PKPM中七个比的控制和调整

高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪墙等）的合布置，设计过程中控制的目标参数主要有如下七个：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，见抗规6.3.6和6.4.5，高规6.4.2和7.2.14。轴压比满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序能实现。2）人工调整：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强。2、剪重比：剪重比是规范考虑长周期结构用振型分解反应谱法和底部剪法计算时,因地震影响系数取值可能偏低,相应计算的地震作用也偏低,因此出于安全考虑,规范规定楼层水平地震剪得最小值.楼层水平地震剪小于规范对剪重比的要求 ,水平地震剪的取值应进调整,主要为控制各楼层最小地震剪，确保结构安全性，见抗规5.2.5，高规4.3.12。这个要求如同最小配筋的要求，算出来的地震剪如果达到规范的最低要求，就要人为提高并按这个最低要求完成后续的计算。就要人为提高并按这个最低要求完成后续的计算。剪重比满足时的调整方法：1）程序调整：在SATWE的“调整信息中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内后，SATWE按抗规5.2.5自动将楼层最小地震剪系数直接乘以该层及以上重荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪，以满足剪重比要求。2） 人工调整：如果还需人工干预，可按下三种情况进调整：a） 当地震剪偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚；b） 当地震剪偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，低刚以取得合适的经济技术指标；c） 当地震剪偏小而层间侧移角又恰当时，可在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。3、刚比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚突变，形成薄弱层，见抗规3.4.3，高规3.5.2；对于形成的薄弱层则按高规3.5.8，抗规3.4.4予以加强。刚比满足时的调整方法：1）程序调整：如果某楼层刚比的计算结果满足要求， SATWE自动将该楼层定义为薄弱层，并按抗规3.4.4将该楼层地震剪放大1.15倍。2）人工调整：如果还需人工干预，可适当低本层层高和加强本层墙、柱或的刚，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或的刚。4、位移比：主要为控制结构平面规则性，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3.4.3，高规3.4.5。位移比的限值：是根据刚性楼板假定的条件下确定的，其平均位移的计算方法，也基于“刚性楼板假定。控制位移比的计算模型：按照规范要求的定义，位移比表示为“最大位移/平均位移，而平均位移表示为“（最大位移+最小位移）/2，其中的关键是“最小位移，当楼层中产生0位移节点，则最小位移一定为0，从而造成平均位移为最大位移的一半，位移比为2。则失去位移比这个结构特征参数的参考意义，所以计算位移比时，如果楼层中产生“弹性节点，应选择“强制刚性楼板假定。位移比满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；可用程序的节点搜功能在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；也可找出位移最小的节点削弱其刚；直到位移比满足要求。5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的影响， 见高规3.4.5。周期比满足要求，说明结构的扭转刚相对于侧移刚较小，结构扭转效应过大。周期比控制么？如同位移比的控制一样，周期比侧重控制的是侧向刚与扭转刚之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧构件的平面布置有效、合，使结构致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。一话，周期比控制是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合性周期比满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，提高结构的扭转刚；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或的刚，适当削弱结构中间墙、柱的刚。