高层结构设计中要控制的“六种比值”

高层结构设计中要控制的“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”：☆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。【解释】轴压比N/（fcA）指考虑地震作用组合的框架柱和框支柱轴向压力设计值N与柱全截面面积A和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积之比值。国内外的试验表明，受压构件的位移延性随轴压比的增大而减小。增加柱的配箍率、采用复合箍筋、螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋以及在截面中设置矩形核心柱都能增加柱的位移延性。这是因为配置复合箍筋、螺旋箍筋、连续复合矩形螺旋箍筋加强了箍筋对混凝土的约束作用，提高了柱核心混凝土的抗压强度，增大了其极限压应变，从而改善了柱的延性和耗能能力。而柱截面中设置矩形核心柱不仅增加了柱的受压承载力，也可以提高柱的变形能力，且有利于在大变形情况下防止倒塌。实验表明，剪力墙在周期反复荷载作用下的塑性变形能力，与截面纵向钢筋的配筋、端部边缘构件范围、端部边缘构件内纵向钢筋及箍筋的配置，以及截面形状、截面轴压比大小等因素有关，而墙肢的轴压比是更重要的影响因素。当轴压比较小时，即使在墙端部不设约束边缘构件，剪力墙也具有较好的延性和耗能能力；而当轴压比超过一定值时，不设约束边缘构件的剪力墙，其延性和耗能能力降低。因此，对一、二级抗震等级的各类结构体系中的剪力墙，在塑性铰可能出现的底部加强部位，规定了在重力荷载代表值作用下的墙肢的轴压比限值。【规范】《建筑抗震设计规范》GB50011-20016.3.7柱轴压比不宜超过表6.3.7的规定；建造于W类场地且较高的高层建筑，柱轴压比限值应适当减小。表6.3.7 柱轴压比限值结构类型一抗震等级三框架结构0.70.80.9框架-抗震墙，板柱-抗震墙及筒体0.750.850.95部分框支剪力墙0.60.7注：1轴压比指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值；可不进行地震作用计算的结构，取无地震作用组合的轴力设计值；2表内限值适用于剪跨比大于2、混凝土强度等级不高于C60的柱；剪跨比不大于2的柱轴压比限值应降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施；3沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm、间距不大于100mm、直径不小于12mm，或沿柱全高采用复合螺旋箍、螺旋间距不大于100mm、箍筋肢距不大于200mm、直径不小于12mm，或沿柱全高采用连续复合矩形螺旋箍、螺旋净距不大于80mm、箍筋肢距不大于200mm、直径不小于10mm、轴压比限值均可增加0.10；上述三种箍筋的配箍特征值均应按增大的轴压比由本节表6.3.12确定；4在柱的截面中部附加芯柱，其中另加的纵向钢筋的总面积不少于柱截面面积的0.8%，轴压比限值可增加0.05；此项措施与注3的措施共同采用时，轴压比限值可增加0.15，但箍筋的配箍特征值仍可按抽压比增加0.10的要求确定；5柱轴压比不应大于1.05。6.4.6抗震墙两端和洞口两侧应设置边缘构件，并应符合下列要求：1抗震墙结构，一、二级抗震墙底部加强部位及相邻的上一层应按本章第6.4.7条设置约束边缘构件，但墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比小于表6.4.6的规定值时可按本章第6.4.8条设置构造边缘构件。表6.4.6 抗震墙设置构造边缘构件的最大轴压比等级或烈度一级（9度）一级（8度）二级轴压比0.10.20.32部分框支抗震墙结构，一、二级落地抗震墙底部加强部位及相邻的上一层的两端应设置符合约束边缘构件要求的翼墙或端柱，洞口两侧应设置约束边缘构件；不落地抗震墙应在底部加强部位及相邻的上一层的墙肢两端设置约束边缘构件。3一、二级抗震墙的其他部位和三、四级抗震墙，均应按本章6.4.8条设置构造边缘构件。另外，《混凝土结构设计规范》GB50010—200111.4.1311.7.1311.7.1411.7.13一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位在重力荷载代表值作用下，墙肢的轴压比N/（fcA）不宜超过表11.7.13的限值。 °表11.7.13 墙肢轴压比限值抗震等级（设防烈度）一级（9度）一级（8度）二级轴压比限值0.40.50.6注：剪力墙墙肢轴压比N/（fcA）中的A为墙肢截面面枳。【联系】延性是指材料、构件、结构在初始强度没有明显退化的情况下的非弹性变形能力。延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。延性比主要分为三个层面，即截面的延性比、构件的延性比和结构的延性比。结构的延性比多指框架或者剪力墙等结构的水平荷载-顶层水平位移（P-delta）、水平荷载-层间位移等曲线。结构的屈服位移有等能量方法、几何做图法等。☆剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。【解释】剪重比VEki/£G.。剪重比是指水平作用与竖向作用的比值。在78规范的时候，人们用重力乘以系数（我国78规范把这个系数称之为结构系数）来反映地震作用，因为在那时安全度设计的概念里，只是用这样一种方法来反映地震实质上是惯性力这样一个客观道理。最小值的确定实际上可以根据反应谱曲线上计算的最小值来确定，当然，超出了反应谱估计的自震周期的部分可以专门论证，但是，一般工程超出了反应谱规定的最小值是不应该的。如果在6度区II类场地，最小剪压比应是0.6%（2001规范），按89规范应为0.5%。如果计算的结果不满足最小值的限定，计算肯定是存在明显的错误，如输入有误、设置有误，模型不合理，甚至于结构不合理，希望慎重，当然，6度区只要按抗震构造即可，无需计算验算。剪重比也就是地震剪力系数，由《建筑抗震设计规范》GB50011-2001对5.2.5条的条文说明知，“对于扭转效应时显或基本周期小于3.5S的结构，剪力系数取0.2amax（水平地震影响系数）”，由此可据《建筑抗震设计规范》表5.1.4-1推算出各地震列度下的剪力系数：9度为0.2*0.32=0.064，8度为0.2*0.16（0.24）=0.032（0.048），7度为0.2*0.08（0.12）=0.016（0.024），6度为0.2*0.04=0.008。对竖向不规则结构的薄弱层的水平剪力应增大1.15倍，即楼层最小剪力系数不小于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3--2002表3.3.13中相应数值的1.15倍。在抗震规范的抗震截面验算的条文说明中明确指出，剪重比是一个调整系数，即这不是一个指标，计算结果出来后,若剪重比大于规定的最小值，计算结果不作调整，若小于，将地震剪力调大，使剪重比达到规定的最小值。类似框剪结构的0.2Qo。【规范】《建筑抗震设计规范》GB50011-20015.1.4建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。