高层建筑结构设计中几个比值的概念与作用

1、高层建筑结构设计中几个比值的概念与作用筑结构总体参数控制意义、方法、及注意事项。1 刚度比的控制 A 控制意义： 新规范要求结构各层之间的刚度比，并根据刚度比对地震力进行放大，。 新规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等等，都要求有层刚度作为依据， 直观的来说,层刚度比的概念用来体现结构整体的上下匀称度. B 规范条文： 新抗震规范附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。 新高规的4.4.3条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%

2、。 新高规的5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。 新高规的10.2.6条规定，底部大空间剪力墙结构，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度，应符合高规附录D的规定。 E.0.1底部大空间为一层的部分框支剪力墙结构，可近似采用转换层上、下层结构等效刚度比表示转换层上、下层结构刚度的变化，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2。 E.0.2底部为25层大空间的部分框支剪力墙结构，其转换层下部框加-剪力墙结构的等效侧向刚度与相同或相近高度的上部剪力墙结构的等效侧向刚度比e宜接近1，非抗震设计时不应

3、大于2，抗震设计时不应大于1.3。 C 计算方法及程序实现： >>楼层剪切刚度 >>单层加单位力的楼层剪弯刚度 >>楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度 只要计算地震作用，一般应选择第 3 种层刚度算法 不计算地震作用，对于多层结构可以选择剪切层刚度算法，高层结构可以选择剪弯层刚度 不计算地震作用，对于有斜支撑的钢结构可以选择剪弯层刚度算法 D 注意事项: 转换层结构按照“高规”要求计算转换层上下几层的层刚度比，一般取转换层上下等高的层数计算。 层刚度作为该层是否为薄弱层的重要指标之一，对结构的薄弱层，规范要求其地震剪力放大1.15，这里程序将由用户自行控

4、制。 当采用第3种层刚度的计算方式时，如果结构平面中的洞口较多，这样会造成楼层平均位移的计算误差增加，此时应选择“强制刚性楼板假定”来计算层刚度。选择剪切、剪弯层刚度时，程序默认楼层为刚性楼板。2 周期比的控制 A 控制意义： 周期比-第一扭转周期与第一侧振周期的比值 周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。所以一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。一句话，周期比控制不是在要求结构足够结

5、实，而是在要求结构承载布局的合理性 验算周期比的目的，主要为控制结构在罕遇大震下的扭转效应。 B 规范条文 高层规程第4.3.5条，要求：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 抗归中没有明确提出该概念，所以多层时该控制指标可以适当放松，但一般不大于1.0。 C 计算方法及程序实现 程序计算出每个振型的侧振成份和扭振成份，通过平动系数和扭转系数可以明确地区分振型的特征。 周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期Tt，周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周

6、期T1（注意：在某些情况下，还要结合主振型信息来进行判断）。知道了Tt和T1，即可验证其比值是否满足规范 D 注意事项 >>复杂结构的周期比控制 多塔结构周期比：对于多塔楼结构，不能直接按上面的方法验算。如果上部没有连接，应该各个塔楼分别计算并分别验算，如果上部有连接，验算方法尚不清楚。 体育场馆、空旷结构和特殊的工业建筑，没有特殊要求的，一般不需要控制周期比。 当高层建筑楼层开洞口较复杂，或为错层结构时，结构往往会产生局部振动，此时应选择“强制刚性楼板假定”来计算结构的周期比。以过滤局部振动产生的周期 3 位移比的控制 A 控制意义： 位移比-是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间

7、位移角与本楼层平均值的比 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。（在高归4.3.5条中位移比和周期比是同时提出的） B 规范条文 抗规第3.4.3.1条规定：平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：1)扭转不规则时，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍； 新高规的4.3.5条规定，在考虑质量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角，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

8、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。 C 计算方法及程序实现 程序中对每一层都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，用户可以一目了然地判断是否满足规范。 且注意位移比的限值是根据刚性楼板假定的条件下确定的，其平均位移的计算方法，也基于“刚性楼板假定”。 控制位移比的计算模型： 按照规范要求的定义，位移比表示为“最大位移/平均位移”，而平均位移表示为“（最大位移+最小位移）/2”，其中的关键是“最小位移”，当楼层中产生0位移节点，则最小位移一定为0，从而造成平均位移为最大位移

