浅谈高层建筑中的六个比

文献综述浅谈高层建筑中的六个比1.建筑的组成材料和结构类型是构成建筑物各方面的组成部分，包括承重结构、围护结构、楼地面和隔墙。

在建筑物内部还有机械和电气系统，例如电梯、供暖和冷却系统、照明系统等。

高于地面的部分是建筑物的上部结构，地面以下部分为建筑物的基础和地基。

2．研究背景高层建筑，被认为是现代派文明的象征在全国各城市得到迅速的发展，高度也不断上升，从数以万计的二、三十层达到百米以上的摩天大楼。

现在高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化、城市化的结果。

而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。

我国目前正处于高层建筑建设的高潮，然而许多高层建筑却处于“低标准、高消耗、低效能、高污染”的状态，这种发展是不能持久的。

因此，以“绿色和生态”为宗旨的设计，必将成为21世纪我们的首要目标之一。

而高层建筑中六个比作为高层设计之中的重中之重需要认真考虑。

2.1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。

《抗规》3.4.2条建筑设计应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响，宜择优选用规则的形体，其抗侧力构件的平面布置宜规则堆成、侧向刚度沿竖向宜均匀变化、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、避免侧向刚度和承载力突变。

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3.4.5》3.7.3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。

《六个比》本建筑属于高度不大于150米，其楼层层间最大位移与层高之比（即最大层间位移角）△u/h限值：框架-剪力墙1/800。

《六个比》计算位移比仅考虑墙顶、柱顶等竖向构件节点的最大位移，不考虑其他节点的位移。

位移比可以用结构刚心与质心的相对位置（偏心率）表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转效应较大，位移比是控制结构整体抗扭特性和平面不规则性的重要指标。

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. 位移比不满足时：1.位移比不满足出现在结构上部的情况时，可采取增大位移处构件刚度，减小最小位移处构件刚度。

2.允许在最大位移处增加剪力墙的情况时，可采用局部加剪力墙的方式增加刚度。

3.允许加大结构构件截面尺寸来时，增加框架部分侧向刚度。

《浅谈位移比的调整》赵兵/中国建筑科学研究院，张权/北京建七建设工程有限公司。

2.2周期比：结构扭转为主的第一自振（也称第一扭振周期）Tt与平动为主的第一自振周期T1的比值。

周期比主要控制结构扭转效应，减少扭转对结构产生的不利影响，使结构的扭转刚度不能太弱。

两者接近时，由于震动藕连的影响，结构的扭转效应将明显增大。

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（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4.3.5》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，使得结构不至于出现过大（相对于侧移的扭转效应。

即周期比控制不是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合理性。

）如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。

周期比调整原则：1.结构抗侧力构件的布局均匀对称；2.增加结构周边的刚度；3.降低结构中部的刚度。

《入门到精通》2.3刚度比：结构竖向不同楼层的侧向刚度比值（也称层刚度比），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（在强烈地地震作用下，结构首先发生屈服并产生较大弹性变形的部位）。

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，均以层刚度化作为依据。

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，可按以下方法调整：1）适当降低本层层高，或适当提高上部相关楼层的层高。

2）适当加强本层墙、柱和梁的刚度，或适当的削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度。

《高层结构设计需要控制的七个比值及调整方法》2.4刚重比：结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比。

它是影响重力二阶效应的主要参数，且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。

高层建筑在风荷载或水平地震作用下，若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，则可以满足高层建筑稳定性的要求。

4.2相关规范条文的控制：[高规]5.4.4条规定:1.对于剪力墙结构,框剪结构,筒体结构稳定性必须符合下列规定:2.对于框架结构稳定性必须符合下列规定: Di*Hi/Gi>=104.3电算结果的判别与调整要点:1.按照下式计算等效侧向刚度：2.对于剪切型的框架结构,当刚重比大于10时，则结构重力二阶效应可控制在20%以内,结构的稳定已经具有一定的安全储备；当刚重比大于20时,重力二阶效应对结构的影响已经很小,故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应。

3.对于弯剪型的剪力墙结构、框剪结构、筒体结构，当刚重比大于1.4时，结构能够保持整体稳定；当刚重比大于2.7时，重力二阶效应导致的内力和位移增量仅在5%左右，故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应。

