高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要控制的“六種比值”

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要控制的“六種比值”高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常要控制軸壓比、剪重比、剛度比、周期比、位移比和剛重比“六種比值”：☆軸壓比：主要為控制結(jié)構(gòu)的延性，規(guī)范對(duì)墻肢和柱均有相應(yīng)限值要求?！窘忉尅枯S壓比N/（fcA）指考慮地震作用組合的框架柱和框支柱軸向壓力設(shè)計(jì)值N與柱全截面面積A和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc乘積之比值。國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)表明，受壓構(gòu)件的位移延性隨軸壓比的增大而減小。增加柱的配箍率、采用復(fù)合箍筋、螺旋箍筋、連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍筋以及在截面中設(shè)置矩形核心柱都能增加柱的位移延性。這是因?yàn)榕渲脧?fù)合箍筋、螺旋箍筋、連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍筋加強(qiáng)了箍筋對(duì)混凝土的約束作用，提高了柱核心混凝土的抗壓強(qiáng)度，增大了其極限壓應(yīng)變，從而改善了柱的延性和耗能能力。而柱截面中設(shè)置矩形核心柱不僅增加了柱的受壓承載力，也可以提高柱的變形能力，且有利于在大變形情況下防止倒塌。實(shí)驗(yàn)表明，剪力墻在周期反復(fù)荷載作用下的塑性變形能力，與截面縱向鋼筋的配筋、端部邊緣構(gòu)件范圍、端部邊緣構(gòu)件內(nèi)縱向鋼筋及箍筋的配置，以及截面形狀、截面軸壓比大小等因素有關(guān)，而墻肢的軸壓比是更重要的影響因素。當(dāng)軸壓比較小時(shí)，即使在墻端部不設(shè)約束邊緣構(gòu)件，剪力墻也具有較好的延性和耗能能力；而當(dāng)軸壓比超過(guò)一定值時(shí)，不設(shè)約束邊緣構(gòu)件的剪力墻，其延性和耗能能力降低。因此，對(duì)一、二級(jí)抗震等級(jí)的各類(lèi)結(jié)構(gòu)體系中的剪力墻，在塑性鉸可能出現(xiàn)的底部加強(qiáng)部位，規(guī)定了在重力荷載代表值作用下的墻肢的軸壓比限值?！疽?guī)范】《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-20016.3.7柱軸壓比不宜超過(guò)表6.3.7的規(guī)定；建造于W類(lèi)場(chǎng)地且較高的高層建筑，柱軸壓比限值應(yīng)適當(dāng)減小。表6.3.7 柱軸壓比限值結(jié)構(gòu)類(lèi)型一抗震等級(jí)三框架結(jié)構(gòu)0.70.80.9框架-抗震墻，板柱-抗震墻及筒體0.750.850.95部分框支剪力墻0.60.7注：1軸壓比指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值；可不進(jìn)行地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)，取無(wú)地震作用組合的軸力設(shè)計(jì)值；2表內(nèi)限值適用于剪跨比大于2、混凝土強(qiáng)度等級(jí)不高于C60的柱；剪跨比不大于2的柱軸壓比限值應(yīng)降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，軸壓比限值應(yīng)專(zhuān)門(mén)研究并采取特殊構(gòu)造措施；3沿柱全高采用井字復(fù)合箍且箍筋肢距不大于200mm、間距不大于100mm、直徑不小于12mm，或沿柱全高采用復(fù)合螺旋箍、螺旋間距不大于100mm、箍筋肢距不大于200mm、直徑不小于12mm，或沿柱全高采用連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍、螺旋凈距不大于80mm、箍筋肢距不大于200mm、直徑不小于10mm、軸壓比限值均可增加0.10；上述三種箍筋的配箍特征值均應(yīng)按增大的軸壓比由本節(jié)表6.3.12確定；4在柱的截面中部附加芯柱，其中另加的縱向鋼筋的總面積不少于柱截面面積的0.8%，軸壓比限值可增加0.05；此項(xiàng)措施與注3的措施共同采用時(shí)，軸壓比限值可增加0.15，但箍筋的配箍特征值仍可按抽壓比增加0.10的要求確定；5柱軸壓比不應(yīng)大于1.05。6.4.6抗震墻兩端和洞口兩側(cè)應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件，并應(yīng)符合下列要求：1抗震墻結(jié)構(gòu)，一、二級(jí)抗震墻底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層應(yīng)按本章第6.4.7條設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，但墻肢底截面在重力荷載代表值作用下的軸壓比小于表6.4.6的規(guī)定值時(shí)可按本章第6.4.8條設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。表6.4.6 抗震墻設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件的最大軸壓比等級(jí)或烈度一級(jí)（9度）一級(jí)（8度）二級(jí)軸壓比0.10.20.32部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)，一、二級(jí)落地抗震墻底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層的兩端應(yīng)設(shè)置符合約束邊緣構(gòu)件要求的翼墻或端柱，洞口兩側(cè)應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；不落地抗震墻應(yīng)在底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層的墻肢兩端設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。