建筑結構抗震設計中剪重比分析

梁旭

廣東誠實建設工程設計有限公司 廣東 梅州 514000

1 什么是剪重比

剪重比，又稱剪力系數，是對應水平地震作用標準值的樓層剪力與重力荷載代表值的比值。由于地震影響系數在長周期段下降較快，對于基本周期大于3s的結構，由此計算所得的水平地震作用下的結構效應可能過小。對于長周期結構，地震地面運動速度和位移可能對結構的破壞具有更大影響，但是規(guī)范所采用的振型分解反映譜法尚無法對此作出合理估計。出于結構安全的考慮，規(guī)范增加了對各樓層水平地震剪力最小值的要求，規(guī)定了不同烈度下的樓層最小地震剪力系數值（表1），當不滿足時，需改變結構布置或調整結構總剪力和各樓層的水平地震剪力，使之滿足要求。

表1 樓層最小地震剪力系數值

扭轉效應明顯與否，一般可由考慮耦聯的振型分解反應譜法分析結構判斷。

本規(guī)定不區(qū)分結構形式，不考慮阻尼比的不同，是最低要求，適用于所有結構。結構底部水平地震作用總剪力、任一樓層的地震剪力系數均應滿足最小水平地震剪力的要求。

規(guī)范制定剪重比限制的目的在于提出建筑承受水平地震力的最小限值，地下室因為四周有土的約束作用，這種約束可以極大地提高地下室部分抗剪能力，所以當出現地下室時，無論地下室頂板是否作為上部結構的嵌固部位，均不需要滿足規(guī)范對地震剪力系數的要求[1]。

2 剪重比的調整

關于剪重比調整的討論有很多，在結構設計工作中，七度區(qū)、八度區(qū)經常出現底部剪重比不達標的情況，有些審圖公司依據抗規(guī)的條文說明把控較為嚴格，這樣六度區(qū)有時候也會有剪重比不達標的問題。針對這個問題，設計單位一般有兩種解決辦法：一種是人為放大底部剪力系數，使剪重比達到規(guī)范要求，但放大系數不宜超過1.3。非要放大系數超過1.3才能達到剪重比要求，說明結構布置方案是有問題的。這時一般采用第二種方法，就是將底部剪力墻數量增大，可以增大截面厚度、長度或者增加一部分剪力墻，以此滿足剪重比的要求。上述兩種方法各有利弊，第一種方法簡單易行，并且成本增加不大，較容易得到甲方業(yè)主的青睞，但高烈度區(qū)放大系數取到1.3之后仍有可能不達標，甚至有些審圖公司直接拒絕用這種方法解決剪重比問題，要求一律采用第二種方法。第二種方法能根本性解決問題，可工作量增加較多，設計人員不愿意，增加墻體截面面積后導致造價增加較多，甲方業(yè)主一般不同意?，F從兩種常見的解決辦法出發(fā)，談談我個人的看法。

“剪重比”是結構整體控制設計的一項重要指標，當其不能滿足規(guī)范的要求時，就應該進行必要的調整。根據《抗規(guī)》5.2.5及條文說明，當結構底部總剪力小于規(guī)定時，各樓層均需要進行調整，不能只調整不滿足的樓層。按抗規(guī)三段式精細化調整結構的剪重比，需要判斷結構的基本周期位于設計反應譜的那一段，不同的控制段，剪重比調整系數有別。對于需調整樓層層數較少（不超過樓層總數的1/3），且“剪重比”與規(guī)范限值相差不大（不小于規(guī)范限值的80%）的情況，我們可以通過選擇“地震力放大系數”等SATWE的相關參數來達到目的。在SATWE的“調整信息”中勾選“按抗震規(guī)范5.2.5調整各樓層地震內力”后，SATWE按抗規(guī)5.2.5自動將樓層最小地震剪力系數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。①當地震剪力偏小而層間側移角又偏大時，說明結構過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度；②當地震剪力偏大而層間側移角又偏小時，說明結構過剛，宜適當減小墻、柱截面，降低剛度以取得合適的經濟技術指標；③當地震剪力偏小而層間側移角又恰當時，可在SATWE的“調整信息”中的“全樓地震作用放大系數”中輸入大于1的系數增大地震作用，以滿足剪重比要求[2]。

對于需調整樓層層數較多，或與規(guī)范限值相差較大的情況，就只能提高結構的剛度。但是在對結構剛度進行調整的時候，我們有時會遇到這樣一種情況，我們加大了結構下部“剪重比”不滿足規(guī)范要求樓層的側移剛度，但這些樓層的“剪重比”沒有多大的變化，有時反而略有減小。

