混凝土结构高层设计中需控制的六个比值

在混凝土结构高层设计中开始阶段，初步确定结构布置是成了此阶段的重点，如何判断结构布置的合理及结构体系的经济性能也就成了关键所在; 本文就混凝土结构高层设计中需控制的六个比值做了简明的阐述：
关键词：刚重比 位移比 刚度比 剪重比 轴压比 周期比
一． 概述
所需控制的六个参数是：刚重比 位移比 刚度比 剪重比 轴压比 周期比。分析的主次思路如下：在建筑初步布置确定后，首先进行的是结构的抗侧构件的初步布置，所以首先控制抗侧构件的平面布置合理性，位移比、周期比及刚度比是控制构件平面布置的三个主要参数，在平面布置满足要求后，竖向刚度比成了第二步的重点，其后进行的轴压比、剪压比的控制是保证结构的延性和抗震安全性；这三步是相互关联的 ，要得到更合理的结构布置，就需要对这三步按顺序地不断测试，在现在的计算机辅助设计中是可行的并且是高效的。
二． 六个要点的详解
1：位移比 主要是控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。见抗规3.4.2及高规[1]4.3.5,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，不应大于该楼层的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规范第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.4倍。
2、周期比 主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，结构扭转为主的第一自振周期Tt与结构平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不大应于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规范第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。首先要明确什么是扭转为主及平动为主的第一自振周期；主振型：对于某个特定的地震作用引起的结构反应而言，一般每个参与振型都有着一定的贡献，贡献最大的就是主振型，贡献指标的确定一般有两个，一是基底剪力的贡献大小，而是应变能的贡献大小。一般而言，基底剪力的贡献大小比较直观，容易被我们接受。主振型所对应的周期就是第一自振周期；其次结构周期比大于规范的时候，结构在平扭耦合的作用下会出现严重的动力放大效应，结构相对扭转的效应会被大大放大其中详解可参考论文【2】。
位移比和周期比的核心就是抗侧构件的平面位置布置，原则是：最少的抗侧构件达到最有效的抗扭效果；抗侧构件在平面布置时的做提供的抗扭力最大，所以位移比不满足时，平面周边的抗侧构件是重点考虑对象。
3、 刚重比：主要为控制结构的稳定性以免结构产生滑移及倾覆，要求见高规【1】5.4.4，研究表明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力作用下产生整体失稳的可能性是很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应（P---△）不致过大，以致引起结构失稳倒塌。结构的刚度和重力荷载之比（刚重比）是影响的主要参数。如结构是刚重比满足高规[1]5.4.4-1或5.4.4-2的规定。则重力P---△效应控制在10%之内，结构的稳定具有适宜安全储备。若机构的刚重比进一步减小，则P---△效应呈非线性关系几何增长，直至引起结构的整体失稳。在水平力作用下，高层建筑结构应满足本条的规定，不应再放松要求，若不满足本条规定，应调整并增大结构的侧向刚度。
4、 刚度比：主要为控制结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2。对转换层上下的抗侧构件的竖向刚度宜满足高规【1】4.4.2的相关规定并应满足4.4.3的规定，当不满足4.4.2时，应采取5.1.14的有效抗震措施；对转换层上下的侧向刚度应满足高规【1】附录E的相关规定。其计算方法详文献[3].
5 轴压比 柱考虑地震作用组合的轴向力设计值与柱全截面面积和混凝土轴向抗压强度设计值乘积的比值。控制钢筋混凝土竖向构件轴压比对于抗震结构来说是极其重要的，轴压比的高低直接体现结构延性的优劣，轴压比小的延性好，反之延性较差。由于地震作用的反复性和突发性，因此地震作用效应组合下的竖向构件的轴压比必须满足轴压比限值的要求，以保证结构有足够的延性；在风荷载效应组合下的竖向构件的轴压比则略可放松；此外，实际高层建筑结构的工作状态十分复杂，尽管在结构计算软件技术不断发展，计算精度不断提高，但所计算的结构内力和实际结构内力不可避免的有一定的差距，竖向构件的轴压比限值的控制有利于弥补此差距带来的结构隐患，有利于保证结构安全工作。
6、 剪重比：主要为控制各层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5及高规【1】3.1.13。对于6度或不抗震没有要求，规范规定最小剪重比主要是对于长周期结构，规范所采用的振型分解反应谱法无法做出正确的计算，出于结构安全考虑，规定最小剪重比。抗风计算不存在剪重比，风载不同于地震作用，它是直接作用在建筑物的而且可准确测定；剪重比、剪压比是一个概念，是指水平作用与竖向作用的比值。在78规范的时候人们用重力乘以系数来反映地震作用，因为在当时安全度设计的概念里，只是用这样一种方法来反映地震实质上是惯性力这样一个客观道理。我国78规范把这个系数称之为结构系数，最小值的确定实际上可以根据反应谱曲线上计算的最小值来确定，当然，超出了反应谱估计的自振周期的部分可以专门论证，但是，一般工程超出了反应谱规定的最小值是不应该的，以上海Ⅳ类场地计算最小的剪压比是（7度）1.64%左右，如果在6度Ⅱ类场地，最小剪压比应该是0.6%（2001规范），按89规范应该是0.5%，如果计算的值不满足最小值规定，计算肯定存在明显的错误，如输入有误、设置有误、模型不合理、甚至于结构不合理，希望慎重，当然，6度区只要按抗震构造即可，无需计算验算。
三、总结和建议
通过有主次的控制这六个参数，是高层结构布置更加合理，高效，达到更好的效果。
参考文献
【1】 高层建筑混凝土技术规程{S}. JGJ3-2002.
【2】 徐培福.高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应【J】. 建筑科学2000，16（1）.
【3】 姜学诗.应正确计算转换层上部与下部的侧向刚度比【J】建筑结构，2005，9