探討如何控制高層結(jié)構(gòu)的周期比

蔡政杰

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510010）

0 引言

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑工程的體量與規(guī)模急劇增加?，F(xiàn)階段，城市中高層建筑的數(shù)量越來越多。在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)工作時(shí)，大多采用剪力墻結(jié)構(gòu)，這就需要對結(jié)構(gòu)的周期比進(jìn)行嚴(yán)格控制，提高建筑的安全性與抗震效果。尤其對于一些平面分布不規(guī)則、不對稱的建筑項(xiàng)目，要做好結(jié)構(gòu)整體計(jì)算工作，確保結(jié)構(gòu)周期比不能超過《高規(guī)》所規(guī)定的限值。同時(shí)，還要對建筑平面結(jié)構(gòu)的布置方案進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 概述

在我國頒布實(shí)施的《高規(guī)》中明確指出，建筑結(jié)構(gòu)平面布置工作中，要盡可能降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對建筑的影響。這一過程中，要對第一自振周期T1進(jìn)行嚴(yán)格的控制。對于A級高度的建筑工程來說，由結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的T3和以平動為主的T1之間的比值不能超過0.9。對于B級高層建筑工程來說，該數(shù)值不能超過0.85。從上述規(guī)定能夠看出，對結(jié)構(gòu)造成限制的抗扭剛不不能太弱，進(jìn)而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的損毀。要想對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度進(jìn)行限制，需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作引起重視。一方面，可以在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置方面進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。另一方面，對于高層結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)由梁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行承重，但是周期比還達(dá)不到滿足時(shí)，不能盲目的通過增加梁柱結(jié)構(gòu)的截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@一方式往往收不到良好的效果[1]。這一過程中，要對各項(xiàng)影響因素進(jìn)行分析，可以從平面剛度、構(gòu)件剛度以及抗震縫的調(diào)整等方面完善設(shè)計(jì)工作。

2 控制周期比的意義

所謂的周期比，是第一扭轉(zhuǎn)周期和平動周期之間存在的比值系數(shù)。在進(jìn)行周期比的計(jì)算工作時(shí)，首先要對樓板剛性進(jìn)行假設(shè)，也就是將樓板的平面內(nèi)剛度假定為無限大。同時(shí)，假定樓板平面外剛度趨近于零。這一過程中，需要對偶然偏心地震力的作用進(jìn)行考慮。具體計(jì)算過程中，要借助于計(jì)算機(jī)軟件以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，對高層建筑的結(jié)構(gòu)周期比進(jìn)行計(jì)算。之所以要對周期比限值進(jìn)行控制，主要因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：①通過進(jìn)行周期比的計(jì)算，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行判斷，同時(shí)也可以對結(jié)構(gòu)布置的合理性做出衡量。對周期比進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，能夠防止結(jié)構(gòu)平面出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，當(dāng)有地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)不至于遭受嚴(yán)重的破壞。②通過進(jìn)行周期比的控制，可以提高結(jié)構(gòu)的抗震效果[2]。一般來說，如果周期比不超過限值，那么當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，平動周期的出現(xiàn)時(shí)間要比扭轉(zhuǎn)周期早，因而結(jié)構(gòu)的抗震性能將會顯著提高。通過對國內(nèi)一些特大型地震震害進(jìn)行研究表明，如果結(jié)構(gòu)的平面存在不規(guī)則、不對稱等現(xiàn)象，那么其扭轉(zhuǎn)剛度將會顯著降低，因而在地震作用下會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)脆性破壞，進(jìn)而對人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。