3一、二級(jí)抗震墻的其他部位和三、四級(jí)抗震墻，均應(yīng)按本章6.4.8條設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。另外，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010—200111.4.1311.7.1311.7.1411.7.13一、二級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻底部加強(qiáng)部位在重力荷載代表值作用下，墻肢的軸壓比N/（fcA）不宜超過(guò)表11.7.13的限值。 °表11.7.13 墻肢軸壓比限值抗震等級(jí)（設(shè)防烈度）一級(jí)（9度）一級(jí)（8度）二級(jí)軸壓比限值0.40.50.6注：剪力墻墻肢軸壓比N/（fcA）中的A為墻肢截面面枳?！韭?lián)系】延性是指材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)在初始強(qiáng)度沒(méi)有明顯退化的情況下的非彈性變形能力。延性比：延性比即為彈塑性位移增大系數(shù)。延性比主要分為三個(gè)層面，即截面的延性比、構(gòu)件的延性比和結(jié)構(gòu)的延性比。結(jié)構(gòu)的延性比多指框架或者剪力墻等結(jié)構(gòu)的水平荷載-頂層水平位移（P-delta）、水平荷載-層間位移等曲線。結(jié)構(gòu)的屈服位移有等能量方法、幾何做圖法等?！罴糁乇龋褐饕獮榭刂聘鳂菍幼钚〉卣鸺袅?，確保結(jié)構(gòu)安全性?！窘忉尅考糁乇萔Eki/￡G.。剪重比是指水平作用與豎向作用的比值。在78規(guī)范的時(shí)候，人們用重力乘以系數(shù)（我國(guó)78規(guī)范把這個(gè)系數(shù)稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)系數(shù)）來(lái)反映地震作用，因?yàn)樵谀菚r(shí)安全度設(shè)計(jì)的概念里，只是用這樣一種方法來(lái)反映地震實(shí)質(zhì)上是慣性力這樣一個(gè)客觀道理。最小值的確定實(shí)際上可以根據(jù)反應(yīng)譜曲線上計(jì)算的最小值來(lái)確定，當(dāng)然，超出了反應(yīng)譜估計(jì)的自震周期的部分可以專(zhuān)門(mén)論證，但是，一般工程超出了反應(yīng)譜規(guī)定的最小值是不應(yīng)該的。如果在6度區(qū)II類(lèi)場(chǎng)地，最小剪壓比應(yīng)是0.6%（2001規(guī)范），按89規(guī)范應(yīng)為0.5%。如果計(jì)算的結(jié)果不滿足最小值的限定，計(jì)算肯定是存在明顯的錯(cuò)誤，如輸入有誤、設(shè)置有誤，模型不合理，甚至于結(jié)構(gòu)不合理，希望慎重，當(dāng)然，6度區(qū)只要按抗震構(gòu)造即可，無(wú)需計(jì)算驗(yàn)算。剪重比也就是地震剪力系數(shù)，由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001對(duì)5.2.5條的條文說(shuō)明知，“對(duì)于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)顯或基本周期小于3.5S的結(jié)構(gòu)，剪力系數(shù)取0.2amax（水平地震影響系數(shù)）”，由此可據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.4-1推算出各地震列度下的剪力系數(shù)：9度為0.2*0.32=0.064，8度為0.2*0.16（0.24）=0.032（0.048），7度為0.2*0.08（0.12）=0.016（0.024），6度為0.2*0.04=0.008。對(duì)豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層的水平剪力應(yīng)增大1.15倍，即樓層最小剪力系數(shù)不小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3--2002表3.3.13中相應(yīng)數(shù)值的1.15倍。在抗震規(guī)范的抗震截面驗(yàn)算的條文說(shuō)明中明確指出，剪重比是一個(gè)調(diào)整系數(shù)，即這不是一個(gè)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果出來(lái)后,若剪重比大于規(guī)定的最小值，計(jì)算結(jié)果不作調(diào)整，若小于，將地震剪力調(diào)大，使剪重比達(dá)到規(guī)定的最小值。類(lèi)似框剪結(jié)構(gòu)的0.2Qo?！疽?guī)范】《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-20015.1.4建筑結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)應(yīng)根據(jù)烈度、場(chǎng)地類(lèi)別、設(shè)計(jì)地震分組和結(jié)構(gòu)自振周期以及阻尼比確定。其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)按表5.1.4-1采用；特征周期應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組按表5.1.4-2采用，計(jì)算8、9度罕遇地震作用時(shí)，特征周期應(yīng)增加0.05s。注：1周期大于6.0s的建筑結(jié)構(gòu)所采用的地震影響系數(shù)應(yīng)專(zhuān)門(mén)研究；2已編制抗震設(shè)防區(qū)劃的城市，應(yīng)允許按批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)采用相應(yīng)的地震影響系數(shù)。