淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)控制指標(biāo)

1、分享到： 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)控制指標(biāo) 2012-06-24 15:31:36 歸檔在 我的博文 | 瀏覽 795 次 | 評(píng)論 0 條摘 要：本文簡(jiǎn)要闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)控制指標(biāo)，介紹了各指標(biāo)的參數(shù)含義、規(guī)范要求及調(diào)整措施，可供集團(tuán)公司設(shè)計(jì)人員參考。 關(guān)鍵詞：周期比；位移比；剛度比；剪重比；剛重比 Some Control Parameters of Tall Building Structural DesignChen Zhuangshan（Metallurgical Design Institute of

2、 Shandong Province, Jinan 250014, China）Abstract: The present paper briefly discusses some control parameters of tall building structural design, and introduces their meaning, provision of the specification and adjustment measure, which can be a reference for designers.Keywords: period ratio; displa

3、cement ratio; stiffness ratio; ratio of mass to weight; ratio of shearing force to weight隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑已經(jīng)逐步發(fā)展成為城市建筑的主要形式。高層建筑由于高度較大，與多層結(jié)構(gòu)相比有明顯不同的受力和變形性能，水平荷載和地震作用是主要的控制因素。判斷結(jié)構(gòu)布置合理性和結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性能是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，規(guī)范用于控制高層建筑整體性的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剪重比、剛重比以及軸壓比等。以下就上述控制指標(biāo)作簡(jiǎn)明闡述。1 周期比周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要

4、指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期的比值。周期比控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系，而非其絕對(duì)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(guò)大（相對(duì)于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而不是在要求結(jié)構(gòu)具有足夠大的剛度。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-20021（以下簡(jiǎn)稱高規(guī)）第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(dòng)為主的第一自振周期T1之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。 調(diào)整結(jié)構(gòu)周期比的措施主要有兩種：1）提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。這樣可以改善結(jié)構(gòu)

5、的抗扭性能，是解決結(jié)構(gòu)抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭剛度一般需要調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度；有時(shí)要改變結(jié)構(gòu)類型，如增加剪力墻、異形柱等等。這種改變一般是整體性的，局部的小調(diào)整往往收效甚微。調(diào)整原則是要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度（例如在建筑周邊加剪力墻或者柱間支撐），或者削弱內(nèi)筒降低結(jié)構(gòu)中間的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。2）降低平動(dòng)剛度，使平移周期加長(zhǎng)。此法僅適用于原來(lái)結(jié)構(gòu)剛度較大，層間位移遠(yuǎn)小于規(guī)范限值的情況。 2 位移比位移比是控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的重要指標(biāo)，是指樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與本樓層平均值的比值。結(jié)構(gòu)是否規(guī)則、對(duì)稱，平面內(nèi)剛度分布是否

6、均勻是結(jié)構(gòu)本身的性能，可以用結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的相對(duì)位置表示，二者相距較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)可能較大。由于剛心與質(zhì)心位置都無(wú)法直接定量計(jì)算，規(guī)范采用了校核結(jié)構(gòu)位移比的要求。在樓板平面內(nèi)無(wú)限剛性的假定下，增加了附加偏心距5%L計(jì)算校核位移比。高規(guī)第4.3.5條規(guī)定，在考慮質(zhì)量偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。位移比是一個(gè)相對(duì)值，在相同的位移比下，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較

7、小、平均側(cè)向位移較大時(shí)，扭矩產(chǎn)生的最大位移也大，對(duì)結(jié)構(gòu)的危害也較大；相反，如果是同樣的位移比，當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小時(shí)，最大位移也相對(duì)較小； 此時(shí)可以將位移比與位移最大值進(jìn)行綜合考慮，適當(dāng)放寬位移比的限制值。例如最大層間位移小于規(guī)范規(guī)定值的50%時(shí)，位移比限值可以放松10%，當(dāng)最大層間位移更小時(shí)，放松的幅度還可加大，但不宜超過(guò)20%2。調(diào)整位移比的措施主要有三種：1）提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。主要通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來(lái)實(shí)現(xiàn)，與周期比的控制措施相同。2）提高結(jié)構(gòu)的抗扭承載力。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整較困難時(shí)，可以在設(shè)計(jì)中考慮“雙向地震組合”以提高結(jié)構(gòu)的承載能力，或增大計(jì)算扭矩，將附加扭矩加大，增大構(gòu)件設(shè)計(jì)內(nèi)力，提高結(jié)

