剪重比，结构薄弱层，结构稳定性的控制

4 剪重比的控制

A 控制意义：
控制剪重比，是要求结构承担足够的地震作用，设计时不能小于规范的要求。
剪重比与地震影响系数由内在联系:λ=0.2αmax

B 规范条文
抗震规范第5.2.5条明确要求了楼层剪重比

C 计算方法及程序实现
剪重比是反映地震作用大小的重要指标，它可以由“有效质量系数”来控制，当“有效质量系数”大于90%时，可以认为地震作用满足规范要求，此时，再考察结构的剪重比是否合适，否则应修改结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求。
“有效质量系数”与“振型数”有关，如果“有效质量系数”不满足90%，则可以通过增加振型数来满足。
>>有效质量系数
概念来源：WILSON E.L. 教授曾经提出振型有效质量系数的概念用于判断参与振型数足够与否，并将其用于ETABS程序，他的方法是基于刚性楼板假定的，不适用于一般结构。
方法发展： 现在不少结构因其复杂性需要考虑楼板的弹性变形，因此需要一种更为一般的方法，不但能够适用于刚性楼板，也应该能够适用于弹性楼板。出于这个目的，我们从结构变形能的角度对此问题进行了研究，提出了一个通用方法来计算各地震方向的有效质量系数，这个新方法已经实现于TAT、SATWE和PMSAP。
经验：根据我们的计算经验，当有效质量系数大于0.8时，基底剪力误差一般小于5%。在这个意义上我们称有效质量系数大于0.8的情形为振型数足够；否则称振型数不够。
规范：高规5.1.13规定对B级高度高层建筑及复杂高层建筑有效质量系数不小于0.9程序自动计算该参数并输出。
>>剪重比的调整
当剪重比不满足规范要求时，程序将自动调整地震作用，已达到设计目标的要求。
剪重比调整系数将直接乘在该层构件的地震内力上。
地下室可以不受最小剪重比的控制。
TAT可以人工控制结构的剪重比；而SATWE是按照规范值控制，不能人工控制。




5 结构薄弱层的验算和控制

A 控制意义：
避免薄弱层的轻易出现,若不可避免要采取相应措施予以加强

B 规范条文
高规的4.4.2、5.1.14条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一层的70%或小于其上相临三层侧向刚度平均值的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。
规范规定：高规的4.4.3、5.1.14条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计的高层建筑结构，结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。

C 计算方法及程序实现
薄弱层方法之一：按层刚度比来判断
薄弱层方法之二：按楼层承载力比来判断
薄弱层方法之三：按楼层弹塑性层间位移角来判断

>>按层刚度比来判断
规范对结构的层刚度有明确的要求，在判断楼层是否为薄弱层时，抗震规范和高规建议的计算层刚度的下列方法（地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作为依据）：
方法1：高规附录E.0.1建议的方法即剪切刚度：Ki = Gi Ai / hi
方法2：高规附录E.0.2建议的方法即剪弯刚度：Ki = Vi / Δi
方法3：抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明及高规建议的方法即地震剪力位移比刚度：Ki = Vi / Δi
由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置、材料强度来改变。

>>按楼层承载力比来判断
程序将薄弱层地震作用标准值乘以1.15的增大系数。
选择剪力位移比方法计算层刚度时，一般要采用“刚性楼板假定”的条件。对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次。在刚性楼板假定条件下计算层刚度并找出薄弱层。再在真实条件下计算，并且检查原找出的薄弱层是否得到确认，完成其它计算。
转换层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层。不管该层程序判断是否满足刚度比要求，用户都应强制该层为“薄弱层”。对于错层、刚度削弱层，以及承载力比值不满足规范的楼层，也应采用“强制薄弱层”来特别指定。
由楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋来解决。如提高“超配系数”等。

>>按楼层弹塑性层间位移角来判断
结构弹塑性变形验算，指罕遇地震下结构层间位移不超过弹塑性层间位移角，属变形能力极限状态验算。
规范：罕遇地震影响系数最大值的取值，7度αmax为0.50或0.72；8度αmax为0.9或1.2；9度αmax 为 1.4。
计算方法：简化方法，适用于不超过12层，且层侧向刚度无突变的框架结构；弹塑性静力分析方法；弹塑性动力分析方法。


