高结层构设计中六个“比”的控制与调整.docx

高层结构设计中六个比的控制与调整电算结果与规范条文的对照理解随着城市的发展和科学技术的进步高层建筑层及层以上或房屋高度超过的建筑物的应用日益广泛由于高层建筑相对较柔水平荷载作用效应明显在满足使用条件下如何才能达到既安全又经济的设计要求这是结构设计人员必须去追求与面对的对于高层结构设计来说位移比周期比刚度比刚重比剪重比轴压比是保证结构规则安全经济的六个极其重要的参数抗震规范混凝土规范高规均在相关章节对以上六个比进行了严格控制在初步设计和施工图设计阶段结构设计和审图人员对以上六个比都非常重视各类结构设计软件也对这六个比有详细的电算结果输出便于设计人员进行分析与调整本文仅以我国目前较为权威且应用最为广泛的软件中的程序的电算结果结合规范条文的要求谈谈如何对电算结果进行判读控制与调整位移比层间位移比名词释义位移比即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值层间位移比即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值其中最大水平位移墙顶柱顶节点的最大水平位移平均水平位移墙顶柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除层间位移角墙柱层间位移与层高的比值最大层间位移角墙柱层间位移角的最大值平均层间位移角墙柱层间位移角的最大值与最小值之和除控制目的高层建筑层数多高度大为了保证高层建筑结构具有必要的刚度应对其最大位移和层间位移加以控制主要目的有以下几点保证主体结构基本处于弹性受力状态避免混凝土墙柱出现裂缝控制楼面梁板的裂缝数量宽度保证填充墙隔墙幕墙等非结构构件的完好避免产生明显的损坏控制结构平面规则性以免形成扭转对结构产生不利影响相关规范条文的控制抗规条规定建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则对称并应具有良好的整体性当存在结构平面扭转不规则时楼层的最大弹性水平位移或层间位移不宜大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的倍高规条规定楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的倍级高度高层建筑且不应大于该楼层平均值的倍级高度高层建筑混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于该楼层平均值的倍高规条规定高度不大于的高层建筑其楼层层间最大位移与层间之比即最大层间位移角应满足以下要求结构体系限值框架框架剪力墙框架核心筒筒中筒剪力墙框支层电算结果的判别与调整要点软件中的程序对每一楼层计算并输出最大水平位移最大层间位移角平均水平位移平均层间位移角及相应的比值详位移输出文件但对于计算结果的判读应注意以下几点若位移比层间位移比超过则需要在总信息参数设置中考虑双向地震作用验算位移比需要考虑偶然偏心作用验算层间位移角则不需要考虑偶然偏心验算位移比应选择强制刚性楼板假定但当凸凹不规则或楼板局部不连续时应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型当平面不对称时尚应计及扭转影响最大层间位移位移比是在刚性楼板假设下的控制参数构件设计与位移信息不是在同一条件下的结果即构件设计可以采用弹性楼板计算而位移计算必须在刚性楼板假设下获得故可先采用刚性楼板算出位移而后采用弹性楼板进行构件分析因为高层建筑在水平力作用下几乎都会产生扭转故楼层最大位移一般都发生在结构单元的边角部位周期比名词释义周期比即结构扭转为主的第一自振周期也称第一扭振周期与平动为主的第一自振周期也称第一侧振周期的比值周期比主要控制结构扭转效应减小扭转对结构产生的不利影响使结构的抗扭刚度不能太弱因为当两者接近时由于振动藕连的影响结构的扭转效应将明显增大相关规范条文的控制高规条规定结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比即周期比级高度高层建筑不应大于级高度高层建筑混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于高规条规定高层建筑结构计算振型数不应小于抗震计算时宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应振型数不小于对于多