高层结构设计需要控制的六个比值.doc

高层结构设计需要控制的六个比值高层结构设计需要控制的六个比值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，见抗规6.3.7和6.4.6. 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、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，见抗规3.4.2. 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。见抗规3.4.2. 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，要求见高规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，要求见高规。高层结构设计需要控制的七个比值 分类:高层结构高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中控制的目标参数主要有如下七个： 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6.3.7和6.4.6。 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、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，见抗规3.4.2。 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。见抗规3.4.2。 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，要求见高规 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，要求见高规。 7、层间受剪承载力比：控制竖向不规则性；要求见高规。 高层结构设计需要控制的七个比值及调整方法（自Tiger）高层建筑抗震设计短柱问题的处理 孙永权 陈如荣 冯世忠(浙江绍兴) 在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大，且轴压比越小截面越大；而截面增大导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。因此，在高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足规程1对轴压比限值的要求，柱子的截面往往较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。另外，诸如图书馆的书库、层高较低的储藏室、高层建筑的地下车库等由于使用荷载大、层高较低，在设计中也不可避免地会出现短柱。众所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌，无法满足“中震可修，大震不倒”的设计准则。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生，首先要正确判定短柱，然后对短柱采取一些构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。 一、短柱的正确判定 规程1和规范2都规定，柱净高H与截面高度h之比Hh4为短柱，工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱，这是一个值得注意的问题。因为确定是否短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比=MVh2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比Hh4的柱其剪跨比不一定小于2，亦即不一定是短柱。按Hh4来判定的主要依据是：=MVh2；考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0.5VH，则=MVh=0.5VHVh=0.5Hh2，由此即得Hh4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按Hh4来判定短柱，而应按短柱的力学定义剪跨比=MVh2来判定才是正确的。 事实上，在柱高Hn或连续梁剪跨a的范围内，最大剪跨比出现在弯矩较大区段。钢筋砼构件的抗剪承载力是随剪跨比增大而降低的。所以，同样条件下，弯矩较大区段的截面抗剪承载力要比弯矩较小区段的小，在荷载作用下，如果发生剪切破坏，就只能是在弯矩较大区段上。用来判断框架柱是否属于短柱的剪跨比当然应是可能发生剪切破坏截面的剪跨比。 二、改善短柱抗震性能的措施 当按剪跨比判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可；确定为短柱后，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。 1.使用复合螺旋箍筋。高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。 2.采用分体柱。由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪切而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。 3.采用钢骨砼柱。钢骨砼柱由钢骨和外包砼组成。钢骨通常采用由钢板焊接拼制或直接扎制而成的工字形、口字形、十字形截面。由于钢骨砼柱充分发挥了钢与砼两种材料的特点，具有截面尺寸小、自重轻、延性好以及优越的技术经济指标等特点，如果在高层或超高层钢筋砼结构下部的若干层采用钢骨砼柱，可大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。 4.采用钢管砼柱。钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。 三、小结 1.确定是否短柱不宜按Hh4来判别，而应按剪跨比=MVh2来判别。 2.当按剪跨比判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可；确为短柱，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中控制的目标参数主要有如下七个： 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6.3.7和6.4.6，高规 6.4.2和7.2.14。 轴压比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。 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，高规3.3.13。这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的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。 剪重比不满足时的调整方法： 1）程序调整：在SATWE的“调整信息”中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”后，SATWE按抗规5.2.5自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。 2）人工调整：如果还需人工干预，可按下列三种情况进行调整： a）当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度； b）当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标； c）当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可在SATWE的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。5.2.5 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： 式中 VEki第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力； 剪力系数，不应小于表5.2.5规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数； Gj第j层的重力荷载代表值。 注：1 基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；2 括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。 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，见抗规3.4.2，高规4.4.2；对于形成的薄弱层则按高规5.1.14予以加强。4.4.2 抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。 刚度比不满足时的调整方法： 1）程序调整：如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求，SATWE自动将该楼层定义为薄弱层，并按高规5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍。 