混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見指標(biāo)探討

趙玉霞

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見指標(biāo)探討

趙玉霞

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前比較成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件很多，合理的使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效的提高工作效率和保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠，達(dá)到事半功倍的效果。本文通過分析和探討混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中常見指標(biāo)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能夠更好的掌握和使用常見的指標(biāo)。

混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

目前，采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行多高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)非常普遍。多高層，特別是高層建筑越來越多，結(jié)構(gòu)的布置復(fù)雜，構(gòu)件較多，計(jì)算后數(shù)據(jù)輸出量很大，因此，對(duì)軟件的計(jì)算結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判斷是十分必要的。隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件的飛速發(fā)展，用于結(jié)構(gòu)分析的軟件的處理功能越來越完善，但僅能作為輔助設(shè)計(jì)，并不能不加調(diào)整的直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)以扎實(shí)的力學(xué)概念和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，全面的對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的合理性進(jìn)行判斷，經(jīng)過分析，確認(rèn)其可靠性后，方可作為施工圖設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1 常見指標(biāo)分析

1.1 樓層位移比和扭轉(zhuǎn)周期比

國(guó)內(nèi)和國(guó)外數(shù)次地震災(zāi)害的調(diào)查結(jié)果一致表明，建筑結(jié)構(gòu)的平面布置如果不規(guī)則，建筑結(jié)構(gòu)的重心與剛心存在偏心以及建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度很弱，在強(qiáng)震中一般破壞得較嚴(yán)重。我國(guó)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范從樓層位移比以及扭轉(zhuǎn)周期比這兩個(gè)方面限制建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

樓層位移比是指樓層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件的最大的彈性水平位移除以樓層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件的兩端的彈性水平位移平均值。對(duì)結(jié)構(gòu)樓層位移比的控制，是對(duì)整體結(jié)構(gòu)規(guī)則性的控制。扭轉(zhuǎn)位移比計(jì)算時(shí)，程序有多種輸出結(jié)果，一般情況下，按單向水平地震作用下規(guī)定力計(jì)算的結(jié)果，并考慮偶然偏心。當(dāng)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比較大時(shí)，應(yīng)通過調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)布置，特別是盡量均勻?qū)ΨQ的布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件，調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向剛度，加強(qiáng)周邊抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭能力。

周期比主要控制的是結(jié)構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)剛度與側(cè)向剛度的相對(duì)關(guān)系，其目的是使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能均勻、合理的布置結(jié)構(gòu)的剪力墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的平動(dòng)第一周期T1和扭轉(zhuǎn)第一周期Tt相差不大時(shí)能產(chǎn)生振動(dòng)耦聯(lián)（作用在給定側(cè)移的某一質(zhì)點(diǎn)上的彈性恢復(fù)力，不僅取決于這一質(zhì)點(diǎn)上的側(cè)移，而且還取決于其他質(zhì)點(diǎn)的位移，這一現(xiàn)象稱為耦聯(lián)）的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。防止建筑結(jié)構(gòu)存在較弱的抗扭剛度的措施，現(xiàn)行規(guī)范主要是通過計(jì)算Tt（扭轉(zhuǎn)方向因子大于0.5且扭轉(zhuǎn)周期為最長(zhǎng)周期的稱為Tt）與T1（結(jié)構(gòu)沿兩個(gè)正交方向各有一個(gè)平動(dòng)為主的振型周期。T1指剛度較弱方向的平動(dòng)為主的第一振型周期）之比，通過限制比值，防止結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞?？傊?，建筑結(jié)構(gòu)控制周期比的真正目標(biāo)是要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)合理、均勻的布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，而不是要求建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是否足夠。當(dāng)Tt/T1不滿足規(guī)范規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度的比值，當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有富余時(shí)（即結(jié)構(gòu)的層間唯一角小于限值較多時(shí)），可通過適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，以滿足扭轉(zhuǎn)周期比要求；當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度富余不多時(shí)，可通過適當(dāng)加大外圍結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度（如：加大外圍剪力墻、加大外框架剛度等）使扭轉(zhuǎn)剛度的增加幅度大于側(cè)向剛度的增加，滿足扭轉(zhuǎn)周期比要求。總之，限制樓層位移比關(guān)注的結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的扭轉(zhuǎn)量值，而限制扭轉(zhuǎn)周期比關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的抗扭能力。兩者雖然都和結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)有關(guān)，但關(guān)注的角度不同。

