结构设计之刚重比详解

PKPM高层结构设计中经常要控制轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比“六种比值”高层结构设计中经常要控制轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比“六种比值”，-1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求-2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性-3、刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层-4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

-5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响-6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆-位移比（层间位移比）:-1.1 名词释义：-（1）位移比：即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。

-（2) 层间位移比：即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。

-其中：-最大水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移。

-平均水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2。

-层间位移角：墙、柱层间位移与层高的比值。

-最大层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值。

-平均层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值与最小值之和除2。

-1.3 控制目的: -高层建筑层数多，高度大，为了保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其最大位移和层间位移加以控制，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，避免混凝土墙柱出现裂缝，控制楼面梁板的裂缝数量，宽度。

-2 保证填充墙，隔墙，幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显的损坏。

-3．控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

-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。

1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.6和6.4.2，6.4.5，在剪力墙的轴压比计算中，轴力取重力荷载代表设计值，与柱子的不一样。

2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5。

3、侧向刚度比：主要为控制结构竖向规则性，高规。

3.5.2。

位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

控制比例为1.5。

见抗规3.4.2、3.4.4。

4、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求见高规3.4.5。

5、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高规5.4.4。

6、剪跨比：梁的剪跨比，剪力的位置a与h0的比值。

剪跨比影响了剪应力和正应力之间的相对关系，因此也决定了主应力的大小和方向，也影响着梁的斜截面受剪承载力和破坏的方式；同时也反映在受剪承载力的公式上。

柱的剪跨比：，若反弯点在柱子层高范围内，可取柱子的剪跨比小于2时，需要全长加密，见混凝土规范11.4.12、11.4.6。

7、剪压比（梁柱截面上的名义剪应力V/bh0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值）：梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响，当剪压比大于0.15的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象，此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸有所要求。

8、轴压比：轴压比是指有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和砼轴心受压抗压强度设计值乘积的比值，是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。

轴压比限值的依据是理论分析和试验研究并参照国外的类似条件确定的，其基准值是对称配筋柱大小偏心受压状态的轴压比分界值。

9、跨高比：梁的跨高比（梁的净跨与梁截面高度的比值）对梁的抗震性能有明显的影响。

梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于5和深梁都按照深受弯构件进行计算的。

10、延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。

结构设计中几个重要比值（整理更新）1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求。

柱轴压比是指，有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和砼轴心抗压强度设计值乘积的比值，是影响柱子破坏形态和延性的主要要素之一。

轴压比限值的依照是理论剖析和试验研究并参照外国的近似条件确立的，其基准值是对称配筋柱大小偏爱受压状态的轴压比分界值。

（抗规 2010 第 62 页表）在剪力墙的轴压比计算中，轴力取重力荷载代表值，与柱子的不同样。

2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，保证结构安全性，见抗规 5.2.5 。

3、侧向刚度比：主要为控制结构竖向规则性。

位移比：主要为控制结构平面规则性，免得形成扭转，对结构产生不利影响。

控制比率为 1.5。

见抗规、。

4、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。

5、刚重比：主要为控制结构的稳固性，免得结构产生滑移和颠覆，要求见高规。

6、剪跨比：梁的剪跨比，剪力的地点 a 与 h0的比值。

剪跨比影响了剪应力和正应力之间的相对关系，所以也决定了主应力的大小和方向，也影响着梁的斜截面受剪承载力和破坏的方式；同时也反应在受剪承载力的公式上。

柱的剪跨比：若反弯点在柱子层高范围内，柱子的剪跨比小于 2 时，需要全长加密，见混凝土规范、。

7、剪压比（梁柱截面上的名义剪应力V/bh 0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值）：梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有显然的影响，当剪压比大于0.15 的时候，梁的强度和刚度有显然的退化现象，此时再增添箍筋用量，也不可以发挥作用，所以对梁柱的截面尺寸有所要求。

8、跨高比：梁的跨高比（梁的净跨与梁截面高度的比值）对梁的抗震性能有显然的影响。

梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于 5 和深梁都依照深受弯构件进行计算的。

9、延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。

延性是指资料、构件、结构在初始强度没有显然退化的状况下的非弹性变形能力。

高层结构设计中的六个比如和控制？高层结构设计中经常要控制轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比“六种比值”，1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性3、刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆1. 位移比（层间位移比）:1.1 名词释义：（1）位移比：即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。

