高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的剪重比探析

吳貴亮

[摘要]剪重比是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重要的參數(shù)，如何控制好結(jié)構(gòu)的剪重比關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)布置的合理性及經(jīng)濟性。

[關(guān)鍵詞]高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；剪重比

引言

地震時由于地震波的作用產(chǎn)生地面運動，通過房屋基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動稱為結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)與地震作用！地面運動特性及建筑本身的動力特性有關(guān)。建筑本身的動力特性是指建筑物的自振周期、振型與阻尼，它們與建筑物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。通常質(zhì)量大！剛度大！周期短的建筑物在地震作用下的慣性力較大；剛度不、周期長的建筑物位移較大。特別是當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c建筑物自振周期相近時，會引起類共振，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)加劇。因此，建筑設(shè)計應(yīng)根據(jù)抗震概念設(shè)計的要求，重視其平面、立面、豎向剖面的規(guī)則性對抗震性能及其經(jīng)濟合理性的影響?，F(xiàn)行規(guī)范為確定整體結(jié)構(gòu)的合理性提出了幾個主要控制指標(biāo)：結(jié)構(gòu)的周期、位移、位移比；結(jié)構(gòu)的各層剛度比；豎向構(gòu)件的軸壓比；剛重比；剪重比等。結(jié)構(gòu)的周期、位移、位移比是控制結(jié)構(gòu)因平面不規(guī)則造成扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的各層剛度比、豎向構(gòu)件的軸壓比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則及結(jié)構(gòu)延性的指標(biāo)。剛重比是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。剪重比則是控制結(jié)構(gòu)安全性的指標(biāo)。

1、剪重比概述

剪重比是抗震設(shè)計特別重要的參數(shù)，抗震規(guī)范GBS0011-2010中規(guī)定，抗震驗算時，結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力應(yīng)符合公式的要求，規(guī)范之所以如此規(guī)定，是因為結(jié)構(gòu)在長周期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，山地震規(guī)范中的地震影響系數(shù)曲線可見。但對于長周期結(jié)構(gòu)，地震動態(tài)作用下的地面加速度和位移對結(jié)構(gòu)具有更大的破壞，所以對此長周期結(jié)構(gòu)，按此地震影響系數(shù)計算出來的結(jié)構(gòu)將處于不安個狀態(tài)，所以規(guī)范對此進行了最不水平地震剪力的要求。對于常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期可以按如下經(jīng)驗公式進行周期估算，即：T=（0.07--0.09）N，N為結(jié)構(gòu)樓層數(shù)若對于一個普通規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)，假設(shè)位于場地類別為一類，設(shè)計地震分組為第一組的場地，由地震規(guī)范中可查特征周期T =0.4s

若本框架結(jié)構(gòu)為s層，則T=0.08 X 5=0.4s=T。

若本框架結(jié)構(gòu)為10層，則T=0.08 X10=0.8 s=2T。

若本框架結(jié)構(gòu)為is層，則T=0.08 Xl5=1.2s=3T。

從地震影響系數(shù)曲線中可以看到，層數(shù)越高的框架結(jié)構(gòu)，水平地震影響系數(shù)下降的越快，則樓層水平地震剪力將變的越不。與實際我們想象中的樓層數(shù)越多則受到的地震力應(yīng)該越大恰恰相反對于6度區(qū)，框架結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定的最大高度為60米，樓層數(shù)最大也就15層左右。從以上可以看出，規(guī)范對樓層最不水平地震剪力及框架結(jié)構(gòu)的最大高度的規(guī)定很有必要，沒有這兩條規(guī)定，對于框架結(jié)構(gòu)地震力理論計算也許是錯誤的。因此重視規(guī)范的每條規(guī)定是每個結(jié)構(gòu)上程師的基本素養(yǎng)，是對上程結(jié)構(gòu)安個性的基本把握。

剪重比控制的基本條件為有效質(zhì)量系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)有效質(zhì)量系數(shù)大于0.8時，基底剪力誤差一般不于0.5%，這樣可以理解為有效質(zhì)量系數(shù)大于0.8的情形為振型數(shù)足夠，否則為不夠。SATWE程序可以自動計算該參數(shù)并輸出。現(xiàn)有一個存在大量越層柱的八層框架結(jié)構(gòu)，山于結(jié)構(gòu)的振型整體性差，局部振動明顯，這種情況往往需要很多振型才能使有效質(zhì)量系數(shù)滿足要求。此結(jié)構(gòu)當(dāng)取30個振型時，x方向的有效質(zhì)量系數(shù)是52.12%，剪重比是1.6%當(dāng)取60個振型時，x方向的有效質(zhì)量系數(shù)是96.58%，剪重比是3.31%，滿足了規(guī)范3.2%的要求。

