高層結(jié)構(gòu)設計的七個比值

馬雄機

廣東省華城建筑設計有限公司東莞分公司 廣東 東莞 523000

【摘 要】對于剛接觸結(jié)構(gòu)設計的從業(yè)者來說，在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，往往感到無從下手，筆者認為這是一個新手常見的問題，究其原因，是因為對規(guī)范的理解和設計經(jīng)驗的不夠?qū)е碌?。本文中，筆者根據(jù)從業(yè)多年來的工作經(jīng)驗和對規(guī)范的理解，就混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設中所需控制的七個參數(shù)作一個簡明的闡述，并針對七個比值調(diào)整方法進行了探討，對結(jié)構(gòu)新手提升高層建筑結(jié)構(gòu)設計水平有一定的實踐意義。

【關鍵詞】高層；結(jié)構(gòu)設計；七個參數(shù)；調(diào)整

1概述

一般而言，在高層結(jié)構(gòu)設計過程中，建筑專業(yè)把平面方案初步確定后，隨即結(jié)構(gòu)專業(yè)應該介入，進行結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件的初步布置。首先應該控制抗側(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，這三步是相互關聯(lián)的。結(jié)構(gòu)設計中，如要得到更合理的結(jié)構(gòu)布置，就要求結(jié)構(gòu)設計人員能夠深刻的理解這七個比值含義，并能在實際工程中熟練掌握它、運用它。

2七個比值詳解及調(diào)整的方法

在實際工程中，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，設計過程中需控制七個參數(shù)分別為：周期比、位移比、剛度比、剛重比、剪重比、層間受剪承載力、軸壓比。下面，筆者將結(jié)合規(guī)范條文和PKPM軟件對以上七個參數(shù)進行一一闡述。

2.1周期比

[規(guī)范條文：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關系，而非其絕對大小，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（相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。一句話，周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是在要求結(jié)構(gòu)承載布局的合理性。周期比主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應。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。根據(jù)個人經(jīng)驗，周期比不滿足時的調(diào)整方法如下：

a.程序調(diào)整：SATWE程序不能實現(xiàn)。

b.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。也就是說要加強結(jié)構(gòu)外圈剛度，削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)筒剛度。

2.2位移比

[規(guī)范條文：高規(guī)的3.4.5條規(guī)定，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移角，A、B級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍；且A級高度高層建筑不應大于該樓層平均值的1.5倍，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，不應大于該樓層平均值的1.4倍。]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。根據(jù)個人經(jīng)驗，位移比不滿足時的調(diào)整方法如下：

a.程序調(diào)整：SATWE程序不能實現(xiàn)。

b.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；可利用程序的節(jié)點搜索功能在SATWE的“分析結(jié)果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構(gòu)件編號簡圖”中快速找到位移最大的節(jié)點，加強該節(jié)點對應的墻、柱等構(gòu)件的剛度；也可找出位移最小的節(jié)點削弱其剛度；直到位移比滿足要求。位移比的限值是根據(jù)剛性樓板假定的條件下確定的，其平均位移的計算方法，也基于“剛性樓板假定”，所以，在SATWE參數(shù)中，要點上該選項再計算。

2.3剛度比

剛度比主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，見抗規(guī)3.4.3，高規(guī)3.5.2；對于形成的薄弱層則按高規(guī)3.5.8予以加強。根據(jù)個人經(jīng)驗，剛度比不滿足時的調(diào)整方法：

a.程序調(diào)整：如果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，并按高規(guī)3.5.8將該樓層地震剪力放大1.25倍。

b.人工調(diào)整：如果還需人工干預，可適當降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度，適當提高上部相關樓層的層高和削弱上部相關樓層墻、柱或梁的剛度。

對于錯層結(jié)構(gòu)或帶有夾層的結(jié)構(gòu)，層剛度比有時得不到合理的計算，這是因為層的概念被廣義化了。此時，需要采用模型簡化才能計算出層剛度比。

