张 俊 文
(山西省建筑设计研究院,山西 太原 030013)
结构整体计算控制指标的应用
张 俊 文
(山西省建筑设计研究院,山西 太原 030013)
对结构整体计算中周期比、位移比、剪重比、侧向刚度比、刚重比、有效质量参与系数六个主要的参数进行了研究，介绍了各参数的定义，探讨了各参数的合理取值区间，并对各参数的控制意义作了论述，以供参考。
结构，比值，荷载，系数
随着各种结构设计软件的应用，结构设计中将由软件代替工程师做着大量的计算工作，这就要求工程师们必须对计算结果进行准确的分析，以判断结构的安全性、可靠性和合理性。这就要求结构设计人员从概念设计入手，明确设计计算各参数的含义、合理取值区间及影响因素等。
1 周期比
周期比是结构第一扭转周期与第一平动周期的比值，扭转周期和平动周期的确定可通过周期计算结果中的振型方向因子的大小来判断。当平动因子大于0.5时为平动周期，当平动周期小于0.5，而扭转因子大于0.5时为扭转周期，通常合理的结构计算模型，前两个周期为平动周期，第三周期为扭转周期。结构沿两个正交方向各有一个平动为主的第一振型周期，周期比中所指的第一周期指第一振型平动周期。有的工程如两个方向的第一振型平动周期与第一扭转周期的比值均能满足限值要求，其抗扭刚度会更好。周期比计算时，可直接计算结构的固有自振特征，不必附加偶然偏心。周期比和位移比在结构设计中功能都是控制结构扭转效应，尽可能的降低扭转效应对结构的不利影响，周期比侧重反映的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，它的目的是进一步优化平面抗侧力构件，避免结构出现过大的扭转效应。
2 位移比
位移比是楼层竖向构件最大弹性水平位移(或层间位移)与该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的比值；扭转位移比的确定，不是采用的CQC法组合计算的偶然偏心和地震作用，而是按规范要求采用规定水平力计算，这样做的好处是可有效的控制楼层最大位移出现在楼盖边缘的角部，而不是楼盖边缘的中部，这种计算方法适用于楼板的各种假定，比如说无限刚楼盖、分块无限刚楼盖和弹性楼盖；规范所指的规定水平力通常是指考虑了偶然偏心的振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力；采用CQC的效应组合通常用于验算结构楼层位移和层间位移控制值。
位移比主要作用就是控制结构的扭转效应对结构产生不利影响，以此来判断结构平面的规则性。
3 剪重比
剪重比及剪力系数是地震作用与重力荷载代表值的比值。对于基本周期大于3.5 s的结构，由于在长周期段地震影响系数下降较快，而在实际工程设计中水平地震作用下的结构效应太小完全有可能会出现。现在规范所采用的CQC法，无法评估长周期结构，在地震效应作用下的地面运动对结构破坏带来的影响。为了避免这种破坏的出现，规范限定了不同烈度下的最小剪力系数，当不满足规范限定的剪力系数时，需通过改变结构平面布置方式或通过调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力来满足要求。
剪重比就是通过控制各楼层最小地震剪力，来确保结构安全。
4 侧向刚度比
侧向刚度比是楼层侧向刚度的比值。在高层建筑设计中，规范通过限制下层与相邻上层的侧向刚度比值，来避免形成薄弱层而导致的变形集中在某一薄弱楼层，通常要求下部楼层侧向刚度大于上部楼层的侧向刚度。框架结构要求：楼层与上部相邻楼层的侧向刚度比宜大于0.7，与上部相邻三层侧向刚度平均值的比值宜大于0.8。对框架—剪力墙结构、板柱—剪力墙结构、剪力墙结构、框架—核心筒结构、筒中筒结构，侧向刚度主要由剪力墙来提供，层高变化对刚度变化影响不明显，可采用楼层侧向刚度比来判定侧向刚度的变化，控制指标也做相应的改变，通常按大于0.9来控制；当层高变化较大时，刚度变化相应的提出了更高的要求，按不小于1.1来控制；当底部楼层作为嵌固层时，要求底部嵌固楼层与上一层侧向刚度比更为严格，要求不小于1.5。
侧向刚度比主要控制结构竖向规则性。侧向刚度比在薄弱层的判断，地下室嵌固要求是否满足，转换层刚度是否满足规范要求起决定性作用。
5 刚重比
刚重比是结构的侧向刚度和重力荷载设计值的比值。刚重比与结构的侧移刚度成正比关系，刚重比是控制重力二阶效应的主要参数；周期比的变化将导致结构侧移刚度的变化，进一步影响到刚重比，在整个调节过程中，各个参数之间是相互影响的。因此在设计的调整过程中，调整周期比，通过加强刚度的办法，来调节当某一主轴方向的刚重比小于或接近规范限值；通过削弱刚度的办法，来调节某主轴方向刚重比大于规范限值；通过加强外围刚度的办法，来调整结构的周期比接近规范限值。同样，对刚重比的调整也会影响到周期比。当结构的刚重比满足规范要求，在考虑结构弹性刚度折减50%时，重力二阶效应仍可控制在20%的可控范围内，结构的稳定不会有什么危险。当结构的刚重比继续减小，重力二阶效应的增长将会呈非线性急剧变化，最后导致结构的整体失稳。对于设计水平力较小的结构，当计算的楼层剪重比不大于0.02，结构刚度虽然也可以满足水平位移限值要求，但有可能不满足本条规定的稳定要求。
刚重比主要控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。结构整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求。实验研究表明，在竖向重力荷载作用下高层建筑混凝土结构产生整体失稳的可能性不大。高层建筑结构发生结构失稳、倒塌的重力荷载产生的二阶效应，主要是由风荷载或水平地震作用所引起的。
6 有效质量参与系数
有效质量系数是结构底部受到单位大小的加速度时各振型的底部剪力与结构总质量的比值，反映了该振型的相对贡献大小。国家规范要求达到90%。对于规则结构，较少的振型就可以满足此要求，对于复杂结构则需要很多。事实上，复杂结构的许多振型对水平方向的振型参与系数贡献很小，比如扭转振型、竖向振型以及局部振动的振型。
总之，无论是高层建筑还是超高层建筑都必须从概念设计入手，在建筑初步布置确定后，首先进行的是结构的抗侧构件的初步布置，控制抗侧构件的平面布置合理性，位移比、周期比、有效质量参与系数及刚度比是控制构件平面布置的主要参数；在平面布置满足要求后，剪重比和刚重比的控制是保证结构的延性和抗震安全性以及稳定性的两个主要参数。设计人员应根据国家规范、计算参数要求以及建筑工程的实际特点，来控制各个参数。
[1] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].
[2] JGJ 3-2010,高层混凝土结构技术规程[S].
[3] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].
On application of controlled indexes of structural overall calculation
ZHANG Jun-wen
(ShanxiArchitecturalDesignAcademy,Taiyuan030013,China)
The paper researches the period ratio, displacement ratio, shear weight ratio, ratio of lateral rigidity, rigidity-to-weight ratio, and effective quality participation coefficient, introduces their definitions respectively, and explores the reasonable valuation of all these parameter, and indicates the controlling meaning, so as to provide some reference.
structure, ratio, loading, coefficient
1009-6825(2014)34-0046-02
2014-09-20
张俊文(1978- ),男,工程师
TU311.4
A