2）人工调整：如果还需人工干预，可适当降低本层层高和加强本层墙、柱或梁的刚度，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的刚度。 4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。见抗规3.4.2，高规 4.3.5。 位移比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；可利用程序的节点搜索功能在SATWE的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度；也可找出位移最小的节点削弱其刚度；直到位移比满足要求。 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，见高规4.3.5。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小。 周期比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，提高结构的扭转刚度；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。4.3.5 结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，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本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，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本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85 6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳，见高规5.4.1和5.4.4。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。 刚重比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。 7、层间受剪承载力比：控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2，高规4.4.3；对于形成的薄弱层应按高规5.1.14予以加强。 层间受剪承载力比不满足时的调整方法： 1）程序调整：在SATWE的“调整信息”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号，将该楼层强制定义为薄弱层，SATWE按高规5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍。 2）人工调整：如果还需人工干预，可适当提高本层构件强度（如增大配筋、提高混凝土强度或加大截面）以提高本层墙、柱等抗侧力构件的承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的承载力。 如果结构竖向较规则，第一次试算时可只建一个结构标准层，待结构的周期比、位移比、剪重比、刚度比等满足之后再添加其它标准层；这样可以减少建模过程中的重复修改，加快建模速度。一）地震力与地震层间位移比的理解与应用规范要求：抗震规范第3.4.2和3.4.3条及高规第4.4.2条均规定：其楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层侧向刚度的70或其上相邻三层侧向刚度平均值的80。计算公式：Ki=Vi/ui应用范围：可用于执行抗震规范第3.4.2和3.4.3条及高规第4.4.2条规定的工程刚度比计算。可用于判断地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端。（二）剪切刚度的理解与应用规范要求：高规第E.0.1条规定：底部大空间为一层时，可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比表示转换层上、下层结构刚度的变化，宜接近1，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2.计算公式见高规151页。抗震规范第6.1.14条规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下室结构的侧向刚度与上部结构的侧向刚度之比不宜小于2.其侧向刚度的计算方法按照条文说明可以采用剪切刚度。计算公式见抗震规范253页。SATWE软件所提供的计算方法为抗震规范提供的方法。应用范围：可用于执行高规第E.0.1条和抗震规范第6.1.14条规定的工程的刚度比的计算。（三）剪弯刚度的理解与应用规范要求：高规第E.0.2条规定：底部大空间大于一层时，其转换层上部与下部结构等效侧向刚度比e可采用图E所示的计算模型按公式（E.0.2）计算。e宜接近1，非抗震设计时e不应大于2，抗震设计时e不应大于1.3.计算公式见高规151页。高规第E.0.2条还规定：当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度比不应小于相邻上部楼层的60。SATWE软件所采用的计算方法：高位侧移刚度的简化计算应用范围：可用于执行高规第E.0.2条规定的工程的刚度比的计算。（四）上海规程对刚度比的规定上海规程中关于刚度比的适用范围与国家规范的主要不同之处在于：上海规程第6.1.19条规定：地下室作为上部结构的嵌固端时，地下室的楼层侧向刚度不宜小于上部楼层刚度的1.5倍。上海规程已将三种刚度比统一为采用剪切刚度比计算。（五）工程算例：工程概况：某工程为框支剪力墙结构，共27层（包括二层地下室），第六层为框支转换层。结构三维轴测图、第六层及第七层平面图如图1所示（图略）。该工程的地震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.3g.113层X向刚度比的计算结果：由于列表困难，下面每行数字的意义如下：以“”分开三种刚度的计算方法，第一段为地震剪力与地震层间位移比的算法，第二段为剪切刚度，第三段为剪弯刚度。具体数据依次为：层号，RJX，Ratx1，薄弱层RJX，Ratx1，薄弱层RJX，Ratx1，薄弱层。其中RJX是结构总体坐标系中塔的侧移刚度（应乘以10的7次方）；Ratx1为本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70的比值或上三层平均刚度80的比值中的较小者。具体数据如下：1，7.8225，2.3367，否13.204，1.6408，否11.694，1.9251，否2，4.7283，3.9602，否11.444，1.5127，否8.6776，1.6336，否3，1.7251，1.6527，否9.0995，1.2496，否6.0967，1.2598，否4，1.3407，1.2595，否9.6348，1.0726，否6.9007，1.1557，否5，1.2304，1.2556，否9.6348，0.9018，是6.9221，0.9716，是6，1.3433，1.3534，否8.0373，0.6439，是4.3251，0.4951，是7，1.4179，2.2177，否16.014，1.3146，否11.145，1.3066，否8，0.9138，1.9275，否16.014，1.3542，否11.247.1.3559，否9，0.6770，1.7992，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否10，0.5375，1.7193，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否11，0.4466，1.6676，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否12，0.3812，1.6107，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否13，0.3310，1.5464，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否注1：SATWE软件在进行“地震剪力与地震层间位移比”的计算时“地下室信息”中的“回填土对地下室约束相对刚度比”里的值填“0”；注2：在SATWE软件中没有单独定义薄弱层层数及相应的层号；注3：本算例主要用于说明三种刚度比在SATWE软件中的实现过程，对结构方案的合理性不做讨论。计算结果分析按不同方法计算刚度比，其薄弱层的判断结果不同。设计人员在SATWE软件的“调整信息”中应指定转换层第六层薄弱层层号。指定薄弱层层号并不影响程序对其它薄弱层的自动判断。当转换层设置在3层及3层以上时，高规还规定其楼层侧向刚度比不应小于相邻上部楼层的60。这一项SATWE软件并没有直接输出结果，需要设计人员根据程序输出的每层刚度单独计算。例如本工程计算结果如下：1.3433107（1.4179107）94.7460满足规范要求。地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端的判断：a）采用地震剪力与地震层间位