高层建筑结构设计对整体性能控制的六个指标与调整论文

摘要：高层建筑结构设计中，为保证建筑物的整体性能，国家抗震规范和高层规程规定了六个主要控制指标一层刚度比、周期比、位移比、剪重比、层间受剪承载力比、刚重比;设计中要严格执行，不满足时应进行合理调整，以确保建筑结构的整体安全可靠。

关键词：高层建筑;整体性能;控制指标;调整

在高层建筑结构设计中，如何按抗震规范、高层规程嘲要求控制结构的整体性能是保证建筑物抗震性能的前提;而合理的建筑结构布置在抗震设计中是头等重要的，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，设计过程中对建筑结构整体性能的控制有六个主要目标参数。

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。现以SATWE软件为例，对结构的整体性能控制指标与调整进行讨论。

一、层刚度比的控制

高层规程第4.4.2条、第5.1.14条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。

层刚度比主要控制建筑结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。

层刚度比不满足时的调整方法：

(一)程序调整：如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求，SATWE程序瑚自动将该楼层定义为薄弱层，并按高层规程第5.1.14条的规定将该楼层地震剪力放大1.15倍。

(二)人工调整：如果还需人工干预，可适当降低本层层高或加强本层墙柱或梁的刚度，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的剐度。

二、周期比的控制

高层规程第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Tl之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构建筑、及复杂高层建筑不应大于0.85。周期比主要控制建筑结构整体扭转刚度;周期比侧重的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而不是绝对大小;控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。其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。若周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，结构扭转效应过大。

周期比不满足时的调整方法：

(一)程序调整：SATWE程序不能实现。但是，程序能够计算出每个振型的侧振成份和扭振成份，通过平动系数和扭转系数可以明确的区分振型特征。

重复上述训练过程。

(二)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。如果收效不大时，只能通过调整整体性的平面布置来改善。

(三)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。

(四)当高层建筑层开洞口较复杂，或为错层结构时，结构往往会产生局部振动，此时可以选择”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。

三、位移比的控制

抗震规范第3.4.3条对平面不规则而竖向规则建筑结构，其楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宣大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍。高层规程第4.3.5条规定，高层建筑的楼层竖向构件最大水平位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍。层间位移：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。位移比主要控制结构平面规则性、层扭转刚度。以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。

位移比控制原则：高层规程第3.3.3条规定高层建筑计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响;抗震规范第5.1.1条规定复杂结构应考虑双向地震作用;但偶然偏心和双向地震作用分别考虑，不叠加。位移比不满足时的调整方法：

(一)程序调整：SATWE程序程序不能实现。

(二)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程序的”分析结果图形和文本显示”中的'n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。

四、剪重比的控制

抗震规范第5.2.5条、高层规程第3.3.13条明确要求了楼层剪重比。剪重比主要控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，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。蔸重比不满足时的调整方法：

(一)程序调整：在SATWE程序的”调整信息”中勾选”按抗震规范第5.2.5条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。

(二)人工调整：如果还需人工干预，可按下列四种情况进行调整：

1、首先研究设计方案是否合理，改进结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求;

2、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;

3、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;

4、当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可在SATWE程序的”调整信息”中的”全楼地震作用放大系数”中输入大于l的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。

五、层间受剪承载力比的控制

高层规程第4.4.3条、第5.1.14条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%:B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计的高层建筑结构，结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。1结构薄弱层的控制主要是控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层。

层间受剪承载力比不满足时的调整方法：

(一)程序调整：在SATWE程序的”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程序按高规5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍。

(二)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a

六、刚重比的控制

结构在水平力(风荷载或水平地震力)作用下发生水平变形后，重力荷载因该水平变形而引起附加效应，结构发生的水平侧移绝对值越大，效应越显著，若结构的水平变形过大，可能因重力二阶效应而导致结构失稳。刚重比主要是控制结构在水平力作用下的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳，见高层规程第5.4.1条和第5.4.4条的规定。若刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小;但刚重比太大，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：

(一)程序调整：SATWE程序不能实现。

(二)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。

总之，高层建筑结构必须保证其整体性能，严格执行规范要求。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，待结构的刚度比、周期比、位移比、剪重比、刚重比、层间受剪承载力比等满足之后，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。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范 50011-2001，2008.

[2]高层建筑混凝土结构技术规程 3-2002.

[3lSATWE程序，PKPK建筑结构设计软件，2008.

[4]李云贵，结构软件研讨会教材，中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，2007,5.