高層建筑結構設計中控制參數電算調整方法

黃靜

（成都軌道交通有限公司，四川 成都 610031）

1、引言

伴隨著我國經濟的快速發展，高層建筑已成為現階段我國主要的建筑形式，建筑類型與功能也愈來愈復雜，結構形式也更加多樣化，高層建筑結構設計在電算中的主要重點和難點在于各控制參數的調整，要使其滿足規范要求。豎向承重構件合理的布置是構建良好抗震性能的基礎，其布置應遵循“對稱、均勻、周邊、連續”的原則。

2、控制參數的試算調整

高層設計的難點在于豎向承重構件(柱、剪力墻等)的合理布置和界面試算選定，高層結構設計過程中控制的目標參數主要歸納為如下七個：

2.1 軸壓比

2.1.1 軸壓比概念的含義

軸壓比的定義是指墻柱組合的軸壓力設計值與墻柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積的比值，主要為控制結構的延性。

u=N／A·fc

式中：u一軸壓比；

N一柱軸力設計值：

A一墻柱截面面積：

fc一砼抗壓強度設計值。

2.1.2 規范對豎向承重構件軸壓比的要求

規范對軸壓比均有相應限值要求，見《建筑抗震設計規范(GB50011-2010)》(以下簡稱《抗規》)第6.3.6條和第6.4.5條，《高層建筑混凝土結構技術規程 (JGJ3—2002)》(以下簡稱《高規》)第6.4.2條和第7.2.14條。

2.1.3 軸壓比不滿足時試算調整方法

可以增大該墻、柱截面；提高該樓層墻、柱混凝土強度；框剪結構可改變墻布置的位置或數量。

2.2 剪重比

2.2.1 剪重比概念的含義

剪重比是指水平地震作用標準值的樓層剪力與重力荷載代表值的比值，剪重比是抗震設計中非常重要的參數。規范之所以規定剪重比，主要是因為在長周期作用下，地震影響系數下降快，由此計算出來的水平地震作用下的結構效應有可能太小。而對于長周期結構，地震動態作用下的地面加速度和位移可能對結構具有更大的破壞作用，所以當剪重比不滿足要求時，說明該結構有可能出現比較明顯的薄弱部位，須慎重對待。

2.2.2 規范對剪重比的要求：

規范對剪重比相應限值要求見《抗規》第5.2.5條，《高規》第3.3.13條。

2.2.3 剪重比不滿足時試算調整方法：

剪重比不滿足要求時.首先要檢查有效質量系數是否達到90%。若達不到則應增加計算振型數，但振型數不能超過結構層數的3倍；當有效質量系數達到90%，但剪重比仍不滿足時，說明結構剛度和質量可能分布不合理，應對結構方案的合理性進行判斷，并調整方案。

調整可以選擇由程序自動進行調整，在剪重比小于規范要求的樓層，程序將放大該層的地震作用效應，以使其滿足最小剪力系數要求。在SATWE的“調整信息”中勾選“按抗震規范5.2.5調整各樓層地震內力”后，SATWE按《抗規》第5.2.5條自動將樓層最小地震剪力系數直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和，用以調整該樓層地震剪力，以滿足剪重比要求。或者在地震剪力偏小而層間側移角滿足要求時，可在SATWE的“調整信息”中的“全樓地震作用放大系數”中輸入大于1的系數增大地震作用，以滿足剪重比要求。但是通過程序自動調整后剪重比雖然滿足了規范要求，結構的方案可能任然是存在問題的，并不是最合理的。

不通過程序調整，而是調整結構方案時，可采取以下兩種方法：

當地震剪力偏小而層間側移角又偏大時，說明結構過柔，宜適當加大墻、柱截面及增加墻、柱數量，提高剛度。

另外，當地震剪力偏大而層間側移角又偏小時，說明結構過剛，宜適當減小墻、柱截面及減少墻、柱數量，降低剛度以取得合適的經濟技術指標。

特別說明，地下室可以不受最小剪重比的控制。

2.3 層間剛度比

2.3.1 剛度比概念的含義

結構各層之間的剛度之比，有以下3種情況：

（1）地震剪力和地震層間位移的比值；

（2）剪切剛度：主要用于限制一層轉換部位的剛度比和地下室頂板作為上部結構嵌固端時，地下室剛度所應滿足的條件；

（3）剪彎剛度：主要用于保證高位轉換時，轉換層部位一定范圍內保證結構剛度的連續性。

2.3.2 規范對剛度比的要求：

（1）地震剪力和地震層間位移的比值：根據《抗規》第3.4.3條表3.4.3.2及《高規》第4.4.2條規定：其樓層側向剛度不宜小于上部相鄰樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。不滿足此要求的樓層為軟弱層。

（2）剪切剛度：《高規》第E.0.1條規定的底部大空間為一層時的轉換層上、下層結構等效剪切剛度比和《抗規》第6.1.14條規定的地下室與上部結構的側向剛度比。

（3）剪彎剛度：《高規》第E.0.2條規定的底部大空間大于一層時的轉換層上、下層結構等效剪切剛度比。

2.3.3 剛度比不滿足時試算調整方法：

（1）地震剪力和地震層間位移的比值不滿足時：當樓層剛度比的計算結果不滿足要求時，如果建筑方案不能調整只能采取由程序來調整的方法，SATWE會自動將不滿足剛重比的樓層定義為薄弱層，并按《抗規》第3.4.4.2條和《高規》第5.1.14條將該樓層地震剪力放大1.15倍。

