结构设计参数

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摘要：自2002年开始，建筑结构设计方面的新规范全面颁布实施已有六年多时间。规范条文本身应当只是做一些原则性的规定，让设计人员根据自己的理解和经验来掌握应用，但是规范中某些条文过于笼统，设计人员也难以把握。目前我国实行施工图审查制度，由于设计人员与审查人员对规范一些不够具体的条文规定的理解不同，常常会引起争议，而且少数设计人员或审查人员不考虑工程的实际情况，机械地执行规范。下面就高层建筑设计过程中遇到的一些问题，与同行们进行探讨。

关键词：结构设计；短肢剪力墙；新规范；《高规》；设计建议1 关于高层建筑高宽比

《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）对高层建筑适用的最大高宽比有明确要求，但在计算高宽比时，对建筑宽度的取法却无明确规定，在第4.2.3条的条文说明中指出“一般场合，可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比……对于不宜采用最小投影宽度计算高宽比的情况，应由设计人员根据实际情况确定合理的计算方法”，对设计人员来说，难以确定何为合理的计算方法，而且这是一个涉及建筑是否为超限高层建筑的敏感问题，应该有一个较为明确的取法，以便设计及审查人员掌握。

2 关于剪力墙的高厚比

新的《抗震规范》及《高规》对剪力墙高厚比的要求较“89规范”更高。通常在底部加强区，由于底部层高相对较高，剪力墙的厚度往往由高厚比确定，而不是由承载力或结构刚度确定，按《高规》第7.2.2条第4款的规定，当高厚比不满足要求时，如剪力墙所承受的竖向力不大，验算墙体稳定一般都能通过，因为剪力墙主要作为抗侧力构件使用。在按《高规》附录D计算墙体稳定时，规程列出了单片墙及T形、工字形剪力墙的计算方法，有些设计人员对在工程设计中常遇到的L形及I形剪力墙是否可按T形及工字形墙的公式进行计算拿不准。从原理分析，T形及工字形墙的稳定计算，考虑了一侧墙肢对另一向墙肢的支承作用，所以L形及I形墙，只要墙肢具有一定的长度，其作用是和T型及工字形墙完全相同的。但对于多长的墙肢才可视为有翼缘的问题，规程并没有明确规定，参照约束边缘构件的规定，翼墙长度小于其厚度3倍或端柱截面边长小于墙厚2倍时，视为无翼墙或无端柱。当按层高计算墙体稳定时，视其为支承边时，此规定可参考执行，但对较厚墙体，又不太合理，比如-300厚剪力墙，翼墙长度要大于900才可视为有支承，对一般层高而言，900墙肢在肢长方向有足够的刚度，完全可视为另一向墙肢的支承，因此，如果规定按一定的层高与肢长比来确定是否可视为支承应该更为合理，而不是肢长与肢厚比。在计算剪力墙高厚比时，新规范对于层高的取值也不够明确，对有地下室的结构，底层层高取为±0.00地面到一层楼面间的高度，而对于无地下室的小高层建筑，由于基础有一定的埋深要求，如果计算高度取基础至二层楼板面的高度，则计算高度一般达到3.0+0.6（高差）+1.4（基顶埋深）=5.0m，如果底层为商场，则计算高度更大，这样势必会增加剪力墙的厚度，特别是对一字形墙，能否考虑首层刚性地面对墙体稳定的有利影响，譬如可否取到刚性地面以下500mm，这是一个值得探讨的问题。

3 关于计算方法及参数取值

建筑结构在进行内力和位移计算时，除了选择合理的结构分析模型和适用的结构

计算程序外，对计算方法、参数取值也要准确把握。计算程序中的各种参数在应用时只要理解程序说明，一般比较容易掌握，而计算方法的选择，则要充分理解规范条文，并结合工程实际，灵活运用。《抗震规范》第5.1.1条的第2、3款规定“有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。”对第2款而言，按笔者理解，这类所谓的斜交抗侧力构件，不应指个别构件，而是主要的抗侧力构件，例如对于框架-剪力墙结构，其中有一两榀框架是斜交的，而剪力墙均为正交，由于程序处理剪力墙时在某一定角度范围外不再计入其在该方向的抗侧刚度，此时如果按斜角度计算，会导致不合理的结果。而对第3款而言，系指质量和刚度分布明显不对称，而不是其中某一项不对称，也就是说在结构的刚心和质心相距较大时，才进行双向地震作用计算，否则计算结果也会产生较大的差异。

《抗震规范》第5.2.3条规定，在计算水平地震作用扭转影响时，规则结构可不进行扭转耦联计算，对边榀框架乘以地震作用效应增大系数，对不规则结构则按扭转耦联振型分解法计算，设计人员往往对结构规则不规则难以准确界定，于是在计算时就干脆都选择耦联计算。对长宽比较大的结构，如果质心有一些偏移，耦联计算时会产生“甩尾效应”，各榀框架内力会沿长向依次递增或递减，首尾相差可达一倍以上，所以采用耦联计算也要根据结构特点，不能一概而论。

