对某 33层高层建筑周期比调整的案例分析

对某 33层高层建筑周期比调整的案例分析

周雪

广西建工集团第五建筑工程有限责任公司 530001

摘要:在进行实际工程结构设计及平面布置时，需整体考虑结构布置的刚度均匀性和对称性，在方案设置时尽量对称的调整结构布置对建筑的指标计算及整体受力抗震都较为有利。抗侧力构件对结构扭转刚度的贡献与其到刚心的距离成正比关系，即角部刚度增加对整体结构的刚度增加效率最大。本文以某33层高层建筑作为案例展开分析，首先对其结构布局进行了简略的分析，其次分析了该高层的指标调整，希望通过本文的案例分析可以为更多的业内人士提供有价值的借鉴与参考，进而为我国高层建筑行业的未来发展略尽绵薄之力。

关键词：高层建筑；周期比调整；案例分析

引言:在高层建筑的设计中，国内外的相应法规都要求结构尽可能均匀的布置刚度，我国的抗震规范要求包括周期比，位移比，位移角，竖向刚度比，剪切刚度比，受剪承载力等指标的控制来保证建筑的规则性和受力均匀^[1]，美国的ACI code（American Concrete Insititution）也有相应的规范条文来对刚度的均匀性做出控制^[2]。其中周期比，位移比，位移角为平面指标的控制值。其中周期比会反应结构的抗扭刚度，指的是结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期的比值，A级高度建筑此周期不应大于0.9，B级高度此指标不应大于0.85^[2]。指标计算时，平动系数大于0.5即为平动周期，扭转系数大于0.5为扭转周期。此指标主要控制的是扭转刚度与侧向刚度的相对关系，因此在控制此指标时需整体考虑平面布置而非单纯的加强某个部分的构件，体现的是结构平面布置的合理性。即周期比的指标其实更多的是体现结构布局承载的合理性，是一个体现相对关系而非绝对刚度的指标。设计时通常的考虑是增加周圈的构件刚度，减小内部构件的刚度来做调整，加强角部梁与墙柱，削弱布置于楼梯间及电梯间周圈的竖向构件（剪力墙体及柱等）都是出于加强周圈构件相对刚度的考量。

《高规》第3.4.5条对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 之比值进行了限制^[3],其目的就是控制结构扭转刚度不能过弱, 以减小扭转效应。实际上, 按照《抗震规范》第3.5.3 条的规定, 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，即侧向刚度不宜相差过大, 以使结构在两个主轴方向上具有比较相近的抗震性能。需要注意的是，在抗规及混规中对周期比并没有明确的要求，但是就结构的抗震而言，此指标宜适当加以控制^[4]。

1项目概况

因为场地限制和实际使用要求等因素，在实际项目中会出现长宽比较为悬殊的平面布置，此时因为建筑功能布置限制，竖向构件能够增减的范围较小，单纯的增加周圈竖向构件有时无法达到调整周期比的目的。本案例位于广西某6度区，场地类别Ⅱ类，33层98.15米高建筑，下部一层地下室，建筑平面长度为53.2米，宽度为21.4米，长宽比大于2:1，建筑功能为住宅，底层商铺，住宅平面布置合理。《高层建筑混凝土结构技术规程》3.3.2中规定，在抗震设防烈度6度及7度时，剪力墙结构的最大高宽比限值为6.

2结构布置

原方案的周期比也满足规范要求，但第二周期扭转说明平面布置中x和y两个主轴方向的侧向刚度相差较大，虽然从规范角度来说并未有硬性条文规定第二周期不可为扭转，但从抗震的角度来说较为不利，《抗震规范》3.5.3中亦有规定两个主轴方向的侧向刚度不宜相差过大^[3]。尤其考虑到此具体工程为98米的高层建筑，故需将第二周期也调整至平动周期，优化抗震性能。此高层建筑的侧移刚度与扭转刚度与对应周期成反比关系，即周期越小时表示此方向刚度越大^[5]。

此时平面的刚心质心位置基本重合，不存在显著偏位的情况，故在此项目中，结构布置是属于对称性比较好的类型，在做结构布置调整时需注意对称性加强或者削弱，避免出现两端刚度不平衡的情况^[7]。