3 高層框架結(jié)構(gòu)周期比的控制方法

3.1 對平面剛度中心進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整

通過對建筑結(jié)構(gòu)的平面剛度中心進(jìn)行調(diào)整，可以使結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心盡可能的接近。在進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會遇到以下類似的狀況：即便是高層建筑的平面相對簡單，并且對稱性效果較好，但是其周期比仍然不能達(dá)到《高規(guī)》中的相關(guān)要求。對于這一現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵摻ㄖ慕Y(jié)構(gòu)平面存在著抗側(cè)力構(gòu)件布置不規(guī)則或者是不對稱的問題，進(jìn)而造成建筑結(jié)構(gòu)平面的剛度中心與質(zhì)量中心之間存在著較大的偏移。鑒于此，在開展建筑結(jié)構(gòu)平面的布置工作時(shí)，應(yīng)針對剪力墻進(jìn)行相應(yīng)的加法、減法處理。具體來說，可以適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)平面的剪力墻設(shè)計(jì)質(zhì)量，尤其在長度與寬度、數(shù)量方面進(jìn)行調(diào)整，對于周邊剪力墻也要做好調(diào)整工作。此外，還要降低剛心一側(cè)剪力墻的長度、寬度以及數(shù)量，特別要對中間剪力墻進(jìn)行調(diào)整。在進(jìn)行剪力墻的具體布置時(shí)，應(yīng)力求對稱、均勻，并且要提高剪力墻的分散效果。此外，要確保建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分布均勻，不存在偏心等問題?？傮w而言，通過對建筑結(jié)構(gòu)平面的剛心、質(zhì)心做出調(diào)整，使得二者在位置上更加接近，提高周期比的控制效果。

3.2 對周邊與中間構(gòu)件的剛度進(jìn)行調(diào)整

設(shè)計(jì)工作中，可以適當(dāng)提高建筑結(jié)構(gòu)平面周邊構(gòu)件的剛度，同時(shí)適當(dāng)降低平面中間構(gòu)件的剛度。周期比不僅受到建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的影響，同時(shí)與結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有著密切的關(guān)系。現(xiàn)階段，在進(jìn)行周期比的計(jì)算設(shè)計(jì)工作時(shí)，主要借助計(jì)算機(jī)軟件程序完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。這一過程中，要想取得較為理想的計(jì)算結(jié)果，首先要對第一以及第二振型周期進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)時(shí)最好以平動為主。同時(shí)，還要確保扭轉(zhuǎn)周期最好發(fā)生在第三振型周期。一方面，在增加建筑結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件剛度的工作中，可以采取以下幾點(diǎn)措施：①適當(dāng)提高建筑結(jié)構(gòu)平面周邊的柱、剪力墻數(shù)量，并且在長度、寬度方面做出適當(dāng)?shù)脑黾?；②可以在平面的凹槽外進(jìn)行拉梁以及連接板的設(shè)置，進(jìn)而提高其剛度；③可以對平面周邊的連梁高度做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。比如在進(jìn)行窗臺砌體墻的設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用鋼筋混凝土墻。同時(shí)，還要與樓下的連梁形成整體。另一方面，要適當(dāng)降低平面中部構(gòu)件的剛度。具體來說，可以采用以下措施：首先，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)降低中部剪力墻的數(shù)量，并且可以減短、減薄剪力墻。同時(shí)，還可以在剪力墻的設(shè)計(jì)工作中設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)洞，以降低剪力墻的剛度。其次，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面的設(shè)計(jì)時(shí)，可以在中部位置降低剪力墻連梁的高度；此外，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，可以進(jìn)行框架梁、柱結(jié)構(gòu)的弱化。通過上述措施，可以使結(jié)構(gòu)平面的剛度狀況得到優(yōu)化，進(jìn)而提高周期比的控制效果。

3.3 加強(qiáng)對抗震縫的應(yīng)用

通過設(shè)置抗震縫，能夠把建筑平面中不規(guī)則的部分進(jìn)行分割，進(jìn)而形成獨(dú)立、規(guī)則幾個(gè)空間單元。尤其在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)工作時(shí)，由于受到使用功能以及造型等方面因素的影響，會提高平面設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。具體設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會出現(xiàn)L形、Z形以及Y形、T形等一系列不規(guī)則的平面。這些平面在剛心、質(zhì)心方面會存在很大的偏移，并且在結(jié)構(gòu)分析的電算過程中，其周期比計(jì)算結(jié)果會存在嚴(yán)重的超限問題。在對建筑平面布置方案進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化時(shí)，就可以使用設(shè)置防震縫的方法進(jìn)行調(diào)整。這一措施可以使結(jié)構(gòu)平面變得簡單，使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心更加接近，并且能夠降低偏移問題對結(jié)構(gòu)單元的影響。

