浅谈高层建筑中的位移比控制

浅谈高层建筑中的位移比控制

摘要：层间位移角简而言之，按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比，主要为限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求；由于高层结构在水平力的作用下将不可避免地发生扭转，所以符合刚性楼板假定的高层结构的最大层间位移往往出现在结构的边角部位，因此应注意加强结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构的侧移变形。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。

关键字：位移比；高层建筑；层间位移角

引言

结构楼层位移比是结构整体概念设计的一个重要参数，是控制结构扭转效应的控制指标。在我国《抗规》、《高规》中有明确规定，位移比必须考虑在偶然偏心作用下的影响，故平常在模型的结构计算过程中，往往碰到考虑质量偶然偏心的地震作用下结构位移比超出规范要求的情况，应如何调整结构的布置以控制结构的位移比能满足规范要求，是一个需要不断尝试的过程。本文通过对于位移比原理的简要概述，并结合作者一些实际工程经验，给出结构位移比控制调整的方法，使得以后结构布置控制调整过程少走弯路。

限制高层层间位移角的目的

限制高层层间位移的主要目的有两种：1）保证主结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构来讲，要避免混凝土墙或柱出现裂缝；同时，讲混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许的范围内。2）保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损伤。

2.结构刚度的适宜原则

结构的刚度和柔度在结构设计中是最常遇到的，也是一对矛盾体。刚度，从结构抗震的角度出发，自然是越刚越好，其设计原则自然是多多设置剪力墙。但，这不仅大大的增加了结构的自重，还吸引了过大的地震力，同时在建筑方面也影响了功能的使用，造成建筑材料过多的浪费，即使在风荷载作用下，过多的剪力墙也会使建筑顶点以及层间唯一都产生一个十分微笑的位移，无论从结构安全或从节约材料而言，都是没有必要的。柔度，即从地震反应谱原理出发，认为越柔越好，但这类建筑在大地震作用下经不起实践的检验，底部结构过柔，底部剪力较大，变形也过大。

故，由此可知，好的结构应该十刚柔并济。

3.高层建筑的适宜自震周期

高层建筑的适宜刚度（总体刚度）的定量表达很难，较好的表达方式是寻求一个表达其含义和要求的适宜的自震周期Ta，当结构自振周期小于Ta时，结构在地震作用下的位移就会自动满足规范所规定的位移限制的要求，反之，表示结构体系过柔。

4.高层建筑结构相邻楼层的侧向刚度关系

高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抗侧力刚度，使结构在水平力作用下产生的侧向位移能够在规范所规定的范围之内。

《高层建筑混凝土结构技术规程》对相邻楼层侧向刚度有如下限制：1）高层建筑结构楼层侧向刚度不宜小于相邻楼层侧向刚度的70%或其相邻上三层侧向刚度平均值的80%。2）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%，不应小于其上一层收件承载力的75%。以上通过相邻楼层的侧向刚度比和相邻楼层的受剪承载力比来控制楼层沿层高度的变化，使结构的抗侧刚度从下到上逐渐均匀变化，不至于出现某一层的层刚度突变。

5.对规范高层建筑变形限值的讨论

2010年颁布的新高规第4.6.3 条对高层建筑位移角限值作出了如下规定。

1、高度不大于150m 的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比∆u / h 不宜大于表3 的限值；

结构类型[θ e ]

框架1/550

框剪、框筒、板柱-剪力墙1/800

筒中筒 1/1000

框支层 1/1000

2、高度等于或大于250m 的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比∆u / h 不宜大于1/500

3、高度在150～250m 之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比∆u / h 的限值按本条第1 款和第2 款的限值线性插入取用。

由此我们可以看出，控制层间位移角相当于控制该楼层所有竖向构件的层间

位移，当楼盖为刚性时，对于对称结构，各竖向构件的层间位移角可视为相等（层高一致时），对于不对称结构，则同一榀抗侧力结构各竖向构件的层间位移角可视为相等（层高一致时），所以既是控制层间位移，则对于框剪、框筒类结构在同一楼层中各竖向构件有剪力墙，也有框架柱时，现规范中统一地取同一个位移角限值，虽比纯剪力墙结构的规定有所放松，一定程度上体现了框架柱与剪力墙组合结构竖向构件变形能力有所改善，但对变形能力完全不同的剪力墙和柱不加区别，同一对待，似不够合理；

规范规定的层间位移角限值，适用于所有楼层，但从受力观点而言，底部楼层与上部楼层的竖向构件显然不同，前者受力较大，后者受力较小，且实际结构不同楼层的构件组成往往变化较大，因而从控制竖向构件受力位移而言，应予以区别；

对于高度超过150m 的高层建筑，层间位移角限值适当放宽，对于250m 的高层建筑最大层间位移角不区别结构类型，高规规定了统一限值不宜大于1/500 这样一个对位移限值放松的规定，虽使用上方便，并使一些超高层建筑的结构设计的位移控制得以顺利过关是有利的。但从理论上讲，更大高度的超高层建筑往往重要性大，为什么设计上反而对结构的层间位移控制可以放松较多，而且也不再区分结构型式的不同，似应从理论上进一步予以阐明。

6.关于位移比在PKPM中调整的一些建议

位移比：主要为控制结构平面规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。见抗规3.4.2，高规 4.3.5。位移比不满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序不能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；可利用程序的节点搜索功能在SATWE 的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度；也可找出位移最小的节点削弱其刚度；直到位移比满足要求。

7.关于高层建筑层间位移角限值规定的建议

1、对于框架柱及剪力墙，因其变形能力的差异，应区别对待。

2、一般底层结构的受力层间位移最大，向上逐渐减小，因此对剪力墙底部应控制剪力墙的受力层间位移。对部分框支剪力墙结构在转换层处柱会出现受力层间位移的凸点，建议对框支层上二层以下各楼层也应控制柱的受力层间位移。

3、鉴于上部楼层受力层间位移角远小于层间位移角，因此层间位移角的限值可比现行规范规定适当放松。

4、层间位移角的限值应兼顾建筑装修及结构整体稳定性安全的需要。

5、层间位移角的验算方法应概念明确、安全可靠、使用方便。