第一或第二振型为扭转时的调整方法：a）SATWE程序中的振型是以其周期的长短排序的。b） 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特性（周期和振型）宜相近。c）当第-振型为扭转时，说明结构的扭转刚相对于其两个主轴（-般靠近 X轴和Y轴）方向的侧移刚过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚，并适当削弱结构内部的刚。d）当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚相差较大，结构的扭转刚相对其中一主轴（侧移刚较小方向）的侧移刚是合的；但相对于另一主轴（侧移刚较大方向）的侧移刚则过小，此时宜适当加强结构外围（主要是沿侧移刚较大方向）的刚，并适当削弱结构内部沿侧移刚较大方向的刚。e） 在进上述调整的同时，应注意使周期比满足规范的要求。f）当第一振型为扭转时，周期比肯定满足规范的要求；当第二振型为扭转时，周期比较难满足规范的要求。6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震的作用下整体失稳，见高规5.4.1和5.4.4。刚重比满足要求，说明结构的刚相对于重荷载过小；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。刚重比满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚。刚重比与结构的侧移刚成正比关系；周期比的调整将导致结构侧移刚的变化，从而影响到刚重比。因此调整周期比时应注意，当某主轴方向的刚重比小于或接近规范限值时，应采用加强刚的方法；当某主轴方向刚重比大于规范限值较多时，可采用削弱刚的方法。同样，对刚重比的调整也可能影响周期比。特别是当结构的周期比接近规范限值时，应采用加强结构外围刚的方法刚重比满足规范要求时的调整方法：1、 程序调整：刚重比满足规范上限要求，在SATWE的“设计信息中勾选“考虑P-△效应，程序自动计入重二阶效应的影响。2、 结构调整：刚重比满足规范下限要求，只能通过调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚。7、层间受剪承载比：控制竖向规则性，以免竖向楼层受剪承载突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2，高规3.5.3；对于形成的薄弱层应按高规3.5.8予以加强。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3.5.8将该楼层地震剪放大1.25倍。2）人工调整：如果还需人工干预，可适当提高本层构件强（如增大配筋、提高混凝土强或加大截面）以提高本层墙、柱等抗侧构件的承载，或适当低上部相关楼层墙、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。引言:随着城市的发展和科学技术的进步,高层建筑（10层及10层以上或房屋高超过28m的建筑物）的应用日广泛,由于高层建筑相对较柔,水平荷载作用效应明显,在满足使用条件下如何才能达到既安全又经济的设计要求,这是结构设计人员必须去追求与面对的。笔者认为,对于高层结构设计来说，位移比、周期比、刚比、刚重比、剪重比、轴压比是保证结构规则、安全、经济的个极其重要的参数，《建筑抗震设计规范GB50011-2001》（以下简称为抗规）;《混凝土结构设计规范GB50010-2002》（以下简称为砼规）;《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002》（以下简称为高规）均在相关章节;寸以上“个比进严格控制。在初步设计和施工图设计阶段，结构设计和审图人员对以上“个比非常重视，各类结构设计软件也寸这“个比有详细的电算结果输出，于设计人员进分析与调整。本文仅以我国目前较为权威且应用最为广泛的PKPM软件中的SATWE程序的电算结果，结合规范条文的要求，谈谈如何寸电算结果进判读、控制与调整。位移比（层间位移比）:1.1名词释义：（1） 位移比：即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值。（2） 层间位移比：即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。其中：最大水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移。平均水平位移：墙顶、柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2。