高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究.docx
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高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究
四川建筑科学研究SichuanBuildingScience第37卷第3期2011年6月
收稿日期:
2009-12-15作者简介:
王秀存（1973－,男,河北唐山人,硕士,一级注册结构工
程师,主要从事民用建筑结构设计。
E－mail:
wangxiucun@163．com
高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究
王秀存1
张
海
2
（1．天津市房屋鉴定勘测设计院,天津300070;2．天津城市建设学院土木工程系,天津300384摘
要:
GB50011－2001《建筑抗震设计规范》提出的“层间剪力位移比”的计算方法对侧向刚度规则性的判断存在局限性,在
一些特殊情况下会得出不正确的结论,
为了解决侧向刚度规则性判断的问题,提出了“层间剪力位移角比”的侧向刚度计算方法,结合算例可以看出,对于以弯曲变形为主的结构,此方法结构概念明确,得出的结论符合工程经验,是对规范方法的很好的补充。
关键词:
高层建筑结构;侧向刚度;层间剪力位移角比中图分类号:
TU973
文献标识码:
A
文章编号:
1008－1933（201103－026－04
Studyoncalculatingmethodsofthelateralstiffnessirregularityoftallbuildingstructures
WANGXiucun1,ZHANGHai2
（1．TianjinRealEstateAppraiseSurvey＆DesignInstitute,Tianjin300070,China;
2．DeparmentofCivilEngineering,TianjinInstituteofUrbanConstruction,Tianjin300384,China
Abstract:
Thecalculatingmethodofstoryratioofshearanddriftwhichisprovidedby“Codeforseismicdesignofbuildings”haslimitationofjudgementonlateralstiffnessirregularity,thewrongconclusionisgiveninsomespecialconditions,inordertodissolvetheproblemofjudgementonlateralstiffnessirregularity,thecalculatingmethodofstoryratioofshearanddriftangleisprovided,basedoncalculatingexamples,
thestructuralconceptofthemethodisclear,theconclusiongivenbythemethodisfittoengineeringexperiencetothestructuresprimarilywithbendingdeformation,it'sagoodsupplementtothecodemethod．Keywords:
tallbuildingstructures;lateralstiffness;storyratioofshearanddriftangle
0引言
我国的结构规范[1]
及规程
[2]
对抗震设计的高
层建筑结构楼层侧向刚度规则性的判断有明确的规定:
楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%的较大值。
保证楼层侧向刚度的规则性,可以避免因楼层侧向刚度突变引起结构地震反应加剧和局部楼层变形集中,
减轻地震下结构的破坏。
1刚度计算方法
国家
[1-2]
以及地方规范（规程[3]
分别提出了不
同的侧向刚度规则性的计算方法,总结起来有以下几种:
1剪切刚度:
文献[2]附录E．0．1建议的方法,主要是针对转换层位于一层的情况,限制转换层上、
下层结构等效剪切刚度比γ=
G2A2G1A1ˑh1
h2
（宜接近1,非抗震设计时,不应大于3,抗震设计时,不应大于2。
2剪弯刚度:
文献[2]附录E．0.2建议的方法,主要是针对转换层大于一层的情况,控制转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe=
Δ1H2
Δ2H1
（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。
3层间剪力与位移比:
文献[1]条文说明建议
的方法（Ki
V/Δ=Vi/Δui。
楼层侧向刚度不宜小于相
邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%的较大值。
4层间位移角比:
