高层钢筋混凝土结构计算分析中6个重要参数的探讨.pdf
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1、第 3 6卷第4期 2 0 1 0年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 7 5 高层钢筋混凝土结构计算分析中 6 个重要参数的探讨 刘 岩, 谭宇胜 ( 仲恺农业工程学院城市建设学院, 广东 广州5 1 0 2 2 5 ) 摘要: 对高层钢筋混凝土结构计算结果的合理判断是设计中的关键 , 针对 J G J 3 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程 和 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 中对自振周期、 周期 比、 水平位移、 位移比、 刚重比、 剪重比等 6个参数的规定, 进行了分 析
2、与探讨, 提出了参数调整的有效办法, 与同行探讨。 关键词: 高层钢筋混凝土结构; 计算分析; 自振周期; 周期比; 水平位移; 位移比; 刚重比; 剪重比 中图分类号: T U 9 7 3 1 2 文献标识码 : B 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 7 5 0 3 0 引 言 高层建筑中水平荷载成为主要控制因素, 由于 高层建筑的复杂性及水平荷载尤其是地震动时的不 确定性 , 往往使结构计 算结果与实际相差较大。因 此, 为了满足结构安全性、 可靠性的要求, 不仅要正 确计算, 还必须重视概念设计, 对计算结果进行分 析、 判断, 以确保结构方案
3、的合理性。 结构设计首先根据概念设计的原则进行结构布 置、 确定结构方案 ; 然后进行结构计算 , 并通过周期、 位移、 位移 比、 周期 比、 刚重 比、 剪重 比等重要参数 , 对计算结果进行分析, 判断结构布置是否合理。结 构设计人员经过大量的计算一分析调整一再计算 工作, 尽可能使这些参数在合理的取值区间, 以此保 证结构布置与结构方案的合理性。这些参数也是施 工图审查机构审查的重点 , 因此 , 结构设计人员必须 对这些参数的含义、 合理取值区间、 影响因素等, 进 行深入研究和正确理解。 1 自振周期 自振周期( ) 是指结构按某一振型完成一次 自 由振动所需 的时间。自振周期是建
4、筑物最基本的动 力特性, 结构在地震作用下 的反应 与其密切相关 。 震害经验表 明, 当建筑物的 自振周期与场地 的卓越 周期 相等或接近时, 建筑物的震害较严重 ; 因 此, 在设计时, 要求建筑物的自振周期应避开场地的 卓越周期。这就要求结构设计人员首先要计算出相 对准确 的自振周期 , 其次应视工程具体情况 , 对结构 收稿 日期 : 2 0 0 8 1 2 - 2 9 作者简介: 刘岩( 1 9 6 5 一) , 女, 河北衡水人, 工学硕士, 副教授, 高 级工程师, 一级注册结构师, 主要从事土木工程专业的科研与教学。 基金项目: 仲恺农业工程学院科研启动基金项目( G 2 3
5、6 0 2 6 1 ) E ma i l : HZ T Y S 1 6 3 e o m 布置等作适 当调整 , 以达到调整结构 自振周期的 目 的。建筑物内大量存在的填充墙 、 使用 中的特殊荷 载( 如书库 ) 等 , 对建筑物 的 自振周期都有直接 的影 响。如果在 结构计算 时只考虑主要结构构件 ( 梁、 板、 柱 、 剪力墙) 的刚度 , 没有考虑非承重结构 刚度 的影响, 计算的周期就会较实际长, 按这一周期计算 的地震力则偏小。为此, J G J 3 2 0 0 2 高层建筑混凝 土结构技术规程 ( 以下简称 高规 ) 规定应考虑 非承重墙体的刚度影响, 对计算 的 自振周期根据实
6、 际情况按 0 61 0予以折减。 建筑物的自振周期与结构的质量和刚度有关, 当建筑的自 振周期较大或使用功能要求减小建筑的 自振周期时, 宜通过调整结构构件的布置( 增大抗 扭刚度 、 加大结构竖向构件和楼盖 的刚度 ) 、 减小 自 重等方法进行调整 。 2 周 期比 周期比是指以结构扭转为主的第一 自振周期 ( 又称第一扭转振型周期 ) 与 以平动为主的第一 自振周期 之比。国内外历次大地震震害表明, 平 面不规则 、 质心与刚度 中心偏离较大和抗扭刚度太 弱的结构 , 在地震 中受到的破坏严重。国 内一些振 动台模型试验结果也表明, 扭转效应会导致结构 的 严重破坏 J 。为此 , 高
7、规 第 4 3 5条中规定 : 结 构平面布置应减少扭转的影响。考查以结构扭转为 主的第一 自振周期 与 以平动为主的第一 自振周 期 之比, A级高度高层建筑不应大于0 9 , B级高 度高层建筑、 昆 合结构高层建筑及复杂高层建筑不 应大 于 0 8 5 。 2 1 第一扭转振型周期 的确定 平动扭转振型判别 : D ( D + ) 0 5 振型为平动为主振型( 平动振型 ) 7 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 D o ( p j + D ei ) 0 5 _ 振型为扭转为主振型 ( 扭转振型) 采用计算振型方向因子的方法判别平动振型、 扭转振型, 第一扭转振型对应的扭转自振周期, 即
