【混凝土框架】七个模型大指标意义及调整

混凝土框架结构在设计软件中建模完成后,为满足规范要求,其结构的整体指标需要满足限值要求,这些整体指标反映的是结构整体的性能,只有先满足整体指标才有后面构件设计的意义。

一般的设计思路是:整体模型指标满足→给上游建筑/水暖电/工艺专业提供初步结构布置资料→与上游专业沟通后确定结构大体布置能否满足→进行详细构件的设计。

整体模型指标可以归纳为以下七个,简记为七个大指标。

它们分别是:周期比、刚度比、受(抗)剪承载力之比、位移比、位移角、刚重比、剪重比。

一、周期比

由于目前进行小震下地震反应计算时多采用阵型分解法,故结构第一扭转周期与第一平动周期的比值称为周期比。

例如进行阵型求解后,第一扭转阵型是第4阶阵型,对应的周期为t4,而第一平动阵型是第1阶阵型,对应的周期为t1,则该结构的周期比为t4/t1。

周期比的控制不是要求结构足够结实,而是要保证结构整体刚度分布的合理性,控制结构在地震作用下的扭转效应。

周期比的限制要求源于《高规》3.4.5条,要求结构周期比不得大于0.9,但是很多时候我们的混凝土框架并不属于高层结构的范畴,可能只有一两层,但对于低层的框架周期比限制,《抗规》里面没有说明,一般实操时可近似认为多层框架周期比大于0.9是可以的,但至少应保证第一阵型不得以扭转为主。

周期比不满足时,应把握:加强外圈刚度,削弱内部刚度的思路,使结构外圈构件相对较大些。

具体来讲:

1.角部、边部梁柱截面稍微放大,增强抗扭刚度,减小扭转周期值,即前文中t4。

2.位移角满足时,柱子截面可适当减小,削弱平动刚度,增大平动周期值,即前文中t1。

二、刚度比

这里的刚度特指水平方向的抗侧刚度。

我们进行结构设计时很重要的一点就是要保证结构竖向刚度较为连续,不发生突变,以免形成薄弱层,那么不同楼层的抗侧刚度比值理所当然就应是着重考虑的量,计算中近似用该层地震剪力与该层位移相比来表示该层抗侧刚度,将不同层的抗侧刚度再进行比值,即得到刚度比。

刚度比和周期比的理念有相似之处,刚度比不是要求结构有多刚硬,它目的在于保证结构竖向各层刚度变化都很平缓,避免竖向不规则。

刚度比的限制要求源于《抗规》3.4.3或《高规》3.5.2,本层的刚度不应小于相邻上层的70%,且不应小于相邻上三层平均值的80%。

刚度比不满足时,应把握:弱的层加强,强的层削弱,使竖向刚度分布均匀。

具体来讲:

1.抗侧刚度大的楼层,例如只有3m高但是柱子和梁搞得很大很大,应该减小梁柱截面,把该层刚度降下来。

2.抗侧刚度小的楼层,例如有10m高但是柱子和梁搞得很小很小,应该加大梁柱截面,把该层刚度提上去。

3.破罐破摔,实在因为建筑和其他专业要求没法随心所欲变动构件尺寸,那就把不满足刚度比的这一层当成薄弱层计算,薄弱层计算时该层地震剪力要进行放大。

三、受剪承载力之比

这个实际上和刚度比有异曲同工之处,受剪承载力是指该层所有竖向构件总的受剪承载力之和,然后各个层再进行比值,称为受剪承载力之比。

这个调试方法和刚度比一样。

受剪承载力之比的限制一般不论多层还是高层,都按《高规》3.5.3,本层受剪承载力不宜小于上层的80%,不应小于上层的65%。

四、位移比

位移比实际上包含两个指标,一个是该层竖向构件最大水平位移与平均水平位移的比;另一个是该层竖向构件最大层间位移与平均层间位移的比。

位移比描述的是位移分布是否均匀,控制它主要是为了保证结构扭转效应不至于大到影响结构安全。

多层与高层限制均参照《高规》3.4.5条执行,即不应大于1.5。

位移比不满足时,应把握:先看是扭转导致位移不均还是部分区域构件薄弱导致位移不均。

具体来讲:

1.如果刚心质心偏离过远,属于扭转严重导致位移不均,应该调整结构刚度布局。

2.如果是部分区域构件薄弱导致位移不均,那哪里位移大,加强哪里的构件截面,减小最大位移。

五、位移角

层间位移与该层高度的比值称为位移角,位移角意为不要让结构在风或地震下产生过大的侧移,进而保证各个构件不产生裂缝。

多层与高层位移角限制都按照《高规》3.7.3条去执行,对于混凝土框架结构是1/550的限值。

不满足时调整也是简单粗暴,因为层高是不大可能乱变的,那就加大柱截面、梁截面,使它侧移减小即可。

六、刚重比

现在常规的设计软件默认计算时候是不考虑重力引起的二阶效应的,这就牵扯到什么时候可以不考虑,什么时候要考虑的问题。

于是在这个背景下就引入刚重比的概念,刚重比指楼层的侧向刚度除以该层重力荷载代表值,刚重比的限值源于《高规》5.4.4条,框架结构的整体稳定性应满足刚重比大于等于10的要求。

七、剪重比

剪重比是指该层所承受的水平地震剪力与该层重力荷载代表值的比,该参数主要是控制各层计算时取的地震剪力不要过小,说白了就是保守设计,留有足够的安全度。

这里多层与高层都采用《抗规》5.2.5对应表中的要求进行剪重比限制。

以下给出了PKPM中输出的计算结果,七个大指标对应的位置已标识出,对应的规范限值出处我们前述文章中也都一一提及,可以看出此结构的周期比不满足要求,第一自振模态为扭转阵型,那我们对症下药按照前述的方法调整即可。

只有在模型七个大指标都满足的情况下,才牵扯到构件细部的配筋问题,我们常说的调模型意思就是使得结构整体指标满足规范限值。

关于框架结构构件的细部配筋注意问题将在后续几讲中展开。

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