結(jié)構(gòu)整體計(jì)算控制指標(biāo)的應(yīng)用

張 俊 文

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030013)

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算控制指標(biāo)的應(yīng)用

張 俊 文

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030013)

對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中周期比、位移比、剪重比、側(cè)向剛度比、剛重比、有效質(zhì)量參與系數(shù)六個(gè)主要的參數(shù)進(jìn)行了研究，介紹了各參數(shù)的定義，探討了各參數(shù)的合理取值區(qū)間，并對(duì)各參數(shù)的控制意義作了論述，以供參考。

結(jié)構(gòu)，比值，荷載，系數(shù)

隨著各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將由軟件代替工程師做著大量的計(jì)算工作，這就要求工程師們必須對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，以判斷結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和合理性。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員從概念設(shè)計(jì)入手，明確設(shè)計(jì)計(jì)算各參數(shù)的含義、合理取值區(qū)間及影響因素等。

1 周期比

周期比是結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值，扭轉(zhuǎn)周期和平動(dòng)周期的確定可通過周期計(jì)算結(jié)果中的振型方向因子的大小來判斷。當(dāng)平動(dòng)因子大于0.5時(shí)為平動(dòng)周期，當(dāng)平動(dòng)周期小于0.5，而扭轉(zhuǎn)因子大于0.5時(shí)為扭轉(zhuǎn)周期，通常合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，前兩個(gè)周期為平動(dòng)周期，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期。結(jié)構(gòu)沿兩個(gè)正交方向各有一個(gè)平動(dòng)為主的第一振型周期，周期比中所指的第一周期指第一振型平動(dòng)周期。有的工程如兩個(gè)方向的第一振型平動(dòng)周期與第一扭轉(zhuǎn)周期的比值均能滿足限值要求，其抗扭剛度會(huì)更好。周期比計(jì)算時(shí)，可直接計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有自振特征，不必附加偶然偏心。周期比和位移比在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中功能都是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，盡可能的降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，周期比側(cè)重反映的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系，它的目的是進(jìn)一步優(yōu)化平面抗側(cè)力構(gòu)件，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2 位移比

位移比是樓層豎向構(gòu)件最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的比值；扭轉(zhuǎn)位移比的確定，不是采用的CQC法組合計(jì)算的偶然偏心和地震作用，而是按規(guī)范要求采用規(guī)定水平力計(jì)算，這樣做的好處是可有效的控制樓層最大位移出現(xiàn)在樓蓋邊緣的角部，而不是樓蓋邊緣的中部，這種計(jì)算方法適用于樓板的各種假定，比如說無限剛樓蓋、分塊無限剛樓蓋和彈性樓蓋；規(guī)范所指的規(guī)定水平力通常是指考慮了偶然偏心的振型組合后的樓層地震剪力換算的水平作用力；采用CQC的效應(yīng)組合通常用于驗(yàn)算結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移控制值。

位移比主要作用就是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，以此來判斷結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性。

3 剪重比

剪重比及剪力系數(shù)是地震作用與重力荷載代表值的比值。對(duì)于基本周期大于3.5 s的結(jié)構(gòu)，由于在長(zhǎng)周期段地震影響系數(shù)下降較快，而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)太小完全有可能會(huì)出現(xiàn)。現(xiàn)在規(guī)范所采用的CQC法，無法評(píng)估長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，在地震效應(yīng)作用下的地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞帶來的影響。為了避免這種破壞的出現(xiàn)，規(guī)范限定了不同烈度下的最小剪力系數(shù)，當(dāng)不滿足規(guī)范限定的剪力系數(shù)時(shí)，需通過改變結(jié)構(gòu)平面布置方式或通過調(diào)整結(jié)構(gòu)總剪力和各樓層的水平地震剪力來滿足要求。

剪重比就是通過控制各樓層最小地震剪力，來確保結(jié)構(gòu)安全。

4 側(cè)向剛度比

側(cè)向剛度比是樓層側(cè)向剛度的比值。在高層建筑設(shè)計(jì)中，規(guī)范通過限制下層與相鄰上層的側(cè)向剛度比值，來避免形成薄弱層而導(dǎo)致的變形集中在某一薄弱樓層，通常要求下部樓層側(cè)向剛度大于上部樓層的側(cè)向剛度。框架結(jié)構(gòu)要求：樓層與上部相鄰樓層的側(cè)向剛度比宜大于0.7，與上部相鄰三層側(cè)向剛度平均值的比值宜大于0.8。對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、板柱—剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度主要由剪力墻來提供，層高變化對(duì)剛度變化影響不明顯，可采用樓層側(cè)向剛度比來判定側(cè)向剛度的變化，控制指標(biāo)也做相應(yīng)的改變，通常按大于0.9來控制；當(dāng)層高變化較大時(shí)，剛度變化相應(yīng)的提出了更高的要求，按不小于1.1來控制；當(dāng)?shù)撞繕菍幼鳛榍豆虒訒r(shí)，要求底部嵌固樓層與上一層側(cè)向剛度比更為嚴(yán)格，要求不小于1.5。

