高层结构设计中七个 比值的控制与调整
龙广成
摘 要 随着城市的发展和科学技术的进步,高层建筑(10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物)的应用日益广泛。在满足使用功能的情况下,高层建筑如何才能达到既安全又经济的设计要求,这是结构设计人员必须面对的问题。对于高层结构设计来说,位移比、周期比、刚度比、层间受剪承载力比、刚重比、剪重比、轴压比是保证结构规则、安全、经济的七个极其重要的参数,!抗震规范∀、!混凝土规范∀、!高规∀均在相关章节对以上"七个比值"进行了严格控制。
关键词 高层建筑;结构设计;七个"比值";规范条文;SATW E程序;电算结果;名词释义;控制与调整
引言:随着城市的发展和科学技术的进步,高层建筑(10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物)的应用日益广泛。在满足使用功能的情况下,高层建筑如何才能达到既安全又经济的设计要求,这是结构设计人员必须面对的问题。对于高层结构设计来说,位移比、周期比、刚度比、层间受剪承载力比、刚重比、剪重比、轴压比是保证结构规则、安全、经济的七个极其重要的参数,!建筑抗震设计规范GB50011-2001∀(2008年版)(以下简称为抗规); !混凝土结构设计规范G B50010-2002∀(以下简称为砼规);!高层建筑混凝土结构技术规程J G J3-2002∀(以下简称为高规)均在相关章节对"七个比值"进行了严格控制。在初步设计和施工图设计阶段,结构设计人员和审图人员对"七个比值"都非常重视,各类结构设计软件都有相应的详细电算结果输出,便于设计人员进行分析与调整。本文仅以我国目前较为权威且应用最为广泛的PKPM软件中的SAT W E程序的电算结果,结合规范条文要求,谈谈如何对电算结果进行判读、控制与调整。
1 位移比
1.1 名词释义
位移比包含两项内容:
(1)楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。
(2)楼层竖向构件的最大层间位移与平均层间位移的比值。
计算位移比仅考虑墙顶、柱顶等竖向构件上节点的最大位移,不考虑其他节点的位移。高层建筑层数多、高度大,为保证高层建筑结构具有必要的刚度,应对其位移比加以控制,主要目的有以下几点:
(1)保证主体结构基本处于弹性受力状态,避免混凝土墙或柱出现裂缝,同时将楼面梁板的裂缝数量、宽度和高度控制在规范允许范围之内。
(2)保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显损坏。
(3)限制结构平面布置的不规则性,避免结构产生较大的扭转效应。
1.2 相关规范条文的控制
[抗规]3.4.2条规定:建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;当存在结构平面扭转不规则时,楼层的最大弹性水平位移(或层间位移),不宜大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。
[高规]4.3.5条规定:楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍;且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高
层建筑,不应大于该楼层平均值的1.4倍。
[高规]4.6.3条规定:高度不大于150m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比 u/h不宜大于表1的限值。
表1 楼层层间最大位移与层高之比的限值
结构类型 u/h限值
框架1/550
框架-剪力墙、框架-核
心筒、板柱-剪力墙
1/800
筒中筒、剪力墙1/1000
框支层1/1000
1.3 电算结果的判别与调整要点
PK P M软件中的S ATW E程序对每一楼层计算并输出最大水平位移、最大层间位移角、平均水平位移、平均层间位移角及相应的比值,详位移输出文件W D ISP.OUT。但对于计算结果的判读,应注意以下几点:
(1)若位移比超过1.2,则需要在总信息参数设置中考虑双向地震作用。
(2)验算位移比应考虑偶然偏心的影响。
(3)验算位移比应选择强制刚性楼板假定。如果在结构模型中设定了弹性板或楼板开大洞,应计算两次,第一次抗震计算时选择<对所有楼板强制采用刚性楼板假定>,按规范要求计算位移比;第二次应在位移比满足要求后,不选择该项,以弹性楼板假定进行配筋等计算。
(4)对于体育场馆、特殊工业建筑、空旷结构、错层和越层等结构,由于其竖向构件高度不一致,采用强制刚性楼板假定会带来较大的计算误差,因此,对这类复杂的建筑结构不宜强行进行位移比控制。
(5)位移比不满足要求的原因,往往是结构平面不规则,刚度布置不均匀,结构上下层刚度偏心较大等,解决办法主要是改进设计,使结构规则,刚度均匀。
2 周期比
2.1 名词释义
周期比即结构扭转为主的第一自振周期T t与平动为主的第一自振周期T1之比。限制周期比是为了控制结构的抗扭刚度不能太弱。当T t与T1两者接近时,由于振动耦连的影响,结构的扭转效应将明显增大。因此,在抗震设计中采取措施减小周期比T t/T1值,使结构具有必要的抗扭刚度。
2.2 相关规范条文的控制
[高规]4.3.5条规定, 结构扭转为主的第一自振周期T t与平动为主的第一自振周期T1之比(即周期比),A级高度高层建筑不应大于0.9;B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。
[高规]5.1.13条规定, 抗震计算时,宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应,振型数不小于15,对于多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。
2.3 电算结果的判别与调整要点
(1)计算结果详周期、地震力与振型输出文件W ZQ. OUT。因SAT W E电算结果中并未直接给出周期比,故需设计人员按如下步骤验算周期比:#考察各振型是平动系数还是扭转系数占主导地位(最好大于0.8,至少也要大于0.5),区分出各振型是平动振型还是扭转振型。∃在平动振型和扭转振型中找出周期最长的(一阶振型)为第一平动周期T1和第一扭振周期T t。必要时还应查看该振型的基底剪力是否较大,考查该振型在<结构整体空间振动简图>中,是否能引起结构整体振动,局部振动周期不能作为第一周期。%计算T t/T1,考查是否超过0.9(0.85)。
(2)在结构符合刚性楼板假定时,周期比计算应在刚性楼板假定下进行;对于不适宜刚性楼板假定的复杂高层建筑结构,不宜考虑周期比控制。
(3)对于多塔大底盘结构,宜采用离散模型分析,即将整体建立的多塔大底盘模型人为地切分成独立的单塔模型,使各单塔单独参与抗震计算。
(4)如果周期比不满足规范要求,说明该结构扭转效应明显,对抗震不利,应进行调整。周期比调整的原则如下:#结构抗侧力构件的布局均匀对称。∃增强结构周边的刚度。具体措施有:增大周边柱、剪力墙的截面或数量。增大周边梁的高度、楼板的厚度;加强转角窗周边构件的截面和强度,包括剪力墙暗柱,窗间墙,楼板等,特别是增设暗梁。%降低结构中部的刚度。具体措施有:结构中部剪力墙上开洞;中部核心筒开结构洞再填充。
3 刚度比
3.1 名词释义
刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值(也称层间刚度比),该值主要为了控制高层结构的竖向规则性,以免竖向刚度突变,形成薄弱层。对于地下室结构顶板能否作为嵌固端,转换层上、下结构刚度能否满足要求,及薄弱层的判断,均以层间刚度比作为依据。[抗规]与[高规]提供有三种方法计算层刚度,即剪切刚度(K i=G i A i/hi)、剪弯刚度(K i=V i/ i)、地震剪力与地震层间位移的比值(K i=Q i/ u i)。
3.2 相关规范条文的控制
