高层设计7大指标调整方法.doc

高层设计7大指标调整方法 高层结构设计需要控制的七个比值及调整方法 1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6，高规 6.4.2和7.2.14。 轴压比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。 2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5，高规3.3.13。这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的地震剪力如果达不到规范的最低要求，就要人为提高，并按这个最低要求完成后续的计算。 剪重比不满足时的调整方法： 1）程序调整：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5.2.5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。 2）人工调整：如果还需人工干预，可按下列三种情况进行调整： a）当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说 免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。见抗规3.4.2，高规 4.3.5。 位移比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；可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；也可找出位移最小的节点削弱其刚度；直到位移比满足要求。 5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，见高规4.3.5。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。 周期比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，提高结构的扭转刚度；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。 第一或第二振型为扭转时的调整方法: 1）SATWE程序中的振型是以其周期的长短排序的。 2）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。见抗规3.5.3条3款及条文说明“结构在两个主轴方向的动力特性(周期和振型)宜相近”。 3）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（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。 4）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（主要是沿第三振型转角方向）的刚度。 5）在进行上述调整的同时，应注意使周期比满足规范的要求。 6）当第一振型为扭转时，周期比肯定不满足规范的要求；当第二振型为扭转时，周期比较难满足规范的要求。 6、刚重比：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，见高规5.4.1和5.4.4。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。 刚重比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。 7、层间受剪承载力比：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，见抗规3.4.2，高规4.4.3；对于形成的薄弱层应按高规5.1.14予以加强。 层间受剪承载力比不满足时的调整方法： 1）程序调整：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5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍。 2）人工调整：如果还需人工干预，可适当提高本层构件强度（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。 如果结构竖向较规则，第一次试算时可只建一个结构标准层，待结构的周期比、位移比、剪重比、刚度比等满足之后再添加其它标准层；这样可以减少建模过程中的重复修改，加快建模速度。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 引言: 随着城市的发展和科学技术的进步,高层建筑(10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物)的应用日益广泛, 由于高层建筑相对较柔,水平荷载作用效应明显,在满足使用条件下如何才能达到既安全又经济的设计要求,这是结构设计人员必须去追求与面对的。笔者认为,对于高层结构设计来说，位移比、周期比、刚度比、刚重比、剪重比、轴压比是保证结构规则、安全、经济的六个极其重要的参数，《建筑抗震设计规范GB50011-2001》(以下简称为抗规);《混凝土结构设计规范GB50010-2002》(以下简称为砼规);《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002》(以下简称为高规)均在相关章节对以上“六个比”进行了严格控制。在初步设计和施工图设计阶段，结构设计和审图人员对以上“六个比”都非常重视，各类结构设计软件也对这“六个比”有详细的电算结果输出，便于设计人员进行分析与调整。本文仅以我国目前较为权威且应用最为广泛的PKPM软件中的SATWE程序的电算结果，结合规范条文的要求，谈谈如何对电算结果进行判读、控制与调整。 1. 位移比（层间位移比）: 1.1 名词释义： （1） 位移比：即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。 （2) 层间位移比：即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。 其中： 最大水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移。 平均水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2。 层间位移角：墙、柱层间位移与层高的比值。 最大层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值。 平均层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值与最小值之和除2。 1.3 控制目的: 高层建筑层数多，高度大，为了保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其最大位移和层间位移加以控制，主要目的有以下几点： 1 保证主体结构基本处于弹性受力状态,避免混凝土墙柱出现裂缝,控制楼面梁板的裂缝数量,宽度。 2 保证填充墙,隔墙,幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显的损坏。 3． 控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。 1.2 相关规范条文的控制： [抗规]3.4.2条规定，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则,对称,并应具有良好的整体性,当存在结构平面扭转不规则时,楼层的最大弹性水平位移(或层间位移),不宜大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。 [高规]4.3.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高度高层建筑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复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。 [高规]4.6.3条规定，高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层间之比（即最大层间位移角）Δu/h应满足以下要求： 结构休系 Δu/h限值 框架 1/550 框架-剪力墙，框架-核心筒 1/800 筒中筒，剪力墙 1/1000 框支层 1/1000 1.4 电算结果的判别与调整要点: PKPM软件中的SATWE程序对每一楼层计算并输出最大水平位移、最大层间位移角、平均水平位移、平均层间位移角及相应的比值，详位移输出文件WDISP.OUT。但对于计算结果的判读,应注意以下几点： （1）若位移比（层间位移比）超过1.2，则需要在总信息参数设置中考虑双向地震作用; （2）验算位移比需要考虑偶然偏心作用，验算层间位移角则不需要考虑偶然偏心 （3）验算位移比应选择强制刚性楼板假定，但当凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响 （4）最大层间位移、位移比是在刚性楼板假设下的控制参数。构件设计与位移信息不是在同一条件下的结果（即构件设计可以采用弹性楼板计算，而位移计算必须在刚性楼板假设下获得），故可先采用刚性楼板算出位移，而后采用弹性楼板进行构件分析。（5）因为高层建筑在水平力作用下,几乎都会产生扭转,故楼层最大位移一般都发生在结构单元的边角部位 2．周期比： 2.1 名词释义： 周期比即结构扭转为主的第一自振周期（也称第一扭振周期）Tt与平动为主的第一自振周期（也称第一侧振周期）T1的比值。周期比主要控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，使结构的抗扭刚度不能太弱。因为当两者接近时,由于振动藕连的影响,结构的扭转效应将明显增大。 2.2 相关规范条文的控制： [高规]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（即周期比），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复杂高层建筑不应大于0.85。 [高规]5.1.13条规定，高层建筑结构计算振型数不应小于9,抗震计算时,宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应,振型数不小于15,对于多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。 2.3 电算结果的判别与调整要点: (1).计算结果详周期、地震力与振型输出文件。因SATWE电算结果中并未直接给出周期比,故对于通常的规则单塔楼结构，需人工按如下步骤验算周期比: a）根据各振型的两个平动系数和一个扭转系数(三者之和等于1)判别各振型分别是扭转为主的振型（也称扭振振型）还是平动为主的振型（也称侧振振型）。一般情况下，当扭转系数大于0.5时,可认为该振型是扭振振型,反之应为侧振振型。当然，对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进行判断； b）周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期Tt，周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期T1； c）计算Tt / T1，看是否超过0.9(0.85)。 对于多塔结构周期比，不能直接按上面的方法验算，这时应该将多塔结构分成多个单塔，按多个结构分别计算、分别验算(注意不是在同一结构中定义多塔，而是按塔分成多个结构)。 (2).对于刚度均匀的结构，在考虑扭转耦连计算时，一般来说前两个或几个振型为其主振型，但对于刚度不均匀的复杂结构，上述规律不一定存在。总之在高层结构设计中，使得扭转振型不应靠前，以减小震害。SATWE程序中给出了各振型对基底剪力贡献比例的计算功能,通过参数Ratio(振型的基底剪力占总基底剪力的百分比)可以判断出那个振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每个振型对基底剪力的贡献大小。 (3).振型分解反应谱法分析计算周期，地震力时，还应注意两个问题，即计算模型的选择与振型数的确定。一般来说，当全楼作刚性楼板假定后，计算时宜选择“侧刚模型”进行计算。而当结构定义有弹性楼板时则应选择“总刚模型”进行计算较为合理。至于振型数的确定，应按上述[高规]5.1.13条执行，振型数是否足够，应以计算振型数使振型参与质量不小于总质量的90%作为唯一的条件进行判别。 (4).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。即周期比控制不是在要求结