房屋結構的概念設計與計算指標的控制

蘇 文 （安徽建科施工圖審查有限公司，安徽 合肥 230032）

結構設計規(guī)范大約十年左右修訂一次，除了對結構認識的不斷深入以外，其顯著的特征就是從早期僅有大的概念及方向，逐步發(fā)展到有各項具體的指標控制，增加可操作性。下邊從結構各項控制指標的規(guī)定與調整出發(fā)，以SATWE程序的計算結果為例，看規(guī)范是如何實現結構概念設計目標的。

1 結構計算結果的分析與控制

1.1 宏觀指標

結構整體性能的控制指標，共有10個。剛度比；樓層受剪承載力比；相鄰樓層質量比；周期比；位移比；剛重比；剪重比；位移角；墻柱傾覆彎矩比；結構整體抗傾覆。

1.2 微觀指標

具體構件的控制指標，共有6個。軸壓比；剪跨比；配筋率；配箍率；裂縫；撓度。

2 宏觀指標的控制

2.1 剛度比

2.1.1 功能

判斷結構豎向不規(guī)則性，檢查剛度是否突變，尋找軟弱層；判斷地下室剛度是否滿足上部結構嵌固端的要求；檢查框支結構下部剛度是否滿足規(guī)范要求。

2.1.2 輸出文件

WMASS.OUT/相鄰層側移剛度比計算信息：Ratx Raty、Ratx1、Ratx2。

2.1.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)3.4.2條、高規(guī)3.5.2條。

2.1.4 處理方法

多層結構：豎向不規(guī)則的建筑，其軟弱層的地震剪力應乘以1.15的增大系數，并進行彈塑性變形分析（補充彈塑性層間位移角計算）。

高層結構：側向剛度變化不符合高規(guī)第3.5.2條要求的樓層，其對應于地震作用標準值的剪力應乘以1.25的增大系數。同時7～9度抗震設防的建筑尚應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。

方案調整：調整結構布置，增加下部剛度（減少相鄰層層高突變、增大下部抗側力構件截面、混凝土強度等級等）。

2.1.5 說明

側向剛度比計算方法有四種：高規(guī)E.0.1-1、抗規(guī)3.4.3、高規(guī)3.5.2、高規(guī)E.0.1-1，各有其適用范圍，應準確選用。

高層建筑帶底盤裙房，計算裙房與塔樓的樓層剛度比時，裙房應取相關范圍。

高層建筑樓層側向剛度小于相鄰上層的50%時，屬兩項不規(guī)則超限。

剛度比突變形成的薄弱層，程序自動判定，自動調整。轉換構件形成的薄弱層，人工判定，人工指定轉換構件，人工指定薄弱層。剛度削弱層、錯層形成的薄弱層，人工判定，人工指定。

2.2 樓層受剪承載力比

2.2.1 功能

判斷結構豎向布置的不均勻性，檢查剛度是否突變；尋找薄弱層。

2.2.2 輸出文件

WMASS.OUT/樓層抗剪承載力比值：Ratio-Bu-X Ratio-Bu-Y；

2.2.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)3.4.3條、高規(guī)3.5.3條。

2.2.4 處理方法

同2.1.4條。

2.2.5 說明

受剪承載力突變形成的薄弱層，人工判定，人工指定。

按整層建模的大底盤多塔結構，計算時應把底盤切開，保留與該塔2～3跨的底盤結構。

多層異形柱結構的薄弱層地震剪力增大系數為1.25。

不宜采用同一樓層均為軟弱層和薄弱層的高層建筑。

2.3 相鄰樓層質量比

2.3.1 功能

判斷結構豎向布置的不均勻性；尋找薄弱層。

2.3.2 輸出文件

SATWE:WMASS.OUT/各樓層的單位面積質量分布及質量比。

2.3.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)3.5.6條。

2.3.4 處理方法

2.4 周期比

2.4.1 功能

控制結構在罕遇地震下的整體扭轉效應的參數；限制第一扭轉周期Tt不要太大，從而控制扭轉角不要過大；通過振型成分的輸出，了解各個振型的性態(tài)；使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不至出現過大(相對于側移)的扭轉效應。

