高层结构周期比的调整

浅析高层结构周期比的调整
摘要：通过周期比的相关概念分析，指出控制周期比的目的，实际是控制结构的扭转效应；控制周期比的实质，实际是避免结构的扭转破坏。

同时，对周期比计算时应注意的问题做了一些总结。

重点阐述了几种周期比有效调整的方式方法。

关键词：周期比；扭转周期；平动周期；振型；扭转刚度；侧移刚度
abstract: through the analysis of related concepts of cycle ratio, and points out that the control cycle than the objective, practical is to control the torsion effect; the control cycle than real, practical is to avoid the damage of structure torsion. the methods for several cycles than effective adjustment method.
keywords: periodic ratio；torsional period；translation period；vibration； torsional stiffness；lateral stiffness 中图分类号：tu973文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）引言
国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中极易遭受到严重的破坏。

国内一些振动台模型试验结果也表明，过大的扭转效应会导致结构的严重破坏。

限制结构的抗扭刚度成为限制结构扭转效应的一个主要方面，而限制结构的抗扭刚度不能太弱，关键是限制结构的周期比。

1周期比的相关概念
新《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.4.5条规定：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、超过a级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。

扭转周期与平动周期之比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转刚度的综合反应。

控制结构周期比的目的，是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不会出现过大的扭转效应。

控制结构周期比的实质是，控制结构的扭转变形要小于结构的平动变形，周期比不是要求结构足够结实，而是要求结构刚度布局合理，以此控制地震作用下结构扭转振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。

一个周期是扭转振动周期还是平动振动周期，可通过计算振型方向因子来判断。

在两个平动和一个扭转方向因子中，当扭转方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。

当扭转方向因子等于0时，则该振型为纯平动振型。

当扭转方向因子等于1时，则该振型为纯扭转振型。

但实际工程中，考察各振型是平动方向因子还是扭转方向因子占主导地位时，考察标准最好要大于0.7。

通常在扭转振型中周期最长的（一阶振型）为第一扭转周期tt，在平动振型中周期最长的（一阶振型）为第一平动周期t1。

但在必要时还应查看该振型的基底剪力是否较大，考查该振型在“结构整体空间振动简图”中，是否能引起结构整体振动，局部振动周期不
能作为第一周期。

应再考查下一个次长周期。

2周期比的计算应用
将第一扭转周期tt除以第一平动周期t1即为周期比。

a级高度高层建筑考查其值是否小于0.9；b级高度高层建筑、超过a级高度的混合结构及复杂高层建筑考查其值是否小于0.85。

周期比计算时应注意：（1）在结构符合刚性楼板假定时，周期比计算应在刚性楼板假定下进行，以过滤结构局部振动产生的周期。

（2）对于不适宜刚性楼板假定的复杂高层建筑结构，如体育场馆、空旷结构及特殊的工业建筑等，没有特殊要求的，一般不需要控制周期比。

（3）目前pkpm软件的周期计算仅适用于单塔结构，对于多塔结构，软件输出的振型方向因子暂时没有参考意义。

应把多塔结构切分开，按单塔结构控制扭转周期。

3周期比的有效调整
周期比不满足规范要求，说明结构的扭转刚度相对侧移刚度较小，结构扭转效应明显，对抗震不利，应及时进行调整。

首先，调整结构刚度质量的规则性，减小结构的偏心率，使结构有清晰的平动主振型与扭转主振型。

接着，调整结构抗侧刚度与抗扭刚度的比例关系，相对加强楼层的抗扭刚度。

所谓相对加强，其含义为：当整体结构的抗侧刚度不强（层位移角接近规范要求数值）时，应加强扭转刚度较小层的抗扭刚度；当整体结构的抗侧刚度足够强（层位移角远小于规范要求数值）时，可以减小结构竖向构件刚度，增大平动周期。

在高层建筑的一个独立结构单元内，结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。

不应采用严重不规则的平面布置。

首先，在建筑方案设计阶段，结构设计人员就应该有意识地注意结构的地震扭转效应，尽量避免结构平面布置的不规则。

使结构的刚度中心和质量中心尽可能重合，避免因过大的偏心而导致结构产生较大的扭转。

但是，随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们更加注重建筑的美观，复杂体型的建筑物越来越多。