8、構(gòu)的抗扭承載力2。同時(shí)也應(yīng)增加抗震構(gòu)造措施和延性措施，提高結(jié)構(gòu)變形的延性，加強(qiáng)局部薄弱部位。3）設(shè)置防震縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)平面復(fù)雜、不對(duì)稱或各部分剛度、高度和重量相差懸殊時(shí)，調(diào)整抗扭剛度難以滿足規(guī)范要求，可以設(shè)置防震縫，把整個(gè)結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)相互獨(dú)立的規(guī)則結(jié)構(gòu)。3 剛度比層剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體的豎向勻稱度。樓層側(cè)向剛度可取該樓層剪力和該樓層層間位移的比值。在判斷樓層是否為薄弱層、地下室是否能作為嵌固端、轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求時(shí)，都是用層剛度比作為依據(jù)。規(guī)范提供了三種層剛度的計(jì)算方法：樓層剪切剛度、剪彎剛度和樓層平均剪力與平均層間位移比值的層剛度。高規(guī)第4.4.2條規(guī)定，抗震設(shè)

9、計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80% 。樓層層剛度比的變化主要由于豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓板大開(kāi)洞、層高有較大變化等造成的。由于層剛度產(chǎn)生的薄弱層，可以通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置和材料強(qiáng)度等級(jí)以避免薄弱層的出現(xiàn)。對(duì)于不能避免出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)薄弱層，規(guī)范要求其地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)抗震延性構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)、樓板加強(qiáng)、弱連接結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)等，從而加強(qiáng)薄弱部位。4 層間受剪承載力之比層間受剪承載力之比也是用來(lái)控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上，該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和。高規(guī)第4

10、.4.3條規(guī)定，A級(jí)高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%；B級(jí)高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的75%。樓層抗剪承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算，只與豎向構(gòu)件尺寸、配筋有關(guān)，與它們的連接關(guān)系無(wú)關(guān)。由于樓層承載力產(chǎn)生的薄弱層，只能通過(guò)調(diào)整配筋提高結(jié)構(gòu)的承載能力來(lái)解決，如提高“超配系數(shù)”等。 5 剪重比剪重比是反映地震作用大小的重要指標(biāo)，是對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力與重力荷載代表值的比值。由于在長(zhǎng)周期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，計(jì)算出來(lái)的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能偏小。而對(duì)于長(zhǎng)周期

11、結(jié)構(gòu)，地震地面運(yùn)動(dòng)速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時(shí)無(wú)法對(duì)此做出較準(zhǔn)確的計(jì)算。因此出于安全的考慮，規(guī)范規(guī)定了最小剪重比。高規(guī)第3.3.13條規(guī)定各樓層的剪重比不應(yīng)小于表1的規(guī)定值，具體說(shuō)明參見(jiàn)該條款的規(guī)定。表1 樓層最小地震剪力系數(shù)值類 別7度8度9度扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期小于3.5s的結(jié)構(gòu)0.016（0.024）0.032（0.048）0.064基本周期小于5.0s的結(jié)構(gòu)0.012（0.018）0.024（0.032）0.040考察結(jié)構(gòu)的剪重比時(shí)，應(yīng)先確定結(jié)構(gòu)的“有效質(zhì)量系數(shù)”，當(dāng)“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90%時(shí)，可以認(rèn)為地震作用滿足規(guī)范要求，然后再考察結(jié)構(gòu)的剪重比

