高层结构设计需要控制的六个比值及调整方法

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通过大学时期对专业结构设计软件PKPM的学习,以及工作期间对其使用的一些掌握,我总结出:在高层设计中,其难点在于竖向承重构件(柱、剪力墙等)的合理布置,设计过程中控制的目标参数主要有如下六个。

一、轴压比

主要为限制结构的轴压比,保证结构的延性要求,规范对墙肢和柱均有相应限值要求,见抗震结构设计规范(以下简称抗规)6.3.7和6.4.6、高层结构设计规范(以下简称高规)6.4.2和7.2.14及相应的条文说明。轴压比不满足要求,结构的延性要求无法保证;轴压比过小,则说明结构的经济技术指标较差,宜适当减少相应墙、柱的截面面积。

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。

二、剪重比

主要为限制各楼层的最小水平地震剪力,确保周期较长的结构的安全,见抗规5.2.5、高规3.3.13及相应的条文说明。这个要求如同最小配筋率的要求,算出来的水平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:(1)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。(2)当地震剪力偏大而层间侧移角偏小时,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。(3)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。

三、刚度比

主要为限制结构竖向布置的不规则性,避免结构刚度沿竖向突变,形成薄弱层,见抗规3.4.2、高规4.4.2及相应的条文说明;对于形成的薄弱层则按高规5.1.14予以加强。

刚度比不满足时的调整方法:

1.程序调整。如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求,则SATWE自动将该楼层定义为薄弱层,并按高规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,可按以下方法调整:(1)适当降低本层层高,或适当提高上部相关楼层的层高。(2)适当加强本层墙、柱和梁的刚度,或适当削弱上部相关楼层墙、柱和梁的刚度。

四、位移比

主要为限制结构平面布置的不规则性,以避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及相应的条文说明。

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。调整方法如下:(1)由于位移比是在刚性楼板假定下计算的,最大位移比往往出现在结构的四角部位,因此应注意调整结构对应位置抗侧力构件的刚度;同时在设计中,应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。(2)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。

五、刚重比

主要是控制在风荷载或水平地震作用下,重力荷载产生的二阶效应不致过大,避免结构的失稳倒塌,见高规5.4.1和5.4.4及相应的条文说明。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。只能通过人工调整增强竖向构件,加强墙、柱等竖向构件的刚度。

六、层间受剪承载力比

主要为限制结构竖向布置的不规则性,避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变,形成薄弱层,见抗规3.4.2\高规4.4.3及相应的条文说明;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(如增大柱箍筋和墙水平分布筋、提高混凝土强度或加大截面)以提高本层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力,或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的抗剪承载力。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。

上述几个参数的调整涉及构件截面、刚度及平面位置的改变,在调整过程中可能相互关联,我们在使用时应注意不要顾此失彼。