2、剪重比的調(diào)整

當(dāng)剪重比不滿足抗震規(guī)范規(guī)定時，可以從如下兩方面調(diào)整，以滿足規(guī)范要求。

2.1通過程序調(diào)整

當(dāng)剪重比偏不但與規(guī)范限值相差不大（如剪重比達到規(guī)范限值的80%以上）時，可以按下列方法之一進行調(diào)整：①在SATWE的“調(diào)整信息”中勾選。按“抗震規(guī)范調(diào)整各樓層地震內(nèi)力”，SATWE按抗規(guī)自動將樓層最不地震剪力系數(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。②在SATWE的“調(diào)整信息”中的“個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。③在SATWE的“地震信息”中的“周期折減系數(shù)”中適當(dāng)減不系數(shù)，增大地震作用，以滿足剪重比要求。

2.2人上調(diào)整：當(dāng)剪重比與規(guī)范限值相差較大時

①當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ欢鴮娱g側(cè)移又偏大時，說明結(jié)構(gòu)過柔，宜適當(dāng)加大墻、柱截面，提高剛度。

②當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g側(cè)移又偏不時，說明結(jié)構(gòu)過剛，宜適當(dāng)減不墻、柱截面，降低剛度以取得合適的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。

2.3對于剪重比從抗震規(guī)范的條文說明中我們更應(yīng)該注意

①當(dāng)?shù)撞靠偧袅ο嗖钶^多時，結(jié)構(gòu)的選型和總體布置需重新調(diào)整，不能僅采用乘以增大系數(shù)的方法處理。②只要底部總剪力不滿足要求，則結(jié)構(gòu)各樓層的剪力均需要調(diào)整，不能僅調(diào)整不滿足的樓層。③滿足最不地震剪力是結(jié)構(gòu)后續(xù)抗震計算的前提，只有調(diào)整到符合最不剪力要求才能進行相應(yīng)的地震傾覆力矩、構(gòu)件內(nèi)力、位移等等的計算分析；即意味著，當(dāng)各層的地震剪力需要調(diào)整時，原先計算的傾覆力矩、內(nèi)力和位移均需要相應(yīng)調(diào)整。

3、工程案例

某超限高層為框筒結(jié)構(gòu)，共55層，總高度為258m，抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別為II類，設(shè)計地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)基本周期為5. 80S，結(jié)構(gòu)總重量為16750440kN，計算取15個振型，其有效質(zhì)量系數(shù)為96%，水平地震影響系數(shù)a=0.0123，規(guī)范規(guī)定的剪重比限值為1.20%。

在不考慮周期折減時，X方向的基底剪力為15623kN，以X方向振動為主的第1振型對應(yīng)的基底剪力為14150kN，第1振型的剪力比為90. 56%，相應(yīng)的第1振型參與質(zhì)量比為68.54%。代入公式，得出結(jié)果，即結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。計算得X方向1-15層的剪重比為0. 93%-1.18%，這些樓層均不滿足規(guī)范-剪重比限值的要求。并求得結(jié)構(gòu)底層剪重比為0.93%，與計算所得結(jié)果一致。為解決剪重比不滿足規(guī)范限值的問題，需要對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

3.1采用增大結(jié)構(gòu)剛度的方法對剪力墻做如下調(diào)整

將厚400mm的墻加厚至600mm；將厚250，200mm的墻加厚至300mm。在不考慮周期折減時，將結(jié)構(gòu)基本周期由5.80S減不為5.63S，結(jié)構(gòu)的總重量增大為1702182kN，水平地震影響系數(shù)a=0.0122，有效質(zhì)量系數(shù)為96%，第1振型的剪力比為90.49%，第1振型參與質(zhì)量比為68. 87%，規(guī)范規(guī)定的剪重比限值為1.20%。將以上數(shù)值代入公式，得出結(jié)構(gòu)還是不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。計算得到X方向1-15層的剪重比為0.95%-1.19%，這些樓層仍不滿足規(guī)范-剪重比限值的要求?？梢姡雍窦袅Φ母倪M效果很有限，欲通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度或重量使結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范剪重比限值的要求是十分困難的。

3.2采用周期折減的方法

考慮周期折減系數(shù)為0.85，計算得X方向1-7層的剪重比為1.09%-1.19%，這些樓層不滿足規(guī)范剪重比限值的要求。再考慮周期折減系數(shù)為0.8，計算得X方向1-4層的剪重比為1.10%-1.18%，仍有4個樓層的剪重比不滿足規(guī)范剪重比限值的要求，但己有明顯的改善，此時再對不滿足規(guī)范剪重比限值要求的樓層采取放大層剪力的方法解決。

4、結(jié)束語

抗規(guī)強制性條文規(guī)定剪重比限值是為了保證樓層剪力不不于一定限值，從而提高結(jié)構(gòu)安全度，以防范目前尚無法確切估計的地震動加速度和位移分量的破壞，對保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性是有利的。但超高層建筑結(jié)構(gòu)底部樓層剪重比不滿足規(guī)范限值，要求在I、II類場地中是經(jīng)常發(fā)生的，規(guī)范對剪重比限值的規(guī)定未考慮場地類別的影響是不妥的。剪重比是結(jié)構(gòu)整體性能控制指標(biāo)之一，我們應(yīng)該理解其來龍去脈，理解其原理，以便更好的在宏觀角度上調(diào)整和控制好結(jié)構(gòu)的整體性及經(jīng)濟性。

參考文獻

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