建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的十個(gè)比值

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的十個(gè)比值隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及CAD技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前我們進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越倚重計(jì)算軟件對(duì)計(jì)算軟件依賴(lài)加深，往往會(huì)使我們變得懶于獨(dú)立思考判斷，而是直接引用計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。這樣對(duì)于普通的規(guī)則的建筑往往沒(méi)有大問(wèn)題，但是一遇到特殊的建筑，其計(jì)算結(jié)果就會(huì)失真，必須人工進(jìn)行調(diào)整干預(yù)才能得出正確的結(jié)果?！陡邔咏ㄖ炷良夹g(shù)規(guī)程》第5.1.16條明確指出：對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)進(jìn)行分析判斷，確認(rèn)合理有效后方可作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。這一條文明確指出我們?cè)O(shè)計(jì)人員是設(shè)計(jì)的主體，軟件只是我們的輔助工具，任何時(shí)候都不能喪失獨(dú)立判斷分析的能力。分析一個(gè)計(jì)算結(jié)果正確與否，有十個(gè)比值非常關(guān)鍵，它們是軸壓比，剪重比，剛度比，位移比，周期比，剛重比，樓層最大位移與層高比（層間位移角），傾覆力矩比，剪跨比以及剪壓比。（1）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，見(jiàn)抗震規(guī)范第6.3.6條和6.4.5條。軸壓比是指柱組合軸力設(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)值乘積之比。需要注意的是荷載組合下柱軸壓比不能過(guò)大，從《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002）第7.3.1條可以看出當(dāng)軸壓力N〉0.9?fc時(shí),所增加的軸力全部由鋼筋來(lái)承擔(dān)，很不經(jīng)濟(jì)，尤其是地下室柱更應(yīng)注意對(duì)截面的控制。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，合理的柱截面應(yīng)該其配筋為構(gòu)造配筋（配筋率0.7%~1.0%），當(dāng)柱計(jì)算配筋面積很大時(shí)應(yīng)加大柱截面。（2）剪重比：是指結(jié)構(gòu)任一樓層的水平剪力與該層及以上各層總重力荷載代表值之比。一般特指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值之比。剪重比主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性，見(jiàn)《抗震規(guī)范》第5.2.5條。剪重比在某種程度上反映了結(jié)構(gòu)的剛?cè)岢潭?，它?yīng)該在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。如果結(jié)構(gòu)太剛，剪重比過(guò)大，則地震力增加，造成浪費(fèi)；如果結(jié)構(gòu)太柔，剪重比過(guò)小，層間位移比就不滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的變形要求。由此可見(jiàn)，剪重比是反映結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也反映了地震力的大小。與它關(guān)聯(lián)的參數(shù)是“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(mǎn)足規(guī)范要求，此時(shí)，再查看剪重比是否合適，如果不合適，再調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件直到滿(mǎn)足要求。如果剪重比不滿(mǎn)足《抗震規(guī)范》第5.2.5條要求，程序會(huì)自動(dòng)調(diào)整地震力作用，將調(diào)整系數(shù)直接乘在該層構(gòu)件的地震內(nèi)力上，但是需要指出的是地下室不受最小剪重比的控制。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果剪重比不滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置不合理，我們往往通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的方式來(lái)調(diào)整，而不是采用直接增大地震力的方式。3）剛度比：主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)SATWE后處理文件WMASS.OUT。剛度比與剪重比都反映了結(jié)構(gòu)的抗震性能，表明了結(jié)構(gòu)在豎向剛度是否均勻。我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般采用剛度比來(lái)判斷結(jié)構(gòu)中是否存在薄弱層，《高規(guī)》JGJ3-2002第4.4.2條，4.4.3條明確指出樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%，如果小于，則程序會(huì)自動(dòng)判定為薄弱層，地震力自動(dòng)放大1.15倍。在判定地下室是否作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí)也會(huì)用到剛度比的概念，此時(shí)候剛度的計(jì)算方法要采用剪切剛度。（4）位移比：是指樓層最大桿件位移與平均桿件位移之比。位移比同樣是反映結(jié)構(gòu)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，主要為控制結(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。