高层结构设计需要控制的八个比值及调整方法.doc

高层结构设计需要控制的八个比值及调整方法 高层结构设计的控制参数（比值）及调整方法(转自user的博客)2008-11-13 14:37高层结构设计的控制参数及调整方法本文在笔者高层结构设计需要控制的七个比值及调整方法的基础上编写，编写中针对原文中的一些错误及不足之处做了必要的修改和补充，并在原文的基础上增加了部分内容。高层结构设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中主要通过对一些目标参数的控制来达到这一目的。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。见抗规6.3.7和6.4.6，高规 6.4.2和7.2.14及相应的条文说明。轴压比不满足规范要求，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。轴压比不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：SATWE程序不能实现。2、结构调整：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。剪重比不满足规范要求，说明结构的刚度相对于水平地震剪力过小；但剪重比过分大，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。剪重比不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：当剪重比偏小但与规范限值相差不大（如剪重比达到规范限值的80以上）时，可按下列方法之一进行调整：1）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”，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）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。3）在SATWE的“地震信息”中的“周期折减系数”中适当减小系数，增大地震作用，以满足剪重比要求。2、结构调整：当剪重比偏小且与规范限值相差较大时，宜调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。三、刚重比：规范上限主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计。见高规5.4.1和5.4.2及相应的条文说明。刚重比不满足规范上限要求，说明重力二阶效应的影响较大，应该予以考虑。规范下限主要是控制重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。见高规5.4.4及相应的条文说明。刚重比不满足规范下限要求，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。刚重比不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：刚重比不满足规范上限要求，在SATWE的“设计信息”中勾选“考虑P-效应”，程序自动计入重力二阶效应的影响。2、结构调整：刚重比不满足规范下限要求，只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。四、层间位移角：主要为限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。见高规 4.6.1、4.6.2和4.6.3及相应的条文说明。层间位移角不满足规范要求，说明结构的上述要求无法得到满足。但层间位移角过分小，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。层间位移角不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：SATWE程序不能实现。2、结构调整：只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。1）由于高层结构在水平力的作用下将不可避免地发生扭转，所以符合刚性楼板假定的高层结构的最大层间位移往往出现在结构的边角部位，因此应注意加强结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构的侧移变形。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”中快速找到层间位移角超过规范限值的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度。节点号在“SATWE位移输出文件”中查找。五、位移比（层间位移比）：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（包括层间位移比，下同）不满足规范要求，说明结构的刚心偏离质心的距离较大，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。位移比不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：SATWE程序不能实现。2、结构调整：只能通过调整改变结构平面布置，减小结构刚心与质心的偏心距；调整方法如下：1）由于位移比是在刚性楼板假定下计算的，结构最大水平位移与层间位移往往出现在结构的边角部位；因此应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构刚心与质心的偏心距。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚度予以保证。