2.若结构刚重比(Ejd/GH2)>1.4,则满足整体稳定条件,SATWE输出结果参WMASS.OUT。

3.高层建筑的高宽比满足限值时，可不进行稳定验算，否则应进行。

4.当高层建筑的稳定不满足上述规定时，应调整并增大结构的侧向刚度。

《高层结构施工图设计中六个＂比＂即位移比、周期比、刚度比、刚重比、剪重比、轴压比的控制与调整》结构的整体振动（左右摇摆）可以看着是简谐运动建筑的自震周期为T=2π√（m/k). √为根号。

以看到如果刚重比越大，M/K越小，周期就越小，一般情况下，根据抗规5.1.5来看，地震影响系数就越大，由抗规5.2.1条得Fek=a1*Geq（a1为地震影响系数（抗规 5.1.5）与建筑的自震周期有关）地震标准值（简称地震力算了）就越大。

如果是在刚度不变，重力荷载标准值（Geq）变大的情况，就会出现结构的位移变大，稳定性会不过。

一个机构的刚度（k）是指弹性体抵抗变形（弯曲、拉伸、压缩等）的能力。

计算公式：k=P/δ（P是作用于机构的恒力，δ是由于力而产生的形变）。

因此可以这么说，刚重比越小，越不稳定。

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，宜适当减小墙、柱等竖向构件的截面面积。

2.5剪重比：最小地震建立系数λ，主要是控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于周期结构，以及存在薄弱层的机构，地震动态作用下的地面运动速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，而振型分解反应谱法尚无法对此做出较准确的计算。

出于对结构安全的考虑，规范规定了各层楼水平剪力的最小值。

对于6度区的宁波，剪重比可在0.7%-1%取，若减重比过小，均为构造配筋，说明底部剪力过小，要对构件截面大小、周期折减等进行检查。

若剪重比过大，说明底部剪力很大也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。

相关规范条文的控制：[抗规]5.2.5条与[高规]3.3.13条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力不应小于下表给出的最小地震剪力系数λ。

类别7度7.5度8度8.5度9度。

扭转效应明显或基本周期小于3.5S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电算结果的判别与调整要点:(1).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，即上表中楼层最小剪力系数λ应乘以1.15倍。

当周期介于3.5S和5.0S之间时，可对于上表采用插入法求值。

(2).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。

(3).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。

(4).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。

(5).六度区剪重比可在0.7％～1％取。

若剪重比过小，均为构造配筋,说明底部剪力过小，要对构件截面大小、周期折减等进行检查;若剪重比过大，说明底部剪力很大，也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。

2.6轴压比：柱（墙）轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。

它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一，为了使墙柱具有很好的延性和耗能能力，规范采取的措施之一就是轴压比。

本结构为三级抗震等级，轴压比为不宜超过0.95。

3.结束语:以上仅从规范条文及软件运用的角度对高层结构设计中非常重要的“六个比”进行对照理解，然而规范条文终究有其局限性，只能针对一些普通、典型的情况提出要求，软件的模拟计算与实际情况也有一定的差距，因此，对于千变万化的实际工程，需要结构工程师运用概念设计的要求，做出具体分析和采取具体措施，避免采用严重不规则结构。

对于某些建筑功能极其复杂，结构平面或竖向不规则的高层结构，以上比值可能会出现超过规范限制的情况，这时必须进行概念设计，尽可能对原结构方案作出调整或采取有效措施予以弥补。

其实,高层结构设计除上述“六个比”需很好控制以外,还有很多“比值”需要结构设计人员在具体工程的设计中认真的去对待，很好的加以控制，如高层建筑高宽比，结构与构件的延性比，梁柱的剪跨比、剪压比，柱倾覆力矩与总倾覆力矩之比等等。

它们对于实现“强剪弱弯”，“强墙弱梁”“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计理念均起着重要作用。

参考文献1.《高层建筑之吾见》-梁丹青2.《高层建筑结构设计和计算》清华大学-包世华3.《现代高层建筑的可持续发展》-张仁新 20084.《结构设计成功之路》施春亮 2011.065.《抗震规范2010》中华人民共和国住房和城乡建设部 2010.12.016.《pkpm结构软件从入门到精通》杨星 2008.087.《高层结构设计中的六个比》8.《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》中华人民共和国住房和城乡建设部 2010.10.219.《一些重要的结构概念》10.《混凝土结构设计规范GB50010-2010》中华人民共和国住房和城乡建设部2011.07.0111.《Tall Buildings andvSustainability》Will Pank, Maunsell Ltd,Herbert Girardet, Urban Futures Greg Cox, Oscar Faber Ltd March 200212.《Designing Tall Buildings: Structure as Architecture》Mark P. Sarkisian 2011-09-19。