【摘要】理解高層結構設計中的6個比值，用SATWE程序來判斷整體結構的合理性。
　　【關鍵詞】周期比、位移比、剪種比、剛度比、剛重比
　　
　　如何正確運用設計軟件來判斷整體結構的科學性和合理性，以滿足規范的要求，是每個設計人員都非常關心的問題。本文僅以我國目前較為權威且應用最為廣泛的PKPM軟件中的SATWE程序的電算結果，結合規范條文的要求，規范用于控制結構整體性的主要指標是：周期比、位移比、剪種比、剛度比、剛重比、層間受剪承載力之比，結合工程實例談談如何對電算結果進行判讀。
　　1 工程概況及基本參數
　　一棟地下一層,地面以上二十五層復雜高層框支剪力墻結構商住宅樓,結構轉換層設在第五層樓面。建筑抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度為七度.建筑場地為II類；設計地震分組為一組，設計基本地震加速值為0.1g，場地特征周期TG=0.35s，水平地震影響系數取αmax＝0.08，周期折減系數TC=0.85；柱砼強度等級C40，抗震等級為特級；剪力墻砼等級C40、C50、C30,抗震等級為一級，二級；梁、板砼強度等級C40、C30、C25，抗震等級為一級，二級；梁、柱受力主筋采用Ⅱ級鋼。
　　2 周期比
　　周期比即結構扭轉為主的第一自振周期（也稱第一扭振周期）Tt與平動為主的第一自振周期（也稱第一側振周期）T1的比值。周期比主要控制結構扭轉效應，不是要求結構足夠結實，而是要求結構承載布局合理，減小扭轉對結構產生的不利影響，使結構的抗扭剛度不能太弱。因為當兩者接近時,由于振動藕連的影響,結構的扭轉效應將明顯增大。[高規]4.3.5條規定，結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（即周期比），A級高度高層建筑不應大于0.9；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85。在設計軟件SATWE的輸去結果WZQ.OUT中如下：
　　周期、地震力與振型輸出文件
　　(側剛分析方法)
　　考慮扭轉耦聯時的振動周期(秒)、X,Y方向的平動系數、扭轉系數
　　振型號周期轉角平動系數(X+Y)扭轉系數
　　12.763690.171.00(0.00+1.00)0.00
　　22.56020.210.99(0.99+0.00)0.01
　　32.3706172.360.01(0.01+0.00)0.99
　　計算Tt/T1＝2.3706/2.7636=0.86不超過0.9.對于多塔結構周期比，不能直接按上面的方法驗算，這時應該將多塔結構分成多個單塔，按多個結構分別計算、分別驗算(注意不是在同一結構中定義多塔，而是按塔分成多個結構)。
　　3位移比（層間位移比）
　　位移比是指樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移角與本樓層平均值的比。是控制結構平面不規則性的重要指標；保證主體結構基本處于彈性受力狀態,避免混凝土墻柱出現裂縫,控制樓面梁板的裂縫數量,寬度；保證填充墻,隔墻,幕墻等非結構構件的完好,避免產生明顯的損壞；控制結構平面規則性，以免形成扭轉，對結構產生不利影響。[高規]4.3.5條規定，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A、B級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍；且A級高度高層建筑不應大于該樓層平均值的1.5倍，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑，不應大于該樓層平均值的1.4倍。在設計軟件SATWE的輸去結果WDISP.OUT中，因工況內容太多，在此不摘錄了。最大層間位移、位移比是在剛性樓板假設下的控制參數。構件設計與位移信息不是在同一條件下的結果（即構件設計可以采用彈性樓板計算，而位移計算必須在剛性樓板假設下獲得），故可先采用剛性樓板算出位移，而后采用彈性樓板進行構件分析。復雜結構，如坡屋頂層、體育館、看臺、工業建筑等，這些結構或者柱、墻不在同一標高，或者本層根本沒有樓板，此時如果采用“強制剛性樓板假定”，結構分析嚴重失真，位移比也沒有意義。所以這類結構可以通過位移的“詳細輸出”或觀察結構的變形示意圖，來考察結構的扭轉效應。對于錯層結構或帶有夾層的結構，這類結構總是伴有大量的越層柱，當選擇“強制剛性樓板假定”后，越層柱將受到樓層的約束，如果越層柱很多，計算失真。