12、是否合適。剪重比不滿足要求時(shí)采取的措施有兩種：1）根據(jù)規(guī)程最小水平地震剪力調(diào)整各層水平地震作用，這種方法適用于結(jié)構(gòu)整體剛度滿足規(guī)范要求的情況。2）調(diào)整結(jié)構(gòu)布置、增加結(jié)構(gòu)的剛度，使計(jì)算的剪重比能自然滿足規(guī)范要求，這種方法適用于結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)薄弱部位的情況。 6 剛重比剛重比是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的重要因素，也是影響重力二階效應(yīng)（即P-效應(yīng)）的主要參數(shù)，是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。重力二階效應(yīng)包含兩部分，（1）由構(gòu)件撓曲引起的附加重力效應(yīng)；（2）由水平荷載產(chǎn)生側(cè)移，重力荷載由于側(cè)移引起的附加效應(yīng)。一般只考慮第后一種，前一種對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小。當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)移越來(lái)越大時(shí)，重力產(chǎn)生的附加效應(yīng)也將越來(lái)越大，從而

13、降低構(gòu)件承載力直至最終失穩(wěn)。高規(guī)第5.4.2條規(guī)定，高層建筑結(jié)構(gòu)如果不滿足第5.4.1條（即結(jié)構(gòu)剛重比）的規(guī)定，應(yīng)考慮重力二階效應(yīng)對(duì)水平力（地震、風(fēng)）作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不利影響。高規(guī)5.4.4條給出了高層建筑結(jié)構(gòu)剛重比的要求。對(duì)于剪力墻、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)不應(yīng)小于1.4；對(duì)于框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)小于10。 設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)考慮抗風(fēng)和抗震要求的出發(fā)點(diǎn)是相互矛盾的。剛度大的結(jié)構(gòu)對(duì)抗風(fēng)荷載有利，其動(dòng)力效應(yīng)和振幅小。相反，較柔的結(jié)構(gòu)抗震性能好，一是地震作用小，二是可以避免與地震產(chǎn)生共振，這樣就不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的地震反應(yīng)。所以一個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度并不是越大越好的，另外由于罕遇地震的強(qiáng)度無(wú)法預(yù)估，一味地

14、盲目加大結(jié)構(gòu)整體剛度是不可取的，這樣不僅會(huì)造成很大的浪費(fèi)，而且還會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大危害3。對(duì)于高層建筑，應(yīng)采用一個(gè)剛?cè)嵯酀?jì)、具有理想剛度的結(jié)構(gòu)方案。對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算符合高規(guī)第5.4.4條規(guī)定，但通過(guò)考慮P-效應(yīng)后不滿足整體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，必須調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度；對(duì)整體穩(wěn)定計(jì)算直接不滿足高規(guī)第5.4.4條規(guī)定的結(jié)構(gòu)，必須調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，減小結(jié)構(gòu)的高寬比。7 軸壓比軸壓比是控制框架柱截面延性性能的主要指標(biāo)，是指柱考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值?？刂戚S壓比限值的目的是要求框架柱截面達(dá)到具有較好延性性能的大偏壓延性破壞狀態(tài)，以防止小偏心受壓狀態(tài)的脆性破壞。從而保證框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，即使超出彈性極限仍具有足夠大的彈塑性極限變形能力,實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)目的。高規(guī)第6.4.2條和7.2.14條分別給出了混凝土框架柱和剪力墻的軸壓比限值。如表2和3所示。表2 柱軸壓比限值結(jié)構(gòu)類型抗震等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)框架結(jié)構(gòu)0.700.800.90板柱剪力墻、框架剪力墻、框架核心筒、筒中筒0.750.850.95部分框支剪力墻0.600.70表3 剪力墻軸壓比限值一級(jí)（9度）一級(jí)（7、8度）二級(jí)0.400.500.60控制軸壓比限值的調(diào)整措施有以下幾方面：1）提高箍筋的橫向約束能力；包括體積配箍率和箍筋的強(qiáng)度與構(gòu)造形式等。2）提高混凝土