高层混凝土结构设计结构性能控制参数探讨.pdf

2 0 1 2年第 2期( 总 1 8 3期 ) 安徽建筑 _ 1 1l _- 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 固 高星渥凝结 遮计结构性能控制参数探讨 St u d y o n t h e Co n t r o l Pa r a me t e r s o f St r u c t u r e a n d Pr o p e r t i e s f o r Hi g h - Ri s e Co n c r e t e B u i l d i n g De s i g n f 东， J 、 兵 ( 广 东 理 工 职 业 学 院， 广 东 广 州 5 1 0 0 9 1 ) 摘 要： 根据现行国家规范规程， 主要对高层混凝土结构设计时控制 结构性能的六个主要参数： 位移比、 周期比、 刚重比、 刚度比、 剪重比、 轴压比的规 范要求及调整方法分别作 了详细的探讨。 关键词 ： 高层混凝土； 结构性能； 控制参数 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 2 - 0 1 6 8 0 2 0 引 言 随着土地使用越来越紧张 ， 社会发展越来越成熟和工程技 术水平的不断提高， 高层、 超高层建筑结构的出现越来越普遍。 众所周知， 高层建筑结构与普通多层建筑结构相比有着明显不 同的受力和变形性能， 风荷载和地震作用取代竖向荷载而成为 影响结构设计的控制性因素。 高层建筑结构设计初始阶段的重 点是确定结构体系及其平 、 立面布置， 而判断结构布置的合理 性和结构体系的经济性就成了高层建筑结构设计的关键。 国家 规范用于控制高层建筑结构设计合理性的参数主要有：位移 比， 周期 比， 刚重比， 刚度比， 剪重比， 轴压比， 本文将就这六个 参数进行初步探讨。 1 结构性能控制参数探讨 1 1位移 比 结构是否规则、 对称， 平面中刚度分布是否均匀是结构本 身的性能， 可用结构I JJ , L , 与质心的相对位置来表示 ， 两者相距 较大时在风荷载或地震作用下发生扭转的可能性将增大。 在假 设平面无限刚时， 结构某一边缘的最大和最小位移变形值求平 均得到平均位移 ， 建筑抗震设计规范 ( 下文简称 抗规 ) 和 高层建筑混凝土结构技术规程 ( 下文简称 高规 ) 都采用了 校核结构最大水平位移和平均位移的方法 ， 即位移比要求来避 免由于偏心导致结构的扭转效应。 抗规 规定 ， 扭转不规则而 竖向规则的建筑结构， 楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层 间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移的 1 5 倍。 高规 规定， 在考虑偶然偏心影响的地震作用下， 楼层竖向 构件的最大水平位移和层间位移， A级高度高层建筑不宜大于 该楼层平均值的 1 2 倍 ， 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宜大于该 楼层平均值的 1 2倍， 不应大于该楼层平均值的 1 4倍。 结构设计时， 可通过调整结构的平面布置， 缩小结构刚心 与质心之间的距离来满足位移比要求。当结构平面复杂、 不规 则或各部分刚度 、 高度及重量相差悬殊时， 调整抗扭刚度仍难 以满足规范要求， 可通过设置防震缝 ， 把整个结构分成几个相 互独立的规则结构来调节结构的位移比。 收稿 日期 ： 2 0 1 卜 1 2 2 0 作者简介： 陈小兵( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 广东韶关人， 主要从事建筑结构设计与 教 学工作 。 楼层最小地震剪力系数值 表 1 结构类型 抗震等级 一 一 = 1 2 周期 比 对于高层建筑， 高规 规定， 结构扭转第一 自振周期 T t 与 平动第一自振周期 T 。 之比应小于0 9 ( A级) 或 0 8 5 ( B级) 。对 结构的周期 比进行限制， 是为了加强结构的抗扭刚度， 因为抗 扭刚度较小的结构， 扭转周期较长 ， 甚至长于结构的平动周期。 地震时， 由于结构的扭转反应过大而对结构的抗震不利。 跟位移比一样， 结构设计时， 当周期比不满足要求， 可通过 调整改变结构的平面布置， 提高结构的抗扭刚度。但这种调整 一 般是整体性的， 仅作局部的小调整对结构抗扭刚度的增强作 用不大 。 1 3刚重比 为了控制结构的稳定性， 避免结构在受到水平风荷载和地 震荷载作用时发生整体失稳， 高规 规定， 剪力墙结构、 框架剪 力墙结构、 简体结构应符合下式( 1 ) 要求， 对框架结构应符合式 ( 2 ) 要求( 各参数意思参照 高规 规定) 。 n E J d 1 4 H G i ( 1 ) i= l t l D i 1 0 C j h 。 ( 2 ) J= l 结构的刚重比宜适中。刚重比过大时， 说明结构设计不经 济 ， 结构竖向构件截面积偏大； 而冈 0 重比过小则表示结构在水 平荷载作用下， 重力二阶效应较大， 易导致结构整体失稳。 在结 构设计时， 可通过调整结构竖向受力构件， 如柱、 墙的刚度使结 构刚重比满足规范要求。 1 4刚度比 安徽建筑 2 0 1 2年第 2期( 总 1 8 3期 ) 楼层刚度比的变化是由于竖向受力构件不连续 、 楼板有大 开洞或层高有较大变化等原因造成的。 高层建筑结构刚度比的 控制， 主要是为了控制结构的竖向不规则性， 避免结构竖向刚 度突变， 形成薄弱层。 结构设计时， 由于层间刚度变化产生的薄弱层 ， 可以通过 调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层的出现。 对于不能 避免出现的结构薄弱层 ， 高规 规定： 对竖 向不规则的高层建 筑结构，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以 1 1 5的增大系数。 