其水平地震影响系数最大值应按表5.1.4-1采用；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表5.1.4-2采用，计算8、9度罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。注：1周期大于6.0s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究；2已编制抗震设防区划的城市，应允许按批准的设计地震动参数采用相应的地震影响系数。*5.1.4-1 N 水平地需影饷系数最大值地震影响 ，6度7度*度多遇地霸OJU早遇地蔑L4I)注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。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：VEkX£Gj（5.2.5）式中：VEki—第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；入一剪力系数，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；G.——第j层的重力荷载代表值。表5.2.5 楼层最小地震剪力系数值类别7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于0.35s的结构0.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5.0s的结构0.012(0.018)0.024(0.032)0.040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。【联系】剪重比是对整个结构体系一个宏观概念，而剪压比是针对单个构件的一个控制指标（类似于剪跨比）。一般的转换梁的截面尺寸是由剪压比计算确定，以避免脆性破坏和具有合适的配箍率。剪压比计算公式：pv=Vmax/fcbho。其中Vmax为转换梁支座截面处最大组合剪力设计值,fc为转换梁混凝土抗压强度设计值,b为转换梁的宽度,ho为转换梁截面的有效高度。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。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、11.4.17。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。☆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。【解释】采用《建筑抗震设计规范》3.4.23.4.3的方法计算层刚度和刚度比要采用“刚性楼板假定”条件下计算层刚度并找出薄弱层。对于有弹性板或0厚板应分开计算，在真实条件下计算，找出薄弱层，再比较确认之。转换层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层。【规范】《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3--2002附录E.0.1E.0.2E.0.1底部大空间为1层时，可近似采用转换层上、下层结构等效剪切刚度比Y表示转换层上、下层结构刚度的变化，Y宜接近1，非抗震设计时Y不应大于3,抗震设计时y不应大于2。y可按下列公式计算：当第i层各柱沿计算方向的截面高度不相等时，可分别计算各柱的折算抗剪截面面积。E.0.2底部大空间层数大于1层时，其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比ye可采用图E所示的计算模型按公式（E.0.2）计算。ye宜接近1，非抗震设计时ye不应大于2,抗震设计时ye不应大于1.3。当转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。《建筑抗震设计规范》GB50011-20013.4.2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；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。当存在表3.4.2-1所列举的平面不规则类型或表3.4.2-2所列举的竖向不规则类型时，应符合本章第3.4.3条的有关规定。表3.4.2-1 平面不规则的类型不规则类型定义扭转不规则楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍凹凸不规则结构平面凹进一侧的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面枳大于该层楼面面枳的30%，或较大的楼层错层表3.4.2-2 竖向不规则的类型不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%3.4.3不规则的建筑结构，应按下列要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施：1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；2） 凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响。2平面规则而竖向不规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求：1） 竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25〜1.5的增大系数；2） 楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。3平面不规则且竖向不规则的建筑结构，应同时符合本条1、2款的要求。☆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。【解释】控制比例为1.5。【规范】《建筑抗震设计规范》GB50011-20013.4.2☆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。【解释】周期比为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。当两者接近时由于振动耦连的影响，结构扭转效应明显增大。若周期比Tt/T1小于0.5，则相对扭转振动效应。r/u一般较小（。，r分别为扭转角和结构回转半径，0r表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移，u为质心位移），即使结构的刚度偏心很大，偏心距。达到0.7r，起相对扭转变形0r/u值也仅为0.2。而当周期比Tt/T1大于0.85以后，相对扭转振动效应0r/u值急剧增加。即使刚度偏心很小，偏心距e仅为0.1r，当周期比Tt/T1等于0.85时，相对扭转变形0r/u值可达0.25；当周期比Tt/T1接近1时，相对扭转变形0r/u值可达0.5。所以，设计中应