建筑结构抗震设计中剪重比调整分析

建筑结构抗震设计中剪重比调整分析

廖允烽

广东省建筑设计研究有限公司  广州 510000

摘要：对于长周期结构，采用振型分解反应谱法计算时，地震影响系数较小，因此规范对水平地震剪力有最小值要求。文章首先阐述剪重比的概念，然后探究场地类别、周期折减系数对剪重比值大小的影响，最后结合具体工程案例，以处理剪重比不符合规范限值的问题，有针对性的调整了结构截面，希望能分享结构抗震设计中的经验与处理方法。

关键词：建筑结构；抗震设计；剪重比；调整方法

引言

地震波的作用下出现地面运动，通过房建基础对上部结构形成一定影响，使结构出现的振动被叫做结构的地震反应，地震作用、地面运动属性及建筑自身的动力特性均影响着以上反应程度^[1]。建筑抗震设计实践中，应依照抗震概念设计的要求，关注平面、立面、竖向剖面的对称性及对抗震性能及其成本形成的影响，其中剪重比被公认是控制建筑结构安全性的一项重要指标。

1剪重比的概述

剪重比为抗震设计领域中一项十分重要的参数，结合《建筑抗震设计规范》GB-50011-2010作出的规定^[3]，在验算抗震时，任何一楼层的水平地震剪力均不小于规范限值，主要是因为在长周期段中地震影响系数快速下跌，针对基本周期＞3.5s的结构，基于此测得的水平地震作用下的结构效应可能过小。面对长周期结构，地震动态作用内的地面运动速度与位移可能会结构破坏严重程度形成较大影响，但既有规范中应用的振型分解反应谱法直接没有对其作出预估。为使结构安全得到更大保障。针对结构总水平及各楼层水平地震剪力最低值均做出要求，明确规定了不同烈度下的剪力系数，若不满足时，可以通过调整结构布置形式去使其符合要求。比如，若建筑结构底部的总地震剪力稍低于本条规定，但中、上部楼层均符合最小值要求时，可以应用如下方法进行调整：如果结构基本周期处于设计反应谱的加速度控制段时，那么各楼层均要乘以大小等同的增大系数；如果结构基本周期处于反应谱的位移控制段时，那么各楼层i都需要按底部的剪力系数差值△ 增加该层的地震剪力——△ =△ ；如果结构基本周期处于反应谱的速度控制段中，那么增加量应高于△ 。

2. 影响剪重比限制大小的主要因素

2.1场地类别

如果规范反应谱地震影响系数 值处于周期T≥5T_g（T_g是场地特征周期）的下降段，则可采用下式计算：

上式内， —地震影响系数峰值； 衰减系数； 、 分别是下降段的下降斜率、阻尼调整系数。

规范内设定的地震作用下的建筑基底剪力限值处于3.5s时，那么基底剪重比 限值能真切的反映出各种场地形成的影响，有：

式内，T=3.5s时， =1.0；T=5.0s时， =0.88；中间是线性改变。

据此得到7度烈度时，周期3.5s，场地I、II、III、IV的 值分别为0.015、0.016、0.017、0.018，当周期延长至5s时，以上对应值分别是0.013、0.014、0.0144、0.016。

2.2周期折减系数

在建筑工程设计实践中，在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中需考虑填充墙的影响对进行周期折减，对于一般结构，周期减小后建筑结构的楼层及基底剪力均会增加。假定增大以后的第1振型、结构的基底剪力依次是 、 ，则可以证明^[3]：

=

按照下式计算出剪力系数 ：

= = ＞1

上式内， 分别是 、 对应的地震影响系数。

=

按照下式计算出剪力系数 ：

= ＞1

按照下式可以计算出周期折减半的判别值 ：

因 一定要在 之上，可有 ＞1，即 ＞ 。由此可见，和周期折减系数相乘后，因楼层及基底剪力均有增加，可以提升判别值 ，进而使其较好的满足规范内剪重比限值的要求。

2. 工程案例

A超限高层是框架-核心筒结构，共计54层，总高度256m，抗震设防烈度7度，地类别II类，规划地震分组是第一组。设计结构基本周期5.7s，结构总重量16750435kN，计算时提取16个振型，有效质量系数96.5%，水平地震影响系数 =0.0124，规范内设定的剪重比限值 =1.2%。

利用上式测求出建筑结构底层剪重比是0.94%，和计算结果统一。为处理剪重比和规范限值存在出入的问题，需要有针对性的调整建筑结构^[4]。

1. 应用增大结构刚度的方法调整剪力墙：把400mm厚的墙体加厚到600mm，250,200mm厚的墙加厚到300mm。结构基本周期从5.7s减少到5.62s，结构的总总重量增加到1702185kN， （T）=0.0123，有效质量系数96.2%，第1振型的剪力比及参与质量比分别是90.51%、68.89%，计算得 =75.13%。

2. 考虑周期折减：周期折减系数0.86，测得X方向1~7层的剪重比是1.08%~1.20%，以上这些楼层不符合规范内设计的剪重比限值要求。若周期折减系数是0.8，测得X方向1~4层的剪重比是1.1~1.19%，依然有4个楼层的剪重比小于规范限值，在考虑周期折减，可再用放大层剪力的方法再去处理剪重比小于限值要求的楼层。

结束语：

《建筑抗震设计规范》GB-50011-2010中剪重比限值是为了确保楼层剪力始终在一定限值之上，进而提升整个建筑结构的安全度。若超高层建筑的底部楼层剪重比不满足规范限值时，可尝试应用增加结构刚度的方法以及考虑周期折减去增加基底剪力去满足规范剪重比要求，若依然不能满足规范要求，则可以对不满足的楼层位置的地震剪力进行放大处理。

参考文献：

[1]袁树东. 建筑抗震设计规范剪重比合理性探讨[J]. 建筑与装饰, 2019, 000(003):28-28.

[2]金灿国, 蔡凤维. 建筑结构剪重比分析探讨及对规范限值的建议[J]. 广东土木与建筑, 2019, v.26;No.314(04):33-37.

[3] 《建筑抗震设计规范》．GB 50011-2010[M].

[4]林涛,宋妍.SATWE结果文件的分析及应用——结合《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》进行讨论[J].四川建筑,2012,04:181-182+186.