2.4.2 輸出文件

WZQ.OUT/周期、地震力與振型輸出。

2.4.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)3.4.5條。

2.4.4 處理方法

扭轉周期大小與剛度與質心的偏心距大小有關，與全樓平均扭轉剛度與樓層扭轉剛度關系密切。周期比不滿足要求，說明結構的扭轉剛度相對于側移剛度較小，只能通過調整平面布置來改善，這種改變一般是整體的，局部小調整往往收效甚微。

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調整原則：加強結構周圈，或者消弱內筒，兩者同時采取，效果更好，達到減少扭轉周期，增大平動周期的目標。

2.4.5 說明

結構扭轉振型不允許出現在第一周期，避免出現在第二周期。

扭轉周期比大于0.9，混合結構扭轉周期比大于0.85，屬二項不規(guī)則超限。

周期比計算時應采用剛性樓板假定。

2.5 位移比

2.5.1 功能

控制樓層扭轉效應的參數；限制結構平面布置不規(guī)則性的指標：規(guī)定了扭轉變形的上、下限，避免產生過大的偏心，而導致產生扭轉效應?？刂颇康氖窍拗平Y構的實際扭轉量值。

2.5.2 輸出文件

WDISP.OUT/位移輸出文件

2.5.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)3.4.3-1條、抗規(guī)3.4.4條、高規(guī)3.4.5條。

2.5.4 處理方法

局部調整：找出不滿足的構件進行調整。局部調整比整體調整更有效、更經濟。

整體調整：增加邊跨抗側構件剛度，從而增大整體抗扭剛度，減少實際扭轉位移量。

2.5.5 位移比與周期比關系

周期比與位移比同是控制結構的側向剛度和扭轉位移角。位移比是主要是控制位移的實際扭轉量，絕對大小。雖然在一定程度上間接起著控制扭轉周期和扭轉角不要過大的作用，但不能控制扭轉周期和扭轉角滿足相關限值的要求。周期比側重控制的是側向剛度與扭轉剛度之間的一種相對關系，即周期比控制不是在要求結構足夠結實，而是要求結構承載布局的合理性。

2.5.6 說明

當樓層的最大層間位移角不大于規(guī)范規(guī)限值的40%時，位移比可放松至1.6。

裙房以上的較多樓層（超過1/3樓層），考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.4時，屬二項不規(guī)則超限。

突出屋面的屋頂房間（如樓電梯間、構架層）面積小于下部樓層面積的30%時，可不算一個樓層，即可不計位移比問題。

位移比計算時，程序有多種輸出結果，可用單向地震作用的按規(guī)定水平地震力計算并考慮偶然偏心影響的計算結果，其它計算結果僅供參考。

2.6 剛重比

2.6.1 功能

控制結構的整體穩(wěn)定性，以免結構產生滑移和傾覆；是影響重力P-Δ效應的主要參數。

2.6.2 輸出文件

SATWE:WMASS.OUT/結構整體穩(wěn)定驗算結果：X剛重比Y剛重比；

是否滿足高規(guī)5.4.1條或5.4.4條要求；是否要考慮重力二階效應；

2.6.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)5.4.1條、高規(guī)5.4.4條。

2.6.4 處理方法

減少結構的高寬比是最有效的方法；其次是增加整體剛度，減少結構總重量。

2.6.5 說明

程序提供了計算P-DELT效應的開關，根據需要選擇是否考慮P-DELT效應。

2.7 剪重比

2.7.1 功能

控制結構總水平地震剪力及各樓層水平地震剪力的最小值，彌補振型分解反應譜法的不足，確保長周期結構安全；衡量結構剛度和重量是否均衡；根據剪重比的輸出，可優(yōu)化結構，控制工程造價。

