高層建筑結構抗震設計中的剪重比問題

黑龍江省建筑設計研究

摘要：科學技術的不斷發(fā)展，推動了建筑技術的快速發(fā)展，這讓人們對建筑功能需求和審美需求都有較高的要求，現(xiàn)代建筑也更多地向高層建筑邁進，建筑高度的記錄也在逐漸上漲，這就與建筑結構的穩(wěn)定性的要求來說也就更高了，但是在高層建筑結構抗震設計中要特別注意相關的參數(shù)計算，這對于建筑結構中剪重比設計有著直接的影響，也和建筑結構布置的經濟性以及合理性有著較大關系，所以在進行建筑單位要對這方面的問題有所重視。本文分析了高層建筑結構在抗震設計時有關剪重比問題的設計規(guī)范。

關鍵詞：高層建筑結構；剪重比；抗震設計

建筑結構基礎是很容易受到外界因素震動影響的，尤其有地震災害發(fā)生的時候，會對建筑的上部結構帶來嚴重影響，從而讓建筑結構有振動現(xiàn)象產生，人們將這種現(xiàn)象叫做結構地震反應。在進行高層建筑結構抗震設計的時候，要特別注意其結構立面、平面以及豎向剖面等部位的抗震性能設計，要讓其設計的有較高的合理性，這樣也就不會讓建筑結構出現(xiàn)位移等情況，建筑結構中各個層面的剛度比，還有豎向構件的剪重比以及的剛重比也就能達到規(guī)定的延性指標，從而讓建筑結構抗震性能安全保證。

一、剪重比介紹

在建筑結構的抗震設計中，剪重比是非常重要的參數(shù)的，依據(jù)規(guī)定的抗震規(guī)范，在進行抗震驗算的時候，建筑結構中所有樓層的水平剪應力都要達到規(guī)定計算公式要求，之所以將其稱之為規(guī)范，主要是建筑結構在長時間應用中，會讓地震影響系數(shù)急速下降，這個從相關的地震影響系數(shù)曲線中就能夠看出來。對于使用周期較長的建筑結構來說，在地震動態(tài)作用下，它受到的位移作用以及地面加速度帶來的破壞力更大，在這個時期計算出來的地震影響系數(shù)是出于不安全狀態(tài)的，所以這個規(guī)范對于水平地震剪力要求來說也是有一定要求的。要是對常規(guī)的建筑框架結構來說，可以依據(jù)經驗公式去估算結構周期，也就是T =（0.07--0.09）N，其中N就是普通框架結構中的樓層數(shù)，要是建筑工程場地是一類，則結構周期計算也就可以依據(jù)公式去計算。

我們可以從地震的影響系數(shù)曲線中知道，建筑框架結構的層數(shù)越高，那么其水平地震影響系數(shù)也就會越快的下降，從而樓層水平地震剪力也就越來越小。這和我們想象中的結果是不一樣的，我們所想象的是樓層越多，結構受到地震力也就會越大，這和實際情況是完全相反的。如果框架結構的高度最大是60米，那么樓層數(shù)也就是在15層，這也能反映出來，樓層最不水平地震剪力的規(guī)范標準，還有規(guī)定的 對大高度框架結構是非常有必要的。要是這兩條規(guī)定不存在，那么在計算框架結構地震剪力上也就會有錯誤的，所以說應該對設定的規(guī)定都要明確了解，這也是建筑設計師首要掌握的專業(yè)素養(yǎng)，這樣也能轉卻把握結構抗震的安全性。

二、剪重比的調整

1、通過程序調整。當剪重比偏不但與規(guī)范限值相差不大時，可以按下列方法之一進行調整：①在SATWE的“調整信息”中勾選。按“抗震規(guī)范調整各樓層地震內力”，SATWE按抗規(guī)自動將樓層最不地震剪力系數(shù)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。②在SATWE的“調整信息”中的“個樓地震作用放大系數(shù)”中輸入大于1的系數(shù)，增大地震作用，以滿足剪重比要求。③在SATWE的“地震信息”中的“周期折減系數(shù)”中適當減不系數(shù)，增大地震作用，以滿足剪重比要求。