（2) 层间位移比：即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。

其中：最大水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移。

平均水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2。

层间位移角：墙、柱层间位移与层高的比值。

最大层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值。

平均层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值与最小值之和除2。

1.3 控制目的:高层建筑层数多，高度大，为了保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其最大位移和层间位移加以控制，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，避免混凝土墙柱出现裂缝，控制楼面梁板的裂缝数量，宽度。

2 保证填充墙，隔墙，幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显的损坏。

3．控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。

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。

1、轴压比轴压比主要是控制结构的延性，具体要求见抗规6.3.6和6.4.5，高规6.4.2和7.2.14。

轴压比过大则结构的延性要求无法保证，此时应加大截面面积或提高混凝土强度；轴压比过小，则结构的经济性不好，此时应减小截面面积。

轴压比不满足时的调整方法：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。

02周期比周期比控制的是结构侧向刚度与扭转刚度之间的相对关系，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更合理，使结构不致于出现过大的扭转效应。

一句话，周期比不是要求结构足够结实，而是要求结构承载布置合理，具体要求见高规4.3.5。

刚度越大，周期越小。

抗侧力构件对结构扭转刚度的贡献与其距结构刚心的距离成正比，意思是结构外围的抗侧力构件对结构的扭转刚度贡献最大。

结构的第一、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振型及以后。

当第一振型为扭转时：说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴的侧移刚度过小，此时应沿两个主轴适当加强结构外围的刚度，或沿两个主轴适当削弱结构内部的刚度。

当第二振型为扭转时：说明结构沿两个主轴的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对于其中一主轴（第一振型转角方向）的侧移刚度是合理的，但对于另一主轴（第三振型转角方向）的侧移刚度过小，此时应适当削弱结构内部沿第三振型转角方向的刚度或适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。

周期比不满足时的调整方法：通过人工调整改变结构布置，提高结构的抗扭刚度；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度；利用结构刚度与周期的反比关系，合理布置抗侧力构件，加强需要减小周期方向（包括平动方向和扭转方向）的刚度，或削弱需要增大周期方向的刚度。

03、位移比/位移角位移比是指采用刚性楼板假定下，端部最大位移（层间位移）与两端位移（层间位移）平均值的比，位移比的大小反映了结构的扭转效应，同周期比的概念一样都是为了控制建筑的扭转效应提出的控制参数。

PKPM 设计参数PKPM 设计参数楼层组装—设计参数a.总信息1．结构体系（框架，框剪，框筒，筒中筒，剪力墙，断肢剪力墙，复杂高层，砌体，底框）。

2．结构主材（钢筋混凝土，砌体，钢和混凝土）。

3．结构重要性系数（《高层混凝土结构技术规程》4.7.1 ，混凝土规范3.2.3）。

4．底框层数，地下室层数按实际选用。

5．梁柱钢筋的混凝土保护层厚度（《混凝土结构设计规范》表3.4.1及表9.2.1）。

6．与基础相连的最大楼层号，按实际情况，如没有什么特殊情况，取1。

7．框架梁端负弯矩调幅系数一般取（0.85—0.9）《高层混凝土结构技术规程》5.2.3条文中有说明。

b.材料信息1．混凝土容重取 26-27，全剪力墙取27，取25时需输入粉刷层荷载。

2．钢材容重取 78。

3．梁柱主筋类别，按设计需要选取。

优先采用三级钢，可以节约钢材。

SATWE设计参数a.总信息1．水平力与整体坐标夹角（度），通常采用默认值。

(逆时针方向为正,当需进行多方向侧向力核算时,可改变次参数)2．混凝土容重取 26-27，钢材容重取 78。

3．裙房层数，转换层所在层号，地下室层数，均按实际取用。

(如果有转换层必须指定其层号)。

4．墙元细分最大控制长度，这是在墙元细分时需要的一个参数，对于尺寸较大的剪力墙，在作墙元细分形成一定的小壳元时，为确保分析精度，要求小壳元的边长不得大于给定限值Dmax,程序限定1.0≤Dmax≤5.0 ,隐含值为Dmax=2.0 , Dmax对分析精度略有影响,但不敏感,对于一般工程,可取Dmax=2.0 ,对于框支剪力墙结构, Dmax可取略小些, 例如Dmax=1.5或1.0 。

