關(guān)于采用 SATWE計算高層結(jié)構(gòu)時位移比和周期比的調(diào)整
楊春艷 田剛 遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院
國內(nèi)外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則，質(zhì)量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在地震中受到嚴(yán)重破壞。高層建筑層數(shù)多，高度大，為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。高規(guī)中對控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)從兩個方面加以限制。即規(guī)定了兩個指標(biāo)：位移比和周期比
1. 為限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度，保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，避免混凝土墻柱出現(xiàn)裂縫，控制樓面梁板的裂縫數(shù)量，寬度。要對位移比(層間位移比)加以限制
注：
位移比：即樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移(墻頂、柱頂節(jié)點的最大水平位移)與平均水平位移(墻頂、柱頂節(jié)點的最大水平位移與最小水平位移之和除2)的比值。
層間位移比：即樓層豎向構(gòu)件的最大層間位移角(墻、柱層間位移角的最大值)與平均層間位移角(墻、柱層間位移角的最大值與最小值之和除2)的比值。
抗規(guī)及高規(guī)對位移比(層間位移比),最大層間位移角限制如下：
[抗規(guī)]3.4.2條規(guī)定，建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則，對稱，并應(yīng)具有良好的整體性，當(dāng)存 在結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)，不宜大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍。
[高規(guī)]4.3.5條規(guī)定，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A、B級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍；且A級高度高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。
[高規(guī)]4.6.3條規(guī)定，高度不大于150m的高層建筑，其樓層層間最大位移與層間之比（即最大層間位移角）Δu/h應(yīng)滿足以下要求：
結(jié)構(gòu)體系 Δu/h限值
框架 1/550
框架-剪力墻，框架-核心筒 1/800
筒中筒，剪力墻 1/1000
框支層 1/1000
在采用PKPM軟件中的SATWE程序進行高層建筑位移驗算應(yīng)注意以下幾點：
（1）驗算位移比需要考慮偶然偏心作用，驗算層間位移角則不需要考慮偶然偏心。
（2）驗算最大層間位移、位移比應(yīng)選擇強制剛性樓板假定（當(dāng)凸凹不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)時，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型，當(dāng)平面不對稱時尚應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響），不考慮樓板懸挑部分，不應(yīng)設(shè)置彈性板。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)計算中需要指定某些板塊為彈性板時，應(yīng)先按剛性樓板假定考查結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)是否合格，配筋設(shè)計時取兩種模型計算的最不利結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)。
（3）對每一樓層計算并輸出最大水平位移、最大層間位移角、平均水平位移、平均層間位移角及相應(yīng)的比值，讀取位移輸出文件WDISP.OUT。對位移比不滿足[高規(guī)]4.3.5條規(guī)定時，要通過人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)平面布置，減小結(jié)構(gòu)剛心與形心的偏心距；加強位移最大的節(jié)點區(qū)域?qū)��?yīng)的墻、柱等構(gòu)件的剛度；或削弱其剛度位移最小的節(jié)點區(qū)域，從而降低扭轉(zhuǎn)；使位移比滿足要求。
（4）位移比（層間位移比）超過1.2，要在總信息參數(shù)設(shè)置中考慮雙向地震作用;
2.限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。要限制周期比，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期接近以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期時，地面運動的扭轉(zhuǎn)分量將會使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯加劇，即使結(jié)構(gòu)布置均勻?qū)ΨQ，也會因地面扭轉(zhuǎn)運動而激發(fā)比較劇烈的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
