【摘要】理解高层结构设计中的6个比值，用SATWE程序来判断整体结构的合理性。
【关键词】周期比、位移比、剪种比、刚度比、刚重比
如何正确运用设计软件来判断整体结构的科学性和合理性，以满足规范的要求，是每个设计人员都非常关心的问题。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，规范用于控制结构整体性的主要指标是：周期比、位移比、剪种比、刚度比、刚重比、层间受剪承载力之比，结合工程实例谈谈如何对电算结果进行判读。
1 工程概况及基本参数
一栋地下一层,地面以上二十五层复杂高层框支剪力墙结构商住宅楼,结构转换层设在第五层楼面。建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为七度.建筑场地为II类；设计地震分组为一组，设计基本地震加速值为0.1g，场地特征周期TG=0.35s，水平地震影响系数取αmax＝0.08，周期折减系数TC=0.85；柱砼强度等级C40，抗震等级为特级；剪力墙砼等级C40、C50、C30,抗震等级为一级，二级；梁、板砼强度等级C40、C30、C25，抗震等级为一级，二级；梁、柱受力主筋采用Ⅱ级钢。
2 周期比
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（也称第一侧振周期）T1的比值。周期比主要控制结构扭转效应，不是要求结构足够结实，而是要求结构承载布局合理，减小扭转对结构产生的不利影响，使结构的抗扭刚度不能太弱。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。[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。在设计软件SATWE的输去结果WZQ.OUT中如下：
周期、地震力与振型输出文件
(侧刚分析方法)
考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y方向的平动系数、扭转系数
振型号周期转角平动系数(X+Y)扭转系数
12.763690.171.00(0.00+1.00)0.00
22.56020.210.99(0.99+0.00)0.01
32.3706172.360.01(0.01+0.00)0.99
计算Tt/T1＝2.3706/2.7636=0.86不超过0.9.对于多塔结构周期比，不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(注意不是在同一结构中定义多塔，而是按塔分成多个结构)。
3位移比（层间位移比）
位移比是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角与本楼层平均值的比。是控制结构平面不规则性的重要指标；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；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；控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。[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。在设计软件SATWE的输去结果WDISP.OUT中，因工况内容太多，在此不摘录了。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不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行构件分析。复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，这些结构或者柱、墙不在同一标高，或者本层根本没有楼板，此时如果采用“强制刚性楼板假定”，结构分析严重失真，位移比也没有意义。所以这类结构可以通过位移的“详细输出”或观察结构的变形示意图，来考察结构的扭转效应。对于错层结构或带有夹层的结构，这类结构总是伴有大量的越层柱，当选择“强制刚性楼板假定”后，越层柱将受到楼层的约束，如果越层柱很多，计算失真。
4剪重比
剪重比即最小地震剪力系数λ，主要是控制各楼层最小地震剪力，尤其是对于基本周期大于3.5S的结构,以及存在薄弱层的结构,出于对结构安全的考虑,规范增加了对剪重比的要求。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。[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力不应小于下表给出的最小地震剪力系数λ。
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。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。
5刚度比
刚度比指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值（也称层刚度比），该值主要为了控制高层结构的竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。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、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等等，都要求有层刚度作为依据，直观的来说,层刚度比的概念用来体现结构整体的上下匀称度.
