探討如何控制高層結構的周期比

蔡政杰

（廣東省建筑設計研究院 廣東廣州 510010）

0 引言

隨著國內城市化進程的不斷加快，建筑工程的體量與規模急劇增加。現階段，城市中高層建筑的數量越來越多。在進行高層建筑的設計工作時，大多采用剪力墻結構，這就需要對結構的周期比進行嚴格控制，提高建筑的安全性與抗震效果。尤其對于一些平面分布不規則、不對稱的建筑項目，要做好結構整體計算工作，確保結構周期比不能超過《高規》所規定的限值。同時，還要對建筑平面結構的布置方案進行調整與優化，確保結構設計的合理性。

1 概述

在我國頒布實施的《高規》中明確指出，建筑結構平面布置工作中，要盡可能降低扭轉效應對建筑的影響。這一過程中，要對第一自振周期T1進行嚴格的控制。對于A級高度的建筑工程來說，由結構扭轉為主的T3和以平動為主的T1之間的比值不能超過0.9。對于B級高層建筑工程來說，該數值不能超過0.85。從上述規定能夠看出，對結構造成限制的抗扭剛不不能太弱，進而避免結構產生嚴重的扭轉效應，避免結構發生嚴重的損毀。要想對高層建筑結構的抗扭剛度進行限制，需要對結構設計工作引起重視。一方面，可以在抗側力結構的布置方面進行調整，進而提高結構的抗扭剛度。另一方面，對于高層結構而言，應由梁柱結構進行承重，但是周期比還達不到滿足時，不能盲目的通過增加梁柱結構的截面進行設計，因為這一方式往往收不到良好的效果[1]。這一過程中，要對各項影響因素進行分析，可以從平面剛度、構件剛度以及抗震縫的調整等方面完善設計工作。

2 控制周期比的意義

所謂的周期比，是第一扭轉周期和平動周期之間存在的比值系數。在進行周期比的計算工作時，首先要對樓板剛性進行假設，也就是將樓板的平面內剛度假定為無限大。同時，假定樓板平面外剛度趨近于零。這一過程中，需要對偶然偏心地震力的作用進行考慮。具體計算過程中，要借助于計算機軟件以及結構設計程序，對高層建筑的結構周期比進行計算。之所以要對周期比限值進行控制，主要因為以下幾點原因：①通過進行周期比的計算，能夠對結構的扭轉效應進行判斷，同時也可以對結構布置的合理性做出衡量。對周期比進行嚴格的計算，能夠防止結構平面出現過大的扭轉效應，當有地震等自然災害發生時，結構不至于遭受嚴重的破壞。②通過進行周期比的控制，可以提高結構的抗震效果[2]。一般來說，如果周期比不超過限值，那么當地震發生時，平動周期的出現時間要比扭轉周期早，因而結構的抗震性能將會顯著提高。通過對國內一些特大型地震震害進行研究表明，如果結構的平面存在不規則、不對稱等現象，那么其扭轉剛度將會顯著降低，因而在地震作用下會出現扭轉脆性破壞，進而對人們的生命與財產安全造成極大的威脅。

3 高層框架結構周期比的控制方法

3.1 對平面剛度中心進行適當的調整

通過對建筑結構的平面剛度中心進行調整，可以使結構剛心和質心盡可能的接近。在進行高層建筑的結構抗震設計工作中，經常會遇到以下類似的狀況：即便是高層建筑的平面相對簡單，并且對稱性效果較好，但是其周期比仍然不能達到《高規》中的相關要求。對于這一現象，主要是因為該建筑的結構平面存在著抗側力構件布置不規則或者是不對稱的問題，進而造成建筑結構平面的剛度中心與質量中心之間存在著較大的偏移。鑒于此，在開展建筑結構平面的布置工作時，應針對剪力墻進行相應的加法、減法處理。具體來說，可以適當提高結構平面的剪力墻設計質量，尤其在長度與寬度、數量方面進行調整，對于周邊剪力墻也要做好調整工作。此外，還要降低剛心一側剪力墻的長度、寬度以及數量，特別要對中間剪力墻進行調整。在進行剪力墻的具體布置時，應力求對稱、均勻，并且要提高剪力墻的分散效果。此外，要確保建筑結構質量的分布均勻，不存在偏心等問題。總體而言，通過對建筑結構平面的剛心、質心做出調整，使得二者在位置上更加接近，提高周期比的控制效果。