側(cè)向剛度比主要控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性。側(cè)向剛度比在薄弱層的判斷，地下室嵌固要求是否滿足，轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足規(guī)范要求起決定性作用。

5 剛重比

剛重比是結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和重力荷載設(shè)計(jì)值的比值。剛重比與結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度成正比關(guān)系，剛重比是控制重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)；周期比的變化將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度的變化，進(jìn)一步影響到剛重比，在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，各個(gè)參數(shù)之間是相互影響的。因此在設(shè)計(jì)的調(diào)整過程中，調(diào)整周期比，通過加強(qiáng)剛度的辦法，來調(diào)節(jié)當(dāng)某一主軸方向的剛重比小于或接近規(guī)范限值；通過削弱剛度的辦法，來調(diào)節(jié)某主軸方向剛重比大于規(guī)范限值；通過加強(qiáng)外圍剛度的辦法，來調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期比接近規(guī)范限值。同樣，對(duì)剛重比的調(diào)整也會(huì)影響到周期比。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛重比滿足規(guī)范要求，在考慮結(jié)構(gòu)彈性剛度折減50%時(shí)，重力二階效應(yīng)仍可控制在20%的可控范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不會(huì)有什么危險(xiǎn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛重比繼續(xù)減小，重力二階效應(yīng)的增長(zhǎng)將會(huì)呈非線性急劇變化，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。對(duì)于設(shè)計(jì)水平力較小的結(jié)構(gòu)，當(dāng)計(jì)算的樓層剪重比不大于0.02，結(jié)構(gòu)剛度雖然也可以滿足水平位移限值要求，但有可能不滿足本條規(guī)定的穩(wěn)定要求。

剛重比主要控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆。結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。實(shí)驗(yàn)研究表明，在豎向重力荷載作用下高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性不大。高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、倒塌的重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)，主要是由風(fēng)荷載或水平地震作用所引起的。

6 有效質(zhì)量參與系數(shù)

有效質(zhì)量系數(shù)是結(jié)構(gòu)底部受到單位大小的加速度時(shí)各振型的底部剪力與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的比值，反映了該振型的相對(duì)貢獻(xiàn)大小。國家規(guī)范要求達(dá)到90%。對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)，較少的振型就可以滿足此要求，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)則需要很多。事實(shí)上，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的許多振型對(duì)水平方向的振型參與系數(shù)貢獻(xiàn)很小，比如扭轉(zhuǎn)振型、豎向振型以及局部振動(dòng)的振型。

總之，無論是高層建筑還是超高層建筑都必須從概念設(shè)計(jì)入手，在建筑初步布置確定后，首先進(jìn)行的是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)構(gòu)件的初步布置，控制抗側(cè)構(gòu)件的平面布置合理性，位移比、周期比、有效質(zhì)量參與系數(shù)及剛度比是控制構(gòu)件平面布置的主要參數(shù)；在平面布置滿足要求后，剪重比和剛重比的控制是保證結(jié)構(gòu)的延性和抗震安全性以及穩(wěn)定性的兩個(gè)主要參數(shù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)國家規(guī)范、計(jì)算參數(shù)要求以及建筑工程的實(shí)際特點(diǎn)，來控制各個(gè)參數(shù)。

[1] GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2010,高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On application of controlled indexes of structural overall calculation

ZHANG Jun-wen

(ShanxiArchitecturalDesignAcademy,Taiyuan030013,China)

The paper researches the period ratio, displacement ratio, shear weight ratio, ratio of lateral rigidity, rigidity-to-weight ratio, and effective quality participation coefficient, introduces their definitions respectively, and explores the reasonable valuation of all these parameter, and indicates the controlling meaning, so as to provide some reference.

structure, ratio, loading, coefficient

1009-6825(2014)34-0046-02

2014-09-20

張俊文(1978- ),男,工程師

TU311.4

A