层间位移角：墙、柱层间位移与层高的比值。最大层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值。平均层间位移角：墙、柱层间位移角的最大值与最小值之和除2。1.3控制目的:高层建筑层数多，高大，为保证高层建筑结构具有必要的刚，应寸其最大位移和层间位移加以控制，主要目的有以下几点：保证主体结构基本处于弹性受状态,避免混凝土墙柱出现缝,控制楼面板的缝数,宽。保证填充墙,隔墙,幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显的损坏。3．控制结构平面规则性，以免形成扭转，寸结构产生影响。相关规范条文的控制：［抗规］3.4.2条规定，建筑及其抗侧结构的平面布置宜规则,寸称,并应具有好的整体性当存在结构平面扭转规则时,楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）,宜大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。［高规］4.3.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A、B级高高层建筑均宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高高层建筑应大于该楼层平均值的 1.5倍，B级高高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，应大于该楼层平均值的1.4倍。［高规］4.6.3条规定，高大于 150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层间之比（即最大层间位移角）Au/h应满足以下要求：结构休系Au/h限值框架1/550框架-剪墙，框架-核心筒1/800筒中筒，剪墙1/1000框支层1/10001.4电算结果的判别与调整要点:PKPM软件中的SATWE程序对每-楼层计算并输出最大水平位移、最大层间位移角、平均水平位移、平均层间位移角及相应的比值，详位移输出文件WDISP.OUT。但对于计算结果的判读,应注意以下几点：（1） 位移比（层间位移比）超过1.2，则需要在总信息参数设置中考虑双向地震作用;（2） 验算位移比需要考虑偶然偏心作用，验算层间位移角则需要考虑偶然偏心（3） 验算位移比应选择强制刚性楼板假定，但当凸凹规则或楼板局部连续时，应采用符合楼板平面内实际刚变化的计算模型，当平面对称时尚应计及扭转影响（4） 最大层间位移、位移比是在刚性楼板假设下的控制参数。构件设计与位移信息是在同一条件下的结果（即构件设计可以采用弹性楼板计算，而位移计算必须在刚性楼板假设下获得），故可先采用刚性楼板算出位移，而后采用弹性楼板进构件分析。（5）因为高层建筑在水平作用下,几乎会产生扭转,故楼层最大位移一般发生在结构单元的边角部位2．周期比：2.1名词释义：周期比即结构扭转为主的第一自振周期（也称第一扭振周期）Tt与平动为主的第一自振周期（也称第-侧振周期）T1的比值。周期比主要控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的影响，使结构的抗扭刚能太弱。 因为当两者接近时,由于振动藕连的影响,结构的扭转效应将明显增大。相关规范条文的控制：［高规］4.3.5条规定，结构扭转为主的第-自振周期Tt与平动为主的第-自振周期T1之比（即周期比），A级高高层建筑应大于 0.9；B级高高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑应大于0.85。［高规］5.1.13条规定，高层建筑结构计算振型数应小于9,抗震计算时,宜考虑平扭藕连计算结构的扭转效应,振型数小于15,对于多塔楼结构的振型数应小于塔楼数的9倍,且计算振型数应使振型参与质小于总质的 90%。电算结果的判别与调整要点:（1）.计算结果详周期、地震与振型输出文件。因SATWE电算结果中并夫直接给出周期比，故对于通常的规则单塔楼结构，需人工按如下步骤验算周期比:a） 根据各振型的两个平动系数和-个扭转系数（三者之和等于1）判别各振型分别是扭转为主的振型（也称扭振振型）还是平动为主的振型（也称侧振振型）。一般情况下，当扭转系数大于0.5时，可认为该振型是扭振振型，反之应为侧振振型。当然，对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进判断；b） 周期最长的扭振振型对应的就是第-扭振周期Tt，周期最长的侧振振型对应的就是第-侧振周期T1；c） 计丄算Tt/T1，看是否超过0.9（0.85）。对于多塔结构周期比，能直接按上面的方法验算，这时应该将多塔结构分成多个单塔，按多个结构分别计算、分别验算（注意是在同一结构中定义多塔，而是按塔分成多个结构）。