浅析建筑结构模型周期比的调整方法

浅析建筑结构模型周期比的调整方法

周期比是建筑结构中一个非常重要的控制信息，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，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。随着时代发展，现阶段建筑方案越来越复杂，其平面形状也越来越多不规则，因此满足周期比也越来越困难。理解结构刚度和周期之间的关系，归纳周期比的调整方法，使结构布局更合理，缩短模型的调整时间，为周期比的调整提供参依据

标签：建筑结构；周期比；刚度

1、概述

周期比控制什么？如同位移比的控制一样，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，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。一句话，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

周期比是新高規的3.4.5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，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。

周期比不满足要求，如何调整？一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。周期比不满足要求说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较大，总的调整原则是加强结构外圈刚度，削弱结构内筒刚度。

2、周期比的调整方法

当第一振型为扭转时，说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴（一般都靠近X轴和Y轴）方向的侧移刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，并适当削弱结构内部的刚度。

当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（侧移刚度较小方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（侧移刚度较大方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当加强结构外围（主要是沿侧移刚度较大方向）的刚度，并适当削弱结构内部沿侧移刚度较大方向的刚度。

1）最有效原则：削弱内部刚度，增强周边刚度，尽量周边均匀对称连续；

2）有较大凹入的部位加拉梁；

3）看看位移，将位移大的地方加拉梁，或者加大梁截面，加厚板；

4）增加外围梁截面，特别加强角部，和抗震墙部位的梁截面。

电算结果的判别与调整要点：

（1）计算结果详周期、地震力与振型输出文件（WZQ.OUT）。因SATWE 电算结果中并未直接给出周期比，故对于通常的规则单塔楼结构，需人工按如下步骤验算周期比：

a）根据各振型的两个平动系数和一个扭转系数（三者之和等于1）判别各振型分别是扭转为主的振型（也称扭振振型）还是平动为主的振型（也称侧振振型）。

一般情况下，当扭转系数大于0.5时，可认为该振型是扭振振型，反之应为侧振振型。当然，对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进行判断；

b）周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期Tt，周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期T1；

c）计算Tt / T1，看是否超过0.9（0.85）。对于多塔结构周期比，不能直接按上面的方法验算，这时应该将多塔结构分成多个单塔，按多个结构分别计算、分别验算（注意不是在同一结构中定义多塔，而是按塔分成多个结构）。

（2）对于刚度均匀的结构，在考虑扭转耦联计算时，一般来说前两个或几个振型为其主振型，但对于刚度不均匀的复杂结构，上述规律不一定存在。总之在高层结构设计中，使得扭转振型不应靠前，以减小震害。SATWE程序中给出了各振型对基底剪力贡献比例的计算功能，通过参数Ratio（振型的基底剪力占总基底剪力的百分比）可以判断出那个振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每个振型对基底剪力的贡献大小。

（3）振型分解反应谱法分析计算周期，地震力时，还应注意两个问题，即计算模型的选择与振型数的确定。一般来说，当全楼作刚性楼板假定后，计算时宜选择“侧刚模型”进行计算。而当结构定义有弹性楼板时则应选择“总刚模型”进行计算较为合理。至于振型数的确定，应按上述[高规]5.1.13条执行，振型数是否足够，应以计算振型数使振型参与质量不小于总质量的90%作为唯一的条件进行判别。

（4）如同位移比的控制一样，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，而非其绝对大小，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。考虑周期比限制以后，以前看来规整的结构平面，从新规范的角度来看，可能成为”平面不规则

结构”。一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，总的调整原则是要加强结构外圈，或者削弱内筒。

（5）扭转周期控制及调整难度较大，要查出问题关键所在，采取相应措施，才能有效解决问题。

a）扭转周期大小与刚心和形心的偏心距大小无关，只与楼层抗扭刚度有关；

b）剪力墙全部按照同一主轴两向正交布置时，较易满足；周边墙与核心筒墙成斜交布置时要注意检查是否满足；

c）当不满足周期限制时，若层位移角控制潜力较大，宜减小结构竖向构件刚度，增大平动周期；

d）当不满足周期限制时，且层位移角控制潜力不大，应检查是否存在扭转刚度特别小的层，若存在应加强该层的抗扭刚度；

e）当不满足扭转周期限制，且层位移角控制潜力不大，各层抗扭刚度无突变，说明核心筒平面尺度与结构总高度之比偏小，应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚，增大核心筒的抗扭刚度；

f）当计算中发现扭转为第一振型，应设法在建筑物周围布置剪力墙，不应采取只通过加大中部剪力墙的刚度措施来调整结构的抗扭刚度。

参考文献：

[1]丛北华，廖光煊，韦亚星.计算机仿真在火灾科学与工程研究中的应用[J].防灾减灾工程学报.2003，23（2）：63-69.

[2]刘永军，姚斌，陈长坤，范维澄.性能化结构抗火设计的若干关键问题[J].消防科学与技术.2003，22（6）：473-476.

[3]Kevin McGrattanb，Glenn Forney.Fire dynamics simulator （Version 4）uer’s guide [R].U.S government printing office ，2006，5：1～31.

[4]Dat Duthinh，Kevin McGrattan，Abed Khaskia. Recent advances in fire–structure analysis[J]. Fire Safety Journal ，2008，43：161-167.