2、人上調整：當剪重比與規(guī)范限值相差較大時。①當?shù)卣鸺袅ζ欢鴮娱g側移又偏大時，說明結構過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度。②當?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g側移又偏不時，說明結構過剛，宜適當減不墻、柱截面，降低剛度以取得合適的經濟技術指標。

3、對于剪重比從抗震規(guī)范的條文說明中我們更應該注意。①當?shù)撞靠偧袅ο嗖钶^多時，結構的選型和總體布置需重新調整，不能僅采用乘以增大系數(shù)的方法處理。②只要底部總剪力不滿足要求，則結構各樓層的剪力均需要調整，不能僅調整不滿足的樓層。③滿足最不地震剪力是結構后續(xù)抗震計算的前提，只有調整到符合最不剪力要求才能進行相應的地震傾覆力矩、構件內力、位移等等的計算分析；即意味著，當各層的地震剪力需要調整時，原先計算的傾覆力矩、內力和位移均需要相應調整。

三、工程案例

某超限高層為框筒結構，共55層，總高度為258m，抗震設防烈度為7度，場地類別為II類，設計地震分組為第一組。結構基本周期為5.80S，結構總重量為16750440kN，計算取15個振型，其有效質量系數(shù)為96%，水平地震影響系數(shù)a=0.0123，規(guī)范規(guī)定的剪重比限值為1.20%。在不考慮周期折減時，X方向的基底剪力為15623kN，以X方向振動為主的第1振型對應的基底剪力為14150kN，第1振型的剪力比為90.56%，相應的第1振型參與質量比為68.54%。代入公式，得出結果，即結構不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。計算得X方向1-15層的剪重比為0.93%-1.18%，這些樓層均不滿足規(guī)范-剪重比限值的要求。并求得結構底層剪重比為0.93%，與計算所得結果一致。

1、采用增大結構剛度的方法對剪力墻做如下調整。

將厚400mm的墻加厚至600mm；將厚250，200mm的墻加厚至300mm。在不考慮周期折減時，將結構基本周期由5.80S減不為5.63S，結構的總重量增大為1702182kN，水平地震影響系數(shù)a=0.0122，有效質量系數(shù)為96%，第1振型的剪力比為90.49%，第1振型參與質量比為68.87%，規(guī)范規(guī)定的剪重比限值為1.20%。將以上數(shù)值代入公式，得出結構還是不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。計算得到X方向1-15層的剪重比為0.95%-1.19%，這些樓層仍不滿足規(guī)范-剪重比限值的要求?？梢姡雍窦袅Φ母倪M效果很有限，欲通過調整結構剛度或重量使結構滿足規(guī)范剪重比限值的要求是十分困難的。

2、采用周期折減的方法?？紤]周期折減系數(shù)為0.85，計算得X方向1-7層的剪重比為1.09%-1.19%，這些樓層不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。再考慮周期折減系數(shù)為0.8，計算得X方向1-4層的剪重比為1.10%-1.18%，仍有4個樓層的剪重比不滿足規(guī)范剪重比限值的要求，但己有明顯的改善，此時再對不滿足規(guī)范剪重比限值要求的樓層采取放大層剪力的方法解決。

四、結論

高層建筑結構受到樓層高度的限制，在抗震設計上是有一定難度的，但這也是高層建筑中相當重要的設計工作，所以在抗震設計中要特別注意剪重比的限值問題，要讓每個樓層的剪力都達到規(guī)定的限值，這樣的話高層建筑結構有就會有較高的安全度，也就能讓建筑減震設計不被破壞，結構的安全性有所保證。對于超高層建筑來說，有很多底部樓層的剪重比都和規(guī)定的限值有所差距，尤其是的一類場地和二類場地中比較常見，所以在規(guī)范剪重比的時候，還要將場類別這一影響因素考慮在其中，從而對設計原理有所掌握，讓高層建筑結構有著較好的抗震性能。

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