見(jiàn)《抗震規(guī)范》第3.4.4條。驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的位移比必須注意以下幾點(diǎn)：1）驗(yàn)算位移比應(yīng)在剛性樓板假定下計(jì)算；2）驗(yàn)算位移比需要考慮偶然偏心的影響3）位移比超過(guò)1.2時(shí)，需要考慮雙向地震影響；4）構(gòu)件設(shè)計(jì)出圖應(yīng)在位移比驗(yàn)算完成并取消剛性樓板假定之后進(jìn)行。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)如坡屋頂，體育館等大開(kāi)洞建筑，錯(cuò)層建筑，躍層建筑，剛性樓板假定會(huì)使計(jì)算結(jié)果失真應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)，選擇彈性樓板來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移比。（5）周期比：《高規(guī)》JGJ3-2002第4.3.5條規(guī)定結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動(dòng)為主的第一周期T1之比。同位移比一樣，周期比也是為了控制側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的一種相對(duì)關(guān)系，而非絕對(duì)大小。目的是為了使抗側(cè)力構(gòu)件能夠周邊、對(duì)稱(chēng)布置在有效抵抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的地方，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。所以一旦出現(xiàn)周期比不滿(mǎn)足，只能通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置，加強(qiáng)周邊抗扭剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)。驗(yàn)算周期比需要注意以下幾點(diǎn)：1）驗(yàn)算周期比應(yīng)該在剛性樓板假定下計(jì)算；2）對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)如坡屋頂，體育館等大開(kāi)洞建筑，錯(cuò)層建筑應(yīng)在真實(shí)情況下驗(yàn)算周期比。3）對(duì)于多塔結(jié)構(gòu)，應(yīng)分塔單獨(dú)驗(yàn)算各自的周期比?？傊?，周期比控制的不是要求結(jié)構(gòu)如何“堅(jiān)固”而是要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面布置要周邊對(duì)稱(chēng)，均勻。6）剛重比：剛重比為結(jié)構(gòu)剛度和重力荷載之比。剛重比主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆?！陡咭?guī)》JGJ3-2002第5.4.4條，5.4.2條對(duì)剛重比做了相關(guān)規(guī)定。結(jié)構(gòu)的剛重比是影響P-△效應(yīng)的的主要參數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛重比滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，P-A效應(yīng)可控制在20%范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有適當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備；當(dāng)剛重比進(jìn)一步減小時(shí)，P-△效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系的急劇增長(zhǎng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。（7）樓層最大位移與層高比（位移角）：在地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足《抗震規(guī)范》GB50011-2021第5.5.1條要求。即：△Ue/h〈=[?e]△Ue:多遇地震作用（即通常說(shuō)的小震）下樓層最大彈性層間位移。h:為計(jì)算樓層層高。二者之比即通常說(shuō)的位移角。規(guī)范規(guī)定位移角的限值，目的是為了使結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下保持彈性，以便震后迅速修復(fù)。（8）傾覆力矩比：傾覆力矩比僅用于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中確定框架抗震等級(jí)時(shí)需要計(jì)算框架承擔(dān)傾覆力矩的比值是否大于50%，如果大于50%，屬于剪力墻較少的框剪結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)按框架確定。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)需要根據(jù)短肢剪力墻所承擔(dān)傾覆力矩比值是否大于50%，如果大于50%，其抗震構(gòu)造按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算，否則按一般剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算。（9）剪跨比：梁的剪跨比指剪力的位置a與hO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，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；柱子剪跨比用來(lái)確定是否屬于短柱，當(dāng)柱子剪跨比小于2時(shí)即為短柱，箍筋應(yīng)加密。見(jiàn)混凝土規(guī)范第11.4.12、11.4.17條。剪跨比決定了構(gòu)件的破壞形態(tài)，我們希望結(jié)構(gòu)破壞前有一定的預(yù)兆，所以，延性就十分重要，控制了剪跨比，就使結(jié)構(gòu)保持了延性，不至于發(fā)生脆性破壞。（10）剪壓比：剪壓比即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