关于采用 SATWE计算高层结构时位移比和周期比的调整-论文网

关于采用 SATWE计算高层结构时位移比和周期比的调整
杨春艳田刚辽宁省城乡建设规划设计院
国内外历次大地震震害表明，平面不规则，质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受到严重破坏。高层建筑层数多，高度大，为了保证高层建筑结构具有必要的刚度，使结构不致于出现过大的扭转效应。高规中对控制结构的扭转效应从两个方面加以限制。即规定了两个指标：位移比和周期比
1. 为限制结构平面布置的不规则，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。保证高层建筑结构具有必要的刚度，保证主体结构基本处于弹性受力状态，避免混凝土墙柱出现裂缝，控制楼面梁板的裂缝数量，宽度。要对位移比(层间位移比)加以限制
注：
位移比：即楼层竖向构件的最大水平位移(墙顶、柱顶节点的最大水平位移)与平均水平位移(墙顶、柱顶节点的最大水平位移与最小水平位移之和除2)的比值。
层间位移比：即楼层竖向构件的最大层间位移角(墙、柱层间位移角的最大值)与平均层间位移角(墙、柱层间位移角的最大值与最小值之和除2)的比值。
抗规及高规对位移比(层间位移比),最大层间位移角限制如下：
[抗规]3.4.2条规定，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则，对称，并应具有良好的整体性，当存在结构平面扭转不规则时层的最大弹性水平位移(或层间位移)，不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级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。
[高规]4.6.3条规定，高度不大于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）Δu/h应满足以下要求：
结构体系 Δu/h限值
框架 1/550
框架-剪力墙，框架-核心筒 1/800
筒中筒，剪力墙 1/1000
框支层 1/1000
在采用PKPM软件中的SATWE程序进行高层建筑位移验算应注意以下几点：
（1）验算位移比需要考虑偶然偏心作用，验算层间位移角则不需要考虑偶然偏心。
（2）验算最大层间位移、位移比应选择强制刚性楼板假定（当凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响），不考虑楼板悬挑部分，不应设置弹性板。因此，当结构计算中需要指定某些板块为弹性板时，应先按刚性楼板假定考查结构扭转是否合格，配筋设计时取两种模型计算的最不利结果作为设计依据。
（3）对每一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，读取位移输出文件WDISP.OUT。对位移比不满足[高规]4.3.5条规定时，要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；加强位移最大的节点区域对应的墙、柱等构件的刚度；或削弱其刚度位移最小的节点区域，从而降低扭转；使位移比满足要求。
（4）位移比（层间位移比）超过1.2，要在总信息参数设置中考虑双向地震作用;
2.限制结构的抗扭刚度不能太弱。要限制周期比，以扭转为主的第一自振周期接近以扭转为主的第一自振周期时，地面运动的扭转分量将会使结构的扭转效应明显加剧，即使结构布置均匀对称，也会因地面扭转运动而激发比较剧烈的扭转效应。
[高规]4.3.5条规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（即周期比），A级高度高层建筑不应大于0.9；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。
在采用PKPM软件中的SATWE程序进行高层建筑计算周期应注意以下几点：
（1）对于多塔结构计算周期比，应将多塔结构分成多个单塔，将分成的单塔结构分别验算周期比，使其均满足规范要求限制。
(2).计算结果读取周期、地震力与振型输出文件WZQ.OUT。根据电算结构中的周期信息手算周期比。一般情况下，当扭转系数大于0.5时，可认为该振型是扭转振型，反之应为平动振型；周期最长的扭转振型对应的就是以扭转为主的第一自振周期Tt，周期最长的平动振型对应的就是平动为主的第一自振周期周期T1；计算Tt / T1，即为周期比。对某些极为复杂的结构应结合主振型信息来进行判断。对于刚度均匀的结构，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，对于刚度不均匀的复杂结构，可根据SATWE程序中给出的各振型对基底剪力贡献比例，通过参数Ratio可以判断出那个振型是X方向或Y方向的主振型。
(2).周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。周期比控制不是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载布局的合理性。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，总的调整原则是要加强结构外圈，或者削弱内筒。通过调整平面布置来改善这一状况。
(3). 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力特性(周期和振型)宜相近。当第二振型为扭转时，周期比较难满足规范的要求。说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，并适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。当第一振型为扭转时，周期比肯定不满足规范的要求。说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴（第二振型转角方向和第三振型转角方向，一般都靠近X轴和Y轴）方向的侧移刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，并适当削弱结构内部的刚度。
结构的位移比或周期比不符合规范要求时，说明结构或者刚度分布和质量分布均匀性差，或者抗扭能力不足这都需要对结构的平面布置进行调整。
对于平面布置均匀对称的结构，应增大结构的抗扭刚度与抗侧刚度的比值，减小周期比。使周期比与位移比满足要求。
对平面布置不均匀不对称的结构，理论上讲如果周期比足够小，即使偏心率较大，位移比也能满足要求。从结构布局合理性角度，当结构出现位移比不满足要求时应同时减小周期比和偏心率。对位移比与周期比同时进行调整。首先调整构刚度质量的规则性，减小结构的偏心率，使结构有清晰的平动主振型与扭转主振型。接着调整结构抗侧刚度与抗扭刚度的比例关系，相对加强楼层的抗扭刚度。所谓加强楼层抗扭刚度，含义如下：对于整体抗侧刚度不强，即层位移角接近规范要求数值，应加强扭转刚度较小层的抗扭刚度；对于整体抗侧刚度足够强，即层位移角远小于规范要求数值，可以减小结构竖向构件刚度，增大平动周期。