结构特征参数控制

结构特征参数控制

1、周期比

A 、规范要求

[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%。

B 、名词解释

振型：

振型是指体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，即为对应固有频率体系自身振动的形态。每一阶固有频率都对应一种振型。

振型与体系实际的振动形态不一定相同。

振型对应于频率而言，一个固有频率对应于一个振型。按照频率从低到高的排列来说第一振型，第二振型等等。此处的振型就是指在该固有频率下结构的振动形态，频率越高则振动周期越小。在实验中，我们就是通过用一定的频率对结构进行激振，观测相应点的位移状况，当观测点的位移达到最大时，此时频率即为固有频率。实际结构的振动形态并不是一个规则的形状，而是各阶振型相叠加的结果。

振型参与质量：

在层刚性板的假设下，如果累计x,y 的振型有效的质量，都大于90%的时候，这时候我们就可以认为选了足够的振型了。如果，有效质量系数不够90%，那可以说明后续的地震作用效应不能忽略。如果不能保证这点，那将导致计算所考虑的地震作用偏小。

平动为主的第一自振周期T1：

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）。一般来说，可以简单的以SATWE 程序输出的“周期、地震力与振型输出文件”WZQ.OUT 文件中扭转因子比例来判断，即：扭转因子不大于50%的振型为第一个以平动为主的振型。但是这里要注意，从概念上讲，并不能绝对地说只要排列在第一位且扭转因子不大于50%的振型，就一定是以平动为主的第一振型！尽管对多数一般结构来说不会出现这个问题，但是对于某些扭转不利的结构，还要看其X 、Y 两方向基底地震剪力大小才能判定。仍然是查看“周期、地震力与振型输出文件”WZQ.OUT 文件。

例如这样一个结构，程序计算结果显示，第一、第二振型均是平动振型，第三振型为扭转振型，但是第一和第二振型扭转因子比例中，X 、Y 值比较接近或扭振成分较高，就要查看X 、Y 方向地震剪力值，看看对应于第一、第二振型的X 、Y 两方向基底地震剪力之和谁大？很有可能出现这样的结果，对应于第二振型的地震剪力之和大于第一振型的！那么，以平动为主的第一振型就不是前面程序给出的排列在第一位的那个振型了。

附一工程实例：

考虑扭转耦联时的振动周期(秒) 、X,Y 方向的平动系数、扭转系数

振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 1.3810 1.09 0.63 ( 0.63+0.00 ) 0.37 2 1.1392 84.68 0.98 ( 0.01+0.97 ) 0.02 3 1.0580 164.03 0.39 ( 0.36+0.03 ) 0.61 4 0.3662 176.83 0.47 ( 0.47+0.00 ) 0.53 5 0.3276 84.70 1.00 ( 0.01+0.99 ) 0.00 „„

各振型作用下 X 方向的基底剪力

-------------------------------------------------------

振型号 剪力(kN)

1 5109.76

2 79.75

3 3603.52

4 2813.19

5 52.13

„„

各振型作用下 Y 方向的基底剪力

-------------------------------------------------------

振型号 剪力(kN)

1 2.16

2 9690.80

3 317.96

4 6.14

5 5137.52

„„

可以看到，该工程虽然在排列上似乎应该是第一振型以平动为主，但是比较了X 、Y 方向的基低地震剪力发现，第一振型对应的剪力5109.76+ 2.16＜第二振型对应的剪力79.75+9690.80！因此，第二振型才是以平动为主的第一振型！ 扭转为主的第一自振周期Tt ：

周期最长的扭振振型（扭转因子不大于50%的振型）对应的就是第一扭振周期Tt 。

C 、控制周期比的意义：

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构足够结实，而是在要求结构承载布局的合理性。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。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，总的调整原则是要加强结构外圈，或者削弱内筒。

扭转周期控制及调整难度较大，要查出问题关键所在，采取相应措施，才能有效解决问题。

a) 扭转周期大小与刚心和形心的偏心距大小无关，只与楼层抗扭刚度有关； b) 当不满足周期限制时，若层位移角控制潜力较大，宜减小结构竖向构件刚度，增大平动周期；

c) 当不满足周期限制时，且层位移角控制潜力不大，应检查是否存在扭转刚度特别小的层，若存在应加强该层的抗扭刚度；

d) 当不满足扭转周期限制，且层位移角控制潜力不大，各层抗扭刚度无突变，说明核心筒平面尺度与结构总高度之比偏小，应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚，增大核心筒的抗扭刚度。

e) 当计算中发现扭转为第一振型，应设法加强建筑物周围的抗侧刚度。 f) 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) 。

g) 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。

2、位移比（层间位移比）：

A 、规范要求

[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

B 、名词解释

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。应在质量偶然偏心的条件下，考察结构楼层位移比的情况。位移比的限值，是根据刚性楼板假定的条件下确定的，其平均位移的计算方法，也基于“刚性楼板假定”。

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。

C 、控制位移比的意义：

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。

4、PKPM 软件中的SA TWE 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。

（6）结构位移特征的计算模型之合理性，应根据结构的实际出发，对复杂结构应采用多种手段分析。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，计算失真；另如坡屋顶层、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，位移比也没有意义。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。

3、刚度比

A 、规范要求

[抗规]附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2；

[高规]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临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%；

[高规]5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍；

[高规]10.2.3条规定，底部大空间剪力墙结构，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度，应符合高规附录E 的规定：

E.01) 底部大空间为一层的部分框支剪力墙结构，可近似采用转换层上、下层结构等效刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化，非抗震设计时γ不应大于3，抗震设计时不应大于2。

