结构设计的七个控制指标

7个控制指标摘要：本文总结了某工程模型调整思路。总结了剪重比、周期比、位移比、轴压比、刚度比、刚重比、受剪承载力比这7个控制指标的基本概念、规范要求、调整方法、电算结果的判别与调整要点、设计要点、及实例调整。总结了高层结构整体控制参数的关联性及刚度控制，最后总结了结构薄弱层。本文主要总结于刘铮“建筑结构设计快速入门”、朱炳寅“建筑结构设计问答与分析”、杨星“pkpm结构软件从入门到精通”，钢结构论坛，文献以及网上别人经验总结。共23页。2012-1-10----2012-1-29于中南大学铁道学院qq:17992000261.某工程模型调整思路：1.1根据结构布置建立一个初步的结构模型,该模型以一个标准层为基准,根据层数及层高进行简单组装;计算时假定模型中梁两端为铰接,不考虑地震作用及配筋情况下(计算速度快)求出各楼层墙肢轴压比,以符合“剪力墙轴压比基本接近”的要求;比较计算轴压比及规范规定的轴压比限值,调整墙肢的长度、宽度及混凝土强度等级,并对模型进行修改,此次修改将形成多个标准层,将铰接梁改为刚接梁进行第二次计算,分析计算结果中的周期比、位移比、层间位移角等结构整体计算指标是否满足规范要求。1.2.计算调整：1.2.1.若层间位移角不满足规范要求,可采取以下措施:查看位移文件以确定哪些楼层位移角超限,一般情况是结构中上部楼层,若超限不多,可通过提高剪力墙变厚度位置加以解决,否则需增加剪力墙的布置量或关键连梁的高度。1.2.2.若周期比、位移比不满足规范要求,可采取以下措施:a:将结构周边程序定义为连梁的梁改为框架梁或增加连梁高度,以增加结构外围刚度。b:减少结构中部剪力墙布置量及降低连梁高度以增大结构的平动周期而间接改善周期比、位移比。c:查看结构空间振型曲线,找出位移最大点,在该位置处适当增加剪力墙布置量,再计算以使周期比、位移比、层间位移角满足规范要求。若层间位移角较规范限值富余较多,应适当调整梁布置及减小梁截面,将部分连接复杂的梁改为铰接梁,以降低梁刚度,从而减小地震作用,降低成本。1.3:①刚性假定②双向地震③偶然偏心周期：均不考虑周期比：考虑①位移比：考虑①和③层间位移角：考虑①2.剪重比：2.1．概念：剪重比即最小地震剪力系数λ，主要是控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于基本周期大于3.5S的结构,以及存在薄弱层的结构,出于对结构安全的考虑,规范增加了对剪重比的要求主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见高规10版高规4.3.12。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。在WZQ.OUT中查看。注：剪力墙T1＝（0.05-0.06）n，n为层高，假设30层，周期T1＝1.5~1.8s,所以基本周期大于3.5S的结构一般很少出现。2.2.规范：2.3.剪重比不满足时的调整方法：2.3.1.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10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。2.3.2.人工调整：如果还需人工干预，可按下列三种情况进行调整：a: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；b: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；c: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。2.4.电算结果的判别与调整要点:a:对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大1.15倍，即上表中楼层最小剪力系数λ应乘以1.15倍。当周期介于3.5S和5.0S之间时，可对于上表采用插入法求值。b:般高层建筑而言,结构剪重比底层为最小,顶层最大,故实际工程中,结构剪重比由底层控制,由下到上,哪层的地震剪力不够，就放大哪层的设计地震内力。c:构各层剪重比及各楼层地震剪力调整系数自动计算取值,结果详SATWE周期、地震力与振型输出文件WZQ.OUT)。d:层地震内力自动放大与否在调整信息栏设开关；如果用户考虑自动放大，SATWE将在WZQ.OUT中输出程序内部采用的放大系数。e度区剪重比可在0.7％～1％取。若剪重比过小，均为构造配筋,说明底部剪力过小，要对构件截面大小、周期折减等进行检查;若剪重比过大，说明底部剪力很大，也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。2.5．设计要点：2.5.1：剪重比不满足要求时，首先要检查有效质量系数是否达到90%（剪重比是反映地震作用大小的重要指标，它可以由“有效质量系数”来控制，当“有效质量系数”大于90%时，可以认为地震作用满足规范要求）。若没有，则有以下几个方法:a:查看结构空间振型简图,找到局部振动位置，改变布置，去掉局部振动（局部振动是实际存在的，不是重要的部位，没必要加强，但局部振动有时候会对其它指标的判断有干扰作用，要过滤掉）。b.采用强制刚性楼板，过滤掉局部振动，但结构计算可能局部失真；c.通常振型数在satwe参数设置时，正常情况下应该足够了，由于有局部振动，可以增加计算振型数，采用总刚分析；d.剪重比仍不满足时，对于需调整楼层层数较少（不超过楼层总数的1／3），且剪重比与规范限值相差不大（不小于规范限值的80％，或地震剪力调整系数不大于1.2-1.3）的情况，我们可以通过选择SATWE的相关参数来达到目的。