高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中位移比、周期比的探討

■毛雅靖 ■北京中合現(xiàn)代工程設(shè)計有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000

1 引言

在現(xiàn)行普遍應(yīng)用的PKPM 結(jié)構(gòu)計算軟件中，位移比、周期比作為SATWE 的重要計算參數(shù)指標，在實際工程中也是比較難調(diào)的，為此我們應(yīng)弄清其本質(zhì)。高規(guī)3.7 條，抗規(guī)5.5 條中均對位移比做出的要求，周期比只在高規(guī)3.4.5 條中做出了規(guī)定，對于多層結(jié)構(gòu)，周期比可適當(dāng)放寬要求。

2 位移比、周期比的本質(zhì)探討

位移比、周期比的本質(zhì)在于控制扭轉(zhuǎn)變形。我們不妨設(shè)想一個極端情況，X 或Y 方向兩端剛度分別為1 和1000，顯然這是明顯的剛度不均勻，水平力作用下勢必造成扭轉(zhuǎn)變形，剛度小的那端扭轉(zhuǎn)變形非常大，表現(xiàn)出來的就是位移比非常大，表現(xiàn)在周期上則會出現(xiàn)第一周期為扭轉(zhuǎn)周期或周期系數(shù)中扭轉(zhuǎn)成分很大。同樣的思維，我們能想象外部剛度和內(nèi)部剛度的不均勻分布也會造成上述現(xiàn)象。由此我們在實際工程中要想實現(xiàn)較好的位移比、周期比控制值應(yīng)努力做到建筑結(jié)構(gòu)剛度均勻分布。

3 位移比、周期比的概念控制

在方案初期，我們就應(yīng)考慮相對規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)然在建筑日新月異發(fā)展的今天，各種奇特造型的建筑突起，讓建筑師屈服于結(jié)構(gòu)改變建筑風(fēng)格，基本不可能，這就需要我們結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在不可能中尋找可能。第一，我們需判斷哪一側(cè)扭轉(zhuǎn)變形大，X 方向或Y 方向兩側(cè)剛度不均勻時，剛度小的一側(cè)扭轉(zhuǎn)變形大;外部剛度相對內(nèi)部剛度不合理的，外部剛度弱的那側(cè)扭轉(zhuǎn)變形大。借助軟件我們也可以進行判斷，在SATWE 分析結(jié)果圖形和文本顯示中均可查看，這里就不列舉了。

既然我們知道了剛度均勻是本質(zhì)，那要調(diào)整位移比、周期比無怪乎就是把剛度往均勻分布的方向靠近，剛度大的做減法，剛度小的做加法。在實際工程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的減法一般都能實現(xiàn)，而外部結(jié)構(gòu)的加法受限較多。這里需要注意的是在框剪結(jié)構(gòu)中還應(yīng)注意框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩的比例，滿足高規(guī)8.1.3 條、抗震規(guī)范第6.1.3 條中相關(guān)規(guī)定，不能一味的減少剪力墻，對有平面突變的結(jié)構(gòu)還應(yīng)注意樓層抗剪承載力、及承載力比值滿足抗規(guī)3.4.3 條中0.8 限值，避免出現(xiàn)豎向不規(guī)則情況。

4 實際工程應(yīng)注意的一些問題

4.1 規(guī)范規(guī)定

高規(guī)3.4.5:結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，A 級高度高層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、超過A 級高度的混合結(jié)構(gòu)及本規(guī)程第10 章所指的復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2 倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4 倍。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、超過A 級高度的混合結(jié)構(gòu)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。注:當(dāng)樓層的最大層間位移角不大于本規(guī)程第3.7.3 條規(guī)定的限值的40%時，該樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值可適當(dāng)放松，但不應(yīng)大于1.6。

