浅谈高层建筑结构自振周期控制

浅谈高层建筑结构自振周期控制

吴蕾

吴蕾江苏省靖江市建筑设计院有限公司214500

摘要：高层建筑结构设计不仅要满足构件承载力的计算，而且要保证建筑结构整体刚度，满足位移和周期比的要求。高层建筑结构的自振周期是高层建筑结构在设计过程中的一个重要参数。是判断高层建筑结构设计是否合理的一个重要依据。本文结合自己多年结构设计经验，对结构主自振周期的判定、周期比值等进行了分析，以便合理控制结构的扭转刚度，保证结构的整体稳定性。

关键词：主自振周期；周期比；刚度

引言：《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3—2010）第3.4.5条规定：结构平面布置应减少扭转的影响。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，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。《高规》用周期比要求结构的平面布置以增强结构的抗扭能力，周期比不满足要求说明结构的扭转效应明显，即结构平面布置不合理，下面对如何确定结构的T?t、T1及比值进行分析。

1高层建筑结构主自振周期的判定方法

结构的基本自振周期决定于多方而因素。如建筑物的高宽比、结构形式、平面布置、建筑物层数等。在不同的荷载作用下结构的自振周期并不是一个常数，而是随着结构变形的改变而变化。高层建筑结构体系是一个空间体系，振动形式十分复杂。结构的自振周期短则刚度强，反之则刚度弱。主自振周期是对结构影响较大的低阶周期，一般指前三振型对应的周期。

1.1通过计算振型方向因子判定

《高规》3.4.5的条文解释：扭转偶联振动的主振型，可以通过计算振型方向因子来判断，在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当扭转方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。以上条文说明明确给出了判断扭转振型的方法，平动振型即为平动因子大于0.5时所对应的振型。这种方法能准确判定高阶振型，对判定第一自振周期的振型是不够精确的，从结构整体计算软件生成结构整体空间振动简图中可以明显看出，即使主平动方向因子达到0.6、0.7时结构的扭转效应也非常明显，只有因子达到0.9以上时结构的扭转效应才会很小。本人认为高层建筑结构设计中第一自振周期的平动方向因子应达到0.9以上，第一扭转周期因子大于等于0.5即可。

1.2查看结构整体空间振动简图来判断

整体空间振动简图可以直观、明显的看出结构的振动是平面运动还是扭转运动，但是不少设计者只是看一下周期输出文件WZQ.OUT中的数据而忽略了此图。虽然不能准确获得平动、扭转之间的比例关系，但是可以知道结构是整体振动还是局部振动，因为第一平动自振周期和扭转自振周期都是以结构整体空间振动为前提的，最长的周期不一定是主周期，在一些空旷的无楼板的边角部位很容易出现局部振动，即使周期比满足要求也是错误的。结构设计中可以查看整体空间振动简图来排除和调整局部振动。

1.3通过振型产生的基底剪力间接判断

主平动周期振型产生的基底剪力有以下规律：低阶振型产生的基底剪力大，高阶振型产生的基底剪力小，随着振型阶数的增高基底剪力变小。下面结合一个具体工程实例加以说明。

某18层高层钢筋混凝土住宅建筑，建筑总高度55.20米，抗震设防烈度7度，地震加速度0.10g，设计地震分组第二组，剪力墙抗震等级三级，用PKPM软件建模，SATWE计算分析结果，分析结果图形和文本显示中WZQ.OUT输出的数据信息如下：

由以上数据可以看出，第一振型周期转角为85.22度（Y向）产生的Y方向基底剪力为3780.19KN，而X方向则很小55.62KN，同样，第二振型也遵循以上规律。通过数据分析总结如下：主振型下产生的基底剪力最大，随着振型阶数的增加基底剪力变小，长周期、大基底剪力对应的振型才为主周期；平动方向越正（90、180度），该方向产生的基底剪力越大，另一方向相应变小；平动不一定是正X或正Y向，可以是（X+Y）向，对于主平动周期的判断需结合周期长短和基底剪力大小。

2控制高层建筑结构周期比的方法和建议

2008年汶川地震表明，平面不规则、质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构在地震中最容易破坏。对结构的扭转效应可以从以下两方面进行控制，一是位移比，控制结构的不规则性，避免产生过大偏心；二是周期比，控制第一扭转周期与平动周期的比值，避免发生振动偶联破坏。周期比的控制计算中会出现以下三种情况（以前三周期为例），第一种：第一周期为平动自振周期，第二周期为扭转自振周期，且Tt与T1之比满足《高规》要求；第二种：第一、二周期为平动自振周期，第三周期为扭转自振周期，且第三周期与第一周期T1之比满足要求，但第三周期T?t与第二周期T1之比不满足要求；第三种：前面与第二种情况相同，且第三周期Tt与第二周期T1之比满足要求。

对于以上三种情况，在结构设计过程中处理的思路如下：情况一我们必须满足，也是规范要求的最低限度；对于情况二我们应尽量满足，由于刚度和地震力具有X、Ｙ两个方向，保证前两周期平动是必要的。这种情况除了在一些框剪公共建筑及大空间要求的建筑中某一主轴抗扭刚度削弱不容易满足外，一般建筑稍作调整都能满足。对于情况三只有在两主轴方向刚度接近且外围抗扭刚度较强的情况才能满足，是最理想的刚度布置。但往往由于建筑物的立面形状和使用功能要求造成布置不均匀而不能实现。设计中不能一味追求这种情况，有时即便能实现但此设计成果并不是最经济合理的。

结构设计中如遇到周期比不满足要求可进行如下调整：造成第一种情况不满足要求的主要原因是结构单向抗侧刚度布置不均匀对称，可以向均匀对称的方向调整，主要是调整刚度较大的外围剪力墙的布置；对于第二种情况是结构双向布置不均匀对称造成的，可以通过观察结构整体空间振动简图，若简图一侧振动较大，说明结构两侧刚度相差较大，应减小强边刚度，增大弱边刚度。若外侧振动较大，中部振动较小，可以减小中部刚度增大周边刚度。刚度调整的整体原则是增大结构周边刚度，减小内部刚对，设计中需对模型进行反复调整才能保证结构构件布置合理。

参考资料：

[1]高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3—2010）.中国建筑工业出版社.2011

[2]SATWE用户手册及技术条件.中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.2011.2

[3]张毅光等.高层结构计算中周期比的控制［J］.城市建设理论研究.2011(18)