高层建筑结构设计中控制参数电算调整方法

黄静

（成都轨道交通有限公司，四川 成都 610031）

1、引言

伴随着我国经济的快速发展，高层建筑已成为现阶段我国主要的建筑形式，建筑类型与功能也愈来愈复杂，结构形式也更加多样化，高层建筑结构设计在电算中的主要重点和难点在于各控制参数的调整，要使其满足规范要求。竖向承重构件合理的布置是构建良好抗震性能的基础，其布置应遵循“对称、均匀、周边、连续”的原则。

2、控制参数的试算调整

高层设计的难点在于竖向承重构件(柱、剪力墙等)的合理布置和界面试算选定，高层结构设计过程中控制的目标参数主要归纳为如下七个：

2.1 轴压比

2.1.1 轴压比概念的含义

轴压比的定义是指墙柱组合的轴压力设计值与墙柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积的比值，主要为控制结构的延性。

u=N／A·fc

式中：u一轴压比；

N一柱轴力设计值：

A一墙柱截面面积：

fc一砼抗压强度设计值。

2.1.2 规范对竖向承重构件轴压比的要求

规范对轴压比均有相应限值要求，见《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》(以下简称《抗规》)第6.3.6条和第6.4.5条，《高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3—2002)》(以下简称《高规》)第6.4.2条和第7.2.14条。

2.1.3 轴压比不满足时试算调整方法

可以增大该墙、柱截面；提高该楼层墙、柱混凝土强度；框剪结构可改变墙布置的位置或数量。

2.2 剪重比

2.2.1 剪重比概念的含义

剪重比是指水平地震作用标准值的楼层剪力与重力荷载代表值的比值，剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比，主要是因为在长周期作用下，地震影响系数下降快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应有可能太小。而对于长周期结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，所以当剪重比不满足要求时，说明该结构有可能出现比较明显的薄弱部位，须慎重对待。

2.2.2 规范对剪重比的要求：

规范对剪重比相应限值要求见《抗规》第5.2.5条，《高规》第3.3.13条。

2.2.3 剪重比不满足时试算调整方法：

剪重比不满足要求时.首先要检查有效质量系数是否达到90%。若达不到则应增加计算振型数，但振型数不能超过结构层数的3倍；当有效质量系数达到90%，但剪重比仍不满足时，说明结构刚度和质量可能分布不合理，应对结构方案的合理性进行判断，并调整方案。

调整可以选择由程序自动进行调整，在剪重比小于规范要求的楼层，程序将放大该层的地震作用效应，以使其满足最小剪力系数要求。在SATWE的“调整信息”中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”后，SATWE按《抗规》第5.2.5条自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。或者在地震剪力偏小而层间侧移角满足要求时，可在SATWE的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。但是通过程序自动调整后剪重比虽然满足了规范要求，结构的方案可能任然是存在问题的，并不是最合理的。

不通过程序调整，而是调整结构方案时，可采取以下两种方法：

当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面及增加墙、柱数量，提高刚度。

另外，当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面及减少墙、柱数量，降低刚度以取得合适的经济技术指标。

特别说明，地下室可以不受最小剪重比的控制。

2.3 层间刚度比

2.3.1 刚度比概念的含义

结构各层之间的刚度之比，有以下3种情况：

（1）地震剪力和地震层间位移的比值；

（2）剪切刚度：主要用于限制一层转换部位的刚度比和地下室顶板作为上部结构嵌固端时，地下室刚度所应满足的条件；

（3）剪弯刚度：主要用于保证高位转换时，转换层部位一定范围内保证结构刚度的连续性。

2.3.2 规范对刚度比的要求：

（1）地震剪力和地震层间位移的比值：根据《抗规》第3.4.3条表3.4.3.2及《高规》第4.4.2条规定：其楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。不满足此要求的楼层为软弱层。

（2）剪切刚度：《高规》第E.0.1条规定的底部大空间为一层时的转换层上、下层结构等效剪切刚度比和《抗规》第6.1.14条规定的地下室与上部结构的侧向刚度比。

（3）剪弯刚度：《高规》第E.0.2条规定的底部大空间大于一层时的转换层上、下层结构等效剪切刚度比。

2.3.3 刚度比不满足时试算调整方法：

（1）地震剪力和地震层间位移的比值不满足时：当楼层刚度比的计算结果不满足要求时，如果建筑方案不能调整只能采取由程序来调整的方法，SATWE会自动将不满足刚重比的楼层定义为薄弱层，并按《抗规》第3.4.4.2条和《高规》第5.1.14条将该楼层地震剪力放大1.15倍。