6 结构稳定性的验算与控制
A 控制意义：
对结构稳定性的控制,避免建筑在地震时发生倾覆.
当高层、超高层建筑高宽比较大，水平风、地震作用较大，地基刚度较弱时，结构整体倾覆验算很重要，它直接关系到结构安全度的控制。

B 规范条文
规范：高规5.4.2条，高层建筑结构如果不满足第5.4.1条（即结构刚重比）的规定时，应考虑重力二阶效应对水平力（地震、风）作用下结构内力和位移的不利影响。
规范：高规5.4.4条，规定了高层建筑结构的稳定所应满足的条件.
高规5.4.1条，当高层建筑结构的稳定应符合一定条件时，可以不考虑重力二阶效应的不利影响。
高规第12.1.6条，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑。

C 计算方法及程序实现
重力二阶效应即P-Δ效应包含两部分，（1）由构件挠曲引起的附加重力效应；（2）由水平荷载产生侧移，重力荷载由于侧移引起的附加效应。一般只考虑第（2）种，第（1）种对结构影响很小。
当结构侧移越来越大时，重力产生的福角效应（ P-Δ效应）将越来越大，从而降低构件性能直至最终失稳。
在考虑P-Δ效应的同时，还应考虑其它相应荷载，并考虑组合分项系数，然后进行承载力设计。

对于多层结构 P-Δ效应影响很小。
对于大多数高层结构， P-Δ效应影响将在5%～10%之间。
对于超高层结构， P-Δ效应影响将在10%以上。
所以在分析超高层结构时，应该考虑 P-Δ效应影响。
(P-Δ效应对高层建筑结构的影响规律:中间大两端小)

框架为剪切型变形，按每层的刚重比验算结构的整体稳定
剪力墙为弯曲型变形，按整体的刚重比验算结构的整体稳定
整体抗倾覆的控制??基础底部零应力区控制

D 注意事项
>>结构的整体稳定的调整
当结构整体稳定验算符合高规5.4.4条，或通过考虑P-Δ效应提高了结构的承载力后，对于不满足整体稳定的结构，必须调整结构布置，提高结构的整体刚度（只有高宽比很大的结构才有可能发生）。
当整体稳定不满足要求时，必须调整结构方案，减少结构的高宽比。
对一些特殊的工业建筑物，在没有特殊要求的情况下，也应满足整体稳定的要求。

>>结构大震下的稳定
第二阶段设计是结构的弹塑性变形验算，对地震下容易倒塌的结构和有特殊要求的结构，要求其薄弱部位的验算应满足大震不倒的位移限制，并采用相应的专门的抗震构造措施。
对于复杂和超限高层结构宜进行第二阶段的设计。
第二阶段的弹塑性变形分析，宜同时考虑结构的P-Δ效应。
为了保证结构大震下的稳定，弹塑性层间位移角应满足下表的要求：
结构类型 弹塑性位移角限值[θp]
混凝土框架 1/50
混凝土框剪、框筒 1/100
混凝土剪力墙、筒中筒 1/120
多高层钢结构 1/50

>>结构整体抗倾覆验算
高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）与《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），对高层建筑尤其是高宽比大于4的高层建筑的整体抗倾覆提出了更严格的要求。
计算时假定基础及地基均具有足够的刚度，基底反力呈线性分布；重力荷载合力中心与基底形心基本重合（一般要求偏心距不大于B/60）。如为基岩，地基足够刚，MR/MOV要求可是当放松；如为中软土地基，MR/MOV要求还应适当从严。
地震时，地基稳定状态受到影响，故抗震设计时，尤其抗震设防烈度为8度以上地区， MR/MOV要求还要求适当从严；抗风时，可计及地下室周边被动土压力作用，但MR/MOV要求仍应满足规程要求、不宜放松。
当扩大的裙房地下室底板较薄、地下室墙体较少、地下室墙体、顶板开洞削弱较多时，抗倾覆力矩计算的基础底面宽度宜适当减少，或可取塔楼基础的外包宽度计算，以策安全