*5.1.4-1 N 水平地需影餉系數(shù)最大值地震影響 ，6度7度*度多遇地霸O(shè)JU早遇地蔑L(fēng)4I)注：括號(hào)中數(shù)值分別用于設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。5.2.5抗震驗(yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力應(yīng)符合下式要求：VEkX￡Gj（5.2.5）式中：VEki—第i層對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力；入一剪力系數(shù)，不應(yīng)小于表5.2.5規(guī)定的樓層最小地震剪力系數(shù)值，對(duì)豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱層，尚應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)；G.——第j層的重力荷載代表值。表5.2.5 樓層最小地震剪力系數(shù)值類(lèi)別7度8度9度扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期小于0.35s的結(jié)構(gòu)0.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5.0s的結(jié)構(gòu)0.012(0.018)0.024(0.032)0.040注：1基本周期介于3.5s和5s之間的結(jié)構(gòu)，可插入取值；2括號(hào)內(nèi)數(shù)值分別用于設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)?！韭?lián)系】剪重比是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系一個(gè)宏觀概念，而剪壓比是針對(duì)單個(gè)構(gòu)件的一個(gè)控制指標(biāo)（類(lèi)似于剪跨比）。一般的轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸是由剪壓比計(jì)算確定，以避免脆性破壞和具有合適的配箍率。剪壓比計(jì)算公式：pv=Vmax/fcbho。其中Vmax為轉(zhuǎn)換梁支座截面處最大組合剪力設(shè)計(jì)值,fc為轉(zhuǎn)換梁混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,b為轉(zhuǎn)換梁的寬度,ho為轉(zhuǎn)換梁截面的有效高度。剪壓比（梁柱截面上的名義剪應(yīng)力V/bh0與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值）：梁塑性鉸區(qū)的截面剪壓比對(duì)梁的延性、耗能能力及保持梁的強(qiáng)度、剛度有明顯的影響，當(dāng)剪壓比大于0.15的時(shí)候，梁的強(qiáng)度和剛度有明顯的退化現(xiàn)象，此時(shí)再增加箍筋用量，也不能發(fā)揮作用，因此對(duì)梁柱的截面尺寸有所要求。剪跨比：梁的剪跨比，剪力的位置a與h0的比值。剪跨比影響了剪應(yīng)力和正應(yīng)力之間的相對(duì)關(guān)系，因此也決定了主應(yīng)力的大小和方向，也影響著梁的斜截面受剪承載力和破壞的方式；同時(shí)也反映在受剪承載力的公式上。柱的剪跨比，若反彎點(diǎn)在柱子層高范圍內(nèi)，可取柱子的剪跨比小于2時(shí)，需要全長(zhǎng)加密，見(jiàn)混凝土規(guī)范11.4.12、11.4.17?？绺弑龋毫旱目绺弑龋旱膬艨缗c梁截面高度的比值）對(duì)梁的抗震性能有明顯的影響。梁（非剪力墻的連梁）的跨高比小于5和深梁都按照深受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算的?！顒偠缺龋褐饕獮榭刂平Y(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層?！窘忉尅坎捎谩督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.23.4.3的方法計(jì)算層剛度和剛度比要采用“剛性樓板假定”條件下計(jì)算層剛度并找出薄弱層。對(duì)于有彈性板或0厚板應(yīng)分開(kāi)計(jì)算，在真實(shí)條件下計(jì)算，找出薄弱層，再比較確認(rèn)之。轉(zhuǎn)換層是樓層豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的薄弱層?！疽?guī)范】《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3--2002附錄E.0.1E.0.2E.0.1底部大空間為1層時(shí)，可近似采用轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)等效剪切剛度比Y表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化，Y宜接近1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)Y不應(yīng)大于3,抗震設(shè)計(jì)時(shí)y不應(yīng)大于2。y可按下列公式計(jì)算：當(dāng)?shù)趇層各柱沿計(jì)算方向的截面高度不相等時(shí)，可分別計(jì)算各柱的折算抗剪截面面積。E.0.2底部大空間層數(shù)大于1層時(shí)，其轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比ye可采用圖E所示的計(jì)算模型按公式（E.0.2）計(jì)算。ye宜接近1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)ye不應(yīng)大于2,抗震設(shè)計(jì)時(shí)ye不應(yīng)大于1.3。