淺析建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算控制指標(biāo)

申丹薇

摘 要：本文簡(jiǎn)要闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)控制指標(biāo)，介紹了各指標(biāo)的含義和調(diào)整措施。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算控制指標(biāo)；位移比；周期比；剛度比；抗剪承載力；剪重比；剛重比；軸壓比

1 前言

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理的建筑結(jié)構(gòu)布置在抗震設(shè)計(jì)中是頭等重要的。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)盡可能滿足規(guī)則性和整體性，設(shè)計(jì)過程中對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體性能的控制有七個(gè)主要目標(biāo)參數(shù)。如何正確運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體性能控制，以滿足規(guī)范、規(guī)程的要求，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都非常關(guān)心的問題。設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過對(duì)這些重要控制指標(biāo)的控制，確保結(jié)構(gòu)的整體性。

2 位移比的控制

位移比（層間位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的重要指標(biāo)。規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定做出的，如果在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定了彈性板，則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時(shí)選擇“對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”，以便計(jì)算出正確的位移比。在位移比滿足要求后，再去掉“對(duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”的選擇，以彈性樓板設(shè)定進(jìn)行后續(xù)配筋計(jì)算?！皩?duì)所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”是因?yàn)?，按照?guī)范要求的定義，位移比表示為“最大位移/平均位移”，而平均位移表示為“（最大位移+最小位移）/2”，其中的關(guān)鍵是“最小位移”，當(dāng)樓層中產(chǎn)生0位移節(jié)點(diǎn)，則最小位移一定為0，從而造成平均位移為最大位移的一半，位移比為2。則失去了位移比這個(gè)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的參考意義，所以計(jì)算位移比時(shí)，如果樓層中產(chǎn)生“彈性節(jié)點(diǎn)”，應(yīng)選擇“強(qiáng)制剛性樓板假定”。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的位移比控制有以下幾種情況：

（1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如坡屋頂層、體育館、看臺(tái)、工業(yè)建筑等，這些結(jié)構(gòu)或者柱、墻不在同一標(biāo)高，或者本層根本沒有樓板，此時(shí)如果采用“強(qiáng)制剛性樓板假定”，結(jié)構(gòu)分析嚴(yán)重失真，位移比就沒有意義。所以這類結(jié)構(gòu)可以通過位移的“詳細(xì)輸出”或觀察結(jié)構(gòu)的變形示意圖，來考察結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)或帶有夾層的結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)總是伴有大量的越層柱，當(dāng)選擇“強(qiáng)制剛性樓板假定”后，越層柱將受到樓層的約束，如果越層柱很多，計(jì)算就會(huì)失真。

總之，結(jié)構(gòu)位移特征計(jì)算模型的合理性，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際出發(fā)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)采用多種手段。

3 周期比的控制

周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。如同位移比的控制一樣，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(duì)關(guān)系，而非其絕對(duì)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)不致于出現(xiàn)過大（相對(duì)于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。所以一旦出現(xiàn)周期比不滿足要求的情況，一般只能通過調(diào)整平面布置來改善這一狀況，這種改變一般是整體性的，局部的小調(diào)整往往收效甚微。一句話，周期比控制不是要求結(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。如果周期比不滿足規(guī)范的要求，說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)人員需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的周期比控制有以下幾種情況：

（1）多塔結(jié)構(gòu)周期比：對(duì)于多塔樓結(jié)構(gòu)，如果上部沒有連接，應(yīng)該各個(gè)塔樓分別計(jì)算并分別驗(yàn)算，如果上部有連接，驗(yàn)算方法尚不清楚。（2）體育場(chǎng)館、空曠結(jié)構(gòu)和特殊的工業(yè)建筑，沒有特殊要求的，一般不需要控制周期比。（3）當(dāng)高層建筑樓層開洞口較復(fù)雜，或?yàn)殄e(cuò)層結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生局部振動(dòng)，此時(shí)應(yīng)選擇“強(qiáng)制剛性樓板假定”來計(jì)算結(jié)構(gòu)的周期比。以過濾局部振動(dòng)產(chǎn)生的周期。

