淺析高層結(jié)構(gòu)設計中三個比值的控制

薄琳琳

摘 要：位移比、周期比、剛度比三個極其重要的參數(shù)進行判讀、控制與調(diào)整。

關鍵詞：高層建筑；位移比；周期比；剛度比

隨著城市的發(fā)展和科學技術的進步，高層建筑的應用日益廣泛。由于高層建筑相對較柔，水平荷載作用效應明顯，在滿足使用條件下如何才能達到既安全又經(jīng)濟的設計要求，這是結(jié)構(gòu)設計人員必須去追求與面對的。對于高層結(jié)構(gòu)設計來說，位移比、周期比、剛度比是保證結(jié)構(gòu)規(guī)則、安全、經(jīng)濟的三個極其重要的參數(shù)，《抗震規(guī)范》；《混凝土規(guī)范》；《高規(guī)》均在相關章節(jié)對以上“三個比”進行了嚴格控制。各類結(jié)構(gòu)設計軟件也對這“三個比”有詳細的電算結(jié)果輸出，便于設計人員進行分析與調(diào)整。本文僅以我國目前較為權(quán)威且應用最為廣泛的PKPM軟件中的SATWE程序的電算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范條文的要求，談談如何對位移比、周期比、剛度比三個比值電算結(jié)果進行判讀、控制與調(diào)整。

1 位移比（層間位移比）

1.1 相關規(guī)范條文的控制

[抗規(guī)]3.4.2條規(guī)定，建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則，對稱，并應具有良好的整體性，當存在結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時，樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移），不宜大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍。

[高規(guī)]4.3.5條規(guī)定，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，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。

[高規(guī)]4.6.3條規(guī)定，高度不大于150m的高層建筑，其樓層層間最大位移與層間之比（即最大層間位移角）Δu/h應滿足以下要求：

結(jié)構(gòu)體系Δu/h限值：框架1/550；框架-剪力墻，框架-核心筒1/800；筒中筒，剪力墻1/1000；框支層1/1000。

1.2 電算結(jié)果的判別與調(diào)整要點

PKPM軟件中的SATWE程序?qū)γ恳粯菍佑嬎悴⑤敵鲎畲笏轿灰啤⒆畲髮娱g位移角、平均水平位移、平均層間位移角及相應的比值，詳位移輸出文件WDISP.OUT。但對于計算結(jié)果的判讀，應注意以下幾點：

（1）若位移比（層間位移比）超過1.2，則需要在總信息參數(shù)設置中考慮雙向地震作用；

（2）驗算位移比需要考慮偶然偏心作用，驗算層間位移角則不需要考慮偶然偏心。

（3）驗算位移比應選擇強制剛性樓板假定，但當凸凹不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)時，應采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型，當平面不對稱時尚應計及扭轉(zhuǎn)影響。

2 周期比

2.1 相關規(guī)范條文的控制

[高規(guī)]4.3.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（即周期比），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。

[高規(guī)]5.1.13條規(guī)定，高層建筑結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)不應小于9，抗震計算時，宜考慮平扭藕連計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，振型數(shù)不小于15，對于多塔樓結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應小于塔樓數(shù)的9倍，且計算振型數(shù)應使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。

2.2 電算結(jié)果的判別與調(diào)整要點

（1）計算結(jié)果詳周期、地震力與振型輸出文件。因SATWE電算結(jié)果中并未直接給出周期比，故對于通常的規(guī)則單塔樓結(jié)構(gòu)，需人工按如下步驟驗算周期比：

①根據(jù)各振型的兩個平動系數(shù)和一個扭轉(zhuǎn)系數(shù)（三者之和等于1）判別各振型分別是扭轉(zhuǎn)為主的振型（也稱扭振振型）還是平動為主的振型（也稱側(cè)振振型）。一般情況下，當扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5時，可認為該振型是扭振振型，反之應為側(cè)振振型。當然，對某些極為復雜的結(jié)構(gòu)還應結(jié)合主振型信息來進行判斷；

