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高层结构设计需要控制的七个比值及调整方法

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-Δ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

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先在此谢了，楼主的无私奉献精神！

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