2.7.2 輸出文件

WZQ.OUT/等效各樓層的地震作用、剪力、剪重比：

剪重比：Vx分塔剪重比/整層剪重比

Vy分塔剪重比/整層剪重比

2.7.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)4.3.12條、抗規(guī)5.2.5條。

2.7.4 處理方法

首先對“按抗規(guī)5.2.5調整各樓層地震內力”菜單應不勾選，對“全樓地震力放大系數”取1，以核查剪重比數值，對結構布置的合理性進行判斷。

底部λ較小，地震剪力偏小且層間位移角又偏大時，說明結構整體剛度過柔，宜適當加大抗側力構件剛度，以滿足規(guī)范要求。底部λ較大，地震剪力偏大且層間位移角又偏小時，說明結構整體剛度過剛，宜適當減小抗側力構件剛度，以取得合適的經濟技術指標。應注意底部λ在合理范圍內時，其計算的位移、內力、配筋才有意義。

當剪重比基本符合規(guī)范要求時，方可考慮調整地震力，即當需要調整樓層層數不超過總樓層數的15%且地震剪力調整系數不大于1.1時，可通過選擇程序的相關參數（按抗規(guī)5.2.5調整樓層地震力、全樓地震力放大系數，周期折減系數等）來加以調整。

2.7.5 說明

有效質量系數滿足要求時，剪重比才有意義。地下室不需滿足最小剪重比要求。剪重比計算可除去地下室質量。

2.8 位移角

2.8.1 功能

控制整體平動剛度的參數；限制結構的變形及開裂，規(guī)定構件的最大位移及最大層間位移，保證結構有必要的安全性、穩(wěn)定性及舒適度。

2.8.2 輸出文件

WDISP.OUT/位移輸出文件。

2.8.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)3.7.3條、抗規(guī)5.5.1條。

2.8.4 處理方法

位移與結構整體剛度有關，計算位移愈小，其結構的總體剛度就愈大；反之，位移值愈大，其結構的總體剛度就愈小。

2.9 墻柱傾覆彎矩比

2.9.1 功能

結構體系確認的依據；梁、柱、墻抗震等級確認的依據；掌握各樓層的框架、剪力墻、短肢剪力墻或筒體傾覆力矩的分布情況。

2.9.2 輸出文件

WV02Q.OUT/框架柱及短肢剪力墻地震傾覆彎矩百分比。

2.9.3 規(guī)范鏈接

抗規(guī)6.1.3條、高規(guī)8.1.3條。

2.9.4 處理方法

按規(guī)范相應要求，準確確定結構類型及構件的抗震等級。

2.10 結構整體抗傾覆（抗傾覆力矩/傾覆力矩）

2.10.1 功能

控制結構安全度；計算出零應力區(qū)比例；

2.10.2 輸出文件

WMASS.OUT/結構整體抗傾覆驗算結果：X/Y向風荷載：MrMovMr/Mov 零應力區(qū)X/Y向地震：MrMovMr/Mov 零應力區(qū)

2.10.3 規(guī)范鏈接

高規(guī)12.1.7條、抗規(guī)4.2.4條。

2.10.4 處理方法

程序給出在水平力作用下的抗傾覆彎矩Mg，傾覆力矩Mov，抗傾覆安全度及零應力區(qū)比例，用戶需要自行根據下表判斷是否滿足要求。

抗傾覆安全度MR/Mov與基礎底面零應力區(qū)的比例關系：

抗傾覆安全度MR/Mov 3.0 2.038 1.0零應力區(qū)比例（B-X)/B 0 5% 100%備注 H/B＞4 H/B≤4基址點臨界平衡高層建筑 高、低層建筑不允許出現零應力區(qū) 控制零應力區(qū)

不滿足時，可采取以下措施：加大房屋中部重量；在滿足位移角、剪重比等條件下，削減結構剛度，減少地震作用，從而降低結構傾覆力矩。加大裙房、地下室、底板的寬度。

2.10.5 說明

當地基具有足夠剛度時（如基巖），MR/Mov要求可適當放松；如為中軟土地基，MR/Mov要求還應適當從嚴。

抗震烈度為8度及以上時，MR/Mov要求應適當從嚴。