浅谈高层建筑结构设计的几个控制指标

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浅谈高层建筑结构设计的几个控制指标

2012-06-24 15:31:36

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摘要：本文简要阐述了高层建筑结构设计的几个控制指标，介绍了各指标的参数含义、规范要求及调整措施，可供集团公司设计人员参考。

关键词：周期比；位移比；刚度比；剪重比；刚重比

Some Control Parameters of Tall Building Structural

Design

Chen Zhuangshan

（Metallurgical Design Institute of Shandong Province, Jinan 250014,

China）

Abstract: The present paper briefly discusses some control parameters of tall building structural design, and introduces their meaning, provision of the specification and adjustment measure, which can be a reference for designers.

Keywords: period ratio; displacement ratio; stiffness ratio; ratio of mass to weight; ratio of shearing force to weight

随着我国经济建设的快速发展，高层建筑已经逐步发展成为城市建筑的主要形式。高层建筑由于高度较大，与多层结构相比有明显不同的受力和变形性能，水平荷载和地震作用是主要的控制因素。判断结构布置合理性和结构体系的经济性能是高层建筑结构设计的关键，规范用于控制高层建筑整体性的设计指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、剪重比、刚重比以及轴压比等。以下就上述控制指标作简明阐述。

1 周期比

周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比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，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚度。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002[1]（以下简称《高规》）第4.3.5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、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。

调整结构周期比的措施主要有两种：1）提高结构的抗扭刚度。这样可以改善结构的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭刚度一般需要调整结构布置，增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙、异形柱等等。这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。调整原则是要加强结构外圈刚度（例如在建筑周边加剪力墙或者柱间支撑），或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。2）降低平动刚度，使平移周期加长。此法仅适用于原来结构刚度较大，层间位移远小于规范限值的情况。

2 位移比

位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5%L计算校核位移比。

《高规》第4.3.5条规定，在考虑质量偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

位移比是一个相对值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较大时，扭矩产生的最大位移也大，对结构的危害也较大；相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，最大位移也相对较小；此时可以将位移比与位移最大值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制值。例如最大层间位移小于规范规定值的50%时，位移比限值可以放松10%，当最大层间位移更小时，放松的幅度还可加大，但不宜超过20%[2]。调整位移比的措施主要有三种：1）提高结构的抗扭刚度。主要通过调整结构布置来实现，与周期比的控制措施相同。2）提高结构的抗扭承载力。当结构布置的调整较困难时，可以在设计中考虑“双向地震组合”以提高结构的承载能力，或增大计算扭矩，将附加扭矩加大，增大构件设计内力，提高结构的抗扭承载力[2]。同时也应增加抗震构造措施和延性措施，提高结构变形的延性，加强局部薄弱部位。3）设置防震缝。当结构平面复杂、不对称或各部分刚度、高度和重量相差悬殊时，调整抗扭刚度难以满足规范要求，可以设置防震缝，把整个结构分成几个相互独立的规则结构。

3 刚度比

层刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了三种层刚度的计算方法：

楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。

《高规》第4.4.2条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80% 。

楼层层刚度比的变化主要由于竖向构件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化等造成的。由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层的出现。对于不能避免出现的结构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15的增大系数，

同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的加强等，从而加强薄弱部位。

4 层间受剪承载力之比

层间受剪承载力之比也是用来控制结构竖向不规则的重要指标。层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。

《高规》第4.4.3条规定，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%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。

楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向构件尺寸、配筋有关，与它们的连接关系无关。由于

楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋提高结构的承载能力来解决，如提高“超配系数”等。

5 剪重比

剪重比是反映地震作用大小的重要指标，是对应于水平地震作用标准值的剪力与重力荷载代表值的比值。由于在长周期作用下，地震影响系数下降较快，计算出来的水平地震作用下的结构效应可能偏小。而对于长周期结构，地震地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此做出较准确的计算。因此出于安全的考虑，，规范规定了最小剪重比。

《高规》第3.3.13条规定各楼层的剪重比不应小于表1的规定值，具体说明参见该条款的规定。

表1 楼层最小地震剪力系数值

考察结构的剪重比时，应先确定结构的“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，然后再考察结构的剪重比是否合适。剪重比不满足要求时采取的措施有两种：1）根据规程最小水平地震剪力调整各层水平地震作用，这种方法适用于结构整体刚度满足规范要求的情况。2）调整结构布置、增加结构的刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求，这种方法适用于结构存在结构薄弱部位的情况。