2.4剛重比

[規(guī)范條文：高規(guī)第5.4.1-5.4.2條規(guī)定了高層建筑結(jié)構(gòu)要考慮重力二階效應的情況。高規(guī)5.4.4規(guī)定了高層建筑穩(wěn)定性的條件。]剛重比主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風載或地震力的作用下整體失穩(wěn)。剛重比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于重力荷載過??；但剛重比過分大，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟技術(shù)指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構(gòu)件的截面面積。根據(jù)個人經(jīng)驗，剛重比不滿足時的調(diào)整方法：

a.程序調(diào)整：在“考慮重力二階效應”的地方打?qū)础?/p>

b.人工調(diào)整：人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

2.5剪重比

剪重比主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性，見抗規(guī)5.2.5，高規(guī)4.3.12。這個要求如同最小配筋率的要求，算出來的地震剪力如果達不到規(guī)范的最低要求，就要人為提高，并按這個最低要求完成后續(xù)的計算。根據(jù)個人經(jīng)驗，剪重比不滿足時的調(diào)整方法：

a.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。

b.人工調(diào)整：如果還需人工干預，可按下列三種情況進行調(diào)整：

b-1.當?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側(cè)移角又偏大時，說明結(jié)構(gòu)過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度；

b-2.當?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g側(cè)移角又偏小時，說明結(jié)構(gòu)過剛，宜適當減小墻、柱截面，降低剛度以取得合適的經(jīng)濟技術(shù)指標；

b-3.當?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側(cè)移角又恰當時，可在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。

2.6層間受剪承載力

層間受剪承載力控制豎向不規(guī)則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層，見抗規(guī)3.4.3，高規(guī)3.5.3；對于形成的薄弱層應按高規(guī)3.5.8予以加強。根據(jù)個人經(jīng)驗，層間受剪承載力比不滿足時的調(diào)整方法：

a.程序調(diào)整：在SATWE的“調(diào)整信息”中的“指定薄弱層個數(shù)”中填入該樓層層號，將該樓層強制定義為薄弱層，SATWE按高規(guī)3.5.8將該樓層地震剪力放大1.25倍。

b.人工調(diào)整：如果還需人工干預，可適當提高本層構(gòu)件強度（如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面）以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力，或適當降低上部相關樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力。

2.7軸壓比

軸壓比主要為控制結(jié)構(gòu)的延性，規(guī)范對墻肢和柱均有相應限值要求，見抗規(guī)6.3.6和6.4.5，高規(guī)6.4.2和7.2.14。

軸壓比不滿足時的調(diào)整方法：

a.程序調(diào)整：SATWE程序不能實現(xiàn)。

b.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。

2.8總結(jié)

如果結(jié)構(gòu)豎向較規(guī)則，第一次試算時可只建一個結(jié)構(gòu)標準層，待結(jié)構(gòu)的周期比、位移比、剪重比、剛度比等滿足之后再添加其它標準層；這樣可以減少建模過程中的重復修改，加快建模速度。

3結(jié)語

隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展，PKPM系列及相關結(jié)構(gòu)計算軟件的出現(xiàn)大大地提高了結(jié)構(gòu)工程師們的工作效率，但同時也逐漸使工程師養(yǎng)成了依賴軟件的習慣，形成了盲目相信軟件計算結(jié)果，手算能力大大降低。在實際工作中，結(jié)構(gòu)工程師們應該結(jié)合現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)程來使用計算軟件，能夠合理地選取結(jié)構(gòu)設計中涉及的各項計算參數(shù)，要避免計算盲目性和走模式化。結(jié)構(gòu)工程師們應該要與時俱進的更新科學知識，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，然后應用于實際工程；結(jié)構(gòu)工程師們還應學會利用結(jié)構(gòu)概念設計來把握結(jié)構(gòu)整體的設計，能夠利用簡化力學模型來檢驗局部構(gòu)件的設計，通過有主次的控制七大主要參數(shù)指標值，使高層的結(jié)構(gòu)布置更加合理、安全、經(jīng)濟。

參考文獻：

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）

[2]廣東省實施高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（DBJ15-92-2013）