　　4剪重比
　　剪重比即最小地震剪力系數λ，主要是控制各樓層最小地震剪力，尤其是對于基本周期大于3.5S的結構,以及存在薄弱層的結構,出于對結構安全的考慮,規范增加了對剪重比的要求。控制剪重比，是要求結構承擔足夠的地震作用，設計時不能小于規范的要求。剪重比與地震影響系數由內在聯系:λ=0.2αmax。[高規]3.3.13條規定，抗震驗算時，結構任一樓層的水平地震剪力不應小于下表給出的最小地震剪力系數λ。
　　剪重比是反映地震作用大小的重要指標，它可以由“有效質量系數”來控制，當“有效質量系數”大于90%時，可以認為地震作用滿足規范要求，此時，再考察結構的剪重比是否合適，否則應修改結構布置、增加結構剛度，使計算的剪重比能自然滿足規范要求。“有效質量系數”與“振型數”有關，如果“有效質量系數”不滿足90%，則可以通過增加振型數來滿足。當剪重比不滿足規范要求時，程序將自動調整地震作用，已達到設計目標的要求。
　　剪重比調整系數將直接乘在該層構件的地震內力上。地下室可以不受最小剪重比的控制。
　　5剛度比
　　剛度比指結構豎向不同樓層的側向剛度的比值（也稱層剛度比），該值主要為了控制高層結構的豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。規范對結構的層剛度有明確的要求，在判斷樓層是否為薄弱層、地下室是否能作為嵌固端、轉換層剛度是否滿足要求等等，都要求有層剛度作為依據，直觀的來說,層剛度比的概念用來體現結構整體的上下勻稱度.
　　底部大空間為一層的部分框支剪力墻結構，可近似采用轉換層上、下層結構等效剛度比γ表示轉換層上、下層結構剛度的變化，非抗震設計時γ不應大于3，抗震設計時不應大于2。
　　底部大空間層數大于一層時，其轉換層上部框架-剪力墻結構的與底部大空間層相同或相近高度的部分的等效側向剛度與轉換層下部的框架-剪力墻結構的等效側向剛度比γe宜接近1，非抗震設計時不應大于2，抗震設計時不應大于1.3。
　　采用的樓層剛度算法:層間剪力比層間位移算法
　　轉換層所在層號=5
　　轉換層下部結構起止層號及高度=2519.00
　　轉換層上部結構起止層號及高度=61118.00
　　X方向下部剛度=0.1097E+07X方向上部剛度=0.3755E+06X方向剛度比=0.3242
　　Y方向下部剛度=0.1039E+07Y方向上部剛度=0.2774E+06Y方向剛度比=0.2530
　　規范對結構層剛度比和位移比的控制一樣，也要求在剛性樓板假定條件下計算。對于有彈性板或板厚為零的工程，應計算兩次，在剛性樓板假定條件下計算層剛度比并找出薄弱層，然后在真實條件下完成其它結構計算。對于上述三種計算層剛度的方法，我們應根據實際情況進行選擇：對于底部大空間為一層時或多層建筑及磚混結構應選擇“剪切剛度”；對于底部大空間為多層時或有支撐的鋼結構應選擇“剪彎剛度”；而對于通常工程來說，則可選用第三種規范建議方法，此法也是SATWE程序的默認方法。
　　6剛重比
　　結構的側向剛度與重力荷載設計值之比稱為剛重比。它是影響重力二階效應的主要參數,且重力二階效應隨著結構剛重比的降低呈雙曲線關系增加。高層建筑在風荷載或水平地震作用下,若重力二階效應過大則會引起結構的失穩倒塌，故控制好結構的剛重比，則可以控制結構不失去穩定。
　　在設計軟件SATWE總信息WMASS.OUT中如下：
　　抗傾覆驗算結果
　　抗傾覆彎矩Mr傾覆彎矩Mov比值Mr/Mov零應力區(%)
　　X風荷載9950223.0387225.125.700.00
　　Y風荷載14825508.0366016.040.510.00
　　X地震9950223.0180287.655.190.00
　　Y地震14825508.0169332.087.550.00
　　結構整體穩定驗算結果
　　X向剛重比EJd/GH**2=4.48
　　Y向剛重比EJd/GH**2=3.77
　　該結構剛重比EJd/GH**2大于1.4,能夠通過高規(5.4.4)的整體穩定驗算。
　　該結構剛重比EJd/GH**2大于2.7,可以不考慮重力二階效應。