现在，大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，常常出现结构平面或竖向布置不规则的情况。

当这种情况无法调整时，最好在初步设计阶段，对体型复杂、平立面不规则的结构，根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素，确定防震缝的设置。

将不规则结构划分为几个简单的结构规则单元。

其次，在户型拼装组合时，结构设计人员应初步确定剪力墙布置的位置及部位，尽量使结构抗侧力构件的布局均匀对称，这样在施工图建模计算时，剪力墙的布置能有相对灵活的选择。

最后，给建筑方案设计人员提一点建议：高层建筑结构若为纯剪力墙结构时，应尽量避免角窗的出现，角窗对结构的抗扭转影响非常不利，特别是在抗震设防烈度为8度及以上的地区应慎用。

总之，应在各专业的相互配合下，使建筑结构计算单元体型（平面和立面）规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向分布均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀、无突变。

结构的第一振型、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振
型及以后。

参见新《建筑抗震设计规范》第3.5.3条第3款及条文说明规定：结构在两个主轴方向的动力特性（周期和振型）宜相近。

当第二振型为扭转时，周期比很难满足规范的要求。

说明结构沿两个主轴方向的侧向刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴(第一振型转角方向)的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴(第三振型转角方向)的侧移刚度过小。

当第一振型为扭转时，周期比肯定不满足规范的要求。

说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴方向的侧移刚度过小，结构布置不合理。

调整周期比，需要调整结构的平面布置，提高结构的抗扭刚度，或者降低结构的侧移刚度。

这种调整一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。

总的调整原则是：加强结构周边的刚度，适当削弱结构中部的刚度；利用结构刚度与周期的反比关系，合理布置抗侧力构件，加强需要减小周期方向（包括平动方向和扭转方向）的刚度，或削弱需要增大周期方向的刚度。

加强及削弱结构刚度的最显著措施为调节连梁高度。

连梁是结构刚度的调节器，可通过加大结构周边连梁的高度加强结构的周边刚度。

例如，建筑外围有窗户的部位，窗下墙一般都是用砌体填充的，为了加强结构的周边刚度，就可以将这些部位的窗下墙做成混凝土结构，实际上就是加高了连梁高度，形成强连梁。

同样，也可通过减小结构中部连梁的高度削弱结构的中部刚度。

例如，可在结构中部的剪力墙上开洞，采用加大建筑内墙洞口高度即减小连梁高度的方法削弱结构的中部刚度。

当然，还可以采用：增大周边剪力墙的
截面或数量；增大周边楼板的厚度；在楼板外伸段凹槽处设置连接梁或连接板；加强转角窗周边构件的截面和强度（包括剪力墙暗柱、窗间墙、楼板等，特别是增设暗梁）等方法来加强结构周边的刚度。

采用结构中部核心筒开结构洞再填充砌体的方法来削弱结构的中
部刚度。

值得特别强调的是，在结构的刚度、质量均匀性未调整至足够好，以至于结构的一阶振型中不存在足够纯粹的侧振振型和扭振振型时，验算周期比近乎疲劳，此时的周期比满足或者不满足要求，都不能说明任何问题。

先调整刚度和质量的均匀性，再加强外圈提高抗扭能力，最后验算周期比。

这个顺序不能颠倒或遗漏。

4结语
结构计算中，周期比的调整是一个繁重而复杂的过程，在此过程中设计人员应在深刻理解规范的基础上，注重概念设计，选择合适的方法，优化结构的布置方式，使结构具有必要的抗扭刚度，保证结构的扭转效应较小。

参考文献
[1] jgj 3-2010. 高层建筑混凝土结构技术规程[s]，中国建筑工业出版社，2010
[2] gb 50011-2010.建筑抗震设计规范[s]，中国建筑工业出版社，2010
[3] 杨星.pkpm结构软件从入门到精通[m],中国建筑工业出版社，2010。