（2）.对于刚均匀的结构，在考虑扭转耦连计算时，一般来说前两个或几个振型为其主振型，但对于刚均匀的复杂结构，上述规一定存在。总之在高层结构设计中，使得扭转振型应靠前，以减小震害。SATWE程序中给出各振型对基底剪贡献比的计算功能 ,通过参数Ratio（振型的基底剪占总基底剪的百分比 ）可以判断出那个振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每个振型对基底剪的贡献大小。（3） .振型分解反应谱法分析计算周期，地震时，还应注意两个问题，即计算模型的选择与振型数的确定。一般来说，当全楼作刚性楼板假定后，计算时宜选择“侧刚模型进计算。而当结构定义有弹性楼板时则应选择“总刚模型进计算较为合。至于振型数的确定，应按上述［高规］5.1.13条执，振型数是否足够，应以计算振型数使振型参与质小于总质的90%作为唯一的条件进判别。（4） .如同位移比的控制一样，周期比侧重控制的是侧向刚与扭转刚之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧构件的平面布置有效、合，使结构致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。即周期比控制是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合性。考虑周期比限制以后，以前看来规整的结构平面，从新规范的角来看，可能成为“平面规则结构。一旦出现周期比满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。周期比满足要求，说明结构的扭转刚相对于侧移刚较小，总的调整原则是要加强结构外圈，或者削弱内筒。（5） .扭转周期控制及调整难较大，要查出问题关键所在，采取相应措施，才能有效解决问题。a） 扭转周期大小与刚心和形心的偏心距大小无关，只与楼层扌抗扭刚有关；b） 剪墙全部按照同一主轴两向正交布置时，较满足；周边墙与核心筒墙成斜交布置时要注意检查是否满足；c） 当满足周期限制时，层位移角控制潜较大， 宜减小结构竖向构件刚，增大平动周期；d） 当满足周期限制时，且层位移角控制潜大，应检查是否存在扭转刚特别小的层，存在应加强该层的扌扭刚；e） 当满足扭转周期限制，且层位移角控制潜大,各层抗扭刚无突变，说明核心筒平面尺与结构总高之比偏小，应加大核心筒平面尺寸或加大核心筒外墙厚，增大核心筒的扌扭刚。f） 当计算中发现扭转为第一振型，应设法在建筑物周围布置剪墙，应采取只通过加大中部剪墙的刚措施来调整结构的扌扭刚。3刚比3.1名词释义：刚比指结构竖向同楼层的侧向刚的比值（也称层刚比），该值主要为控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚突变，形成薄弱层。对于地下室结构顶板能否作为嵌固端，转换层上、下结构刚能否满足要求，及薄弱层的判断，均以层刚比作为依据。 ［抗规］与［高规］提供有三种方法计算层刚，即剪刚 (Ki=GiAi/hi)、剪弯刚(Ki=Vi/Ai)、地震剪与地震层间位移的比值(Ki=Qi/Aui)°3.2相关规范条文的控制：［抗规］附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚比宜大于2；［高规］4.4.2条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚宜小于相临上部楼层侧向刚的70%或其上相临三层侧向刚平均值的80%；［高规］5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚应小于相邻上部结构楼层侧向刚的 2倍；［高规］10.2.3条规定，底部大空间剪墙结构，转换层上部结构与下部结构的侧向刚，应符合高规附录E的规定：E.01)底部大空间为-层的部分框支剪墙结构，可近似采用转换层上、下层结构等效刚比Y表示转换层上、下层结构刚的变化，非抗震设计时Y应大于3，抗震设计时应大于2。E.02)底部大空间层数大于一层时其转换层上部框架-剪墙结构的与底部大空间层相同或相近高的部分的等效侧向刚与转换层下部的框架 -剪墙结构的等效侧向刚比 Ye宜接近1，非抗震设计时应大于2，抗震设计时应大于1.3。电算结果的判别与调整要点:规范对结构层刚比和位移比的控制一样，也要求在刚性楼板假定条件下计算。对于有弹性板或板厚为的工程，应计算两次，在刚性楼板假定条件下计算层刚比并找出薄弱层，然后在真实条件下完成其它结构计算。层刚比计算及薄弱层地震剪放大系数的结果详建筑结构的总信息WMASS.OUT。-般来说，结构的抗侧刚应该是沿高均匀或沿高逐渐减少，但对于框支层或抽空墙柱的中间楼层通常表现为薄弱层，由于薄弱层容遭受严重震害，故程序根据刚比的计算结果或层间剪的大小自动判定薄弱层，并乘以放大系数，以保证结构安全。