當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時(shí)，其樓層側(cè)向剛度尚不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-20013.4.2建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。當(dāng)存在表3.4.2-1所列舉的平面不規(guī)則類(lèi)型或表3.4.2-2所列舉的豎向不規(guī)則類(lèi)型時(shí)，應(yīng)符合本章第3.4.3條的有關(guān)規(guī)定。表3.4.2-1 平面不規(guī)則的類(lèi)型不規(guī)則類(lèi)型定義扭轉(zhuǎn)不規(guī)則樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移），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倍凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)一側(cè)的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%樓板局部不連續(xù)樓板的尺寸和平面剛度急劇變化，例如有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，或開(kāi)洞面枳大于該層樓面面枳的30%，或較大的樓層錯(cuò)層表3.4.2-2 豎向不規(guī)則的類(lèi)型不規(guī)則類(lèi)型定義側(cè)向剛度不規(guī)則該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%，除頂層外，局部收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)豎向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（梁、桁架等）向下傳遞樓層承載力突變抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%3.4.3不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)按下列要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施：1平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并應(yīng)符合下列要求：1） 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時(shí)，應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍；2） 凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)時(shí)，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型，當(dāng)平面不對(duì)稱(chēng)時(shí)尚應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響。2平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析，并應(yīng)符合下列要求：1） 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時(shí)，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)乘以1.25?1.5的增大系數(shù)；2） 樓層承載力突變時(shí)，薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%。3平面不規(guī)則且豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時(shí)符合本條1、2款的要求?！钗灰票龋褐饕獮榭刂平Y(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免形成扭轉(zhuǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響?！窘忉尅靠刂票壤秊?.5?！疽?guī)范】《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-20013.4.2☆周期比：主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。要求見(jiàn)高規(guī)?！窘忉尅恐芷诒葹榻Y(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。當(dāng)兩者接近時(shí)由于振動(dòng)耦連的影響，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。若周期比Tt/T1小于0.5，則相對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。r/u一般較?。ā?，r分別為扭轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)半徑，0r表示由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離質(zhì)心距離為回轉(zhuǎn)半徑處的位移，u為質(zhì)心位移），即使結(jié)構(gòu)的剛度偏心很大，偏心距。達(dá)到0.7r，起相對(duì)扭轉(zhuǎn)變形0r/u值也僅為0.2。而當(dāng)周期比Tt/T1大于0.85以后，相對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)0r/u值急劇增加。即使剛度偏心很小，偏心距e僅為0.1r，當(dāng)周期比Tt/T1等于0.85時(shí)，相對(duì)扭轉(zhuǎn)變形0r/u值可達(dá)0.25；當(dāng)周期比Tt/T1接近1時(shí)，相對(duì)扭轉(zhuǎn)變形0r/u值可達(dá)0.5。所以，設(shè)計(jì)中應(yīng)