底部大空间为一层的部分框支剪力墙结构，可近似采用转换层上、下层结构等效刚度比γ表示转换层上、下层结构刚度的变化，非抗震设计时γ不应大于3，抗震设计时不应大于2。
底部大空间层数大于一层时，其转换层上部框架-剪力墙结构的与底部大空间层相同或相近高度的部分的等效侧向刚度与转换层下部的框架-剪力墙结构的等效侧向刚度比γe宜接近1，非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。
采用的楼层刚度算法:层间剪力比层间位移算法
转换层所在层号=5
转换层下部结构起止层号及高度=2519.00
转换层上部结构起止层号及高度=61118.00
X方向下部刚度=0.1097E+07X方向上部刚度=0.3755E+06X方向刚度比=0.3242
Y方向下部刚度=0.1039E+07Y方向上部刚度=0.2774E+06Y方向刚度比=0.2530
规范对结构层刚度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零的工程，应计算两次，在刚性楼板假定条件下计算层刚度比并找出薄弱层，然后在真实条件下完成其它结构计算。对于上述三种计算层刚度的方法，我们应根据实际情况进行选择：对于底部大空间为一层时或多层建筑及砖混结构应选择“剪切刚度”；对于底部大空间为多层时或有支撑的钢结构应选择“剪弯刚度”；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。
6刚重比
结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比称为刚重比。它是影响重力二阶效应的主要参数,且重力二阶效应随着结构刚重比的降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,若重力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，则可以控制结构不失去稳定。
在设计软件SATWE总信息WMASS.OUT中如下：
抗倾覆验算结果
抗倾覆弯矩Mr倾覆弯矩Mov比值Mr/Mov零应力区(%)
X风荷载9950223.0387225.125.700.00
Y风荷载14825508.0366016.040.510.00
X地震9950223.0180287.655.190.00
Y地震14825508.0169332.087.550.00
结构整体稳定验算结果
X向刚重比EJd/GH**2=4.48
Y向刚重比EJd/GH**2=3.77
该结构刚重比EJd/GH**2大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算。
该结构刚重比EJd/GH**2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应。
当高层建筑的稳定不满足上述规定时，应调整结构方案，减少结构的高宽比并增大结构的侧向刚度。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。
7层间受剪承载力之比
层间受剪承载力之比是控制结构竖向不规则的重要指标。[高规]4.3.3条规定:：A级高度高层建筑的其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%。楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层破坏，必须对高层建筑结构提出此限制条件。在设计软件SATWE的输去结果WMASS.OUT中如下：
*楼层抗剪承载力、及承载力比值*
Ratio_Bu:表示本层与上一层的承载力之比
层号塔号X向承载力Y向承载力Ratio_Bu:X,Y
2810.7412E+040.4167E+041.001.00
2710.7103E+040.3684E+040.960.88
2610.1430E+050.8915E+042.012.42
2510.1452E+050.9209E+041.021.03
2410.1599E+050.9588E+041.101.04
2310.1647E+050.9797E+041.031.02
2210.1689E+050.9941E+041.031.01
2110.1737E+050.1008E+051.031.01
2010.1772E+050.1028E+051.021.02
1910.1810E+050.1054E+051.021.03
1810.1784E+050.1068E+050.991.01
1710.2045E+050.1198E+051.151.12
1610.2082E+050.1222E+051.021.02
1510.2028E+050.1194E+050.970.98
1410.2115E+050.1247E+051.041.04
1310.2570E+050.1501E+051.221.20
1210.2492E+050.1428E+050.970.95
1110.2559E+050.1533E+051.031.07
1010.2493E+050.1544E+050.971.01
910.2294E+050.1444E+050.920.94
810.2667E+050.1750E+051.161.21
710.2524E+050.1591E+050.950.91
610.3712E+050.2049E+051.471.29
510.5740E+050.5791E+051.552.83
410.6425E+050.6260E+051.121.08
310.7109E+050.7266E+051.111.16
210.7620E+050.7644E+051.071.05
110.1213E+060.1104E+061.591.44
如果有薄弱层需要在参数设置时，人工指定薄弱层号（允许指定多个楼层）重新计算，程序调整薄弱层的地震剪力。
高层结构设计除上述“六个比”需很好控制以外,还有很多“比值”需要结构设计人员在具体工程的设计中认真的去对待，很好的加以控制，如高层建筑高宽比，结构与构件的延性比，梁柱的剪跨比、剪压比，柱倾覆力矩与总倾覆力矩之比等等。此外对单构件内力和配筋计算，包括梁、柱、剪力墙轴压比计算构件截面优化设计；还必须满足规范规定的抗震措施要求。它们对于实现“强剪弱弯”，“强墙弱梁”“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计理念均起着重要作用。
【参考文献】
【1】 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002
【2】 杨星PKPM结构软件从入门到精通
搜论文知识网致力于为需要刊登论文的人士提供相关服务,提供迅速快捷的论文发表、写作指导等服务。具体发表流程为：客户咨询→确定合作，客户支付定金→文章发送并发表→客户接收录用通知，支付余款→杂志出版并寄送客户→客户确认收到。鸣网系学术网站，对所投稿件无稿酬支付，谢绝非学术类稿件的投递！