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的倍且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的电算结果的判别与调整要点计算结果详周期地震力与振型输出文件因电算结果中并未直接给出周期比故对于通常的规则单塔楼结构需人工按如下步骤验算周期比根据各振型的两个平动系数和一个扭转系数三者之和等于判别各振型分别是扭转为主的振型也称扭振振型还是平动为主的振型也称侧振振型一般情况下当扭转系数大于时可认为该振型是扭振振型反之应为侧振振型当然对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进行判断周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期计算看是否超过对于多塔结构周期比不能直接按上面的方法验算这时应该将多塔结构分成多个单塔按多个结构分别计算分别验算注意不是在同一结构中定义多塔而是按塔分成多个结构对于刚度均匀的结构在考虑扭转耦连计算时一般来说前两个或几个振型为其主振型但对于刚度不均匀的复杂结构上述规律不一定存在总之在高层结构设计中使得扭转振型不应靠前以减小震害程序中给出了各振型对基底剪力贡献比例的计算功能通过参数振型的基底剪力占总基底剪力的百分比可以判断出那个振型是方向或方向的主振型并可查看以及每个振型对基底剪力的贡献大小振型分解反应谱法分析计算周期地震力时还应注意两个问题即计算模型的选择与振型数的确定一般来说当全楼作刚性楼板假定后计算时宜选择侧刚模型进行计算而当结构定义有弹性楼板时则应选择总刚模型进行计算较为合理至于振型数的确定应按上述高规条执行振型数是否足够应以计算振型数使振型参与质量不小于总质量的作为唯一的条件进行判别如同位移比的控制一样周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系而非其绝对大小它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效更合理使结构不致于出现过大相对于侧移的扭转效应即周期比控制不是在要求结构足够结实而是在要求结构承载布局的合理性考虑周期比限制以后以前看来规整的结构平面从新规范的角度来看可能成为平面不规则结构一旦出现周期比不满足要求的情况一般只能通过调整平面布置来改善这一状况这种改变一般是整体性的局部的小调整往往收效甚微周期比不满足要求说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小总的调整原则是要加强结构外圈或者削弱内筒扭转周期控制及调整难度较大要查出问题关键所在采取相应措施才能有效解决问题扭转周期大小与刚心和形心的偏心距大小无关只与楼层抗扭刚度有关剪力墙全部按照同一主轴两向正交布置时较易满足周边墙与核心筒墙成斜交布置时要注意检查是否满足当不满足周期限制时若层位移角控制潜力较大宜减小结构竖向构件刚度增大平动周期当不满足周期限制时且层位移角控制潜力不大应检查是否存在扭转刚度特别小的层若存在应加强该层的抗扭刚度当不满足扭转周期限制且层位移角控制潜力不大各层抗扭刚度无突变说明核心筒平面尺度与结构总高度之比偏小应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚增大核心筒的抗扭刚度当计算中发现扭转为第一振型应设法在建筑物周围布置剪力墙不应采取只通过加大中部剪力墙的刚度措施来调整结构的抗扭刚度刚度比名词释义刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值也称层刚度比该值主要为了控制高层结构的竖向规则性以免竖向刚度突变形成薄弱层对于地下室结构顶板能否作为嵌固端转换层上下结构刚度能否满足要求及薄弱层的判断均以层刚度比作为依据抗规与高规提供有三种方法计算层刚度即剪切刚度剪弯刚度地震剪力与地震层间位移的比值相关规范条文的控制抗规附录规定筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于高规条规定抗震设计的高层建筑结构其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的或其上相临三层侧向刚度平均值的高规条规定高层建筑结构计算中当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的倍高规条规定底部大空间剪力墙结构转换层上部结构与下部结构的侧向刚度应符合高规附录的规定底部大空间为