4 案例分析

4.1 工程概況

在進(jìn)行某小區(qū)的1#住宅設(shè)計(jì)時(shí)，該建筑地下2層，地上31層。地上部分的層高達(dá)到了3m。同時(shí)，室外地坪到建筑工程檐口之間的高度達(dá)到了89m。設(shè)計(jì)施工時(shí)，所采用的結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑的抗震設(shè)防類別是丙類，其場地類型是Ⅱ類。查閱相應(yīng)的規(guī)范了解到，該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度是Ⅶ度，抗震等級是二級。設(shè)計(jì)時(shí)，將剪力墻的外墻厚度設(shè)定為250mm，內(nèi)墻的厚度設(shè)定為200mm。

4.2 工程分析

通過對該工程進(jìn)行試算，其具體結(jié)果如下所示：首先，T1=3.729s，在平動系數(shù)方面為0.35（X）。同時(shí)，扭轉(zhuǎn)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.65。其次，T2的計(jì)算結(jié)果為3.4745s，在平動系數(shù)方面為0.96（Y），扭轉(zhuǎn)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是0.04。另外，計(jì)算得到T3=3.283s，平動系數(shù)是0.67（X），扭轉(zhuǎn)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是0.31。

因而，對于周期比進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到了：T3/T1=0.88。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在該工程中計(jì)算得到的周期比要比《高規(guī)》中規(guī)定的限制0.85大，因而在建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度方面需要進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

4.3 周期比的控制

設(shè)計(jì)中為了適當(dāng)提高建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，主要使用了以下措施予以處理：一方面，對建筑結(jié)構(gòu)中平面周邊構(gòu)件的剛度做出了調(diào)整，周邊剪力墻的厚度從原來的250mm進(jìn)一步提高為300mm，并在建筑功能不變的前提下，增加周邊剪力墻墻肢的長度。同時(shí)，在平面的凹槽位置處設(shè)置了相應(yīng)的拉梁。另一方面，對平面周邊構(gòu)件的連梁剛度做出了調(diào)整，適當(dāng)加高部分連梁高度。最后，增加縱向剪力墻以加強(qiáng)X方向剛度。

經(jīng)過上述的調(diào)整之后，其計(jì)算結(jié)果如下所示：首先，T1的計(jì)算值達(dá)到了3.310s，并且平動系數(shù)控制為0.98（Y），扭轉(zhuǎn)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果是0.02。其次，計(jì)算得到T2=3.075s，平動系數(shù)控制為0.94（X），扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.00。此外T3的計(jì)算結(jié)果是2.421s，平動系數(shù)為0.08，并且扭轉(zhuǎn)系數(shù)控制為0.92。經(jīng)過調(diào)整之后，周期比計(jì)算結(jié)果是T3/T1=0.73。從上述計(jì)算可以看出，通過采用上述措施予以處理，使得高層框架結(jié)構(gòu)的抗扭剛度得到了有效控制，并且周期比能夠達(dá)到《高規(guī)》中的限值要求。

5 結(jié)束語

在進(jìn)行高層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，周期比控制關(guān)系到高層框架結(jié)構(gòu)的抗震效果，并直接影響到建筑的安全性與耐久性。因而，設(shè)計(jì)工作中要對建筑的實(shí)際狀況做出分析，平面布置時(shí)要提高其規(guī)則性、對稱性效果，并采用合理的處理措施對周期比進(jìn)行嚴(yán)格控制，進(jìn)而提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。