②周期最長的扭振振型對應的就是第一扭振周期Tt，周期最長的側(cè)振振型對應的就是第一側(cè)振周期T1；

③計算Tt/T1，看是否超過0.9（0.85）。

對于多塔結(jié)構(gòu)周期比，不能直接按上面的方法驗算，這時應該將多塔結(jié)構(gòu)分成多個單塔，按多個結(jié)構(gòu)分別計算、分別驗算（注意不是在同一結(jié)構(gòu)中定義多塔，而是按塔分成多個結(jié)構(gòu)）。

（2）對于剛度均勻的結(jié)構(gòu)，在考慮扭轉(zhuǎn)耦連計算時，一般來說前兩個或幾個振型為其主振型，但對于剛度不均勻的復雜結(jié)構(gòu)，上述規(guī)律不一定存在?？傊诟邔咏Y(jié)構(gòu)設計中，使得扭轉(zhuǎn)振型不應靠前，以減小震害。SATWE程序中給出了各振型對基底剪力貢獻比例的計算功能，通過參數(shù)Ratio（振型的基底剪力占總基底剪力的百分比）可以判斷出那個振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每個振型對基底剪力的貢獻大小。

（3）振型分解反應譜法分析計算周期，地震力時，還應注意兩個問題，即計算模型的選擇與振型數(shù)的確定。一般來說，當全樓作剛性樓板假定后，計算時宜選擇“側(cè)剛模型”進行計算。而當結(jié)構(gòu)定義有彈性樓板時則應選擇“總剛模型”進行計算較為合理。至于振型數(shù)的確定，應按上述[高規(guī)]5.1.13條執(zhí)行，振型數(shù)是否足夠，應以計算振型數(shù)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%作為唯一的條件進行判別。

3 剛度比

3.1 相關規(guī)范條文的控制

[抗規(guī)]附錄E2.1規(guī)定，筒體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上下層的側(cè)向剛度比不宜大于2；

[高規(guī)]4.4.2條規(guī)定，抗震設計的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相臨上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相臨三層側(cè)向剛度平均值的80%；

[高規(guī)]5.3.7條規(guī)定，高層建筑結(jié)構(gòu)計算中，當?shù)叵率业捻敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時，地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍；

[高規(guī)]10.2.3條規(guī)定，底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，應符合高規(guī)附錄E的規(guī)定：

E.01）底部大空間為一層的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)等效剛度比γ表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化，非抗震設計時γ不應大于3，抗震設計時不應大于2。

E.02）底部大空間層數(shù)大于一層時，其轉(zhuǎn)換層上部框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的與底部大空間層相同或相近高度的部分的等效側(cè)向剛度與轉(zhuǎn)換層下部的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe宜接近1，非抗震設計時不應大于2，抗震設計時不應大于1.3。

3.2 電算結(jié)果的判別與調(diào)整要點

（1）規(guī)范對結(jié)構(gòu)層剛度比和位移比的控制一樣，也要求在剛性樓板假定條件下計算。對于有彈性板或板厚為零的工程，應計算兩次，在剛性樓板假定條件下計算層剛度比并找出薄弱層，然后在真實條件下完成其它結(jié)構(gòu)計算。

（2）層剛比計算及薄弱層地震剪力放大系數(shù)的結(jié)果詳建筑結(jié)構(gòu)的總信息WMASS.OUT。一般來說，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度應該是沿高度均勻或沿高度逐漸減少，但對于框支層或抽空墻柱的中間樓層通常表現(xiàn)為薄弱層，由于薄弱層容易遭受嚴重震害，故程序根據(jù)剛度比的計算結(jié)果或?qū)娱g剪力的大小自動判定薄弱層，并乘以放大系數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)安全。當然，薄弱層也可在調(diào)整信息中通過人工強制指定。

（3）對于上述三種計算層剛度的方法，我們應根據(jù)實際情況進行選擇：對于底部大空間為一層時或多層建筑及磚混結(jié)構(gòu)應選擇“剪切剛度”；對于底部大空間為多層時或有支撐的鋼結(jié)構(gòu)應選擇“剪彎剛度”；而對于通常工程來說，則可選用第三種規(guī)范建議方法，此法也是SATWE程序的默認方法。