3.2 對周邊與中間構件的剛度進行調整

設計工作中，可以適當提高建筑結構平面周邊構件的剛度，同時適當降低平面中間構件的剛度。周期比不僅受到建筑結構扭轉剛度的影響，同時與結構的側向剛度有著密切的關系。現階段，在進行周期比的計算設計工作時，主要借助計算機軟件程序完成結構的設計工作。這一過程中，要想取得較為理想的計算結果，首先要對第一以及第二振型周期進行控制，設計時最好以平動為主。同時，還要確保扭轉周期最好發生在第三振型周期。一方面，在增加建筑結構周邊構件剛度的工作中，可以采取以下幾點措施：①適當提高建筑結構平面周邊的柱、剪力墻數量，并且在長度、寬度方面做出適當的增加；②可以在平面的凹槽外進行拉梁以及連接板的設置，進而提高其剛度；③可以對平面周邊的連梁高度做出適當的調整。比如在進行窗臺砌體墻的設計時，可以使用鋼筋混凝土墻。同時，還要與樓下的連梁形成整體。另一方面，要適當降低平面中部構件的剛度。具體來說，可以采用以下措施：首先，在進行建筑結構平面設計時，可以適當降低中部剪力墻的數量，并且可以減短、減薄剪力墻。同時，還可以在剪力墻的設計工作中設置相應的結構洞，以降低剪力墻的剛度。其次，在進行結構平面的設計時，可以在中部位置降低剪力墻連梁的高度；此外，在保證結構強度的前提下，可以進行框架梁、柱結構的弱化。通過上述措施，可以使結構平面的剛度狀況得到優化，進而提高周期比的控制效果。

3.3 加強對抗震縫的應用

通過設置抗震縫，能夠把建筑平面中不規則的部分進行分割，進而形成獨立、規則幾個空間單元。尤其在進行高層建筑的設計工作時，由于受到使用功能以及造型等方面因素的影響，會提高平面設計的復雜度。具體設計工作中，經常會出現L形、Z形以及Y形、T形等一系列不規則的平面。這些平面在剛心、質心方面會存在很大的偏移，并且在結構分析的電算過程中，其周期比計算結果會存在嚴重的超限問題。在對建筑平面布置方案進行調整與優化時，就可以使用設置防震縫的方法進行調整。這一措施可以使結構平面變得簡單，使得結構的質心和剛心更加接近，并且能夠降低偏移問題對結構單元的影響。

4 案例分析

4.1 工程概況

在進行某小區的1#住宅設計時，該建筑地下2層，地上31層。地上部分的層高達到了3m。同時，室外地坪到建筑工程檐口之間的高度達到了89m。設計施工時，所采用的結構為現澆剪力墻結構，建筑的抗震設防類別是丙類，其場地類型是Ⅱ類。查閱相應的規范了解到，該地區的抗震設防烈度是Ⅶ度，抗震等級是二級。設計時，將剪力墻的外墻厚度設定為250mm，內墻的厚度設定為200mm。

4.2 工程分析

通過對該工程進行試算，其具體結果如下所示：首先，T1=3.729s，在平動系數方面為0.35（X）。同時，扭轉系數的計算結果為0.65。其次，T2的計算結果為3.4745s，在平動系數方面為0.96（Y），扭轉系數的計算結果是0.04。另外，計算得到T3=3.283s，平動系數是0.67（X），扭轉系數的計算結果是0.31。

因而，對于周期比進行相應的計算，得到了：T3/T1=0.88。從計算結果可以看出，在該工程中計算得到的周期比要比《高規》中規定的限制0.85大，因而在建筑結構的抗扭剛度方面需要進行調整，進而改善結構的抗扭剛度。

4.3 周期比的控制

設計中為了適當提高建筑結構的抗扭剛度，主要使用了以下措施予以處理：一方面，對建筑結構中平面周邊構件的剛度做出了調整，周邊剪力墻的厚度從原來的250mm進一步提高為300mm，并在建筑功能不變的前提下，增加周邊剪力墻墻肢的長度。同時，在平面的凹槽位置處設置了相應的拉梁。另一方面，對平面周邊構件的連梁剛度做出了調整，適當加高部分連梁高度。最后，增加縱向剪力墻以加強X方向剛度。

經過上述的調整之后，其計算結果如下所示：首先，T1的計算值達到了3.310s，并且平動系數控制為0.98（Y），扭轉系數的計算結果是0.02。其次，計算得到T2=3.075s，平動系數控制為0.94（X），扭轉系數為0.00。此外T3的計算結果是2.421s，平動系數為0.08，并且扭轉系數控制為0.92。經過調整之后，周期比計算結果是T3/T1=0.73。從上述計算可以看出，通過采用上述措施予以處理，使得高層框架結構的抗扭剛度得到了有效控制，并且周期比能夠達到《高規》中的限值要求。

5 結束語

在進行高層框架結構的設計工作時，周期比控制關系到高層框架結構的抗震效果，并直接影響到建筑的安全性與耐久性。因而，設計工作中要對建筑的實際狀況做出分析，平面布置時要提高其規則性、對稱性效果，并采用合理的處理措施對周期比進行嚴格控制，進而提高建筑結構設計的整體質量。