4 关于抗震构造措施

新的《高规》较“89规范”增加了有关短肢剪力墙的规定，但有些条文在设计应用时，尚不尽完善，且规程对短肢剪力墙的纵向钢筋配筋率要求偏高。短肢剪力墙原来系用于高层点式筒体的结构，近年来大量应用于10～16层的小高层商住楼，对这种高度一般不超过50m的建筑，是否应当采取如此严格的构造措施，是值得商榷的。

例如，《高规》第7.1.2条第2款规定“筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%”，相比于框剪结构中的框架而言，短肢墙的抗侧刚度要大的多，这样势必增加长墙的数量，进而增大地震作用。而有些地方在审查剪力墙结构时，对少数的短墙甚至对长墙中的短墙肢，也要求按短肢墙的规定来设计，应属对规程的理解偏差。

关于短肢剪力墙抗震等级的规定不尽合理，《高规》第7.1.2条第3款规定“短肢剪力墙的抗震等级应比本规程表4.8.2规定的抗震等级提高一级采用”，在短肢剪力墙结构中，既然规定了一般墙或筒体承受的倾覆力矩大于50%，则筒体或一般墙为主要抗侧力构件，应提高筒体或一般墙的抗震等级才合理，就如框-剪结构中的剪力墙抗震等级高于或等于框架抗震等级。在约束边缘构件设置上，对于设防烈度Ⅶ度、高度小于80m的短肢剪力墙结构，根据《高规》要求，主要承担地震倾覆力矩的长墙的抗震等级为Ⅲ级，无须设置约束边缘构件，反而承担倾覆力矩较少的短墙却需要设置约束边缘构件，这是不合理的，因为长墙承担的倾覆力矩更大，边缘构件由倾覆力矩所引起的附加应力也更大，更应设置约束边缘构件。

《高规》第7.1.8条规定，当连梁跨高比不小于5时，宜按框架梁进行设计。连梁主要承受水平荷载带来的剪力和弯矩，容易出现剪切裂缝，其抗剪计算式与框架梁不一样（见《高规》第7.2.24条），箍筋间距要求要严。连梁抗震设计时，对配筋率没有特殊要求，其最小配筋率同非抗震设计，最大配筋率则通过截面条件来控制。而框架梁则要满足截面条件及配筋等多项构造要求。在设计此类连梁

时应注意，在计算时要设为非连梁，否则程序对其刚度不乘考虑楼板作用的增大系数，还要按连梁折减。对跨高比小于5，但对在较大集中荷载作用下（集中荷载对支座截面或节点边缘所产生的剪力值占总剪力值的75%以上的情况）的连梁，也应按框架梁进行抗剪承载力计算。

参考文献

[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[2]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

（3）地震剪力与地震层间位移比值：即《抗规》建议的方法。，适用于其它多层结构。

注意：1：上述三种方法计算刚度的含义是不同的，差异较大。如果仅有一个标准层的简单框架结构，按方法1、2计算各层的刚度都相同，按方法3计算各层的刚度不相同。

2：对于高位转换层（8度三层、7度五层以上），建议人工按《高规》附录E.0.2分别建两个模型计算。

14、关于P—△效应：重力二阶效应一般称为P—△效应，在建筑结构分析中指的是竖向荷载的侧移效应。当结构发生水平位移时，竖向荷载就会出现垂直于变形后的的竖向轴线分量，这个分量将增大水平位移量，同时也会增大相应的内力，这在本质上是一种几何非线性效应。设计者可根据需要选择考虑或不考虑P—△效应。注意：（1）这里考虑的是针对结构原始刚度计算的P—△效应，与《混规》7.3.12条考刚度折减的要求是完全不同的。

（2）只有高层钢结构和不满足《高规》5.4.1条的高层混凝土结构才需要考虑P—△效应对应水平力作用下结构内力和位移的不利影响。

（3）计算完后设计可打开SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUT文件”，查看是否满足要求。。

（4）高厚比超限的钢筋混凝土的设计者应特别注意。

15、关于上部结构嵌固端的选取：《高规》5.2.7条规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固层时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍，而规范中设计内力调整系数所对应的底层即指嵌固层楼板。因此，正确选取嵌固层就成为结构整体计算是否正确的关键。但是目前程序还不能自动判断嵌固层位置，这就需要设计者人工干预。SATWE提供了两种考虑基础回填土对结构约束作用的方法：（1）方法一：输入基础回填土对结构约束的相对刚度，即输入基础回填土对结构约束刚度与地下室抗侧移侧移刚度的比值，若取该参数为0，则认为基础回填土对结构没有约束作用，即结构在基础底板处嵌固。若取该参数为5，则认为结构的地下室部分基本没有位移，即相当于认为结构在地下室顶板处嵌固。