8、为 。 从振型方向因子的计算公式: 平动振型方向因子为 D j =m i +m iY ; ( 1 ) j 扭转振型方向因子为 D =2J i 0 ( 2 ) 可以看出: 同一振型 中, D D。 j 同时 出现 , 水 平地震作用下 , 结构 振型将 同时产生平动振动 与 扭转振动。结构为不对称结构 , 扭转振动耦联效应 明显。同一振型 中, D D 。 j 不同时出现 , 水平地震 作用下, 结构 振型将只产生平动振动或扭转振动, 结构为对称结构。此时, 如果 平动振型与r 扭转振 型周期很接近时, 在附加偶然偏心扭转作用下, 平动 振型与扭转振型耦联效应也会比较大。 2 2 第一平动振型周
9、期 的确定 若 振型为平动为主振型( 平动振型) , 两个正 交主轴方向( , ) 振型判别 : irz i Y 振型为 向为主平动振型 ( 向平动振型) 72 i m iY 振型为Y向为主平动振型 ( Y向平动振型) 对于正交结构 , 两个主轴方向平动第一振型的 自 振周期长者为 。对于非平行斜交复杂结构, 需 注意增加斜向振型计算进行比较确定, 取其中平动 第一振型的自振周期长者为 。在对计算结果 进行分析时, 据此确定扭转振型周期 与平动振型 周期 。 当 与 比较接近时, 由于振动耦连 的影响 , 结构的扭转效应 明显增大。当周期 比 T , T 1 等于 0 8 5时, 相对扭转变形
10、 O r u 值可达 0 2 5 ( 0 , r 分别 为扭转角和结构的回转半径 , 表示由于扭转产生 的离质心距 离为 回转 半径 处 的位 移 , 为质 心位 移) ; 若周期比 r , T 小于0 5, 则相对扭转振动效应 O r u一般较小,即使结构的刚度偏心很大 , 偏心距 e 达到0 7 r ; 其相对扭转变形 O r u值亦仅为 0 2 J 。 可见, 要保证结构的抗扭刚度不能太弱, 关键是限制 周期 比。 结构设计中, 周期比不满足规范要求时, 应想 办法增大结构的抗扭刚度。在高层钢筋混凝土结构 中, 一旦出现周期 比不满足的情况 , 设计人员若盲 目 地增大所有柱或剪力墙 的
11、截面, 往往没有效果 。应 通过调整抗侧力结构的布置、 加大周边竖向抗侧力 构件的刚度等, 提高结构抗扭刚度的措施, 降低周期 比, 保证结构的抗扭刚度满足规范规定的要求。对 于原来结构刚度较大, 层问位移远小于规范限值的 建筑结构, 也可通过降低平动刚度、 使平移周期加长 的办法 , 来控制周期比。 3 水平位移 按近似概率理论的极限状态设计法要求, 在承 载能力极限状态时, 为防止高层建筑在重力荷载作 用下产生二阶P 效应, 使建筑突然倒塌, 要求对 水平位移进行严格的限制。在正常使用极限状态 时 , 为了保证混凝土结构 的裂缝和变形在允许范围 之内、 非结构构件等设施的完好性以及居住者的
12、舒 适度等要求, 也必须对水平位移进行严格限制。在 高层建筑结构设计中, 不同国家采用的水平位移限 值是不同的。我国 高规 和 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑 抗震设计规范 ( 以下简称 抗规 ) 中, 采用了层 间最大位移与层高之 比A u h, 即层间位移角 0 作为 控制指标 , 且不扣除整体弯 曲转角产生的侧移。因 高层建筑结构在水平荷载作用下几乎都会产生扭 转, 故楼层层间最大位移 的最大值一般出现在 结构单元的尽端处。 高规 规定在正常使用条件下, 结构的水平位 移按风荷载、 地震作用( 小震) 下的弹性方法进行计 算, 其限值见表 1 。 表 1 楼层层问最大位
13、移与层高之比的限值 结构体系 A u h 限值 钢筋混凝土框架 钢筋混凝土框架一剪力墙 、 框架一核心筒 、 板柱一剪力墙 钢筋混凝 土筒 中简、 剪力墙 钢筋混凝土框支层 多、 高层钢结构 1 5 5 O 1 8 0 0 l l 0 ( ) o 1 1 o ( ) o 1 3 0 0 对于一些特殊的结构 , 高规 和 抗规 要求对 其进行罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算。且 对结构薄弱层层间弹塑性位移提出了要求 : A u 0 p , 其限值见表 2 。 表 2 层 间弹塑性位移角限值 结构类型 0 。 框架结构 1 5 0 框架一剪力墙结构、 框架一核心筒结构、 板柱一剪力墙结构1 1
14、0 0 剪力墙结构和筒中筒结构 1 1 2 0 框支层 1 1 2 0 高层建筑结构的侧向刚度是控制结构水平位移 的关键 , 控制结构水平位移是 为了保证高层建筑结 构具有必要的刚度。当水平位移不满足要求时 , 一 般通过增大抗侧向力构件的刚度、 调整抗侧向力构 刘岩 , 等: 高层钢筋混凝土结构计算分析中6个重要参数的探讨 7 7 件的平面布置等方法来实现。 4 位移 比 位移比是指楼层竖向构件的最大水平位移和层 间位移与本楼层平均值的比值。结构平面刚度和质 量分布是否均匀、 对称 , 可以用结构刚心与质心的相 对位置表示, 二者相距较远的结构, 在地震作用下, 发生扭转的可能较大, 形成扭
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