而对于 B级高度的高层建筑结构和复杂高层 建筑结构， 则还需按相关规定采取有效的抗震构造措施和计算 分析。 1 5剪重 比 高层建筑结构剪重比是反映结构受地震作用大小的重要 指标， 是对应于水平地震作用标准值的楼层剪力与重力荷载代 表值的比值， 如式( 3 ) 所示 ， 各参数意思参照 高规 规定。 n 、 Vn A G j ( 3) J= i 由于在长周期段， 地震影响系数下降较快 ， 因此对于基本 周期大于 3 5 s 的结构， 计算所得的水平地震作用下的结构效应 可能偏小。而对于长周期结构， 地震地面运动速度和位移可能 对结构的破坏具有更大影响， 且阵型分解反应谱法尚无法做出 准确计算。出于安全考虑， 高规 规定各楼层的剪重比不应小 于表 1 中的规定 。 在结构设计时， 剪重比不满足要求时采取的调整措施主要 有两种： 第一， 结构整体刚度满足要求时， 利用 高规 最小水平 地震剪力调整各层水平地震作用 ； 第二， 结构存在薄弱部位时， 通过调整结构布置 、 增加结构的刚度 ， 使计算的剪重比能满足 规 范要求 。 1 6轴压比 ( 上接 第 1 6 0页) l O8 06 O 4 0 2 O l O 8 0 6 O 4 O 2 O 1 2 3 4 图 5 1 4个 自由度的 MA C值( 最优 MA C) 1 2 3 4 图 6 7个 自由度的 MA C值 通过运用一种基于列主元 Q R分解的逐步累积法 进行传感器优化布置， 得出以下结论： 轴压比是指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全 截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值 ， 轴压比表 征的是框架柱截面的延性性能。 控制轴压比的目的是要求框架 柱截面达到具有较好延性性能的大偏心受压延性破坏状态 ， 以 防出现小偏压脆性破坏，从而保证框架结构在罕遇地震作用 下， 即使超出弹性极限仍具有足够大的延性和耗能能力， 实现 “ 大震不倒” 的设计目标。 高规 规定的墙柱轴压比限值分别如 表 2和表 3 所示 。 在结构设计中， 剪重比不满足要求时， 可通过增大墙、 柱截 面面积、 适当增大配箍筋、 提高混凝土的强度等级、 采用轻质高 强材料等方法来调整剪重比， 使其满足规范要求。 2 结语 高层混凝土结构设计是个复杂的过程。 为了结构的安全和 受力合理， 我们不仅要从概念设计上把握结构的平、 立面规整 性和受力体系的合理选择， 还必须在设计分析时根据 高规 和 抗规 的相关要求对结构的位移比、 周期比、 刚重比、 刚度比、 剪重比、 轴压比六个主要参数进行调整和控制 ， 使结构设计更 加合理。 参考文献 1 J G J 3 2 0 0 2 ， 高层 建筑混凝土结构技 术规程【 s 】 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 珏 2 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 o ， 建筑抗 震设计规 范【 s 】 E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 设 3 】魏利金 建筑结构设计常遇问 题及对策 M 北京： 中国电力出版社， 计 2 0 0 9 与 4 J 陈 壮 善 ， 赵 静 ， 王 士 奇 谈 高 层 建 筑 结 构 设 计 的 几 个 控 制 指 标 【J 】工 嚣 程建设 与设计 ， 2 0 0 7 ( 3 ) 乜 用 运用本文方法可以方便快捷地得出高层建筑的传感器优化布置 结果， 从而为高层建筑的振动监测研究提供可靠的依据； 通过计算可以得到最优解和较优解 ，考虑得到经济性的因素 ， 选 择较优解就可以满足结构监测的目的； 对于大型结构优化布点时 ， 必须考虑足够的振型， 但如何确定监 测振型的具体阶数仍需要进一步的研究。 参考文献 【 1 】 熊海贝， 李志强 金茂大厦的结构健康监测研究 D 上海： 同济大学， 2 0 0 7 【 2 刘娟， 黄维平 传感器优化配置 的修正逐步累积法 J 】 青岛海 洋大学学报 ， 2 0 0 3 ( 3 ) 3 伊廷华， 李宏男， 王国新 基于简化模型的超高层结构传感器优化布置 J 】 计算 力学学报 ， 2 0 0 8 ( 4 ) 4 P e n n y J ET y fi s w e l l MI ,G a r v e y S D T h e a u t o ma t i c c h o i c e o f me a s u r e m e n t l o c a t i o n s f o r d y n a mic t e s t i n g J AI A A J o u rnal， 1 9 9 4 ( 2 ) 5 】 李宏男， 等结构健康监测【 M 】 大连： 大连理工大学出版社， 2 0 0 4 【 6 秦仙蓉， 张令弥 一种基于Q R分解的逐步累积法传感器配置 J ， 振动、 测试与 诊断 ， 2 0 0 1 ( 3 ) 7 D a n i e l CKS e n s o r p l a c e me n t f o r o n - o r b i t mo d a l i d e n t i fi c a t i o n a n d c o r r e l a t i o n o f l a r g e s p a c e s t r u c t u r e J J o u rnal o f G u i d a n c e ， C o n t r o l a n d D y n a m i c s ， 1 9 9 1 ( 2 ) 8 】黄有度， 朱士信矩阵理论及其应用 M 】 合肥： 合肥工业大学出版社， 2 0 0 5 安 徽 建 筑 固 重 1 J l 2 3 4 一 一 l 2 3 4 一 一 l I】 一 一 m 一 一 噍帷旧旧 一