当然，薄弱层也可在调整信息中通过人工强制指定。对于上述三种计算层刚的方法，我们应根据实际情况进选择：对于底部大空间为一层时或多层建筑及砖混结构应选择“剪刚；对于底部大空间为多层时或有支撑的钢结构应选择“剪弯刚；而对于通常工程来说，则可选用第三种规范建议方法，此法也是SATWE程序的默认方法。4．刚重比4.1名词释义：结构的侧向刚与重荷载设计值之比称为刚重比。它是影响重二阶效应的主要参数 ,且重二阶效应随着结构刚重比的低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下,重二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，则可以控制结构失去稳定。4.2相关规范条文的控制：［高规］5.4.4条规定:1.对于剪墙结构,框剪结构,筒体结构稳定性必须符合下规定:2.对于框架结构稳定性必须符合下规定:Di*Hi/Gi>=10电算结果的判别与调整要点:1.按照下式计算等效侧向刚：对于剪型的框架结构,当刚重比大于10时，则结构重二阶效应可控制在20%以内,结构的稳定已经具有一定的安全储备；当刚重比大于20时,重二阶效应对结构的影响已经很小,故规范规定此时可以考虑重二阶效应。对于弯剪型的剪墙结构、框剪结构、筒体结构，当刚重比大于1.4时，结构能够保持整体稳定；当刚重比大于2.7时，重二阶效应导致的内和位移增仅在 5%左右，故规范规定此时可以考虑重二阶效应。结构刚重比(Ejd/GH2)>1.4,则满足整体稳定条件，SATWE输出结果参WMASS.OUT,高层建筑的高宽比满足限值时，可进稳定验算，否则应进。当高层建筑的稳定满足上述规定时，应调整并增大结构的侧向刚。剪重比:5.1名词释义：剪重比即最小地震剪系数入，主要是控制各楼层最小地震剪，尤其贮寸于基本周期大于3.5S的结构，以及存在薄弱层的结构，出于寸结构安全的考虑，规范增加寸剪重比的要求。相关规范条文的控制：［抗规］5.2.5条与［高规］3.3.13条规定，抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪应小于下表给出的最小地震剪系数入。类别7 7.5 8 &5 9扭转效应明显或基本周期小于3.5S的结构0.0160.0240.0320.0480.064基本周期大于5.0S的结构0.0120.0180.0240.0320.040电算结果的判别与调整要点:.寸于竖向规则结构的薄弱层的水平地震剪应增大 1.15倍，即上表中楼层最小剪系数入应乘以1.15倍。当周期介于3.5S和5.0S之间时，可寸于上表采用插入法求值。.寸于一般高层建筑而言，结构剪重比底层为最小，顶层最大，故实际工程中，结构剪重比由底层控制，由下到上，哪层的地震剪够，就放大哪层的设计地震内 ..结构各层剪重比及各楼层地震剪调整系数自动计算取值,结果详SATWE周期、地震与振型输出文件WZQ.OUT).各层地震内自动放大与否在调整信息栏设开关；如果用户考虑自动放大，SATWE将在WZQ.OUT中输出程序内部采用的放大系数..区剪重比可在 0.7%〜1%取。剪重比过小，均为构造配筋,说明底部剪过小，要寸构件截面大小、周期折减等进检查;剪重比过大，说明底部剪很大，也应检查结构模型，参数设置是否正确或结构布置是否太刚。6、轴压比6.1名词释义：柱(墙)轴压比N/(fcA)指柱(墙)轴压设计值与柱(墙)的全截面面积和混凝土轴心抗压强设计值乘积之比。它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一，为使柱墙具有很好的延性和6.2相关规范条文的控制：［砼规］11.4.16条［抗规］6.3.7条,［高规］6.4.2条同时规定:柱轴压比宜超过下表中限值。结构类型抗震等级一二三框架结构0.70.80.9框架抗震墙，板柱抗震墙筒体0.750.850.95部分框支抗震墙0.60.7--［砼规］11.7.13条［高规］7.2.14条同时规定:抗震设计时，一二级抗震等级的剪墙底部加强部位，代表值作用下墙肢的轴压比宜超过下表中限值：电算结果的判别与调整要点:.抗震等级越高的建筑结构，其延性要求也越高，因此对轴压比的限制也越严格。对于框支柱、一字形剪墙等情况而言，则要求严格。抗震等级低或非抗震时可适当放松，但任何情况下得小于1.05。.限制墙柱的轴压比，通常取底截面(最大轴处)进验算，截面尺寸或混凝土强等级变化时，还验算该位置的轴压比。SATWE验算结果详，当计算结果与规范符时，轴压比数值会自动以红色字符显示。.需要说明的是，对于墙肢轴压比的计算时，规范取用重荷载代表值作用下产生的轴压设计值(即恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4)来计算其名义轴压比，是为保证地震作用下的墙肢具有足够的延性，避免受压区过大而出现小偏压的情况，而对于截面