不通过程序调整，而是调整建筑和结构方案时，可采取以下两种方法：

（a）当建筑方案可以调整时，也可以适当降低软弱层的层高，从而使该层的墙、柱的线刚度得以增加。

（b）可以加大软弱层及其以下楼层的墙、柱截面；提高该层墙、柱混凝土强度，从而使软弱层的竖向构件线刚度高于以上楼层。

（c）框剪结构时还可以在软弱层及其以下楼层增加墙布置的数量，而在以上楼层有意识的减少墙的数量。

（2）剪切刚度和剪弯刚度不满足时：对于转换层只能加大其以下楼层的墙、柱截面；提高该层墙、柱混凝土强度，或者增加转换层以下楼层混凝土墙的数量。

2.4 位移比

2.4.1 位移比概念的含义

基于“刚性楼板假定”，考虑质量偶然偏心的条件下，楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)与楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的比值。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。

2.4.2 规范对位移比的要求：

规范对位移比相应限值要求见《抗规》第3.4.2 条表 3.4.2—1，《高规》第 4.3.5 条。

2.4.3 位移比不满足时试算调整方法

（1）可以通过改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；

（2）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，或者找出位移最小的节点削弱其刚度，直到位移比满足要求。

（3）和周期比的调整结合在一起，加强结构外围刚度。也可以有针对性的加高和最大位移节点相关处的梁高，以限制其位移。

2.5 周期比

2.5.1 周期比概念的含义：

结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期 T1的比值。根据各振型的平动系数和扭转系数的值，区分出各振型是扭转振型还是平动振型。当平动系数大于0.5时，该周期是平动周期，当扭转系数大于0.5时，该周期是扭转周期。通常周期最长的扭转振型对应的就是第一扭转周期Tt。周期最长的平动振型对应的就是第一平动周期T1。

2.5.2 规范对周期比的要求

规范要求结构的第一、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振型及以后。《高规》第4.3.5条规定：A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度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。

2.5.3 周期比不满足时试算调整方法

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，总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，调整墙的布置，使其尽量对称、均匀，减少扭转效应，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。可以具体采取以下两种方法：

（1）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 (第二振型转角方向和第三振型转角方向，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。

（2）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 (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)的侧移刚度则过小，此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，并适当加强结构外围(主要是沿第一振型转角方向)的刚度。

（3）当结构有深开口时，可在深开口处增设拉梁，使结构的整体性有所提高，改善其抗扭转性能。

2.6 刚重比

2.6.1 刚重比概念的含义

楼层弹性等效侧向刚度与楼层重力荷载设计值相对比值，计算公式见《高规》第5.4.1条。主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳。

2.6.2 规范对刚重比的要求：

规范对刚重比相应限值要求见《高规》第5.4.1 条和第 5.4.4 条。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

2.6.3 刚重比不满足时试算调整方法

（1）调整结构平面竖向构件的布置。

（2）增加墙、柱数量及加大墙柱、截面，从而提高墙、柱等竖向构件的刚度。

2.7 层间受剪承载力比值

2.7.1 层间受剪承载力比值的含义：

楼层层间抗侧力结构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。控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层。《高规》的此项要求，实际上体现的是“强剪弱弯”的设计思想，即构件应首先弯曲屈服、破坏，而不能剪切破坏。因为剪切破坏属于脆性破坏，在设计中是需要避免的。

2.7.2 规范对层间受剪承载力比的要求

规范对层间受剪承载力相应限值要求见《抗规》第3.4.3条表3.4.3—2，《高规》第4.4.3条；对于形成的薄弱层应按《高规》第5.1.14条予以加强。

2.7.3 层间受剪承载力比值不满足时试算调整方法

（1）在SATWE的“调整信息”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号，将该楼层强制定义为薄弱层，SATWE按《高规》第5.1.14条将该楼层地震剪力放大1.15倍。

（2）适当提高该楼层构件强度(如增大配筋、提高混凝土强度或加大截面)以提高本层墙、柱等抗侧力构件的承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的承载力。

3 结语

钢筋混凝土高层结构设计是一个复杂的过程，需要多次反复调整结构方案和截面大小，使各控制参数满足规范要求又经济合理。

[1]《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010).

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002).