2）对于位移比不满足规范要求的楼层，也可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。节点号在“SATWE位移输出文件”中查找。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。六、周期比：主要为限制结构的抗扭刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响。见高规4.3.5及相应的条文说明。周期比不满足规范要求，说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。周期比不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：SATWE程序不能实现。2、结构调整：只能通过调整改变结构布置，提高结构的抗扭刚度。由于结构外围的抗侧力构件对结构的抗扭刚度贡献最大，所以总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，或适当削弱结构中间墙、柱的刚度。利用结构刚度与周期的反比关系，合理布置抗侧力构件，加强需要减小周期方向（包括平动方向和扭转方向）的刚度，削弱需要增大周期方向的刚度。当结构的第一或第二振型为扭转时，可按以下方法调整：1）SATWE程序中的振型是以其周期的长短排序的。2）结构的第一、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振型及以后。见抗规3.5.3条3款及条文说明“结构在两个主轴方向的动力特性(周期和振型)宜相近”。3）当第一振型为扭转时，说明结构的抗扭刚度相对于其两个主轴（第二振型转角方向和第三振型转角方向，一般都靠近X轴和Y轴）的抗侧移刚度过小，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。4）当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的抗侧移刚度相差较大，结构的抗扭刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的抗侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的抗侧移刚度则过小，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（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。5）在进行上述调整的同时，应注意使周期比满足规范的要求。6）当第一振型为扭转时，周期比肯定不满足规范的要求；当第二振型为扭转时，周期比较难满足规范的要求。七、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。刚度比不满足规范要求时的调整方法：1、程序调整：如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求，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、结构调整：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。八、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规范要求时的调整方法：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、结构调整：如果还需人工干预，可适当提高本层构件强度（如增大配筋、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。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，应注意不要顾此失彼。应该注意，对于类似于框剪结构的组合体系，有个彼此刚度适宜的问题。分析框架的剪切型变形曲线和剪力墙的弯曲型变形曲线，可以发现，在下部楼层，剪力墙的位移较小，框架的位移较大，是剪力墙拉着框架来限制其层间位移角；上部几层则相反，剪力墙的层间位移角逐渐增大，框架的层间位移角逐渐减小，框架反过来拉着剪力墙以限制其层间位移角。而改变剪力墙的刚度与部置是控制框剪结构的位移和周期的主要手段，所以当框剪结构上部几层的层间位移角较大时，适当削弱这几层的剪力墙刚度应该更为有效。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、刚重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。框架剪力墙结构0.2V0和Vf,max内力调整的概念和设计建议 框架剪力墙结构0.2V0和Vf,max内力调整的概念和设计建议在okok上看到有人问为什么0.2V0是取结构底部而不是每层的剪力，并且不是少数人对此有疑惑，因此HiStruct 将对此问题进行详细分析，以加深大家对框架剪力墙结构的理解。首先，来看看规范是如何执行这个内力调整的：根据高规和抗规的规定：抗震设计时，框架-剪力墙结构中剪力墙的数量必须满足一定要求。这就是说，在地震作用时剪力墙作为第一道防线承担了大部分的水平力。但这并不意味着框架部分可以设计得很弱。相反，框架部分作为第二道防线必须具备一定的抗侧力能力，这就需要在计算时，对框架部分所承担的剪力进行调整。 在高规中，对 Vf 0.2V0的楼层，设计时 Vf 取 1.5Vf,max和 0.2V0 的较小值。V0为地震作用产生的结构底部总剪力，Vf,max为各层框架所承担的总剪力中的最大值。这种调整方法对于框架柱沿竖向的数量变化不大的情况是合适的，但是对于那些框架柱沿竖向的数量变化较大的建筑，这样调整会造成上部楼层框架柱所承担的剪力明显偏大，是不合理的。