1.2 彈性層間位移角

現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范通過彈性層間位移角來要求結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合理的剛度，所以為了防止結(jié)構(gòu)的剛度太小，規(guī)范給定了位移角的限值，彈性層間位移角的大小可體現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件（如：框架梁柱、剪力墻等）的截面尺寸大小、剛度強(qiáng)弱的一個(gè)整體性的量化指標(biāo)。限制層間位移角的主要目的是保證結(jié)構(gòu)在正常使用的情況下處于彈性工作狀態(tài)不出現(xiàn)裂縫或者盡量把裂縫的發(fā)育限制在一定的范圍之內(nèi)，另外還要保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生明顯的損傷。彈性層間位移角是相對(duì)于地面的位移（相對(duì)位移），而不是結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移。以西安為例，本地區(qū)設(shè)防烈度為8度，汶川地震時(shí)西安地區(qū)的烈度約為6.5度，處在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的多遇地震作用范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)中，結(jié)構(gòu)的彈性位移角沒有超過規(guī)范的限值。按計(jì)算，位于某抗震墻結(jié)構(gòu)第20層處的水平位移最大值為57 000/1 000=57 mm（樓層離地面高度按57 m計(jì)算），而人所感覺到的實(shí)際位移要比57 mm大許多，除因地震時(shí)人的恐懼而夸大了地震位移外，還有一個(gè)重要的原因就是地震時(shí)人們感覺到的是絕對(duì)位移，是地面運(yùn)動(dòng)的位移與建筑物彈性位移的疊加。

1.3 剪重比

剪重比是指水平地震樓層剪力與該層處重力荷載的比值。對(duì)于長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)，一般剛度較柔，因此由水平地震作用計(jì)算的剪力較小，但其水平地震作用引起的速度和位移對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性可能起控制作用。所以從安全的角度考慮，為了控制各樓層的最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全，現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了樓層最小地震剪力系數(shù)，也就是剪重比。設(shè)計(jì)中，當(dāng)剪重比不滿足規(guī)范要求時(shí)，可以通過減小周期折減系數(shù)及加大地震力調(diào)整系數(shù)的方法提高地震剪力。受程序使用功能的限制，當(dāng)除底層以外的部分樓層的最小地震剪力系數(shù)不滿足規(guī)范要求時(shí)，只可采用全樓地震力放大系數(shù)，使各樓層的最小地震剪力系數(shù)滿足規(guī)范要求。當(dāng)程序具有分層功能時(shí)，可只對(duì)不滿足樓層最小地震剪力系數(shù)的樓層進(jìn)行調(diào)整。

1.4 剛重比

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。理論和試驗(yàn)結(jié)果都表明剛重比（側(cè)向剛度與重力荷載的比值）影響結(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng)的一個(gè)最主要的因素，當(dāng)剛重比較大時(shí)，在水平作用下，水平位移較小，重力二階效應(yīng)不是很明顯對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小，結(jié)構(gòu)具有安全可靠的穩(wěn)定性。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于抗震設(shè)防低烈度地區(qū)的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)應(yīng)特別注意，雖然結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平力較小且結(jié)構(gòu)剛度能滿足水平位移限值的要求，但往往不能滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求，控制剛重比能有效地保證建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件是一個(gè)工具，作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，不但要熟悉和掌握建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)概念，也要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理、方法有較為深入的了解，計(jì)算假定、模型等都應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力及變形特點(diǎn)相吻合，同時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)軟件計(jì)算結(jié)果的分析判定。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)努力學(xué)習(xí)，提高自身的理論素質(zhì)和實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)的整體層面和局部層面合理的分析計(jì)算結(jié)果，確定其安全可靠性后，才作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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

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

[3]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：186-190.

[4]陸湘昆，王東.應(yīng)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)重視的問題[J].四川建筑科學(xué)研究，2005，31（05）：39-41.

TU37

A

1673-1093（2015）08-0065-02

趙玉霞（1981），女，講師，就職于甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.08.016

2015-03-27；

2015-04-05