　　當高層建筑的穩定不滿足上述規定時，應調整結構方案，減少結構的高寬比并增大結構的側向剛度。重力二階效應即P-Δ效應包含兩部分，（1）由構件撓曲引起的附加重力效應；（2）由水平荷載產生側移，重力荷載由于側移引起的附加效應。一般只考慮第（2）種，第（1）種對結構影響很小。當結構側移越來越大時，重力產生的福角效應（P-Δ效應）將越來越大，從而降低構件性能直至最終失穩。在考慮P-Δ效應的同時，還應考慮其它相應荷載，并考慮組合分項系數，然后進行承載力設計。
　　7層間受剪承載力之比
　　層間受剪承載力之比是控制結構豎向不規則的重要指標。[高規]4.3.3條規定:：A級高度高層建筑的其樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應小于其上一層受剪承載力的65%。樓層抗側力結構的承載能力突變將導致薄弱層破壞，必須對高層建筑結構提出此限制條件。在設計軟件SATWE的輸去結果WMASS.OUT中如下：
　　*樓層抗剪承載力、及承載力比值*
　　Ratio_Bu:表示本層與上一層的承載力之比
　　層號塔號X向承載力Y向承載力Ratio_Bu:X,Y
　　2810.7412E+040.4167E+041.001.00
　　2710.7103E+040.3684E+040.960.88
　　2610.1430E+050.8915E+042.012.42
　　2510.1452E+050.9209E+041.021.03
　　2410.1599E+050.9588E+041.101.04
　　2310.1647E+050.9797E+041.031.02
　　2210.1689E+050.9941E+041.031.01
　　2110.1737E+050.1008E+051.031.01
　　2010.1772E+050.1028E+051.021.02
　　1910.1810E+050.1054E+051.021.03
　　1810.1784E+050.1068E+050.991.01
　　1710.2045E+050.1198E+051.151.12
　　1610.2082E+050.1222E+051.021.02
　　1510.2028E+050.1194E+050.970.98
　　1410.2115E+050.1247E+051.041.04
　　1310.2570E+050.1501E+051.221.20
　　1210.2492E+050.1428E+050.970.95
　　1110.2559E+050.1533E+051.031.07
　　1010.2493E+050.1544E+050.971.01
　　910.2294E+050.1444E+050.920.94
　　810.2667E+050.1750E+051.161.21
　　710.2524E+050.1591E+050.950.91
　　610.3712E+050.2049E+051.471.29
　　510.5740E+050.5791E+051.552.83
　　410.6425E+050.6260E+051.121.08
　　310.7109E+050.7266E+051.111.16
　　210.7620E+050.7644E+051.071.05
　　110.1213E+060.1104E+061.591.44
　　如果有薄弱層需要在參數設置時，人工指定薄弱層號（允許指定多個樓層）重新計算，程序調整薄弱層的地震剪力。
　　高層結構設計除上述“六個比”需很好控制以外,還有很多“比值”需要結構設計人員在具體工程的設計中認真的去對待，很好的加以控制，如高層建筑高寬比，結構與構件的延性比，梁柱的剪跨比、剪壓比，柱傾覆力矩與總傾覆力矩之比等等。此外對單構件內力和配筋計算，包括梁、柱、剪力墻軸壓比計算構件截面優化設計；還必須滿足規范規定的抗震措施要求。它們對于實現“強剪弱彎”，“強墻弱梁”“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計理念均起著重要作用。
　　
　　【參考文獻】
　　【1】 高層建筑混凝土結構技術規程JGJ3-2002
　　【2】 楊星PKPM結構軟件從入門到精通

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