房屋結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計與計算指標(biāo)的控制

蘇 文 （安徽建科施工圖審查有限公司，安徽 合肥 230032）

結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范大約十年左右修訂一次，除了對結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不斷深入以外，其顯著的特征就是從早期僅有大的概念及方向，逐步發(fā)展到有各項(xiàng)具體的指標(biāo)控制，增加可操作性。下邊從結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制指標(biāo)的規(guī)定與調(diào)整出發(fā)，以SATWE程序的計算結(jié)果為例，看規(guī)范是如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計目標(biāo)的。

1 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的分析與控制

1.1 宏觀指標(biāo)

結(jié)構(gòu)整體性能的控制指標(biāo)，共有10個。剛度比；樓層受剪承載力比；相鄰樓層質(zhì)量比；周期比；位移比；剛重比；剪重比；位移角；墻柱傾覆彎矩比；結(jié)構(gòu)整體抗傾覆。

1.2 微觀指標(biāo)

具體構(gòu)件的控制指標(biāo)，共有6個。軸壓比；剪跨比；配筋率；配箍率；裂縫；撓度。

2 宏觀指標(biāo)的控制

2.1 剛度比

2.1.1 功能

判斷結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性，檢查剛度是否突變，尋找軟弱層；判斷地下室剛度是否滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固端的要求；檢查框支結(jié)構(gòu)下部剛度是否滿足規(guī)范要求。

2.1.2 輸出文件

WMASS.OUT/相鄰層側(cè)移剛度比計算信息：Ratx Raty、Ratx1、Ratx2。

2.1.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)3.4.2條、高規(guī)3.5.2條。

2.1.4 處理方法

多層結(jié)構(gòu)：豎向不規(guī)則的建筑，其軟弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，并進(jìn)行彈塑性變形分析（補(bǔ)充彈塑性層間位移角計算）。

高層結(jié)構(gòu)：側(cè)向剛度變化不符合高規(guī)第3.5.2條要求的樓層，其對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力應(yīng)乘以1.25的增大系數(shù)。同時7～9度抗震設(shè)防的建筑尚應(yīng)采用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算。

方案調(diào)整：調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，增加下部剛度（減少相鄰層層高突變、增大下部抗側(cè)力構(gòu)件截面、混凝土強(qiáng)度等級等）。

2.1.5 說明

側(cè)向剛度比計算方法有四種：高規(guī)E.0.1-1、抗規(guī)3.4.3、高規(guī)3.5.2、高規(guī)E.0.1-1，各有其適用范圍，應(yīng)準(zhǔn)確選用。

高層建筑帶底盤裙房，計算裙房與塔樓的樓層剛度比時，裙房應(yīng)取相關(guān)范圍。

高層建筑樓層側(cè)向剛度小于相鄰上層的50%時，屬兩項(xiàng)不規(guī)則超限。

剛度比突變形成的薄弱層，程序自動判定，自動調(diào)整。轉(zhuǎn)換構(gòu)件形成的薄弱層，人工判定，人工指定轉(zhuǎn)換構(gòu)件，人工指定薄弱層。剛度削弱層、錯層形成的薄弱層，人工判定，人工指定。

2.2 樓層受剪承載力比

2.2.1 功能

判斷結(jié)構(gòu)豎向布置的不均勻性，檢查剛度是否突變；尋找薄弱層。

2.2.2 輸出文件

WMASS.OUT/樓層抗剪承載力比值：Ratio-Bu-X Ratio-Bu-Y；

2.2.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)3.4.3條、高規(guī)3.5.3條。

2.2.4 處理方法

同2.1.4條。

2.2.5 說明

受剪承載力突變形成的薄弱層，人工判定，人工指定。

按整層建模的大底盤多塔結(jié)構(gòu)，計算時應(yīng)把底盤切開，保留與該塔2～3跨的底盤結(jié)構(gòu)。

多層異形柱結(jié)構(gòu)的薄弱層地震剪力增大系數(shù)為1.25。

不宜采用同一樓層均為軟弱層和薄弱層的高層建筑。

2.3 相鄰樓層質(zhì)量比

2.3.1 功能

判斷結(jié)構(gòu)豎向布置的不均勻性；尋找薄弱層。

2.3.2 輸出文件

SATWE:WMASS.OUT/各樓層的單位面積質(zhì)量分布及質(zhì)量比。

2.3.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)3.5.6條。

2.3.4 處理方法

2.4 周期比

2.4.1 功能

控制結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的參數(shù)；限制第一扭轉(zhuǎn)周期Tt不要太大，從而控制扭轉(zhuǎn)角不要過大；通過振型成分的輸出，了解各個振型的性態(tài)；使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過大(相對于側(cè)移)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.4.2 輸出文件

