震作用，它是直接作用在建筑物的，而且可較準確測定（定值）；剪重比、剪壓比是一個概念，是指水平作用與豎向作用的比值。在78規(guī)范的時候，人們用重力乘以系數(shù)來反映地震作用，因為在當(dāng)時安全度設(shè)計的概念里，只是用這樣一種方法來反映地震實質(zhì)上是慣性力這樣一個客觀道理。 我國78規(guī)范把這個系數(shù)稱之為結(jié)構(gòu)系數(shù)， 最小值的確定實際上可以根據(jù)反應(yīng)譜曲線上計算的最小值來確定，當(dāng)然，超出了反應(yīng)譜估計的自震周期的部分可以專門論證，但是，一般工程超出了反應(yīng)譜規(guī)定的最小值是不應(yīng)該的 ，以上海IV類場地計算最小的剪壓比是（7度）1.64%左右 ，如果在6度區(qū)II類場地，最小剪壓比應(yīng)是0.6%（2001規(guī)范），按89規(guī)范應(yīng)為0.5% ，如果計算的結(jié)果不滿足最小值的限定，計算肯定是存在明顯的錯誤，如輸入有誤、設(shè)置有誤，模型不合理，甚至于結(jié)構(gòu)不合理，希望慎重，當(dāng)然，6度區(qū)只要按抗震構(gòu)造即可，無需計算驗算。

三結(jié)論和建議

通過有主次的控制這六個主要的參數(shù)，使高層的結(jié)構(gòu)布置更加合理、高效，達到更好的效果。

參考文獻

[1]高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程[S]. JGJ3-2002.

[2]徐培福. 高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)[J]. 建筑科學(xué)，2000， 16(1).

[3]姜學(xué)詩. 應(yīng)正確計算轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2005， 9 .

Six Ratio abort Tall Building Structure Design of Structure Components

REN Yi-chao

Abstract: At the first step of tall building structure design，how to assign the structure components is the most important process. So we must have a standards to estimate the components is economical and reasonable or not. This article expatiates on the six ratios about the technical specification for concrete structures of tall building simply.

Key words: concrete structure; displacement ratio; period ratio; the ratio of mass to weight; vertical mass ratio; ration of axial pressure to bearing capacity; the ratio of shearing force to weight