《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》之一：七個比的控制定義、目標(biāo)與意義

1、1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之一高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之一“七個比值”的控制定義、目標(biāo)與意義研究生： 唐 榮學(xué) 號： 2240918510導(dǎo) 師： 周 云 教授授課老師：鄧雪松 副教授專 業(yè)： 結(jié)構(gòu)工程 2010年5月2“七個比值”軸壓比軸壓比 剪重比剪重比 剛度比剛度比 位移比位移比 周期比周期比 剛重比剛重比 層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)3一、一、軸壓比軸壓比 1.定義：定義：重力荷載代表值作用下，軸力設(shè)計值與抗壓強(qiáng)度設(shè)計值和截面面積乘積的比值。 2.公式：公式：AfNucc式中：uc柱軸壓比； N柱考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計值； fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值； A柱的全截面面積。 4軸壓

2、比軸壓比 軸壓比是針對于以承受重力荷載為代表值的剪力墻、柱等構(gòu)件提出的概念，新規(guī)范也明確規(guī)定：承受的軸力按考慮地震考慮地震作用組合的軸壓力設(shè)計作用組合的軸壓力設(shè)計。因此軸壓比是影響墻、柱的破壞形態(tài)和延性的主要因素之一。 為了使柱墻具有很好的為了使柱墻具有很好的延性和耗能能延性和耗能能力力，規(guī)范采取的措施之一就是限制軸壓比規(guī)范采取的措施之一就是限制軸壓比！53.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo)軸壓比軸壓比. .混凝土規(guī)混凝土規(guī)11.4.1611.4.16條條、抗規(guī)抗規(guī)6.3.76.3.7條條同時規(guī)定:框架柱軸壓比不宜超過表1中限值：表1 框架柱軸壓比限值6表2 剪力墻軸壓比限值軸壓比軸壓比.

3、 .混凝土規(guī)混凝土規(guī)11.7.1311.7.13條條、高規(guī)高規(guī)7.2.147.2.14條條同時規(guī)定:抗震設(shè)計時，一二級抗震等級的剪力墻底部加強(qiáng)部位，其重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比不宜超過表2中的極限值。7 . .上述的規(guī)范對于普遍性結(jié)構(gòu)構(gòu)件具上述的規(guī)范對于普遍性結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有適用性。特別地：當(dāng)在柱的截面中部加設(shè)有適用性。特別地：當(dāng)在柱的截面中部加設(shè)附加縱筋約束形成芯柱時，由于附加縱筋可附加縱筋約束形成芯柱時，由于附加縱筋可以承擔(dān)一部分軸壓力。此時，當(dāng)另加的縱向以承擔(dān)一部分軸壓力。此時，當(dāng)另加的縱向鋼筋總面積不小于柱截面面積的鋼筋總面積不小于柱截面面積的0.8%0.8%時，軸時，軸壓比限值可以

4、增加壓比限值可以增加0.050.05。形式如下：。形式如下：圖1 箍筋約束形成芯柱軸壓比軸壓比8 普通柱（以對稱配筋柱為例）普通柱（以對稱配筋柱為例）： 短柱短柱4.控制的意義控制的意義：軸壓比軸壓比 隨著uc，截面相對受壓高度，截面破壞形式： 大偏壓受壓破壞（延性）小偏壓受壓破壞（脆性） 隨著uc，剪切受壓破壞剪切受拉破壞總之：在抗震設(shè)計中，必須對柱和剪力墻的軸壓比進(jìn)行限制，以保證其有足夠的延性，歷次地震也予以了證明：這是一種相當(dāng)行之有效的方法。9“七個比值” 軸壓比剪重比剪重比 剛度比剛度比 位移比位移比 周期比周期比 剛重比剛重比 層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)10二、剪重比

5、二、剪重比 1.定義：定義：樓層最小地震剪力與上部結(jié)構(gòu)總重量的比值。 2.公式：公式：VEkiGj式中：VEki第i層對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力； 剪力系數(shù)（可以理解為剪重比）查閱相關(guān)規(guī)定以確定； Gj第j層的重力荷載代表值。 11剪重比剪重比 規(guī)范規(guī)定剪重比剪重比計算,主要是因為結(jié)構(gòu)在長周期自振周期作用下,地震影響系數(shù)下降較快,對于基本周期大于3 3. .5S5S 的結(jié)構(gòu),由此計算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)有可能太小。而對于長周期結(jié)構(gòu),地震動態(tài)作用下的地面運(yùn)動速度和位移可能對結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用。水平地震作用水平地震作用底部剪力法底部剪力法振型分解反應(yīng)譜法振型分解反應(yīng)譜法123

