建筑结构设计中的十个比值

建筑结构设计中的十个比值

随着计算机技术及CAD技术的发展，当前我们进行建筑结构设计越来越倚重计算软件；对计算软件依赖加深，往往会使我们变得懒于独立思考判断，而是直接引用计算结果作为

设计的依据。这样对于普通的规则的建筑往往没有大问题，但是一遇到特殊的建筑，其计

算结果就会失真，必须人工进行调整干预才能得出正确的结果。《高层建筑混凝土技术规程》第5.1.16条明确指出：对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认合理有

效后方可作为工程设计的依据。这一条文明确指出我们设计人员是设计的主体，软件只是

我们的辅助工具，任何时候都不能丧失独立判断分析的能力。分析一个计算结果正确

与否，有十个比值非常关键，它们是轴压比，剪重比，刚度比，位移比，周期比，刚重比，楼层最大位移与层高比（层间位移角），倾覆力矩比，剪跨比以及剪压比。

（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，见抗震规范第6.3.6条和6.4.5条。轴压比是指柱组合轴力设计值与柱全截面面

积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。需要注意的是荷载组合下柱轴压比不能过大，

从《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第7.3.1条可以看出当轴压力N>0.9φfc时，所增加的轴力全部由钢筋来承担，很不经济，尤其是地下室柱更应注意对截面的控制。根

据以往经验，合理的柱截面应该其配筋为构造配筋（配筋率0.7%~1.0%），当柱计算配筋

面积很大时应加大柱截面。

（2）剪重比：是指结构任一楼层的水平剪力与该层及以上各层总重力荷

载代表值之比。一般特指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比。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《抗震规范》第5.2.5条。剪重比在某种

程度上反映了结构的刚柔程度，它应该在一个合理的范围内。如果结构太刚，剪重比过大，则地震力增加，造成浪费；如果结构太柔，剪重比过小，层间位移比就不满足规范规定的

变形要求。

由此可见，剪重比是反映结构性能的一个重要指标，同时也反映了地震力的大小。与

它关联的参数是“有效质量系数”。当有效质量系数大于90%时，可以认为地震作用满足

规范要求，此时，再查看剪重比是否合适，如果不合适，再调整结构抗侧力构件直到满足

要求。如果剪重比不满足《抗震规范》第5.2.5条要求，程序会自动调整地震力作用，

将调整系数直接乘在该层构件的地震内力上，但是需要指出的是地下室不受最小剪重比的

控制。实际应用过程中，如果剪重比不满足规范要求，说明结构抗侧力构件布置不合理，

我们往往通过调整结构构件布置的方式来调整，而不是采用直接增大地震力的方式。

（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。计算结果详见SATWE后处理文件WMASS.OUT。刚度比与剪重比都反映了结构的

抗震性能，表明了结构在竖向刚度是否均匀。我们在结构设计中一般采用刚度比来判断结

构中是否存在薄弱层，《高规》JGJ3-2002第4.4.2条，4.4.3条明确指出楼层侧向刚度

不宜小

1

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%，如果小于，

则程序会自动判定为薄弱层，地震力自动放大1.15倍。在判定地下室是否作为上部结构

嵌固端时也会用到刚度比的概念，此时候刚度的计算方法要采用剪切刚度。

（4）位移比：是指楼层最大杆件位移与平均杆件位移之比。位移比同样

是反映结构整体性能的一个重要指标，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《抗震规范》第3.4.4条。验算结构的位移比必须注意以下几点： 1）验算位移比应在刚性楼板假定下计算； 2）验算位移比需要考虑偶然偏心的影响；

3）位移比超过1.2时，需要考虑双向地震影响；

4）构件设计出图应在位移比验算完成并取消刚性楼板假定之后进行。对于复杂结构

如坡屋顶，体育馆等大开洞建筑，错层建筑，跃层建筑，刚性楼板假定会使计算结果失真，应该从实际出发，选择弹性楼板来计算结构的位移比。（5）周期比：《高规》JGJ3-2002第4.3.5条规定结构扭转为主的第一周期

Tt与平动为主的第一周期T1之比。同位移比一样，周期比也是为了控制侧向刚度与

扭转刚度的一种相对关系，而非绝对大小。目的是为了使抗侧力构件能够周边、对称布置

在有效抵抗扭转效应的地方，使结构不至于出现过大的扭转效应。所以一旦出现周期比不

满足，只能通过调整结构抗侧力构件的布置，加强周边抗扭刚度来实现。验算周期比需要

注意以下几点：

1）验算周期比应该在刚性楼板假定下计算；

2）对于复杂结构如坡屋顶，体育馆等大开洞建筑，错层建筑应在真实

情况下验算周期比。

3）对于多塔结构，应分塔单独验算各自的周期比。

总之，周期比控制的不是要求结构如何“坚固”而是要求结构构件的平面布置要周边，对称，均匀。

（6）刚重比：刚重比为结构刚度和重力荷载之比。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。《高规》JGJ3-2002第5.4.4条，5.4.2条

对刚重比做了相关规定。

结构的刚重比是影响P-△效应的的主要参数，当结构的刚重比满足规范要求时，P-△效应可控制在20%范围内，结构的稳定具有适当的安全储备；当刚重比进一步减小时，P-

△效应会呈现非线性关系的急剧增长，导致结构整体失稳。

（7）楼层最大位移与层高比（位移角）：在地震荷载作用下，结构抗震变

形验算应满足《抗震规范》GB50011-2021第5.5.1条要求。即：△ Ue/h<=[θe]

△ Ue:多遇地震作用（即通常说的小震）下楼层最大弹性层间位移。 h:为计算楼层

层高。二者之比即通常说的位移角。规范规定位移角的限值，目的是为了使结构在多遇地

震作用下保持弹性，以便震后迅速修复。

（8）倾覆力矩比：倾覆力矩比仅用于框架-剪力墙结构和短肢剪力墙结

构。在框架-剪力墙结构中确定框架抗震等级时需要计算框架承担倾

2

覆力矩的比值是否大于50%，如果大于50%，属于剪力墙较少的框剪结构，框架抗震

等级按框架确定。

短肢剪力墙结构需要根据短肢剪力墙所承担倾覆力矩比值是否大于50%，如果大于50%，其抗震构造按短肢剪力墙结构计算，否则按一般剪力墙结构计算。

（9）剪跨比：梁的剪跨比指剪力的位置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，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；柱子剪跨比用来确定是否属于短柱，当柱子剪跨比小于2时即为

短柱，箍筋应加密。见混凝土规范第11.4.12、11.4.17条。剪跨比决定了构件的破坏形态，我们希望结构破坏前有一定的预兆，所以，延性就十分重要，控制了剪跨比，就使结

构保持了延性，不至于发生脆性破坏。

（10）剪压比：剪压比即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，