多層框架結構周期比調整的方法研究

聶懿

摘 要：本文結合具體工程實例的計算過程，提出了多層框架結構周期比控制的有效方法，即加大外部柱（及外圍四周框架柱）的剛度，弱化或減小中間某些豎向構件的剛度，加大外圍邊梁的截面高度。

關鍵詞：多層框架結構;周期比;高層建筑

中圖分類號：TU323.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0105-03

Study on the Method of Periodic Ratio Adjustment

of Multilayer Frame Structure

——Take the Office Building of a Fishing Port in Guangdong Province as an Example

NIE Yi

（Institute of Fishery Engineering， Chinese Academy of Fishery Sciences，Beijing 100125）

Abstract： In this paper， combined with the calculation process of concrete engineering examples， the effective method of period ratio control of multi-storey frame structure was put forward， which was to increase the rigidity of outer column （and frame column around periphery）， weaken or reduce the rigidity of some vertical members in the middle， and increase the section height of peripheral side beam.

Keywords： multi-layer frame structure;period ratio;high rise building

多層科研樓、辦公樓常用的結構體系為框架結構。在結構設計過程中，為了防止建筑發生扭轉破壞，多參照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中對高層建筑的周期比控制條文，但是對于多層框架結構，規范沒有明文規定，需要對周期比做特殊規定（不應大于0.9）。但實際上，很多地方審圖機構也參照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中的相關規定，對多層框架結構的周期比要求控制在小于0.9的范圍內。

1 周期比定義

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第3.4.5條中規定：“結構平面布置應減少扭轉的影響。……結構扭轉為主的第一自振周期[Tt]與平動為主的第一自振周期[T1]之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、超過A級高度的混合結構及本規程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。”[1]該條主要是限制結構的抗扭剛度不能太弱，以免產生較大的扭轉效應導致結構體系的嚴重破壞。

2 建筑主自振周期的辨別

周期比調整的實質是要保證結構抗扭剛度適宜，不可偏低，關鍵是限制結構以扭轉為主的第一階自振周期（[Tt]）與以平動為主的第一階自振周期（[T1]）的比值。當兩者接近時，由于振動耦聯的影響，結構的扭轉效應明顯增大。抗震設計中應采取措施減小周期比[TtT1]值，使結構具有可靠的抗扭剛度[1]。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）3.4.5的條文解釋[1]：“扭轉耦聯振動的主振型，可通過計算振型方向因子來判斷。在兩個平動和一個轉動構成的3個方向因子中，當轉動方向因子大于0.5時，則該振型可認為是扭轉為主的振型。”然而，對于平動為主的第一自振周期[T1]，相關解釋沒有給出明確的判定方法，目前大多數設計人員主要通過以下三種方法進行綜合判別：第一，通過計算振型方向因子判別法;第二，查看結構整體空間振動簡圖判別法;第三，以振型下產生的基底剪力來間接判斷主平動周期。進行綜合判別的原因是用其中任何一種單一的方法來判定都是不準確的，甚至可能導致錯誤的判斷。因為本文篇幅有限，在此就不贅述說明上述三種判別方法的具體細節。

3 工程實例

廣東某漁港辦公樓共3層，建筑最大高度13.266 m（坡屋面），總建筑面積為2 053.7 m2，室內外高差0.45 m，各層層高為3.6 m。該地區按抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.1 g，場地類別為Ⅳ類，抗震設防類別為丙類，框架抗震等級為三級[2]。建筑樓、屋面等效均布活荷載標準和工程場地自然條件見表1和表2。

該建筑縱向柱距為3.6、4.2、6.6 m，縱向主梁截面為300 mm×550 mm;橫向柱距為3.6、4.2、5.7m，橫向主梁截面為300 mm×500 mm;其余次梁截面為250 mm×450 mm、250 mm×400 mm、250 mm×300 mm，各層框架柱截面為450 mm×450 mm，各層板厚為120 mm。框架梁、板、柱砼為C40，基礎為鋼筋混凝土柱下十字條形基礎。設計標高±0.000以下樓梯間、獨立墻及衛生間周圍墻體采用240 mm厚MU10燒結頁巖磚以及M7.5水泥砂漿砌筑;設計標高±0.000以上墻體采用240 mm厚普通輕集料混凝土空心砌塊以及DM7.5干拌砂漿砌筑;所有內墻體采用240 mm厚B04加氣混凝土砌塊，加氣混凝土專用黏結劑DA-HR砌筑。

4 結構初步計算

結構的計算和建模都是使用中國建筑科學研究院研發的SATWE和PMCAD軟件（V5.1版本）來實現的。其中，SATWE軟件是一種空間有限元分析軟件，是通過采用空間桿單元來模擬柱、梁及支撐等桿件，用在殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻，能比較好地模擬出結構的實際受力情況[3]。結構計算中考慮雙向地震作用下的扭轉耦聯，計算振型系數為9個（本文只給出6個振型），周期折減系數為0.7，地震作用分析時采用總剛分析法。初步計算以框架柱截面為450 mm×450 mm，計算結果表3、表4和圖1所示。

計算結果分析：經軟件計算后，該辦公樓周期比為0.903 7，不滿足相關規范要求，說明結構的抗扭剛度偏弱，在地震作用下會產生較大的扭轉效應，導致結構破壞，需要采取措施加強結構的抗扭剛度。

5 結構調整后計算

因該建筑結構為框架結構，框架柱為主要抗側力構件。加強結構的抗扭剛度，即是加強框架柱的剛度，即增大柱的截面。將框架柱的尺寸增加50 mm，柱截面增至500 mm×500 mm，然后進行計算，計算結果如表5、表6和圖2所示。

計算結果分析：從圖表結果來看，框架柱截面增大后，結構的周期有所降低，但周期比變化不大，仍不能滿足規范要求。如果再繼續加大框架柱截面，結果還是實質改變。可見，同時增加柱截面的方法不能根本上解決上述問題。在滿足柱承載力的情況下，加大柱截面，浪費了砼，加大了柱配筋率，造價浪費。如果把框架結構考慮成一個由柱組成的筒體，把外部柱加強，而內部柱只滿足承載力驗算即可，并在建筑專業允許的情況下，加大外圍邊梁的截面高度。這樣也可以加大結構的抗扭剛度[4]。

在初步計算的基礎上增大外圍四周框架柱及外圍梁的截面，而中間框架柱、梁的截面不變。然后進行計算，計算結果如表7、表8和圖3所示。

計算結果分析：從圖表結果來看，增大外圍四周框架柱及外圍梁的截面，而中間框架柱、梁的截面不變，可以增大平動周期，減小扭轉周期，可以使周期比滿足規范要求。

6 結論

多層框架結構中控制結構周期比的有效方法是：加大外部柱及外圍四周框架柱的截面，弱化或減小中間柱的剛度，加大外圍邊梁的截面高度（建筑專業能允許的最大高度），以此來增大平動周期，減小扭轉周期，使周期比滿足（不應大于0.9）規范要求。

參考文獻：

[1]蔡政杰.探討如何控制高層結構的周期比[J].建材與裝飾，2020（1）：95-96.

[2]王曉宇，郭英宇.淺析港口項目工程的施工管理問題[J].山東工業技術，2016（5）：113.

[3]王春泉.淺談港口工程建設項目管理[J].中國高新技術企業，2014（2）：164-166.

[4]郭小康.高層框架結構周期比控制的有效方法[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2006（3）：312-315.