9、的一半，位移比为2。则失去了位移比这个结构特征参数的参考意义，所以计算位移比时，如果楼层中产生“弹性节点”，应选择“强制刚性楼板假定”。 规范要求：高规4.3.5条，应在质量偶然偏心的条件下，考察结构楼层位移比的情况。 层间位移角：程序采用“最大柱（墙）间位移角”作为楼层的层间位移角，此时可以“不考虑偶然偏心”的计算条件。 D 注意事项 >>复杂结构的位移控制 复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，这些结构或者柱、墙不在同一标高，或者本层根本没有楼板，此时如果采用“强制刚性楼板假定”，结构分析严重失真，位移比也没有意义。所以这类结构可以通过位移的“详细输出”或观察结构的变

10、形示意图，来考察结构的扭转效应。 对于错层结构或带有夹层的结构，这类结构总是伴有大量的越层柱，当选择“强制刚性楼板假定”后，越层柱将受到楼层的约束，如果越层柱很多，计算失真。 总之，结构位移特征的计算模型之合理性，应根据结构的实际出发，对复杂结构应采用多种手段。 4 剪重比的控制 A 控制意义： 控制剪重比，是要求结构承担足够的地震作用，设计时不能小于规范的要求。 剪重比与地震影响系数由内在联系:=0.2max B 规范条文 抗震规范第5.2.5条明确要求了楼层剪重比 C 计算方法及程序实现 剪重比是反映地震作用大小的重要指标，它可以由“有效质量系数”来控制，当“有效质量系数”大于90%时，可

11、以认为地震作用满足规范要求，此时，再考察结构的剪重比是否合适，否则应修改结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求。 “有效质量系数”与“振型数”有关，如果“有效质量系数”不满足90%，则可以通过增加振型数来满足。 >>有效质量系数 概念来源：WILSON E.L. 教授曾经提出振型有效质量系数的概念用于判断参与振型数足够与否，并将其用于ETABS程序，他的方法是基于刚性楼板假定的，不适用于一般结构。 方法发展： 现在不少结构因其复杂性需要考虑楼板的弹性变形，因此需要一种更为一般的方法，不但能够适用于刚性楼板，也应该能够适用于弹性楼板。出于这个目的，我们从结构变形能的

12、角度对此问题进行了研究，提出了一个通用方法来计算各地震方向的有效质量系数，这个新方法已经实现于TAT、SATWE和PMSAP。 经验：根据我们的计算经验，当有效质量系数大于0.8时，基底剪力误差一般小于5%。在这个意义上我们称有效质量系数大于0.8的情形为振型数足够；否则称振型数不够。 规范：高规5.1.13规定对B级高度高层建筑及复杂高层建筑有效质量系数不小于0.9程序自动计算该参数并输出。 >>剪重比的调整 当剪重比不满足规范要求时，程序将自动调整地震作用，已达到设计目标的要求。 剪重比调整系数将直接乘在该层构件的地震内力上。 地下室可以不受最小剪重比的控制。 TAT可以人工控

13、制结构的剪重比；而SATWE是按照规范值控制，不能人工控制。5 结构薄弱层的验算和控制 A 控制意义： 避免薄弱层的轻易出现,若不可避免要采取相应措施予以加强 B 规范条文 高规的4.4.2、5.1.14条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一层的70%或小于其上相临三层侧向刚度平均值的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。 规范规定：高规的4.4.3、5.1.14条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层

14、间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计的高层建筑结构，结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。 C 计算方法及程序实现 薄弱层方法之一：按层刚度比来判断 薄弱层方法之二：按楼层承载力比来判断 薄弱层方法之三：按楼层弹塑性层间位移角来判断 >>按层刚度比来判断 规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层时，抗震规范和高规建议的计算层刚度的下列方法（地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作为依据）： 方法1：高规附录E.0.1建议的方法即剪切刚

15、度：Ki = Gi Ai / hi 方法2：高规附录E.0.2建议的方法即剪弯刚度：Ki = Vi / i 方法3：抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明及高规建议的方法即地震剪力位移比刚度：Ki = Vi / i 由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置、材料强度来改变。 >>按楼层承载力比来判断 程序将薄弱层地震作用标准值乘以1.15的增大系数。 选择剪力位移比方法计算层刚度时，一般要采用“刚性楼板假定”的条件。对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次。在刚性楼板假定条件下计算层刚度并找出薄弱层。再在真实条件下计算，并且检查原找出的薄弱层是否得到确认，完成其它计算。 转换