文献[3]建议的方法,规定在地震作用下,某一层的层间位移角θi大于相邻上一
6
2
层的1.3倍,或大于其上相邻3个楼层层间位移角平均值的1.2倍,则该层的侧向刚度不规则。
其中,
θi=
u
i
－u
i－1
h
i
=
Δui
h
i
。
5层间位移角倒数比:
为了比较4方法与3
方法的关系,根据侧向刚度的概念,定义Ki
1/θ
=
1/θ
i
;采用文献[1,2]提供的原则判断侧向刚度规则性,主要用于两者的比较。
6层间剪力位移角比:
考虑到以弯曲变形为主的结构的侧向刚度概念,应采用层间剪力位移角比
的方法来控制结构楼层侧向刚度的规则性,Ki
V/θ
=
Vi/θ
i
;采用文献[1,2]提供的原则判断侧向刚度均
匀性。
公式中的各参数意义详见相应规范。
因为1,2建议的刚度主要针对转换层结构,这里不作讨论,仅比较其他4种刚度比的计算方法在不同结构体系中的应用。
2侧向刚度规则性判断的算例
本文采用SATWE软件[4]对不同结构体系进行了分析,并利用上述3,4,5,6的层刚度比计算方法进行了分析对比,对算例中将出现的参数或系数说明如下:
γ
θ1
———层间位移角倒数比,即
γθ1=minθi+1
θi
3/θ
i
（1/θ
i+1
+1/θ
i+2
+1/θ
i+3（
γ
θ2
———层间位移角比,即
γθ2=maxθi
θi+1
3ˑθ
i
（θ
i+1
+θ
i+2
+θ
i+3
（
γV/
Δ
———层间剪力位移比,即
γV/
Δ=min
V
i
/Δu
i
V
i+1
/Δu
i+1
3V
i
/Δu
i
（V
i+1
/Δu
i+1
+V
i+2
/Δu
i+2
+V
i+3
/Δu
i+3（
γV/
θ
———层间剪力位移角比,即
γV/
θ=min
V
i
/θ
i
V
i+1
/θ
i+1
3V
i
/θ
i
（V
i+1
/θ
i+1
+V
i+2
/θ
i+2
+V
i+3
/θ
i+3（
算例中未特殊说明的,地震参数均为7.5度区,
Ⅲ类场地,地震分组为第一组。
2．1框架结构
基本参数:
梁柱的混凝土强度等级为C35,框架柱断面700ˑ700,外围框架梁断面300ˑ800,内部框架梁断面为300ˑ600,标准层高3.6m,总层数为9层。
层高变化分别为1,3,5,7层（层高为7.2m。
平面布置如图1所示。
判断结果:
楼层侧向刚度规则性（是或否的判断结果详见表13,由于3,5,7层的判断结果有相同的规律,在此仅列出5层层高突变时的计算结果
。
图1框架结构平面布置
Fig．1Floorplanofframestructure
表1层高不变时侧向刚度规则性判断
Table1Judgementonlateralstiffnessirregularitywithuniformstoreyheight
仅以x向为例,y向规律同此判断侧向刚度是否规则γθ1γV/ΔγV/θγθ2γθ1γV/ΔγV/θγθ211．631．791．790．61是是是是20．941．101．101．06是是是是30．821．021．021．20是是是是40．751．001．001．30否是是否50．661．001．001．45否是是否60．531．031．031．70否是是否70．731．011．011．37是是是否80．601．101．091．66否是是否
表2首层层高突变时侧向刚度规则性判断
Table2Jodgementonlateralstiffnessirregularitywithabruptchangeofthefirststoreyheight仅以x向为例,y向规律同此判断侧向刚度是否规则γθ1γV/ΔγV/θγθ2γθ1γV/ΔγV/θγθ210．680．420．851．46否否是否20．740．910．911．33否是是否30．770．980．981．28否是是否40．721．001．001．35否是是否50．641．011．011．49否是是否60．511．051．051．75否是是否70．721．011．011．39是是是否80．591．131．131．69否是是否
表35层层高突变时侧向刚度规则性判断
Table3Judgementonlateralstiffnessirregularitywithabruptchangeofthefifthstoreyheight仅以x向为例,y向规律同此判断侧向刚度是否规则γθ1γV/ΔγV/θγθ2γθ1γV/ΔγV/θγθ211．631．901．900．61是是是是21．031．581．400．97是是是是31．071．541．360．94是是是是40．843．281．641．02是是是是50．370．320．632．52否否否否60．450．870．871．99否是是否70．710．970．971．41是是是否80．601．091．091．66否是是否
小结:
1当高度均匀时,γ
V/Δ
和γ
V/θ
判断结果均为侧
向刚度规则,而γ
θ1
和γ
θ2
却分别判断若干层不规则。
2当层高在1,3,5,7层突变时,γ
V/Δ
和γ
V/θ
除首
72
2011No.3王秀存,等:
高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究
层结果不同外,其他层均判断层高突变层为侧向刚度不规则层,但是需要注意的是,由于γV/Δ和γV/θ相差一个层高,
