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11.38101.090.63(0.63+0.00)0.37HOOJING21.139284.680.98(0.01+0.97)0.0231.0580164.030.39(0.36+0.03)0.6140.3662176.830.47(0.47+0.00)0.5350.327684.701.00(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)15109.76279.7533603.5242813.19552.13……各振型作用下Y方向的基底剪力-------------------------------------------------------振型号剪力(kN)12.1629690.803317.9646.1455137.52……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HOOJING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。D、理论补充多自由度体系结构的地震反应1．多自由度体系的常用分析模型：层间模型：每个楼面、屋面可作用一个质点，墙柱质量则分别向上下质点集中。2．两自由度体系结构无阻尼运动方程：3．多自由度体系结构无阻尼运动方程：考虑阻尼时：采用端雷阻尼假定：4．多自由度体系的自振频率：(4.11)P62----第一自振圆频率(较小)-----第二自振圆频率(较大)-----较大的为第一自振周期-----较小的为第二自振周期----较小的为第一自振频率----较大的为第二自振频率5．多自由度体系的振型振型的概念：对应某一自振频率各质点位移向的关系：HOOJING（1）对应某一自振频率各质点位移的比值：特点：位移幅值的比值为常数。（2）对应某一自振频率、各质点任意时刻位移的关系：特点：位移比值仍为常数。（3）体系运动的组成：包含所有的频率和振型。6．振型的正交性：任意两个不同频率的主振型之间有在互相正交的性质。振型关于质量矩阵正交性(4.17)振型于刚度矩阵正交性(4.18)进一步可得:7．结构周期的近似计算：（1）基本周期的实用近似计算：①能量法Ui——将质点的重力荷载视为水平力所产生的质点i处的水平位移.②等效质量法：基本思想：用一个等效单质点体系、代替原来的多质点体系。等效原则为：1)等效单质点体系与原多质点体系的基本自振效率相等。2)等效单质点体系与自由振动的最大动能与原多质点体系的基本自由振动的最大动能相等。连续质量体系弯曲型悬臂构件，剪切型悬臂构件弯剪型悬臂结构介于前两者之间。等效单质点体系的频率：HOOJING——体系在等效质奌处,受单位水平力所产生所水平位移③顶点位移法基本思想：将悬臂结构的基本周期，用顶点位移表示，而该顶点位移为将结构重力荷载作为水平荷载作用在结构顶点所产生的假想顶点位移。对质量沿高度均匀分布的等截面弯曲型悬臂杆:将重力荷载作为水平荷载产生的顶点位移为：8．多自由度体系的振型分解法（1）振型分解法基本概念：①思路：利用各振型相互正交的特性，将原来耦联的微分方程组变为若干互相独立的微分方程，从而使原来多自由度体系的动力计算变为若干个单自由度体系的问题。②求解：求得各单自由度体系的解后，再将各个解进行组合，从而可求得多自由度体系的地震反应。（2）多自由度体系地震反应振型分解法的求解步骤：①求体系自振效率和振型.②计算振型参与系数Vj③求解各单自由度体系的广义坐标：④按振型叠加原理计算各质点的位移9．振型分解反应谱法：多自由度体系的水平地震作用、可用各质点所受的惯性力来代表。振型的地震组合时振型反应的确定：结构的总地震反应应以底阶振型为主，高阶振型的影响较小。（1）一般情况下、可取结构前2-3振型进行组合、但不多于结构自由度。（2）当结构基本周期大于1.5s或高宽比大于5时，可适当增加。10．底层剪力法（1）适用条件：结构的质量和刚度沿高度分布比较均匀；房屋的总高度不超过40米；建筑结构在地震作用下的变形以剪切变形为主；建筑结构在地震作用时的扭转效应可忽略不计。（2）底部剪力计算鞭梢效应：突出屋面的小建筑，由于刚度和质量突然变小，局中地震反应有可能加剧，计算作用在小建筑上的地震作用需乘以增大系数，抗震规范规定为3，向主体结构传递时不乘增大系数。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HOOJING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1/1000B、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SATWE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。