淺析高層結(jié)構(gòu)設計中六個比值的控制與調(diào)整

劉成剛

摘 要：隨著城市的發(fā)展和科學技術(shù)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(jīng)濟的設計要求，這是結(jié)構(gòu)設計人員必須面對的問題。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計初始階段，合理確定結(jié)構(gòu)布置成了此階段的重點，如何判斷結(jié)構(gòu)布置的合理及結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟性能也就成了關(guān)鍵所在，本文就混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計中所需控制的六個參數(shù)作了簡明的闡述，并針對六個比值調(diào)整方法進行了探討，對提升高層建筑結(jié)構(gòu)設計水平及高層建筑綜合效益有一定的實踐意義。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設計；六個比值；控制與調(diào)整；SATWE計算

1.前言

高層結(jié)構(gòu)設計過程中，在建筑初步布置確定后，首先進行的是結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件的初步布置，所以首先控制抗側(cè)構(gòu)件的平面布置合理性，位移比、周期比及剛重比是控制構(gòu)件平面布置的三個主要參數(shù)，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(jié)構(gòu)的延性及抗震安全性，這三步是相互關(guān)聯(lián)的，要得到更合理的結(jié)構(gòu)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(diào)整

高層設計的難點在于豎向承重構(gòu)件（柱、剪力墻等）的合理布置，設計過程中需控制六個參數(shù)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(guī)定水平力作用下，樓層的豎向構(gòu)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(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應。規(guī)范相關(guān)要求見10版抗規(guī)3.4.2，10版高規(guī)3.4.5和3.7.3。如不滿足規(guī)范要求時，應按如下措施或方法進行調(diào)整：

1）程序調(diào)整：SATWE程序不能實現(xiàn)。

2）人工調(diào)整：只能通過人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)平面布置，減小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大水平位移與層間位移往往出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的邊角部位；因此應注意調(diào)整結(jié)構(gòu)外圍對應位置抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，減小結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的偏心距。同時在設計中，應在構(gòu)造措施上對樓板的剛度予以保證。

2.2周期比：規(guī)范條文，新高規(guī)的3.4.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度。規(guī)范相關(guān)要求見10版高規(guī)3.4.5與5.1.13，如果周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應過大，應按如下方法進行調(diào)整：

1）程序調(diào)整：SATWE程序不能實現(xiàn)。

2）人工調(diào)整：只能通過人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度；總的調(diào)整原則是加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度。

2.3剛重比：是指結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和重力荷載設計值之比。高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(chǎn)生的二階效應（P-Δ效應）不致過大，導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。結(jié)構(gòu)的剛重比是影響重力二階效應的主要參數(shù)，通過對結(jié)構(gòu)剛重比的控制，滿足高層建筑穩(wěn)定性要求。見10版高規(guī)5.4.1和5.4.4。如不滿足規(guī)范要求時，應按如下方法進行調(diào)整：

1）程序調(diào)整：剛重比不滿足規(guī)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(diào)整：只能通過調(diào)整增強豎向構(gòu)件，加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

2.4剛度比：指結(jié)構(gòu)豎向不同樓層的側(cè)向剛度的比值（也稱層間剛度比），該值主要為了控制高層結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。規(guī)范相關(guān)要求見10版抗規(guī)3.4.2，10版高規(guī)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(guī)3.5.8予以加強。如不滿足規(guī)范要求時，應按如下措施或方法進行調(diào)整：

1）程序調(diào)整：如某樓層剛度比的計算結(jié)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(guī)3.5.8將該樓層地震剪力放大1.25倍。

2）人工調(diào)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(guān)樓層的層高和削弱上部相關(guān)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(guī)范對墻肢和柱均有相應限值要求，見10版高規(guī)6.4.2和7.2.13。如不滿足規(guī)范要求時，應按如下措施或方法進行調(diào)整：

1）程序調(diào)整：SATWE程序不能實現(xiàn)。

2）人工調(diào)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(shù)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(jié)構(gòu)，以及存在薄弱層的結(jié)構(gòu)，出于對結(jié)構(gòu)安全的考慮，規(guī)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(jié)構(gòu)安全性，見高規(guī)10版高規(guī)4.3.12。如不滿足規(guī)范要求時，應按如下措施或方法進行調(diào)整：

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

在SATWE的“調(diào)整信息”中的“全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。

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

2）人工調(diào)整：一般是調(diào)整墻柱截面大小，調(diào)整剛度。

3.結(jié)語

作為一名建筑結(jié)構(gòu)設計師，最求的是經(jīng)濟、合理、安全的建筑，結(jié)合現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)程使用計算軟件，合理選取結(jié)構(gòu)設計中涉及的計算參數(shù)，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(jié)實踐經(jīng)驗，通過整體和局部判斷軟件計算結(jié)果的合理性；學會利用結(jié)構(gòu)概念設計來把握結(jié)構(gòu)整體的設計，利用簡化力學模型來檢驗局部構(gòu)件的設計，通過有主次的控制六大主要參數(shù)指標值，使高層的結(jié)構(gòu)布置更加合理、高效，達到更好的效果。

參考文獻

1.李勤.高層建筑結(jié)構(gòu)計算程序satwe的計算結(jié)果分析[J].山西建筑，2006（8）.

2.任以超.混凝土結(jié)構(gòu)高層設計中需控制的六個比值[J].工程技術(shù)，2006（3）.

3.中華人民共和國行業(yè)標準中華人民共和國建設部.高層建筑沉凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.