淺析高層結構設計中六個比值的控制與調整

劉成剛

摘 要：隨著城市的發展和科學技術的進步，高層建筑（10層及10層以上或房屋高度超過28m的建筑物）的應用日益廣泛。在滿足使用功能的情況下，高層建筑如何才能達到既安全又經濟的設計要求，這是結構設計人員必須面對的問題。在高層建筑結構設計初始階段，合理確定結構布置成了此階段的重點，如何判斷結構布置的合理及結構體系的經濟性能也就成了關鍵所在，本文就混凝土高層建筑結構設計中所需控制的六個參數作了簡明的闡述，并針對六個比值調整方法進行了探討，對提升高層建筑結構設計水平及高層建筑綜合效益有一定的實踐意義。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；六個比值；控制與調整；SATWE計算

1.前言

高層結構設計過程中，在建筑初步布置確定后，首先進行的是結構抗側構件的初步布置，所以首先控制抗側構件的平面布置合理性，位移比、周期比及剛重比是控制構件平面布置的三個主要參數，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、剪重比及層間受剪承載力比的控制是保證結構的延性及抗震安全性，這三步是相互關聯的，要得到更合理的結構布置，就要求設計人員深刻理解六個比值含義并能熟練掌握運用。

2.六個設計要點的名詞釋義及控制與調整

高層設計的難點在于豎向承重構件（柱、剪力墻等）的合理布置，設計過程中需控制六個參數分別為：位移比、周期比、剛重比、剛度比、軸壓比、剪重比。

2.1位移比：在考慮偶然偏心的規定水平力作用下，樓層的豎向構件的最大水平位移和層間位移，與該樓層位移平均值的比值。

位移比主要為控制結構平面規則性，以避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。規范相關要求見10版抗規3.4.2，10版高規3.4.5和3.7.3。如不滿足規范要求時，應按如下措施或方法進行調整：

1）程序調整：SATWE程序不能實現。

2）人工調整：只能通過人工調整改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距；由于位移比是在剛性樓板假定下計算的，結構最大水平位移與層間位移往往出現在結構的邊角部位；因此應注意調整結構外圍對應位置抗側力構件的剛度，減小結構剛心與質心的偏心距。同時在設計中，應在構造措施上對樓板的剛度予以保證。

2.2周期比：規范條文，新高規的3.4.5條規定，結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85。

周期比主要為控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響。當Tt與T1兩者接近時，由于振動耦連的影響，結構的扭轉效應將明顯增大。因此，在抗震設計中采取措施減小周期比Tt/T1值，使結構具有必要的抗扭剛度。規范相關要求見10版高規3.4.5與5.1.13，如果周期比不滿足要求，說明結構的扭轉剛度相對于側移剛度較小，結構扭轉效應過大，應按如下方法進行調整：

1）程序調整：SATWE程序不能實現。

2）人工調整：只能通過人工調整改變結構布置，提高結構的扭轉剛度；總的調整原則是加強結構外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結構中間墻、柱的剛度。

2.3剛重比：是指結構的側向剛度和重力荷載設計值之比。高層建筑結構的穩定設計主要是控制在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應（P-Δ效應）不致過大，導致結構失穩倒塌。結構的剛重比是影響重力二階效應的主要參數，通過對結構剛重比的控制，滿足高層建筑穩定性要求。見10版高規5.4.1和5.4.4。如不滿足規范要求時，應按如下方法進行調整：

1）程序調整：剛重比不滿足規范上限要求，在SATWE的“設計信息”中勾選“考慮P-Δ效應”，程序自動計入重力二階效應的影響。

2）人工調整：只能通過調整增強豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。

2.4剛度比：指結構豎向不同樓層的側向剛度的比值（也稱層間剛度比），該值主要為了控制高層結構的豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。規范相關要求見10版抗規3.4.2，10版高規3.5.2與5.3.7與10.2.3；對于形成的薄弱層則按10版高規3.5.8予以加強。如不滿足規范要求時，應按如下措施或方法進行調整：

1）程序調整：如某樓層剛度比的計算結果不滿足要求，SATWE自動將該樓層定義為薄弱層，并按10版高規3.5.8將該樓層地震剪力放大1.25倍。

2）人工調整：如還需人工干預，可適當降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度，適當提高上部相關樓層的層高和削弱上部相關樓層墻、柱或梁的剛度。

2.5軸壓比：柱（墻）軸壓比N/（fcA）指柱（墻）考慮地震作用組合的軸壓力設計值與柱（墻）的全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積的比值。它是影響墻柱抗震性能的主要因素之一，為了使柱（墻）具有很好的延性和耗能能力。

規范對墻肢和柱均有相應限值要求，見10版高規6.4.2和7.2.13。如不滿足規范要求時，應按如下措施或方法進行調整：

1）程序調整：SATWE程序不能實現。

2）人工調整：增大該墻、柱截面或提高該樓層墻、柱混凝土強度。

2.6剪重比：剪重比即最小地震剪力系數λ，主要是控制各樓層最小地震剪力，尤其是對于基本周期大于3.5S的結構，以及存在薄弱層的結構，出于對結構安全的考慮，規范增加了對剪重比的要求主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性，見高規10版高規4.3.12。如不滿足規范要求時，應按如下措施或方法進行調整：

1）程序調整：在SATWE的“調整信息”中勾選“按抗震規范5.2.5調整各樓層地震內力”后，SATWE按10版抗規5.2.5自動將樓層最小地震剪力系數直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和，用以調整該樓層地震剪力，以滿足剪重比要求。

在SATWE的“調整信息”中的“全樓地震作用放大系數”中輸入大于1的系數，增大地震作用，以滿足剪重比要求。

在SATWE的“地震信息”中的“周期折減系數”中適當減小系數，增大地震作用，以滿足剪重比要求。

2）人工調整：一般是調整墻柱截面大小，調整剛度。

3.結語

作為一名建筑結構設計師，最求的是經濟、合理、安全的建筑，結合現行國家規范規程使用計算軟件，合理選取結構設計中涉及的計算參數，避免計算盲目性和模式化，工程師須不斷地提高自身的理論水平，不斷地總結實踐經驗，通過整體和局部判斷軟件計算結果的合理性；學會利用結構概念設計來把握結構整體的設計，利用簡化力學模型來檢驗局部構件的設計，通過有主次的控制六大主要參數指標值，使高層的結構布置更加合理、高效，達到更好的效果。

參考文獻

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