4.2 實際工程中不滿足規(guī)范規(guī)定時的調(diào)整方法

(1)程序調(diào)整:程序無法實現(xiàn)。

(2)人工調(diào)整:改變結(jié)構(gòu)平面布置，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度?？偟恼{(diào)整原則是加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度(減小第一扭轉(zhuǎn)周期)，適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度(增大第一平動周期)。周邊布置要均勻、對稱、連續(xù)，有較大凹凸的部位加拉梁等(減小變形)，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心的偏心距。(在SATWE 分析結(jié)果圖形和文本顯示中可查)亦可找出最大位移比所對應(yīng)的位置，可加強該節(jié)點對應(yīng)的墻、柱等構(gòu)件的剛度。

圖1 為本人近期做的一個高層公共建筑結(jié)構(gòu)平面，在設(shè)計過程中就遇到了上述問題。根據(jù)本工程建筑功能、平面布置利用電梯間、樓梯間等豎向交通盒及設(shè)備管井布置剪力墻，并組合成筒體布置形式，從圖中可以看出南北端不對稱，偏心較大，為調(diào)整結(jié)構(gòu)剛心，加強結(jié)構(gòu)抗扭剛度，考慮到公共建筑考慮外立面及采光等要求，在外圍結(jié)構(gòu)上做加法受限，利用建筑周邊的角部房間在外圍增加剪力墻結(jié)構(gòu)，并加強北部遠離核心筒位置的剪力墻，以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移量差值，弱化偏心帶來的扭轉(zhuǎn)影響。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖

4.3 一些應(yīng)注意的問題

(1)位移比其實是小震不壞、大震不倒的一個抗震措施，是考察結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，限制結(jié)構(gòu)實際扭轉(zhuǎn)的量值。扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩，以剪應(yīng)力的形式存在，一般構(gòu)件的破壞準則通常是由剪切決定的，所以扭轉(zhuǎn)比平動危害大。在實際工程中調(diào)整結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)參數(shù)的重點不是非要把剛心和質(zhì)心重合(實際工程這種可能性較小)，重點在于調(diào)整由結(jié)構(gòu)抗扭剛度和因剛心質(zhì)心偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的比值，同時兼顧調(diào)整剛心和質(zhì)心的偏心。我們在驗算位移比時一般應(yīng)選擇“強制剛性樓板假定”，但這只是為了有一個量化參考標準，而不是這樣的概念才是正確的，軟件設(shè)置需要一個包絡(luò)設(shè)計，能涵蓋大部分結(jié)構(gòu)工程，而且符合規(guī)范要求，做設(shè)計時，應(yīng)遵循實事求是的原則，而不是一味要求“采用剛性板假定”，對于有轉(zhuǎn)換層等復(fù)雜高層或結(jié)構(gòu)凸凹不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)的建筑，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型或者采取一定的構(gòu)造措施符合剛性樓板假定。位移比應(yīng)考慮偶然偏心、不考慮雙向地震作用。

(2)控制周期比主要是為了控制當(dāng)相鄰兩個振型較接近時由于震動偶聯(lián)而造成結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。周期比是控制側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，不是要求結(jié)構(gòu)是否足夠結(jié)實而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。實際工程中周期比不滿足要求時，一般只能通過調(diào)整平面布局來改善，這種改變一般是整體性的，局部小的調(diào)整往往收效甚微。當(dāng)不滿足周期比時，若層位移角控制潛力較大，宜減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部豎向構(gòu)件剛度，增大平動周期;當(dāng)不滿足周期比且層位移角控制潛力不大，應(yīng)檢查是否存在扭轉(zhuǎn)剛度特別小的樓層，若存在則應(yīng)加強該樓層(構(gòu)件)的抗扭剛度，如若各層抗扭剛度無突變則應(yīng)加大整個結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

5 結(jié)束語

在利用PKPM 等軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，常常會遇到周期比、位移比不滿足規(guī)范的情況，它們的本質(zhì)是控制扭轉(zhuǎn)變形，是扭轉(zhuǎn)剛度的指標，是讓我們把結(jié)構(gòu)布置的盡量均勻，所以弄清其本質(zhì)及一些在實際工作中的具體細節(jié)是很有必要的。

［1］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3-2010.

［2］建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50011-2010.

［3］傅學(xué)怡.實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計.

［4］多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE 用戶手冊及技術(shù)條件——中國建筑科學(xué)研究院.PKPM CAD 工程部.