針對上述問題的分析如下：規(guī)范對結構“剪重比”的要求是基于“振型分解反應譜法”在結構基本周期大于3s時，計算水平地震作用可能偏小的情況，為保證結構的安全而考慮的。這不是簡單的局部剛度或承載能力不足的問題，而是規(guī)范針對上述情況對“振型分解反應譜法”的修正，即規(guī)定了水平地震作用的最小值。因此，只加大結構下部“剪重比”不滿足規(guī)范要求樓層的側移剛度，是把結構整體剛度偏柔的問題，當成了局部剛度或承載能力不足的問題，以至于收效不大。

關于結構自振周期與水平地震作用的關系：抗震結構中起主要作用的基本振型（靠近兩個主軸的方向和扭轉方向，其中兩個平動為主振型的基底剪力分別沿兩個主軸方向為最大值），其自振周期（基本周期）一般都大于設計特征周期。根據規(guī)范的“地震影響系數曲線”，此時的地震影響系數與結構基本周期成反比關系。即結構的基本周期越小，水平地震作用效應越大。而結構的自振周期與結構的剛度成反比關系。這說明采用結構調整的方法加大“剪重比”，需要增大結構的剛度，以減小結構的基本周期。那么，為什么我們加大了結構下部“剪重比”不滿足規(guī)范要求樓層的側移剛度，但這些樓層的“剪重比”沒有多大的變化，有時反而略有減小呢？

通過對具體結構的分析，不難發(fā)現，當僅增大結構下部少數樓層的側移剛度時，結構的基本周期變化不大，水平地震作用增幅有限。同時，因為結構剛度的增大，使結構的質量略有增加，致使結構的“剪重比”變化不大。特別是在受到建筑方案的限制，僅能加厚剪力墻的墻厚時，結構質量增加的比率可能大于水平地震作用的增大比率，反而可能導致“剪重比”的減小。但是，當我們改變方式，沿結構自下而上的大多數樓層（包括“剪重比”滿足規(guī)范要求的樓層）直至結構全高增大結構的側移剛度時，結構基本周期的減小愈發(fā)顯著，結構水平地震作用的增大比率愈發(fā)大于結構質量的增大比率，結構的“剪重比”也隨之增大。這樣，我們就找到了解決問題的思路。

當底部總剪力相差較多時，結構的選型和總體布置需重新調整（圖1），不能僅采用乘以增大系數的方法處理。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。滿足最小地震剪力是結構后續(xù)抗震計算的前提，只有調整到符合最小剪力要求才能進行相應的地震傾覆力矩、構件內力、位移等的計算分析。采用時程分析法時，其計算的總剪力也需符合最小地震剪力的要求。

圖1 某框剪結構項目三維模型圖

當電算結果中剪重比數值與規(guī)范要求有較大偏差時，要檢查有效質量系數是否達到90%。若沒有達到，查看振型數是否足夠；查看是否有局部振動，改變布置，去掉局部振動，重要的部位需要進行加強。選取允許范圍內的最小的周期折減系數。精細化荷載類別，減少荷載，特別是結構恒載。對建筑布置和結構體系及構件截面尺寸、布置進行調整，這是解決剪重比問題的最根本做法，也是最好的辦法。很多設計人員，看到剪重比不滿足要求，就盲目地調整全樓地震作用放大系數，這種方法并不可取，剪重比不滿足規(guī)范要求，往往說明這棟建筑的結構選型和總體布置不合理、不安全，所以以結構自身的調整來達到規(guī)范所規(guī)定的剪重比要求才是最佳方案。

剪重比過大過小都需要檢查。過大，說明底部剪力過大，應檢查輸入信息，是否填入信息有誤，或者剪力墻數量過多，結構太剛。不論剪力重力比過大過小，都要找出原因，將其控制在適宜的范圍內，其計算的位移、內力、配筋才有意義。當需要通過結構調整的方法來增大結構的剪重比時，宜自下而上的沿結構的大多數樓層以至結構的全高增大結構的側移剛度，才能有效減小結構基本周期，增大水平地震作用。

3 結束語

結構設計人員，切莫忽視對剪重比的調整與把握，結構剪重比的大小與結構的整體剛度密切相關。當需要通過結構調整的方法來增大結構的剪重比時，宜自下而上沿結構的大多數樓層以致結構的全高增大結構的側移剛度，才能有效減小結構基本周期，增大水平地震作用，從而增大剪重比，使其接近規(guī)范限值，為最終采用“地震力放大系數”等SATWE的相關參數來調整結構的剪重比創(chuàng)造條件。