一层的部分框支剪力墙结构可近似采用转换层上下层结构等效刚度比表示转换层上下层结构刚度的变化非抗震设计时不应大于抗震设计时不应大于底部大空间层数大于一层时其转换层上部框架剪力墙结构的与底部大空间层相同或相近高度的部分的等效侧向刚度与转换层下部的框架剪力墙结构的等效侧向刚度比宜接近非抗震设计时不应大于抗震设计时不应大于电算结果的判别与调整要点规范对结构层刚度比和位移比的控制一样也要求在刚性楼板假定条件下计算对于有弹性板或板厚为零的工程应计算两次在刚性楼板假定条件下计算层刚度比并找出薄弱层然后在真实条件下完成其它结构计算层刚比计算及薄弱层地震剪力放大系数的结果详建筑结构的总信息一般来说结构的抗侧刚度应该是沿高度均匀或沿高度逐渐减少但对于框支层或抽空墙柱的中间楼层通常表现为薄弱层由于薄弱层容易遭受严重震害故程序根据刚度比的计算结果或层间剪力的大小自动判定薄弱层并乘以放大系数以保证结构安全当然薄弱层也可在调整信息中通过人工强制指定对于上述三种计算层刚度的方法我们应根据实际情况进行选择对于底部大空间为一层时或多层建筑及砖混结构应选择剪切刚度对于底部大空间为多层时或有支撑的钢结构应选择剪弯刚度而对于通常工程来说则可选用第三种规范建议方法此法也是程序的默认方法刚重比名词释义结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比称为刚重比它是影响重力二阶效应的主要参数且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加高层建筑在风荷载或水平地震作用下若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌故控制好结构的刚重比则可以控制结构不失去稳定相关规范条文的控制高规条规定对于剪力墙结构框剪结构筒体结构稳定性必须符合下列规定对于框架结构稳定性必须符合下列规定电算结果的判别与调整要点按照下式计算等效侧向刚度对于剪切型的框架结构当刚重比大于时则结构重力二阶效应可控制在以内结构的稳定已经具有一定的安全储备当刚重比大于时重力二阶效应对结构的影响已经很小故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应对于弯剪型的剪力墙结构框剪结构筒体结构当刚重比大于时结构能够保持整体稳定当刚重比大于时重力二阶效应导致的内力和位移增量仅在左右故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应若结构刚重比则满足整体稳定条件输出结果参高层建筑的高宽比满足限值时可不进行稳定验算否则应进行当高层建筑的稳定不满足上述规定时应调整并增大结构的侧向刚度剪重比名词释义剪重比即最小地震剪力系数主要是控制各楼层最小地震剪力尤其是对于基本周期大于的结构以及存在薄弱层的结构出于对结构安全的考虑规范增加了对剪重比的要求相关规范条文的控制抗规条与高规条规定抗震验算时结构任一楼层的水平地震剪力不应小于下表给出的最小地震剪力系数类别度度度度度扭转效应明显或基本周期小于的结构基本周期大于的结构电算结果的判别与调整要点对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大倍即上表中楼层最小剪力系数应乘以倍当周期介于和之间时可对于上表采用插入法求值对于一般高层建筑而言结构剪重比底层为最小顶层最大故实际工程中结构剪重比由底层控制由下到上哪层的地震剪力不够就放大哪层的设计地震内力结构各层剪重比及各楼层地震剪力调整系数自动计算取值结果详周期地震力与振型输出文件各层地震内力自动放大与否在调整信息栏设开关如果用户考虑自动放大将在中输出程序内部采用的放大系数六度区剪重比可在取若剪重比过小均为构造配筋说明底部剪力过小要对构件截面大小周期折减等进行检查若剪重比过大说明底部剪力很大也应检查结构模型参数设置是否正确或结构布置是否太刚轴压比名词释义柱墙轴压比指柱墙轴压力设计值与柱墙的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一为了使柱墙具有很好的延性和耗能能力规范采取的措施之一就是限制轴压比相关规范条文的控制砼规条抗规条高规条同时规定柱轴压比不宜超过下表中限值结构类型抗震等级一二三框架结构框架抗震墙板柱抗震墙筒体部分框支抗震墙砼规条高规条同时规定抗震设计时一二级抗震等级的剪力墙底部加强部位其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比不宜超过下表中限值轴压比一级度一级度二级