3指标调整分析

考虑到此高层建筑显示的短向周期远大于长方向周期，尝试加强长方向的结构两端的短向刚度，减小中部位置的长向刚度。仅考虑结构指标的情况下，直接在长向两端增加结构刚度为最快的调整方式，因为抗侧力构件对结构扭转刚度的贡献与其距离刚心的距离成正比关系^[6]，即角部刚度增加对整体结构的刚度增加效率最大。但因为建筑使用功能为住宅，对开窗位置和面积有要求，所以无法直接在两个端头直接加长短向剪力墙，而是采用了减小中部长方向的剪力墙的调整方式。

调整的竖向构件包括增加了短向剪力墙的厚度，在建筑功能允许的范围之内增加了短向剪力墙在结构两端的长度，基本的调整策略就是增强两端短向剪力墙的刚度以及减小中间长向剪力墙的长度，需要注意的是因为此项目为33层高层建筑，故在调整周期的同时需要注意轴压比的调整，满足三级抗震剪力墙轴压比限值0.60的要求。此项目中底部剪力墙混凝土强度用到了C55强度，局部剪力墙350厚以保证轴压比满足规范要求。

调整之后第二周期由扭转变为平动，周期比变为第1扭转周期(3.2475)/第1平动周期(3.7318)=0.87，满足规范要求。

调整之后的刚心质心也基本重合，并未出现调整后刚心质心位置偏移的情况，整个结构的平面布置调整保持了较好的对称性。周期比0.87与调整前0.88相比基本上保持了一致，但是第二周期已经调整成为平动周期，减小了长方向与短方向的侧向刚度差异值^[8]。

在增加了两端梁截面尺寸后的指标，可以看出平动系数指标有了较大的增长，具体调整是将窗部位原来的梁尺寸截面由200x600调整至200x1200做600上翻梁。

第1扭转周期(2.6233)/第1平动周期(3.2204)=0.81

相关数据对比可见，对结构总体刚度影响最大的一次调整为梁调整，在将两端梁刚度提升之后，周期比大幅度减小，第二周期平动系数大幅度增加，几乎没有扭转系数，调整效果大于第一次只调整局部墙体布置，贡献了较大的角部刚度。因为此建筑平面两端户型相同，因此对称布置后对整体刚质心位置基本没有影响。

扭转效应位移集中于结构角部，调整后最大层间位移角为1/1900以内，满足规范要求，调整后模型整体振动较为均匀，未有异常扭转现象，指标满足规范要求。

结束语：

其一、在进行结构设计及平面布置时，需整体考虑结构布置的刚度均匀性和对称性，在方案设置时尽量对称的调整结构布置对建筑的指标计算及整体受力抗震都较为有利。

其二、周期比作为抗震重要的控制指标，可以反映出主轴方向侧向刚度的情况，调整时不仅因为规范要求，也因为能反映出结构布置刚度的均匀性。

其三、在调整结构平面布置时刚心质心的位置调整有助于对整体结构的把控，但是刚心质心的相对位置并非影响周期比的唯一因素，本案例中调整前后刚心质心均基本重合，但两个主轴方向的侧向刚度比差异减小才是影响第二周期平动或扭转的关键因素，在未调整完全时也会出现平动扭转均接近0.50的混合周期之情况。

其四、因为周期比是一个体现刚度相对关系的指标，而非体现刚度绝对值，故在调整的过程中应该与位移角等指标联合考虑，避免出现刚度相对关系满足规范要求但位移角等体现刚度的指标超出规范限制的情况。

参考文献：

1建筑抗震设计规范GB50011-2010.中国建筑工业出版社，2010

2高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010.中国建筑工业出版社，2010

3混凝土结构设计规范GB50010-2010.中国建筑工业出版社，2010

4朱炳寅.建筑结构设计问答及分析.北京：中国建筑工业出版社,2013

5龙驭球，包世华，袁驷等，结构力学ⅠⅡ，高等教育出版社，2012

6马尔科姆·米莱（Millais,M.），建筑结构原理，北京：中国水利水电出版社；知识产权出版社，2002

7徐培福,黄吉锋,韦承基.高层建筑结构的扭转反应控制[J].土木工程学报,2016(07):1-8.

8蔡健,潘东辉,黄炎生.高层建筑结构扭转振动效应控制研究[J].工程力学,2017(07):116-121.