4 剛度比的控制

剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的重要指標(biāo)。規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的層剛度有明確的要求，在判斷樓層是否為薄弱層、地下室是否能作為嵌固端、轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求等等，都要求有層剛度作為依據(jù)，所以層剛度計(jì)算的準(zhǔn)確性就比較重要。一般程序提供三種計(jì)算方法：

（1）樓層剪切剛度；

（2）單層加單位力的樓層剪彎剛度；

（3）樓層平均剪力與平均層間位移比值的層剛度。

三種計(jì)算方法有差異，可以根據(jù)需要選擇。只要計(jì)算地震作用，一般應(yīng)選擇第 3 種層剛度算法。不計(jì)算地震作用，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)可以選擇剪切層剛度算法，高層結(jié)構(gòu)可以選擇剪彎層剛度。不計(jì)算地震作用，對(duì)于有斜支撐的鋼結(jié)構(gòu)可以選擇剪彎層剛度算法。層剛度作為判斷該層是否為薄弱層的重要指標(biāo)之一。對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱層，規(guī)范要求其地震剪力放大1.15。當(dāng)采用第3種層剛度的計(jì)算方式時(shí)，如果結(jié)構(gòu)平面中的洞口較多，這樣會(huì)造成樓層平均位移的計(jì)算誤差增加，此時(shí)應(yīng)選擇“強(qiáng)制剛性樓板假定”來計(jì)算層剛度。選擇剪切、剪彎層剛度時(shí)，程序默認(rèn)樓層為剛性樓板。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的層剛度比控制有以下幾種情況： （1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如坡屋頂層、體育館、看臺(tái)、工業(yè)建筑等，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以不考慮這類結(jié)構(gòu)所計(jì)算的層剛度特性。（2）對(duì)于大底盤多塔結(jié)構(gòu)，或上聯(lián)多塔結(jié)構(gòu)，在多塔和單塔交接層之間的層剛度比是沒有意義的。如大底盤處因?yàn)殡x塔較遠(yuǎn)的構(gòu)件，對(duì)該塔的層剛度沒有貢獻(xiàn)，所以遇到多塔結(jié)構(gòu)時(shí)，層剛度的計(jì)算應(yīng)該把底盤切開，只能保留與該塔2到3跨的底盤結(jié)構(gòu)。（3）對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)或帶有夾層的結(jié)構(gòu)，層剛度有時(shí)得不到合理的計(jì)算，這是因?yàn)閷拥母拍畋粡V義化了。此時(shí)，需要采用模型簡(jiǎn)化才能計(jì)算出層剛度比。

5 抗剪承載力的控制

樓層抗剪承載力之比也是控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的重要指標(biāo)。抗剪承載力的計(jì)算，體現(xiàn)了規(guī)范“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)思想，即構(gòu)件應(yīng)首先彎曲屈服、破壞，而不能剪切破壞。剪切破壞屬于脆性破壞，應(yīng)避免。結(jié)構(gòu)的極限承載能力，對(duì)復(fù)雜工程、重要工程，應(yīng)進(jìn)行彈塑性分析來全面的評(píng)估，如：彈塑性靜力分析、彈塑性動(dòng)力分析等。當(dāng)樓層承載力的比值不滿足規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)強(qiáng)制定義該層為“薄弱層”，以提高設(shè)計(jì)地震作用。

6 剪重比的控制

剪重比是反映地震作用大小的重要指標(biāo)，是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。規(guī)范之所以規(guī)定剪重比，主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計(jì)算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時(shí)無法對(duì)此作出準(zhǔn)確的計(jì)算。因此，出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值，該值如果不滿足要求，則說明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，必須進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)剪重比不滿足規(guī)范要求時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)整地震作用，以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。剪重比調(diào)整系數(shù)將直接乘在該層構(gòu)件的地震內(nèi)力上。另外，地下室可以不受最小剪重比的控制。

7 剛重比的控制

剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素，也是影響重力二階效的主要參數(shù)。該值如果不滿足要求，則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。

8 軸壓比

軸壓比是控制截面延性性能的主要指標(biāo)，是指墻柱考慮地震作用組合的軸壓比設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值。

總之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求，重視概念設(shè)計(jì)，選擇平、立面布置規(guī)則、抗側(cè)性能好的結(jié)構(gòu)體系，保證結(jié)構(gòu)整體性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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