6、.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo)剪重比剪重比 .抗規(guī)抗規(guī)5.2.55.2.5條條、高規(guī)高規(guī)3.3.133.3.13條條規(guī)定:抗震驗算時,結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力應(yīng)符合表3要求：表3 樓層最小地震剪力系數(shù)值注：1.基本周期介于3.5s和5s之間的結(jié)構(gòu)，可插入取值； 2.括號內(nèi)數(shù)值分別用于設(shè)計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。13剪重比剪重比.六度區(qū)剪重比要求放寬，可在0. 7% 1%取。若剪重比過小,均為構(gòu)造配筋,說明底部剪力過小，要對構(gòu)件截面大小、周期折減等進(jìn)行檢查；若剪重比過大,說明底部剪力很大,也應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)模型，參數(shù)設(shè)置是否正確或結(jié)構(gòu)布置是否太剛。即是按剛度分配的即是按

7、剛度分配的“能者多勞能者多勞”原則！原則！144.相關(guān)概念區(qū)分相關(guān)概念區(qū)分剪重比剪重比 抗風(fēng)計算不存在剪重比，風(fēng)載不同于地展作用，它是直接作用在建筑物的，而且可較準(zhǔn)確測定(如風(fēng)洞試驗)。 倘若從受力機(jī)理和截面破壞形式來看，剪重比剪重比與剪壓比剪壓比是同一概念，它們都是指水平作用與豎向作用的比值。剪重比討論的是水平剪力和豎向重力荷載的比值，如框架柱的剪重比；剪壓比討論的是橫向剪力和軸向壓力的比值，如框架梁的剪壓比。15“七個比值” 軸壓比 剪重比剛度比剛度比 位移比位移比 周期比周期比 剛重比剛重比 層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)16三、剛度比三、剛度比 1.定義：定義：指結(jié)構(gòu)豎向不

8、同樓層的側(cè)向剛度的比值，也稱層間剛度比。 2.公式：公式：=Ki+1 /Ki式中：上、下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比； Ki+1上層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度； Ki下層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。 17 按剪切剛度計算： Ki=GiAi/hi 按剪彎剛度計算： Ki=Vi/i 按地震剪力與地震層間位移的比值計算： Ki=Qi/ui 剛度比剛度比. .抗規(guī)抗規(guī)與高規(guī)高規(guī)都提供有三種方法計算層剛度，即：3.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo)18剛度比剛度比.抗規(guī)抗規(guī)附錄附錄E2.1規(guī)定：筒體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上下層的側(cè)向剛度比不宜大于2。高規(guī)高規(guī)4.4.2條條規(guī)定：抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度不宜小于不宜小于相臨上部樓層側(cè)向剛度的

9、70%，或其上相臨三層側(cè)向剛度平均值的80%。19剛度比剛度比 剛度比主要為了控制高層結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。地下室結(jié)構(gòu)頂板能否作為嵌固端，轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)剛度能否滿足要求，及薄弱層的判斷，均以層剛度比作為依據(jù)。4.控制的意義控制的意義： 例如地下室頂板：高規(guī)高規(guī)5. 3. 75. 3. 7條條規(guī)定:高層建筑結(jié)構(gòu)計算中,當(dāng)?shù)叵率业捻敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時,地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。20圖片：框支結(jié)構(gòu)上下層剛度比圖片：框支結(jié)構(gòu)上下層剛度比過大，形成的薄弱層垮塌過大，形成的薄弱層垮塌剛度比剛度比21剛度比剛度比圖片：框支結(jié)構(gòu)上下層剛度比

10、過圖片：框支結(jié)構(gòu)上下層剛度比過大，形成的薄弱層構(gòu)件發(fā)生剪切大，形成的薄弱層構(gòu)件發(fā)生剪切破壞破壞22“七個比值” 軸壓比 剪重比 剛度比位移比位移比 周期比周期比 剛重比剛重比 層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)23四、位移比四、位移比 1.定義：定義：位移比包含兩項內(nèi)容:樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與平均水平位移的比值；樓層豎向構(gòu)件的最大層間位移與平均層間位移的比值。 2.公式：公式： 或者或者/max/max24位移比位移比3.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo). . 抗規(guī)抗規(guī)3. 4. 23. 4. 2條條規(guī)定:建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱,并應(yīng)具有良好的整體性;當(dāng)存在

11、結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時,樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移),不宜大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.21.2倍倍。. . 高規(guī)高規(guī)4. 3. 54. 3. 5條條規(guī)定:樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移,A、B級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍;且A級高度高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.51.5倍倍,B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.41.4倍倍。25位移比位移比 計算位移比僅考慮墻頂、柱頂?shù)蓉Q向構(gòu)件上節(jié)點的最大位移,不考慮其他節(jié)點的位移。高層建筑層數(shù)多、高度大,為保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度,應(yīng)對其位移比加以控制,主