2.5.2：制剪重比的根本原因在于建筑物周期很长的时候，由振型分解法所计算出的地震效应会偏小;剪重比与抗震设防烈度、场地类别、结构形式和高度有关；对于一般多、高层建筑，最小的剪重比值往往容易满足;高层建筑，由于结构布置原因，可能出现底部剪重比偏小的情况，在满足规范规定的前提下，没必要刻意去提高，规定剪重比的指标主要是增加结构的安全储备。2.5.3：一个3层教学楼若采用混凝土结构，一般会采用框架结构，4%左右的剪重比对多层框架结构应该是合理的。结构体系对剪重比的计算数值影响较大，矮胖型的钢筋混凝土框架结构一般剪重比比较大，体型纤细的长周期高层建筑一般剪重比会比较小。3.周期比：3.1.概念：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，见10版高规3.4.5与5.1.13。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。在WZQ.OUT查看，需判别后手算。《高规》3.4.5条，5.1.13条，控制结构平面布置扭转效应的影响。3.2.规范：之所以要限制比值，因为两者接近时，由于振动偶联的影响，结构的扭转效应明显增大。3.3.周期比不满足时的调整方法：3.3.1．程序调整：SATWE程序不能实现。3.3.2．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。当第一振型为扭转时，说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴（一般都靠近X轴和Y轴）方向的侧移刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，并适当削弱结构内部的刚度。当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（侧移刚度较小方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（侧移刚度较大方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当加强结构外围（主要是沿侧移刚度较大方向）的刚度，并适当削弱结构内部沿侧移刚度较大方向的刚度。例：24层剪力墙结构的模型，位移比、周期比、刚度比等都满足，只第二振型是扭转，第一振型平动系数是1.0，第二振型平动系数是0.3，第三振型平动系数是0.7；第三振型转角1.97，第一振型转角91.20；当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，并适当加强结构外围（主要是沿第三振型转角方向）的刚度。第三振型转角1.97，靠近X轴；第一振型转角91.20，靠近Y轴；先看下位移比、周期比，如果位移比很小的话，可以增大小结构外围X方向的刚度，适当削弱内部沿X方向的刚度（墙肢变短、开洞等）。注：平1、扭、平2，既然扭转没有跑到平1前面去，则说明平1方向的扭转周期小于平1方向的平动周期，即平1方向的扭转刚度足够；加强平2方向外围的墙体，扭转刚度比平动刚度增大的更快，于是扭转周期跑到了平2后面，变成了平平扭。a.最有效原则：削弱内部刚度，增强周边刚度，尽量周边均匀对称连续。b.有较大凹入的部位加拉梁。c.看看位移，将位移大的地方加拉梁，或者加大梁截面，加厚板。d.增加外围梁截面，特别加强角部，和抗震墙部位的梁截面。3.4.电算结果的判别与调整要点：3.4.1：计算结果详周期、地震力与振型输出文件(WZQ.OUT)。因SATWE电算结果中并未直接给出周期比,故对于通常的规则单塔楼结构，需人工按如下步骤验算周期比:a．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）。一般情况下，当扭转系数大于0.5时,可认为该振型是扭振振型,反之应为侧振振型。当然，对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进行判断。b．周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期Tt，周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期T1。c.计算Tt/T1，看是否超过0.9(0.85)。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)。3.4.2：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；必要时，在“结构整体空间振动简图”中，看是否能引起结构整体振动。3.4.3：振型分解反应谱法分析计算周期，地震力时，还应注意两个问题，即计算模型的选择与振型数的确定。一般来说，当全楼作刚性楼板假定后，计算时宜选择“侧刚模型”进行计算。而当结构定义有弹性楼板时则应选择“总刚模型”进行计算较为合理。至于振型数的确定，应按上述[高规]5.1.13条执行，振型数是否足够，应以计算振型数使振型参与质量不小于总质量的90%作为唯一的条件进行判别。3.4.4：如同位移比的控制一样，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。考虑周期比限制以后，以前看来规整的结构平面，从新规范的角度来看，可能成为“平面不规则结构”。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。3.4.5：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.剪力墙全部按照同一主轴两向正交布置时，较易满足；周边墙与核心筒墙成斜交布置时要注意检查是否满足.c.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.d.当不满足周期限制时，且层位移角控制潜力