WZQ.OUT/周期、地震力與振型輸出。

2.4.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)3.4.5條。

2.4.4 處理方法

扭轉(zhuǎn)周期大小與剛度與質(zhì)心的偏心距大小有關(guān)，與全樓平均扭轉(zhuǎn)剛度與樓層扭轉(zhuǎn)剛度關(guān)系密切。周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，只能通過調(diào)整平面布置來改善，這種改變一般是整體的，局部小調(diào)整往往收效甚微。

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調(diào)整原則：加強(qiáng)結(jié)構(gòu)周圈，或者消弱內(nèi)筒，兩者同時采取，效果更好，達(dá)到減少扭轉(zhuǎn)周期，增大平動周期的目標(biāo)。

2.4.5 說明

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型不允許出現(xiàn)在第一周期，避免出現(xiàn)在第二周期。

扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9，混合結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比大于0.85，屬二項(xiàng)不規(guī)則超限。

周期比計算時應(yīng)采用剛性樓板假定。

2.5 位移比

2.5.1 功能

控制樓層扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的參數(shù)；限制結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則性的指標(biāo)：規(guī)定了扭轉(zhuǎn)變形的上、下限，避免產(chǎn)生過大的偏心，而導(dǎo)致產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)?？刂颇康氖窍拗平Y(jié)構(gòu)的實(shí)際扭轉(zhuǎn)量值。

2.5.2 輸出文件

WDISP.OUT/位移輸出文件

2.5.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)3.4.3-1條、抗規(guī)3.4.4條、高規(guī)3.4.5條。

2.5.4 處理方法

局部調(diào)整：找出不滿足的構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整。局部調(diào)整比整體調(diào)整更有效、更經(jīng)濟(jì)。

整體調(diào)整：增加邊跨抗側(cè)構(gòu)件剛度，從而增大整體抗扭剛度，減少實(shí)際扭轉(zhuǎn)位移量。

2.5.5 位移比與周期比關(guān)系

周期比與位移比同是控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)位移角。位移比是主要是控制位移的實(shí)際扭轉(zhuǎn)量，絕對大小。雖然在一定程度上間接起著控制扭轉(zhuǎn)周期和扭轉(zhuǎn)角不要過大的作用，但不能控制扭轉(zhuǎn)周期和扭轉(zhuǎn)角滿足相關(guān)限值的要求。周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，即周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局的合理性。

2.5.6 說明

當(dāng)樓層的最大層間位移角不大于規(guī)范規(guī)限值的40%時，位移比可放松至1.6。

裙房以上的較多樓層（超過1/3樓層），考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4時，屬二項(xiàng)不規(guī)則超限。

突出屋面的屋頂房間（如樓電梯間、構(gòu)架層）面積小于下部樓層面積的30%時，可不算一個樓層，即可不計位移比問題。

位移比計算時，程序有多種輸出結(jié)果，可用單向地震作用的按規(guī)定水平地震力計算并考慮偶然偏心影響的計算結(jié)果，其它計算結(jié)果僅供參考。

2.6 剛重比

2.6.1 功能

控制結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆；是影響重力P-Δ效應(yīng)的主要參數(shù)。

2.6.2 輸出文件

SATWE:WMASS.OUT/結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果：X剛重比Y剛重比；

是否滿足高規(guī)5.4.1條或5.4.4條要求；是否要考慮重力二階效應(yīng)；

2.6.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)5.4.1條、高規(guī)5.4.4條。

2.6.4 處理方法

減少結(jié)構(gòu)的高寬比是最有效的方法；其次是增加整體剛度，減少結(jié)構(gòu)總重量。

2.6.5 說明

程序提供了計算P-DELT效應(yīng)的開關(guān)，根據(jù)需要選擇是否考慮P-DELT效應(yīng)。

2.7 剪重比

2.7.1 功能

控制結(jié)構(gòu)總水平地震剪力及各樓層水平地震剪力的最小值，彌補(bǔ)振型分解反應(yīng)譜法的不足，確保長周期結(jié)構(gòu)安全；衡量結(jié)構(gòu)剛度和重量是否均衡；根據(jù)剪重比的輸出，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)，控制工程造價。

2.7.2 輸出文件

WZQ.OUT/等效各樓層的地震作用、剪力、剪重比：

剪重比：Vx分塔剪重比/整層剪重比

Vy分塔剪重比/整層剪重比

2.7.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)4.3.12條、抗規(guī)5.2.5條。

2.7.4 處理方法

首先對“按抗規(guī)5.2.5調(diào)整各樓層地震內(nèi)力”菜單應(yīng)不勾選，對“全樓地震力放大系數(shù)”取1，以核查剪重比數(shù)值，對結(jié)構(gòu)布置的合理性進(jìn)行判斷。