12、要目的有以下幾點:4.控制的意義控制的意義：(1)、保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài),避免混凝土墻或柱出現(xiàn)裂縫,同時將樓面梁板的裂縫數(shù)量、寬度和高度控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。26位移比位移比(2)、保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完好,避免產(chǎn)生明顯損壞。(3)、限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性,避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。然而，實際工程中，然而，實際工程中，扭轉(zhuǎn)是難免的，結(jié)構(gòu)不利影響扭轉(zhuǎn)是難免的，結(jié)構(gòu)不利影響那是肯定存在的，這不是控制位移比就能滿足的，那是肯定存在的，這不是控制位移比就能滿足的，所以更準(zhǔn)確的說，控制位移比，是為了避免產(chǎn)生過所以更準(zhǔn)確的說，控制位移比，是為了避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)

13、構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。27“七個比值” 軸壓比 剪重比 剛度比 位移比周期比周期比 剛重比剛重比 層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)28五、周期比五、周期比 1.定義：定義：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 （ 第一扭振周期）Tt與平動為主的第一自振周期（第一側(cè)振周期）T1之比。 2.公式：公式：Tt /T1式中：Tt周期最長的扭振振型對應(yīng)的就是第一扭振周期； T1周期最長的側(cè)振振型對應(yīng)的就是第一側(cè)振周期。 29周期比周期比3.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo) 周期比主要控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。因為當(dāng)

14、兩者接近時,由于振動藕連的影響,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)將明顯增大。 .高規(guī)高規(guī)4.3.5條條規(guī)定：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（即周期比），A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于 0.85。30周期比周期比-1.計算實例分析（按計算實例分析（按etabs建模分析）建模分析）結(jié)構(gòu)平面圖31周期比周期比Etabs模型32周期比周期比33周期比周期比 .高規(guī)高規(guī)5.1.13條條規(guī)定：高層建筑結(jié)構(gòu)計算振型數(shù)不應(yīng)小于9 9；抗震計算時,宜考慮平扭藕連計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),振型數(shù)不小于1515；對于多塔樓結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的

15、9倍,且計算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。34周期比周期比4.控制的意義控制的意義： 如同位移比的控制一樣，周期比側(cè)重控制的如同位移比的控制一樣，周期比側(cè)重控制的是側(cè)是側(cè)向向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，而剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。 周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是在要求結(jié)構(gòu)承載布局的合理性。在要求結(jié)構(gòu)承載布局

16、的合理性。 周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，總的調(diào)整原則是要對于側(cè)移剛度較小，總的調(diào)整原則是要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈，或者削弱內(nèi)筒。外圈，或者削弱內(nèi)筒。35“七個比值” 軸壓比 剪重比 剛度比 位移比 周期比剛重比剛重比 層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)36六、剛重比六、剛重比 1.定義：定義：結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與重力荷載的比值。 2.設(shè)計限值：設(shè)計限值： 由于P-效應(yīng)對于框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)以及筒體構(gòu)的影響程度不同，各種結(jié)構(gòu)體系有不同設(shè)計要求限值。 P-效應(yīng)圖37剛重比剛重比該兩項為髙規(guī)中的強(qiáng)制性條文?。{規(guī)該

17、兩項為髙規(guī)中的強(qiáng)制性條文?。{規(guī)5.4.4 ）38剛重比剛重比3.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo) 對于剪切型的框架結(jié)構(gòu),當(dāng)剛重比大于10時,則結(jié)構(gòu)重力二階效應(yīng)可控制在20%以內(nèi),結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定已經(jīng)具有一定的安全儲備;當(dāng)剛重比大于20時,重力二階效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)很小,故規(guī)范規(guī)定此時可以不考慮重力二階效應(yīng)； 對于彎曲型、彎剪型的剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu),剛重比大于1.4時,結(jié)構(gòu)能夠保持整體穩(wěn)定;當(dāng)剛重比大于2.7時,重力二階效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)力和位移增量僅在5%左右,故規(guī)范規(guī)定此時可以不考慮重力二階效應(yīng)。 39剛重比剛重比4.控制的意義控制的意義： 研究表明：高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)僅在豎向重力作

18、用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性是很小。高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計主要是控制在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)(重力P效應(yīng))不致過大，以致引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌。構(gòu)件的剛度和重力荷載之比(剛重比)是影響重力P效應(yīng)的主要參數(shù)。 因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計中，涉及到剛重比的兩項規(guī)定是按強(qiáng)制性條文執(zhí)行的。若若剛重比不滿足規(guī)范要求剛重比不滿足規(guī)范要求,通常應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的高寬比通常應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的高寬比！40“七個比值” 軸壓比 剪重比 剛度比 位移比 周期比 剛重比層間受剪承載力比層間受剪承載力比 總結(jié)總結(jié)41七、七、層間受剪承載力比 1.定義：定義：指在所考慮的水平地震作用方向上，該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和與與其上一層受剪承載力之比。 2.公式：公式：Vi/Vi+1式中：Vi本層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和； Vi+1上一層層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和。 42層間受剪承載力層間受剪承載力比比3.規(guī)范條文的控制規(guī)范條文的控制目標(biāo)目標(biāo) .高規(guī)高規(guī)4.4.3條條規(guī)定： A級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