16、层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层。不管该层程序判断是否满足刚度比要求，用户都应强制该层为“薄弱层”。对于错层、刚度削弱层，以及承载力比值不满足规范的楼层，也应采用“强制薄弱层”来特别指定。 由楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋来解决。如提高“超配系数”等。 >>按楼层弹塑性层间位移角来判断 结构弹塑性变形验算，指罕遇地震下结构层间位移不超过弹塑性层间位移角，属变形能力极限状态验算。 规范：罕遇地震影响系数最大值的取值，7度max为0.50或0.72；8度max为0.9或1.2；9度max 为 1.4。 计算方法：简化方法，适用于不超过12层，且层侧向刚度无突变的框架结构；

17、弹塑性静力分析方法；弹塑性动力分析方法。6 结构稳定性的验算与控制 A 控制意义： 对结构稳定性的控制,避免建筑在地震时发生倾覆. 当高层、超高层建筑高宽比较大，水平风、地震作用较大，地基刚度较弱时，结构整体倾覆验算很重要，它直接关系到结构安全度的控制。 B 规范条文 规范：高规5.4.2条，高层建筑结构如果不满足第5.4.1条（即结构刚重比）的规定时，应考虑重力二阶效应对水平力（地震、风）作用下结构内力和位移的不利影响。 规范：高规5.4.4条，规定了高层建筑结构的稳定所应满足的条件. 高规5.4.1条，当高层建筑结构的稳定应符合一定条件时，可以不考虑重力二阶效应的不利影响。 高规第12.1

18、.6条，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑。 C 计算方法及程序实现 重力二阶效应即P-效应包含两部分，（1）由构件挠曲引起的附加重力效应；（2）由水平荷载产生侧移，重力荷载由于侧移引起的附加效应。一般只考虑第（2）种，第（1）种对结构影响很小。 当结构侧移越来越大时，重力产生的福角效应（ P-效应）将越来越大，从而降低构件性能直至最终失稳。 在考虑P-效应的同时，还应考虑其它相应荷载，并考虑组合分项系数，然后进行承载力设计。 对于多层结构 P-效应影

19、响很小。 对于大多数高层结构， P-效应影响将在5%10%之间。 对于超高层结构， P-效应影响将在10%以上。 所以在分析超高层结构时，应该考虑 P-效应影响。 (P-效应对高层建筑结构的影响规律:中间大两端小) 框架为剪切型变形，按每层的刚重比验算结构的整体稳定 剪力墙为弯曲型变形，按整体的刚重比验算结构的整体稳定 整体抗倾覆的控制?基础底部零应力区控制 D 注意事项 >>结构的整体稳定的调整 当结构整体稳定验算符合高规5.4.4条，或通过考虑P-效应提高了结构的承载力后，对于不满足整体稳定的结构，必须调整结构布置，提高结构的整体刚度（只有高宽比很大的结构才有可能发生）。 当整

20、体稳定不满足要求时，必须调整结构方案，减少结构的高宽比。 对一些特殊的工业建筑物，在没有特殊要求的情况下，也应满足整体稳定的要求。 >>结构大震下的稳定 第二阶段设计是结构的弹塑性变形验算，对地震下容易倒塌的结构和有特殊要求的结构，要求其薄弱部位的验算应满足大震不倒的位移限制，并采用相应的专门的抗震构造措施。 对于复杂和超限高层结构宜进行第二阶段的设计。 第二阶段的弹塑性变形分析，宜同时考虑结构的P-效应。 为了保证结构大震下的稳定，弹塑性层间位移角应满足下表的要求： 结构类型 弹塑性位移角限值p 混凝土框架 1/50 混凝土框剪、框筒 1/100 混凝土剪力墙、筒中筒 1/120

21、 多高层钢结构 1/50 >>结构整体抗倾覆验算 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）与建筑抗震设计规范（GB50011-2001），对高层建筑尤其是高宽比大于4的高层建筑的整体抗倾覆提出了更严格的要求。 计算时假定基础及地基均具有足够的刚度，基底反力呈线性分布；重力荷载合力中心与基底形心基本重合（一般要求偏心距不大于B/60）。如为基岩，地基足够刚，MR/MOV要求可是当放松；如为中软土地基，MR/MOV要求还应适当从严。 地震时，地基稳定状态受到影响，故抗震设计时，尤其抗震设防烈度为8度以上地区， MR/MOV要求还要求适当从严；抗风时，可计及地下室周边被动土压力作

22、用，但MR/MOV要求仍应满足规程要求、不宜放松。 当扩大的裙房地下室底板较薄、地下室墙体较少、地下室墙体、顶板开洞削弱较多时，抗倾覆力矩计算的基础底面宽度宜适当减少，或可取塔楼基础的外包宽度计算，以策安全。文字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

23、、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。几个限值的意义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，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。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、3.4.3。 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4.3.5。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。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、。7、