建筑结构设计中的十个比值

建筑结构设计中的十个比值随着计算机技术及CAD技术的发展，当前我们进行建筑结构设计越来越倚重计算软件对计算软件依赖加深，往往会使我们变得懒于独立思考判断，而是直接引用计算结果作为设计的依据。这样对于普通的规则的建筑往往没有大问题，但是一遇到特殊的建筑，其计算结果就会失真，必须人工进行调整干预才能得出正确的结果。《高层建筑混凝土技术规程》第5.1.16条明确指出：对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认合理有效后方可作为工程设计的依据。这一条文明确指出我们设计人员是设计的主体，软件只是我们的辅助工具，任何时候都不能丧失独立判断分析的能力。分析一个计算结果正确与否，有十个比值非常关键，它们是轴压比，剪重比，刚度比，位移比，周期比，刚重比，楼层最大位移与层高比（层间位移角），倾覆力矩比，剪跨比以及剪压比。（1）轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗震规范第6.3.6条和6.4.5条。轴压比是指柱组合轴力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。需要注意的是荷载组合下柱轴压比不能过大，从《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第7.3.1条可以看出当轴压力N〉0.9©fc时,所增加的轴力全部由钢筋来承担，很不经济，尤其是地下室柱更应注意对截面的控制。根据以往经验，合理的柱截面应该其配筋为构造配筋（配筋率0.7%~1.0%），当柱计算配筋面积很大时应加大柱截面。（2）剪重比：是指结构任一楼层的水平剪力与该层及以上各层总重力荷载代表值之比。一般特指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比。剪重比主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见《抗震规范》第5.2.5条。剪重比在某种程度上反映了结构的刚柔程度，它应该在一个合理的范围内。如果结构太刚，剪重比过大，则地震力增加，造成浪费；如果结构太柔，剪重比过小，层间位移比就不满足规范规定的变形要求。由此可见，剪重比是反映结构性能的一个重要指标，同时也反映了地震力的大小。与它关联的参数是“有效质量系数”。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，再查看剪重比是否合适，如果不合适，再调整结构抗侧力构件直到满足要求。如果剪重比不满足《抗震规范》第5.2.5条要求，程序会自动调整地震力作用，将调整系数直接乘在该层构件的地震内力上，但是需要指出的是地下室不受最小剪重比的控制。实际应用过程中，如果剪重比不满足规范要求，说明结构抗侧力构件布置不合理，我们往往通过调整结构构件布置的方式来调整，而不是采用直接增大地震力的方式。3）刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。计算结果详见SATWE后处理文件WMASS.OUT。刚度比与剪重比都反映了结构的抗震性能，表明了结构在竖向刚度是否均匀。我们在结构设计中一般采用刚度比来判断结构中是否存在薄弱层，《高规》JGJ3-2002第4.4.2条，4.4.3条明确指出楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，如果小于，则程序会自动判定为薄弱层，地震力自动放大1.15倍。在判定地下室是否作为上部结构嵌固端时也会用到刚度比的概念，此时候刚度的计算方法要采用剪切刚度。（4）位移比：是指楼层最大杆件位移与平均杆件位移之比。位移比同样是反映结构整体性能的一个重要指标，主要为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《抗震规范》第3.4.4条。验算结构的位移比必须注意以下几点：1）验算位移比应在刚性楼板假定下计算；2）验算位移比需要考虑偶然偏心的影响3）位移比超过1.2时，需要考虑双向地震影响；4）构件设计出图应在位移比验算完成并取消刚性楼板假定之后进行。对于复杂结构如坡屋顶，体育馆等大开洞建筑，错层建筑，跃层建筑，刚性楼板假定会使计算结果失真应该从实际出发，选择弹性楼板来计算结构的位移比。（5）周期比：《高规》JGJ3-2002第4.3.5条规定结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比。同位移比一样，周期比也是为了控制侧向刚度与扭转刚度的一种相对关系，而非绝对大小。目的是为了使抗侧力构件能够周边、对称布置在有效抵抗扭转效应的地方，使结构不至于出现过大的扭转效应。所以一旦出现周期比不满足，只能通过调整结构抗侧力构件的布置，加强周边抗扭刚度来实现。验算周期比需要注意以下几点：1）验算周期比应该在刚性楼板假定下计算；2）对于复杂结构如坡屋顶，体育馆等大开洞建筑，错层建筑应在真实情况下验算周期比。3）对于多塔结构，应分塔单独验算各自的周期比。总之，周期比控制的不是要求结构如何“坚固”而是要求结构构件的平面布置要周边对称，均匀。6）刚重比：刚重比为结构刚度和重力荷载之比。刚重比主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。《高规》JGJ3-2002第5.4.4条，5.4.2条对刚重比做了相关规定。结构的刚重比是影响P-△效应的的主要参数，当结构的刚重比满足规范要求时，P-A效应可控制在20%范围内，结构的稳定具有适当的安全储备；当刚重比进一步减小时，P-△效应会呈现非线性关系的急剧增长，导致结构整体失稳。（7）楼层最大位移与层高比（位移角）：在地震荷载作用下，结构抗震变形验算应满足《抗震规范》GB50011-2021第5.5.1条要求。即：△Ue/h〈=[©e]△Ue:多遇地震作用（即通常说的小震）下楼层最大弹性层间位移。h:为计算楼层层高。二者之比即通常说的位移角。规范规定位移角的限值，目的是为了使结构在多遇地震作用下保持弹性，以便震后迅速修复。（8）倾覆力矩比：倾覆力矩比仅用于框架-剪力墙结构和短肢剪力墙结构。在框架-剪力墙结构中确定框架抗震等级时需要计算框架承担倾覆力矩的比值是否大于50%，如果大于50%，属于剪力墙较少的框剪结构，框架抗震等级按框架确定。短肢剪力墙结构需要根据短肢剪力墙所承担倾覆力矩比值是否大于50%，如果大于50%，其抗震构造按短肢剪力墙结构计算，否则按一般剪力墙结构计算。（9）剪跨比：梁的剪跨比指剪力的位置a与hO的比值。剪跨比影响了剪应力和正应力之间的相对关系，决定了主应力的大小和方向，也影响着梁的斜截面受剪承载力和破坏的方式；柱子剪跨比用来确定是否属于短柱，当柱子剪跨比小于2时即为短柱，箍筋应加密。见混凝土规范第11.4.12、11.4.17条。剪跨比决定了构件的破坏形态，我们希望结构破坏前有一定的预兆，所以，延性就十分重要，控制了剪跨比，就使结构保持了延性，不至于发生脆性破坏。（10）剪压比：剪压比即梁柱截面上的名义剪应力V/bh0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值。梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响，当剪压比大于0.15的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