因此，高规规定：对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，当Vf0.2V0 时，V0应取每段最下一层结构对应于地震作用标准值的总剪力；Vf,max 应取每段中对应于地震作用。其次，理解为什么要进行框架部分的内力调整我想几乎所有的结构工程师都大概的知道这是为了保证框架作为结构二道防线之用。那么详细分析起来会是如何呢？首先来看典型框架剪力墙的内力分配图（此图为解析推导，与实际情况稍有出路，可以参考理论推导的假设，但是基本规律是合适的）。由图可见在结构的底部剪力墙需承担大部分的内力，变形上是剪力墙小而框架大，因此剪力墙在此部分起到主导的作用，即第一道防线，若在外力作用下剪力墙屈服则将转移很大的内力给框架，此时只按弹性分析设计出来的框架将无法承担这部分由墙转移出来的作用而破坏，因此我们需要提高底部区域框架的设计内力以实现它的二道防线功能。那么对于结构的上部区域是否还是这样的情况呢？那就不是了，顶部区域框架可能承担超过层剪力的作用而剪力墙的内力则反向与外力作用相同，因此在上部（尤其是顶部）区域，框架剪力=外力+墙剪力！而变形上框架小剪力墙大，此时实际上框架起到主导作用，是框架在帮剪力墙，那么两道防线的概念则发生了转移，因此在框架剪力墙结构的顶部区域也需要加强框架。第三，对于普通的框架剪力墙结构而言，执行了规范的规定会出现什么结果？应该分两种情况讨论，第一种情况，当1.5Vf,max0.2V0时，框架剪力墙结构中底部区域的内力调整由0.2V0控制，中部区域不需要调整，上部区域由0.2V0控制，此时也出现了对于顶部区域而言就会出现内力调整系数过大的情况，这种情况下调整框架的内力在结构概念上就意义就不清晰了，因此HiStruct建议，此时若调整系数很大则可直接采用“2”的调整系数，但是一般情况下既然1.5Vf,max0.2V0则说明框架部分其实也不太弱，即顶部按0.2V0的调整系数一般不会太大，可以设计下来。在规范尚未明确可以分段采用V0时，也考虑框架剪力墙结构的顶部区域需要加强框架，因此从安全性的角度出发，规范的规定还是老实执行为好。第四，特殊情况下的一些内力调整措施实际结构设计存在一些特殊的情况，HiStruct举一些例子供大家参考，其实只要真实的理解了框架剪力墙结构，那么概念设计和抗震措施上需要加强之处自然也就水落石出了。（1）带加强层的框筒结构，这种情况下加强层附近框架内力一般有较大突变，Vf,max可不需要按照此处采用，而要从整体概念上把握，但是由于规范对加强层处的设计无具体规定，因为还是建议适当加强。（2）混合结构，见规范的规定，适当提高要求。（3）框肢柱，见规范要求。（4）结构有明显的规律性分段如竖向构件减数，立面缩进，转换等，可考虑分段调整，但要强调整体把握。（5）少量较大框架柱，由于建筑布置等原因，可能框架柱较少，若要突破规范就要提方案审查，可参考少量框肢柱的内力调整规定或更强措施。最后，结语其实只有真正理解了框架剪力墙结构体系，在理论依据和结构概念设计的基础上，可深入理解规范条文，面对结构设计中千变万化的特殊情况时，具体问题具体分析，那么设计思路和加强措施也就水到渠成1.最小地震剪力调整抗规5.2.5条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震的剪重比不应小于表5.2.5给出的最小地震剪力系数，此条程序自动调整，无须人工干预。但建议设计者注意查看SATWE文本文件“周期、地震力及振型输出文件WZQ.OUT”，目的是从中可判断薄弱层所在楼层。2.0.2V.的调整系数对于框架剪力墙结构，一般剪力墙的刚度很大，剪力墙吸引了大量的地震力，而框架所承担的地震力很小。对于框架部分，如果按这样的地震力进行设计，在剪力墙开裂后会很不安全，所以需要让框架部分承担至少20%的基底剪力和按框架剪力墙分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值，以增加框架的安全度，但在考虑调整时还须注意以下几点：a.对柱少剪力墙多的框架剪力墙结构，让框架梁柱承担20%的基底剪力会使放大系数过大，以致梁柱无法设计。所以20%的调整一般只用于主体结构，一旦结构内收则不应往上调整。b.若考虑调整后框架梁柱内力增加过大，可调整文件中的放大系数，程序将按WV02Q.OUT中的系数调整。c.0.20调整的放大系数只针对框架梁柱的弯矩及剪力，不调整轴力。d.对于侧向刚度沿竖向分布不均匀的框架剪力墙结构，如多塔结构或大底盘结构，已不在抗规6.2.13条规定的范围内，对这类结构进地调整时需特别注意。e.程序对框剪结构，依据规范要求进行0.2V0调整，设计者可以指定调整楼层范围，同时，也可人工干预调整系数。3.竖向不规则结构地震作用效应调整抗规3.4.3条及高规5.1.14条规定：楼层侧向刚度小于上层的70%或其上三层平均值的80%左时，其薄弱层地震剪力应乘以 1.15的增大系数。设计者应注意：此条要求设计者必须指出薄弱层所在楼层，然后程序将根据设计者指定的薄弱层层号，将这些楼层地震作用的内力乘以 1.15的增大系数。4.特殊构件地震力调整系数（1）。转换梁在地震作用下的内力调整：高规10.2.23条规定：转换梁在特一级、一级、二级抗震设计时，基地震作用下的内力分别放大1.8、1.5、1.25倍。设计时注意：设计必须在特殊构件定义时人工定义了转换梁，则程序会自动对其进行调整。（2）。框支柱在地震作用下的内力调整：高规10.2.7条规定也要调整，设计时注意：设计必须在特殊构件定义时人工定义了框支柱，则程序会自动对其进行调整。由于调整系数往往很大，为了避免异常情况，程序给出一个控制开关，设计者可决是否对与框支柱相连的框架梁的弯矩剪力进行调整。（3）。另外对于“不调幅的梁”、“铰接梁”、“滑动支座梁”、“刚性梁”、“铰接件”、“铰接支撑”、“弹性楼板”、“临空墙”等均需人工定义。5.其它构件地震力调整系数如果整个结构的抗震等级确定，则（除特殊要求构件外）各构件的设计内力调整均由程序自动完成，不需人工干预