得出的层刚度比的数值相差大约2倍;而γθ1和γθ2的结果是除层高突变层外的其他层也有侧向刚度不规则的情况。
3根据以剪切变形为主的框架结构侧向刚度的概念、框架结构的受力特点以及实际工程中层高不均匀的情况,应采用γV/Δ进行判断,γθ1,γθ2和γV/θ不可作为判断的依据。
2．2
框架—核心筒结构
基本参数:
共32层,核心筒墙厚由600mm逐步减小到400mm,核心筒内墙厚度200mm,框架柱断面由1100ˑ1100逐步减小到800ˑ800,混凝土强度等级由C55逐步减小到C35,外围框架梁断面为500ˑ800,
内部框架梁断面为600ˑ650,层高为4m。
层高变化为1,5,10,15,20,25,30层（层高为8m。
平面布置如图2所示
。
图2框架—核心筒结构平面布置
Fig．2
Floorplanofframe-corewall
structure
图3层高均匀时层刚度比对比
Fig．3
Contrastchartofstoreystiffnessratiowithuniformstoreyheight
层刚度比各计算方法的关系曲线如图3,4所示
。
图4层高突变时层刚度比对比
Fig．4
Contrastchartofstoreystiffnessratiowithabruptchangeofstoreyheight
小结:
1当层高均匀时,各种计算方法判断结果均为侧向刚度规则,其中,γV/Δ和γV/θ的数值基本吻合;γθ1的数值除顶部若干层由于层剪力比的作用明显外,与γV/Δ和γV/θ的数值基本吻合;γθ1与γθ2的数值呈现不严格的反比关系。
2对于层高突变层,γθ1,γθ2与γV/θ的判断结果均为侧向刚度规则,而γV/Δ的判断结果（除首层外为侧向刚度不规则,γV/Δ和γV/θ计算的层刚度比数值相差大约2倍。
考虑到结构概念和工程经验,γθ1,γθ2与γV/θ均可作为判断的依据,控制的严格性排序（降序为:
γθ2,γθ1,γV/θ。
3根据对筒中筒结构的计算比较发现,其层高均匀或层高突变时呈现的规律性与框架—核心筒结构相同,为节省篇幅,数据不再列出。
2．3剪力墙结构
基本参数:
共33层,外围剪力墙厚度250mm,
内墙厚度为200mm,外围连梁断面250ˑ600,内部连梁断面为200ˑ450,混凝土强度等级由C40逐步减小到C25,
层高为3m,层高变化为1,5,10,15,20,25,30层（层高为6m;平面布置如图5所示
。
图5剪力墙结构平面布置
Fig．5
Floorplanofshearwallstructure
层刚度比各计算方法的关系曲线如图6,
7所示。
小结:
1当层高均匀时,γθ1,γV/Δ与γV/θ的判断结果均
8
2四川建筑科学研究第37卷
为侧向刚度规则,由于γθ2控制较严格,30层（位于结构上部的判断结果为侧向刚度不规则,2729层接近侧向刚度不规则,这几层的γθ1稍大于0.8,也接近侧向刚度不规则,这明显不符合实际情况;这是因为,
顶部若干层的层剪力比值较大,而γθ1与γθ2仅与层间位移角有关。
此时,应采用γV/Δ与γV/θ作为判断结构刚度不规则的依据
。
图6层高均匀时层刚度比对比
Fig．6
Contrastchartofstoreystiffnessratiowithuniformstorey
height
图7层高突变时层刚度比对比
Fig．7
Contrastchartofstoreystiffnessratiowithabruptchangeofstoreyheight
2当层高突变时,γθ1判断25,30层为侧向刚度不规则,
γθ2判断20,25,30层为侧向刚度不规则,可见,
γθ2比γθ1要更加严格;γV/Δ判断的结果除首层外,所有的层高突变层均为侧向刚度不规则;γV/θ显示楼层的侧向刚度均规则,
根据侧向刚度的概念和工程经验,应选择γV/θ作为判别楼层侧向刚度均匀性的依据。
3结论
1对于隔板—筒体结构[3]以及剪力墙结构[5-6]
（当连梁刚度很弱时,当竖向构件截面及弹性模量不变,即使层高变化很大,结构的侧向刚度仍是均匀规则的。
2对于以剪切变形为主的结构（框架结构,应该采用层间剪力位移比的方法判断楼层侧向刚度的规则性。
3对于以弯曲变形为主的结构（剪力墙、框架—核心筒、筒中筒结构,采用层间剪力位移角比的方法判断侧向刚度规则性,可真实地反映楼层侧向刚度的变化,
结构概念明确,与工程实践一致,是对现行规范方法的很好补充。
参考文献:
[1]GB50011－2001建筑抗震设计规范[S]．北京:
中国建筑工业
出版社,
2001．[2]JGJ3－2002,J186－2002高层建筑混凝土结构技术规程
[S]．北京:
中国建筑工业出版社,2002．
[3]DBJ/T15－46－2005广东省实施《高层建筑混凝土结构技术
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究（I[J]
．工程抗震与加固改造,2005,27（5:
20-25．9
22011No.3王秀存,等:
高层建筑结构侧向刚度规则性计算方法研究
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