5．对所有楼板强制采用刚性楼板假定（在计算结构位移比时选用此项，除了位移比计算，其他的结构分析、设计不应选择此项）。

6．墙元侧向节点信息：这是墙元刚度矩阵凝聚计算的一个控制参数，若选“出口”，则只把墙元因细分而在其内部增加的节点凝聚掉，四边上的节点均作为出口节点，墙元的边形协调性好，分析结果符合剪力墙的实际，但计算量大。

第五章 剪重比 2014.7.17一、定义：剪重比即最小地震剪力系数λ。

（查表）二、计算公式：V eki :第i 层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力； G j ：第j 层重力荷载代表值。

三、控制目的：主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长结构的安全，尤其是对于基本周期大于3.5S 的结构,以及存在薄弱层的结构,出于对结构安全的考虑,规范增加了对剪重比的要求。

四、规范要求：①《抗规》5.2.5条规定:抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求：∑>=ni j G V j eki λ，（其余同高规4.3.12）我说的：λ查表5.2.5，对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大1.15倍，即楼层最小剪力系数λ应乘以1.15倍。

②《高规》4.3.12条规定:我说的：这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的水平地震剪力如果达不到规范的最低要求，就要人为提高，并按这个最低要求完成后续的计算。

五、SATWE 中怎么看：WZQ 文件→周期、地震力与振型输出文件→各层 X 方向的作用力(CQC)Floor : 层号Tower : 塔号Fx : X 向地震作用下结构的地震反应力Vx : X 向地震作用下结构的楼层剪力∑==n i j G V j ekiλMx : X 向地震作用下结构的弯矩Static Fx: 静力法 X 向的地震力------------------------------------------------------------------------------------------Floor Tower Fx Vx (分塔剪重比) (整层剪重比) Mx Static Fx(kN) (kN) (kN-m) (kN)(注意:下面分塔输出的剪重比不适合于上连多塔结构)……3 1 667.54 1811.39( 1.53%) ( 1.53%) 36475.79 191.922 1 504.56 2093.45( 1.42%) ( 1.42%) 42587.53 137.111 1 251.76 2261.43( 1.27%) ( 1.27%) 49811.77 72.27抗震规范(5.2.5)条要求的X向楼层最小剪重比 = 0.80%X 方向的有效质量系数: 99.66%……还有Y向，此处省略六、超了怎么办：1.对于一般高层建筑而言,结构剪重比底层为最小,顶层最大,故实际工程中,结构剪重比由底层控制,由下到上,哪层的地震剪力不够，就放大哪层的设计地震内力.2.结构各层剪重比及各楼层地震剪力调整系数自动计算取值,结果详SATWE周期、地震力与振型输出文件WZQ.OUT)3.各层地震内力自动放大与否在调整信息栏设开关；如果用户考虑自动放大，SATWE将在WZQ.OUT中输出程序内部采用的放大系数.4.六度区剪重比可在0.7％～1％取。

多高层结构设计计算的几个值
一.周期比
二、（弹性）层间位移角
(刚性)位移比
（弹塑性）层间位移角
三、剪重比
《高规》5.2.5条与《抗规》4.3.12条相同
四、刚重比
《高规》5.4.1-5.4.4条
总结：
刚重比>=1.4时，满足整体稳定要求；>=2.7时，不用考虑重力二阶效应。

五、刚度比
《高规》3.5.2、3.5.8、5.3.7、10.2.3条
《高规》177页
六、层间剪力比《高规》
《抗规》
七、其它系数的调整
1、X/Y向的有效质量系数
要求应不小于90%。

若不满足，可调整“计算振型数”，但振兴数达到上限时，仍不满足的话，就要需考虑结构布置的合理性。

2、计算振型个数
注意：振兴个数最大不宜超过结构的总自由度数，例如，刚性假定的单塔结构的振型数不得超过层数的3倍。

3、地震作用最大方向
当不小于15度时，需将数值回填到“水平力与整体坐标夹角”。

4、高宽比
《高规》3.3.1条
5.结构基本周期
是计算风荷载的重要指标
可先保留软件的缺省值，待计算后再从计算书中读取数值，回填入“结构基本周期”选项。

6.整体抗倾覆验算
看WMASS总信息里的倾覆力矩是否大于抗倾覆力矩。

抗震参数详解在结构平面基本确定后，构件尺寸以及混凝土强度等级初估之后，采用软件计算。

在计算过程中通过不断调整及控制以下八个重要比值，周期比、位移比、刚度比、刚重比、剪重比、轴压比、受剪承载力比和框架倾覆力矩比对结构体系进行优化：1.周期比：（《高规》3.4.5条）周期比反映结构抗扭和抗侧刚度的相对关系，主要控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。