不通過程序調整，而是調整建筑和結構方案時，可采取以下兩種方法：

（a）當建筑方案可以調整時，也可以適當降低軟弱層的層高，從而使該層的墻、柱的線剛度得以增加。

（b）可以加大軟弱層及其以下樓層的墻、柱截面；提高該層墻、柱混凝土強度，從而使軟弱層的豎向構件線剛度高于以上樓層。

（c）框剪結構時還可以在軟弱層及其以下樓層增加墻布置的數量，而在以上樓層有意識的減少墻的數量。

（2）剪切剛度和剪彎剛度不滿足時：對于轉換層只能加大其以下樓層的墻、柱截面；提高該層墻、柱混凝土強度，或者增加轉換層以下樓層混凝土墻的數量。

2.4 位移比

2.4.1 位移比概念的含義

基于“剛性樓板假定”，考慮質量偶然偏心的條件下，樓層的最大彈性水平位移(或層間位移)與樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的比值。主要為控制結構平面規則性，以避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。

2.4.2 規范對位移比的要求：

規范對位移比相應限值要求見《抗規》第3.4.2 條表 3.4.2—1，《高規》第 4.3.5 條。

2.4.3 位移比不滿足時試算調整方法

（1）可以通過改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距；

（2）利用程序的節點搜索功能在SATWE的“分析結果圖形和文本顯示”中的“各層配筋構件編號簡圖”中快速找到位移最大的節點，加強該節點對應的墻、柱等構件的剛度，或者找出位移最小的節點削弱其剛度，直到位移比滿足要求。

（3）和周期比的調整結合在一起，加強結構外圍剛度。也可以有針對性的加高和最大位移節點相關處的梁高，以限制其位移。

2.5 周期比

2.5.1 周期比概念的含義：

結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期 T1的比值。根據各振型的平動系數和扭轉系數的值，區分出各振型是扭轉振型還是平動振型。當平動系數大于0.5時，該周期是平動周期，當扭轉系數大于0.5時，該周期是扭轉周期。通常周期最長的扭轉振型對應的就是第一扭轉周期Tt。周期最長的平動振型對應的就是第一平動周期T1。

2.5.2 規范對周期比的要求

規范要求結構的第一、第二振型宜為平動，扭轉周期宜出現在第三振型及以后。《高規》第4.3.5條規定：A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。

2.5.3 周期比不滿足時試算調整方法

周期比不滿足要求說明結構的扭轉剛度相對于側移剛度較小，總的調整原則是加強結構外圍墻、柱或梁的剛度，調整墻的布置，使其盡量對稱、均勻，減少扭轉效應，適當削弱結構中間墻、柱的剛度。可以具體采取以下兩種方法：

（1）當第一振型為扭轉時，說明結構的扭轉剛度相對于其兩個主軸 (第二振型轉角方向和第三振型轉角方向，一般都靠近x軸和Y軸)方向的側移剛度過小，此時宜沿兩主軸適當加強結構外圍的剛度，并適當削弱結構內部的剛度。

（2）當第二振型為扭轉時，說明結構沿兩個主軸方向的側移剛度相差較大，結構的扭轉剛度相對其中一主軸 (第一振型轉角方向)的側移剛度是合理的：但相對于另一主軸(第三振型轉角方向)的側移剛度則過小，此時宜適當削弱結構內部沿“第三振型轉角方向”的剛度，并適當加強結構外圍(主要是沿第一振型轉角方向)的剛度。

（3）當結構有深開口時，可在深開口處增設拉梁，使結構的整體性有所提高，改善其抗扭轉性能。

2.6 剛重比

2.6.1 剛重比概念的含義

樓層彈性等效側向剛度與樓層重力荷載設計值相對比值，計算公式見《高規》第5.4.1條。主要為控制結構的穩定性，避免結構在風載或地震力的作用下整體失穩。

2.6.2 規范對剛重比的要求：

規范對剛重比相應限值要求見《高規》第5.4.1 條和第 5.4.4 條。剛重比不滿足要求，說明結構的剛度相對于重力荷載過小；但剛重比過分大，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。

2.6.3 剛重比不滿足時試算調整方法

（1）調整結構平面豎向構件的布置。

（2）增加墻、柱數量及加大墻柱、截面，從而提高墻、柱等豎向構件的剛度。

2.7 層間受剪承載力比值

2.7.1 層間受剪承載力比值的含義：

樓層層間抗側力結構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。控制豎向不規則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層。《高規》的此項要求，實際上體現的是“強剪弱彎”的設計思想，即構件應首先彎曲屈服、破壞，而不能剪切破壞。因為剪切破壞屬于脆性破壞，在設計中是需要避免的。

2.7.2 規范對層間受剪承載力比的要求

規范對層間受剪承載力相應限值要求見《抗規》第3.4.3條表3.4.3—2，《高規》第4.4.3條；對于形成的薄弱層應按《高規》第5.1.14條予以加強。

2.7.3 層間受剪承載力比值不滿足時試算調整方法

（1）在SATWE的“調整信息”中的“指定薄弱層個數”中填入該樓層層號，將該樓層強制定義為薄弱層，SATWE按《高規》第5.1.14條將該樓層地震剪力放大1.15倍。

（2）適當提高該樓層構件強度(如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面)以提高本層墻、柱等抗側力構件的承載力，或適當降低上部相關樓層墻、柱等抗側力構件的承載力。

3 結語

鋼筋混凝土高層結構設計是一個復雜的過程，需要多次反復調整結構方案和截面大小，使各控制參數滿足規范要求又經濟合理。

[1]《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010).

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002).