[高規(guī)]4.3.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（即周期比），A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。
在采用PKPM軟件中的SATWE程序進行高層建筑計算周期應(yīng)注意以下幾點：
（1）對于多塔結(jié)構(gòu)計算周期比，應(yīng)將多塔結(jié)構(gòu)分成多個單塔，將分成的單塔結(jié)構(gòu)分別驗算周期比，使其均滿足規(guī)范要求限制。
(2).計算結(jié)果讀取周期、地震力與振型輸出文件WZQ.OUT。根據(jù)電算結(jié)構(gòu)中的周期信息手算周期比。一般情況下，當(dāng)扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5時，可認(rèn)為該振型是扭轉(zhuǎn)振型，反之應(yīng)為平動振型；周期最長的扭轉(zhuǎn)振型對應(yīng)的就是以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt，周期最長的平動振型對應(yīng)的就是平動為主的第一自振周期周期T1；計算Tt / T1，即為周期比 。對某些極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合主振型信息來進行判斷。對于剛度均勻的結(jié)構(gòu)，在考慮扭轉(zhuǎn)耦連計算時，一般來說前兩個或幾個振型為其主振型，對于剛度不均勻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可根據(jù)SATWE程序中給出的各振型對基底剪力貢獻比例，通過參數(shù)Ratio可以判斷出那個振型是X方向或Y方向的主振型。
(2).周期比控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是在要求結(jié)構(gòu)承載布局的合理性。周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，總的調(diào)整原則是要加強結(jié)構(gòu)外圈，或者削弱內(nèi)筒。通過調(diào)整平面布置來改善這一狀況。
(3). 結(jié)構(gòu)的第一、第二振型宜為平動，扭轉(zhuǎn)周期宜出現(xiàn)在第三振型及以后。見抗規(guī)3.5.3條3款及條文說明“結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性(周期和振型)宜相近。 當(dāng)?shù)诙�振型為扭轉(zhuǎn)時，周期比較難滿足規(guī)范的要求。說明結(jié)構(gòu)沿兩個主軸方向的側(cè)移剛度相差較大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對其中一主軸（第一振型轉(zhuǎn)角方向）的側(cè)移剛度是合理的；但相對于另一主軸（第三振型轉(zhuǎn)角方向）的側(cè)移剛度則過小，此時宜適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿“第三振型轉(zhuǎn)角方向”的剛度，并適當(dāng)加強結(jié)構(gòu)外圍（主要是沿第一振型轉(zhuǎn)角方向）的剛度。當(dāng)?shù)谝徽裥蜑榕まD(zhuǎn)時，周期比肯定不滿足規(guī)范的要求。說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于其兩個主軸（第二振型轉(zhuǎn)角方向和第三振型轉(zhuǎn)角方向，一般都靠近X軸和Y軸）方向的側(cè)移剛度過小，此時宜沿兩主軸適當(dāng)加強結(jié)構(gòu)外圍的剛度，并適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度。
結(jié)構(gòu)的位移比或周期比不符合規(guī)范要求時，說明結(jié)構(gòu)或者剛度分布和質(zhì)量分布均勻性差，或者抗扭能力不足這都需要對結(jié)構(gòu)的平面布置進行調(diào)整。
對于平面布置均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，應(yīng)增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度與抗側(cè)剛度的比值，減小周期比。使周期比與位移比滿足要求。
對平面布置不均勻不對稱的結(jié)構(gòu)，理論上講如果周期比足夠小，即使偏心率較大，位移比也能滿足要求。從結(jié)構(gòu)布局合理性角度，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移比不滿足要求時應(yīng)同時減小周期比和偏心率。對位移比與周期比同時進行調(diào)整。首先調(diào)整構(gòu)剛度質(zhì)量的規(guī)則性，減小結(jié)構(gòu)的偏心率，使結(jié)構(gòu)有清晰的平動主振型與扭轉(zhuǎn)主振型。接著調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與抗扭剛度的比例關(guān)系，相對加強樓層的抗扭剛度。所謂加強樓層抗扭剛度，含義如下：對于整體抗側(cè)剛度不強，即層位移角接近規(guī)范要求數(shù)值，應(yīng)加強扭轉(zhuǎn)剛度較小層的抗扭剛度；對于整體抗側(cè)剛度足夠強，即層位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范要求數(shù)值，可以減小結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件剛度，增大平動周期。
 

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