E.02) 底部大空间层数大于一层时，其转换层上部框架-剪力墙结构的与底部大空间层相同或相近高度的部分的等效侧向刚度与转换层下部的框架-剪力墙结构的等效侧向刚度比γe 宜接近1，非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于

1.3。

B 、名词解释

刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值（也称层刚度比），该值主要为了控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。对于地下室结构顶板能否作为嵌固端，转换层上、下结构刚度能否满足要求，及薄弱层的判断，均以层刚度比作为依据。[抗规]与[高规]提供有三种方法计算层刚度，即剪切刚度（Ki=GiAi/hi）、剪弯刚度（Ki=Vi/Δi ）、地震剪力与地震层间位移的比值（Ki=Qi/Δui ）。

C 、控制刚度比的意义：

（1）规范对结构层刚度比和位移比的控制一样，也要求在刚性楼板假定条件下计算。对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次，在刚性楼板假定条件下计算层刚度比并找出薄弱层，然后在真实条件下完成其它结构计算。

（2）层刚比计算及薄弱层地震剪力放大系数的结果详建筑结构的总信息WMASS.OUT 。一般来说，结构的抗侧刚度应该是沿高度均匀或沿高度逐渐减少，但对于框支层或抽空墙柱的中间楼层通常表现为薄弱层，由于薄弱层容易遭受严重震害，故程序根据刚度比的计算结果或层间剪力的大小自动判定薄弱层，并乘以放大系数，以保证结构安全。当然，薄弱层也可在调整信息中通过人工强制指定。

（3）对于上述三种计算层刚度的方法，我们应根据实际情况进行选择：对于底部大空间为一层时或多层建筑及砖混结构应选择“剪切刚度”；对于底部大空间为多层时或有支撑的钢结构应选择“剪弯刚度”；而对于通常工程来说，则可选用第三种规范建议方法，此法也是SATWE 程序的默认方法。

（4）层刚度比即结构必须要有层的概念，但是，对于一些复杂结构，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，所以在设计时，可以不考虑这类结构所计算的层刚度特性。

（5）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。

（6）对于错层结构或带有夹层的结构，层刚度比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。

4、刚重比

A 、规范要求

[高规]5.4.4条规定:

B 、名词解释

结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比称为刚重比。它是影响重力二阶效应的主要参数, 且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下, 若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，则可以控制结构不失去稳定。

C 、控制刚重比的意义：

1、对于剪切型的框架结构, 当刚重比大于10时，则结构重力二阶效应可控制在20%以内, 结构的稳定已经具有一定的安全储备；当刚重比大于20时, 重力二阶效应对结构的影响已经很小, 故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应。

2、对于弯剪型的剪力墙结构、框剪结构、筒体结构，当刚重比大于1.4时，结构能够保持整体稳定；当刚重比大于2.7时，重力二阶效应导致的内力和位移增量仅在5%左右，故规范规定此时可以不考虑重力二阶效应。

3、若结构刚重比(Ejd/GH2)>1.4,则满足整体稳定条件,SATWE 输出结果参WMASS.OUT,

4、高层建筑的高宽比满足限值时，可不进行稳定验算，否则应进行。

5、当高层建筑的稳定不满足上述规定时，应调整并增大结构的侧向刚度。

5、剪重比

A 、规范要求

[抗规]5.2.5条与[高规]3.3.13条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力不应小于下表给出的最小地震剪力系数λ。类 别 7 度 7.5 度 8 度 8.5 度 9 度

扭转效应明显或基本周期

小于3.5S 的结构 0.016 0.024 0.032 0.048 0.064

基本周期大于5.0S 的结构 0.012 0.018 0.024 0.032 0.040

B 、名词解释

剪重比即最小地震剪力系数λ，主要是控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于基本周期大于3.5S 的结构, 以及存在薄弱层的结构, 出于对结构安全的考虑, 规范增加了对剪重比的要求。

C 、控制剪重比的意义：

(1).对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大1.15倍，即上表中楼层最小剪力系数λ应乘以1.15倍。当周期介于3.5S 和5.0S 之间时，可对于上表采用插入法求值。

(2).对于一般高层建筑而言, 结构剪重比底层为最小, 顶层最大, 故实际工程中, 结构剪重比由底层控制, 由下到上, 哪层的地震剪力不够，就放大哪层的设计地震内力。

(3).结构各层剪重比及各楼层地震剪力调整系数自动计算取值, 结果详SATWE 周期、地震力与振型输出文件WZQ.OUT) 。

(4).各层地震内力自动放大与否在调整信息栏设开关；如果用户考虑自动放大，SATWE 将在WZQ.OUT 中输出程序内部采用的放大系数。

(5).六度区剪重比可在0.7％～1％取。若剪重比过小，均为构造配筋, 说明底部剪力过小，要对构件截面大小、周期折减等进行检查; 若剪重比过大，说明底部剪力很大，也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。

（6）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，提高刚度；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，降低刚度以取得合适的经济技术指标；当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，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。

6、轴压比

A 、规范要求

[砼规]11.4.16条[抗规]6.3.7条,[高规]6.4.2条同时规定:柱轴压比不宜超过下表中限值。

结构类型 抗震等级

一 二 三

框架结构 0.7 0.8 0.9

框架抗震墙，板柱抗震墙筒体 0.75 0.85 0.95

部分框支抗震墙 0.6 0.7 --

[砼规]11.7.13条[高规]7.2.14条同时规定:抗震设计时，一二级抗震等级的剪力墙底部加强部位，其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比不宜超过下表中限值.

B 、名词解释

柱(墙) 轴压比N/(fcA)指柱(墙) 轴压力设计值与柱(墙) 的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一，为了使柱墙具有很好的延性和耗能能力，规范采取的措施之一就是限制轴压比。轴压比不满足时，只能增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。