浅析建筑结构整体计算控制指标

申丹薇

摘 要：本文简要阐述了高层建筑结构设计的几个控制指标，介绍了各指标的含义和调整措施。

关键词：建筑结构整体计算控制指标；位移比；周期比；刚度比；抗剪承载力；剪重比；刚重比；轴压比

1 前言

在高层建筑结构设计中，合理的建筑结构布置在抗震设计中是头等重要的。结构布置应尽可能满足规则性和整体性，设计过程中对建筑结构整体性能的控制有七个主要目标参数。如何正确运用设计软件进行结构的整体性能控制，以满足规范、规程的要求，是每个设计人员都非常关心的问题。设计人员应通过对这些重要控制指标的控制，确保结构的整体性。

2 位移比的控制

位移比（层间位移比）是控制结构平面规则性的重要指标。规范中规定的位移比限值是按刚性板假定做出的，如果在结构模型中设定了弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”，以便计算出正确的位移比。在位移比满足要求后，再去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”的选择，以弹性楼板设定进行后续配筋计算。“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”是因为，按照规范要求的定义，位移比表示为“最大位移/平均位移”，而平均位移表示为“（最大位移+最小位移）/2”，其中的关键是“最小位移”，当楼层中产生0位移节点，则最小位移一定为0，从而造成平均位移为最大位移的一半，位移比为2。则失去了位移比这个结构特征参数的参考意义，所以计算位移比时，如果楼层中产生“弹性节点”，应选择“强制刚性楼板假定”。

复杂结构的位移比控制有以下几种情况：

（1）复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，这些结构或者柱、墙不在同一标高，或者本层根本没有楼板，此时如果采用“强制刚性楼板假定”，结构分析严重失真，位移比就没有意义。所以这类结构可以通过位移的“详细输出”或观察结构的变形示意图，来考察结构的扭转效应。

（2）对于错层结构或带有夹层的结构，这类结构总是伴有大量的越层柱，当选择“强制刚性楼板假定”后，越层柱将受到楼层的约束，如果越层柱很多，计算就会失真。

总之，结构位移特征计算模型的合理性，应根据结构的实际出发，对复杂结构应采用多种手段。

3 周期比的控制

周期比是控制结构扭转效应的重要指标。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轉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。所以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。一句话，周期比控制不是要求结构足够结实，而是要求结构承载布局的合理性。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。

复杂结构的周期比控制有以下几种情况：

（1）多塔结构周期比：对于多塔楼结构，如果上部没有连接，应该各个塔楼分别计算并分别验算，如果上部有连接，验算方法尚不清楚。（2）体育场馆、空旷结构和特殊的工业建筑，没有特殊要求的，一般不需要控制周期比。（3）当高层建筑楼层开洞口较复杂，或为错层结构时，结构往往会产生局部振动，此时应选择“强制刚性楼板假定”来计算结构的周期比。以过滤局部振动产生的周期。

4 刚度比的控制

刚度比是控制结构竖向规则性的重要指标。规范对结构的层刚度有明确的要求，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等等，都要求有层刚度作为依据，所以层刚度计算的准确性就比较重要。一般程序提供三种计算方法：

（1）楼层剪切刚度；

（2）单层加单位力的楼层剪弯刚度；

（3）楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。

三种计算方法有差异，可以根据需要选择。只要计算地震作用，一般应选择第 3 种层刚度算法。不计算地震作用，对于多层结构可以选择剪切层刚度算法，高层结构可以选择剪弯层刚度。不计算地震作用，对于有斜支撑的钢结构可以选择剪弯层刚度算法。层刚度作为判断该层是否为薄弱层的重要指标之一。对结构的薄弱层，规范要求其地震剪力放大1.15。当采用第3种层刚度的计算方式时，如果结构平面中的洞口较多，这样会造成楼层平均位移的计算误差增加，此时应选择“强制刚性楼板假定”来计算层刚度。选择剪切、剪弯层刚度时，程序默认楼层为刚性楼板。

复杂结构的层刚度比控制有以下几种情况： （1）复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，在设计时，可以不考虑这类结构所计算的层刚度特性。（2）对于大底盘多塔结构，或上联多塔结构，在多塔和单塔交接层之间的层刚度比是没有意义的。如大底盘处因为离塔较远的构件，对该塔的层刚度没有贡献，所以遇到多塔结构时，层刚度的计算应该把底盘切开，只能保留与该塔2到3跨的底盘结构。（3）对于错层结构或带有夹层的结构，层刚度有时得不到合理的计算，这是因为层的概念被广义化了。此时，需要采用模型简化才能计算出层刚度比。

5 抗剪承载力的控制

楼层抗剪承载力之比也是控制结构竖向规则性的重要指标。抗剪承载力的计算，体现了规范“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。剪切破坏属于脆性破坏，应避免。结构的极限承载能力，对复杂工程、重要工程，应进行弹塑性分析来全面的评估，如：弹塑性静力分析、弹塑性动力分析等。当楼层承载力的比值不满足规范要求时，应强制定义该层为“薄弱层”，以提高设计地震作用。

6 剪重比的控制

剪重比是反映地震作用大小的重要指标，是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比，主要是因为长期作用下，地震影响系数下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。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，但采用振型分解法时无法对此作出准确的计算。因此，出于安全考虑，规范规定了各楼层水平地震力的最小值，该值如果不满足要求，则说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，必须进行调整。当剪重比不满足规范要求时，程序将自动调整地震作用，以达到设计目标的要求。剪重比调整系数将直接乘在该层构件的地震内力上。另外，地下室可以不受最小剪重比的控制。

7 刚重比的控制

刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效的主要参数。该值如果不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，应当引起设计人员的足够重视。

8 轴压比

轴压比是控制截面延性性能的主要指标，是指墙柱考虑地震作用组合的轴压比设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。

总之，高层建筑结构设计要严格执行规范要求，重视概念设计，选择平、立面布置规则、抗侧性能好的结构体系，保证结构整体性，实现结构性能化设计。

参考文献：

[1] GB 50011—2010.建筑抗震设计规范（2016年版）[S].

[2] JGJ 3—2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].