底部λ較小，地震剪力偏小且層間位移角又偏大時，說明結(jié)構(gòu)整體剛度過柔，宜適當(dāng)加大抗側(cè)力構(gòu)件剛度，以滿足規(guī)范要求。底部λ較大，地震剪力偏大且層間位移角又偏小時，說明結(jié)構(gòu)整體剛度過剛，宜適當(dāng)減小抗側(cè)力構(gòu)件剛度，以取得合適的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。應(yīng)注意底部λ在合理范圍內(nèi)時，其計算的位移、內(nèi)力、配筋才有意義。

當(dāng)剪重比基本符合規(guī)范要求時，方可考慮調(diào)整地震力，即當(dāng)需要調(diào)整樓層層數(shù)不超過總樓層數(shù)的15%且地震剪力調(diào)整系數(shù)不大于1.1時，可通過選擇程序的相關(guān)參數(shù)（按抗規(guī)5.2.5調(diào)整樓層地震力、全樓地震力放大系數(shù)，周期折減系數(shù)等）來加以調(diào)整。

2.7.5 說明

有效質(zhì)量系數(shù)滿足要求時，剪重比才有意義。地下室不需滿足最小剪重比要求。剪重比計算可除去地下室質(zhì)量。

2.8 位移角

2.8.1 功能

控制整體平動剛度的參數(shù)；限制結(jié)構(gòu)的變形及開裂，規(guī)定構(gòu)件的最大位移及最大層間位移，保證結(jié)構(gòu)有必要的安全性、穩(wěn)定性及舒適度。

2.8.2 輸出文件

WDISP.OUT/位移輸出文件。

2.8.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)3.7.3條、抗規(guī)5.5.1條。

2.8.4 處理方法

位移與結(jié)構(gòu)整體剛度有關(guān)，計算位移愈小，其結(jié)構(gòu)的總體剛度就愈大；反之，位移值愈大，其結(jié)構(gòu)的總體剛度就愈小。

2.9 墻柱傾覆彎矩比

2.9.1 功能

結(jié)構(gòu)體系確認(rèn)的依據(jù)；梁、柱、墻抗震等級確認(rèn)的依據(jù)；掌握各樓層的框架、剪力墻、短肢剪力墻或筒體傾覆力矩的分布情況。

2.9.2 輸出文件

WV02Q.OUT/框架柱及短肢剪力墻地震傾覆彎矩百分比。

2.9.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)6.1.3條、高規(guī)8.1.3條。

2.9.4 處理方法

按規(guī)范相應(yīng)要求，準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)件的抗震等級。

2.10 結(jié)構(gòu)整體抗傾覆（抗傾覆力矩/傾覆力矩）

2.10.1 功能

控制結(jié)構(gòu)安全度；計算出零應(yīng)力區(qū)比例；

2.10.2 輸出文件

WMASS.OUT/結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果：X/Y向風(fēng)荷載：MrMovMr/Mov 零應(yīng)力區(qū)X/Y向地震：MrMovMr/Mov 零應(yīng)力區(qū)

2.10.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)12.1.7條、抗規(guī)4.2.4條。

2.10.4 處理方法

程序給出在水平力作用下的抗傾覆彎矩Mg，傾覆力矩Mov，抗傾覆安全度及零應(yīng)力區(qū)比例，用戶需要自行根據(jù)下表判斷是否滿足要求。

抗傾覆安全度MR/Mov與基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)的比例關(guān)系：

抗傾覆安全度MR/Mov 3.0 2.038 1.0零應(yīng)力區(qū)比例（B-X)/B 0 5% 100%備注 H/B＞4 H/B≤4基址點(diǎn)臨界平衡高層建筑 高、低層建筑不允許出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū) 控制零應(yīng)力區(qū)

不滿足時，可采取以下措施：加大房屋中部重量；在滿足位移角、剪重比等條件下，削減結(jié)構(gòu)剛度，減少地震作用，從而降低結(jié)構(gòu)傾覆力矩。加大裙房、地下室、底板的寬度。

2.10.5 說明

當(dāng)?shù)鼗哂凶銐騽偠葧r（如基巖），MR/Mov要求可適當(dāng)放松；如為中軟土地基，MR/Mov要求還應(yīng)適當(dāng)從嚴(yán)。

抗震烈度為8度及以上時，MR/Mov要求應(yīng)適當(dāng)從嚴(yán)。