（2）方法二：指定地下室水平嵌固层数。如对一个有M层地下室的结构，可指定m（m<=M）层地下室没有水平位移。

（3）首先按实有地下室层数进行第一次计算，先假设回填土对地下室抗侧移侧移刚度的比值为3，然后打开SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUT文件”，查看地下结构与地上一层抗侧移侧移刚度的比值，如果。地下结构与地上一层抗侧移侧移刚度的比值>=2.0，则可认为结构在地下室顶板处嵌固。如果。地下结构与地上一层抗侧移侧移刚度的比值<2.0，则可认为地上结构不能完全嵌固在地下室顶板处，此时建议将嵌固下移至基础底板处。

注意：1：结构的侧刚是结构自身固有的特性，不会因地下室层数的变化而变化。

2：当地下室顶板不能作为嵌固上部结构时，单纯将地下室结构加入到上部结构进行计算，即认为嵌固层位置在地下顶板以下或更低，则可能造成结构内力与位移计算结果不符合实际，有时甚至导致薄弱层位置变化等，因此在设计时应将两种计算结果进行比较，取最不利结果作为设计依据。

3：设计时应注意无论计算是否考虑地下室外回填土对结构的约束作用，地下室外墙在计算时均未考虑土压力的作用。[和用户手册有矛盾，请测试]

关于阻尼比：不同的结构有不同的阻尼比，设计者应区别对待：钢筋混凝土结构：0.05小于12层纲结构：0.03大于12层纲结构：0.035纲结构：0.05）

按GB50011-2001 8.2.2应该是小于12层纲结构：0.035大于12层纲结构：0.02罕遇地震下的纲结构：0.05

四、地震作用的调整

1.最小地震剪力调整《抗规》5.

2.5条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震的剪重比不应小于表5.2.5给出的最小地震剪力系数，此条程序自动调整，无须人工干预。但建议设计者注意查看SATWE文本文件“周期、地震力及振型输出文件WZQ.OUT”，目的是从中可判断薄弱层所在楼层。

2.0.2V.的调整系数对于框架剪力墙结构，一般剪力墙的刚度很大，剪力墙吸引了大量的地震力，而框架所承担的地震力很小。对于框架部分，如果按这样的地震力进行设计，在剪力墙开裂后会很不安全，所以需要让框架部分承担至少20%的基底剪力和按框架剪力墙分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值，以增加框架的安全度，但在考虑调整时还须注意以下几点：a.对柱少剪力墙多的框架剪力墙结构，让框架梁柱承担20%的基底剪力会使放大系数过大，以致梁柱无法设计。所以20%的调整一般只用于主体结构，一旦结构内收则不应往上调整。

b.若考虑调整后框架梁柱内力增加过大，可调整文件中的放大系数，程序将按WV02Q.OUT中的系数调整。

c.0.20调整的放大系数只针对框架梁柱的弯矩及剪力，不调整轴力。

d.对于侧向刚度沿竖向分布不均匀的框架—剪力墙结构，如多塔结构或大底盘结构，已不在《抗规》6.2.13条规定的范围内，对这类结构进地调整时需特别注意。

e.程序对框剪结构，依据规范要求进行0.2V0调整，设计者可以指定调整楼层范围，同时，也可人工干预调整系数。

3.竖向不规则结构地震作用效应调整《抗规》3.

4.3条及《高规》

5.1.14条规定：楼层侧向刚度小于上层的70%或其上三层平均值的80%左时，其薄弱层地震剪力应乘以 1.15的增大系数。设计者应注意：此条要求设计者必须指出薄弱层所在楼层，然后程序将根据设计者指定的薄弱层层号，将这些楼层地震作用的内力乘以1.15的增大系数。

4.特殊构件地震力调整系数（1）。转换梁在地震作用下的内力调整：《高规》10.2.23条规定：转换梁在特一级、一级、二级抗震设计时，基地震作用下的内力分别放大1.8、1.5、1.25倍。设计时注意：设计必须在特殊构件定义时人工定义了转换梁，则程序会自动对其进行调整。

（2）。框支柱在地震作用下的内力调整：《高规》10.2.7条规定也要调整，设计时注意：设计必须在特殊构件定义时人工定义了框支柱，则程序会自动对其进行调整。由于调整系数往往很大，为了避免异常情况，程序给出一个控制开关，设计者可决是否对与框支柱相连的框架梁的弯矩剪力进行调整。

（3）。另外对于“不调幅的梁”、“铰接梁”、“滑动支座梁”、“刚性梁”、“铰接件”、“铰接支撑”、“弹性楼板”、“临空墙”等均需人工定义。

5.其它构件地震力调整系数如果整个结构的抗震等级确定，则（除特殊要求构件外）各构件的设计内力调整均由程序自动完成，不需人工干预。

五、结构整体性能的控制