周期比计算方法：1)扭转周期与平动周期的判断：从计算书中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期，按周期值从大到小排列。

同理，将所有平动系数大于0.5的平动周期值从大到小排列；2）第一周期的判断：从列队中选出数值最大的扭转（平动）周期，查看软件的“结构整体空间振动简图”，看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动，如果其仅仅引起局部振动，则不能作为第一扭转（平动）周期，要从队列中取出下一个周期进行考察，以此类推，直到选出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转（平动）周期；3)周期比计算：将第一扭转周期值除以第一平动周期即可。

周期、地震力与振型输出文件考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数振型号周期转角平动系数(X+Y) 扭转系数1 1.5934 89.80 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.002 1.3949 179.54 0.71 ( 0.71+0.00 ) 0.293 1.1576 0.43 0.29 ( 0.29+0.00 ) 0.714 0.4244 89.28 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.005 0.4029 178.97 0.78 ( 0.78+0.00 ) 0.226 0.3301 0.40 0.22 ( 0.22+0.00 ) 0.78由以上计算结果分析可知：第三周期为结构扭转周期，扭转第一周期与平动第一周期之比为0.726，满足规范中扭转第一周期与平动第一周期之比不应大于0.90的要求；同时，根据结构基本自振周期的经验公式（荷载规范附录E.2.1、E.2.2）计算，来判断整个结构体系刚度是否适中。

钢结构宽厚比经典总结钢结构构件的截面通常采用组合构件，涉及到横截面受力性能与板件的宽厚比，高厚比的关系，以及杆件整体受力性能与长细比的关系，在?钢结构设计标准?GB50017-2021，?建筑抗震设计标准?GB50011-2021，?门式刚架轻型房屋钢结构技术标准?GB51022-2021，?高层民用建筑钢结构技术规程?JGJ99-2021四本标准规程中有不同侧重的要求。

下面具体比照谈一谈。

首先，常见的钢结构建筑物、构筑物，从主要建筑功能、体型、荷载、作用区分有：1轻型钢结构单层厂房〔门式刚架轻型钢结构厂房和其他形式的轻型钢结构厂房〕2单层钢结构厂房〔单层重屋盖和单层轻屋盖〕3单层钢结构厂房〔多层但总高度小于40m，按单层钢结构厂房设计〕4多层钢结构厂房〔多层轻屋盖但总高度小于40m，按单层钢结构厂房设计，屋面按门式刚架设计〕5多层钢结构厂房〔多层但总高度大于40m，按多高层钢结构房屋设计〕6多层钢结构房屋7高层民用建筑钢结构四本标准主要设计原那么如下：1、?钢结构设计标准?GB50017-2021：标准不涉及体系抗震的一些构件设计，执行板件S4级，即俗称的普通钢结构的构件宽厚比最低设计标准，属于截面边缘纤维弹性设计。

涉及塑性铰开展的塑性调幅设计及抗震性能化设计，是标准截面分类等级的主要使用场合。

但目前性能设计牵涉到构件塑性耗能区承载性能等级的描述笼统，以及性能参考等级的范围跨度较大，准确操作工作量较大，不确定性较大，因此性能设计的方法不太方便使用。

对于一般规模体量一般重要性的钢结构建筑，按照抗震标准的相关章节，针对前述不同结构体系的具体要求，设计显得依据清晰，工作效率高。

2、?建筑抗震设计标准?GB50011-2021：8．1．3钢结构房屋应根据设防分类、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。

丙类建筑的抗震等级应按表8．1．3确定。

2一般情况，构件的抗震等级应与结构相同；当某个部位各构件的承载力均满足2倍地震作用组合下的内力要求时，7～9度的构件抗震等级应允许按降低一度确定。