结构设计之剪重比详解
建筑结构设计中的十个比值

建筑结构设计中的十个比值随着计算机技术及CAD技术的发展,当前我们进行建筑结构设计越来越倚重计算软件;对计算软件依赖加深,往往会使我们变得懒于独立思考判断,而是直接引用计算结果作为设计的依据。
这样对于普通的规则的建筑往往没有大问题,但是一遇到特殊的建筑,其计算结果就会失真,必须人工进行调整干预才能得出正确的结果。
《高层建筑混凝土技术规程》第5.1.16条明确指出:对结构分析软件的计算结果,应进行分析判断,确认合理有效后方可作为工程设计的依据。
这一条文明确指出我们设计人员是设计的主体,软件只是我们的辅助工具,任何时候都不能丧失独立判断分析的能力。
分析一个计算结果正确与否,有十个比值非常关键,它们是轴压比,剪重比,刚度比,位移比,周期比,刚重比,楼层最大位移与层高比(层间位移角),倾覆力矩比,剪跨比以及剪压比。
(1)轴压比:主要为控制结构的延性,规范对墙肢和柱均有相应限值要求,见抗震规范第6.3.6条和6.4.5条。
轴压比是指柱组合轴力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。
需要注意的是荷载组合下柱轴压比不能过大,从《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第7.3.1条可以看出当轴压力N>0.9φfc时,所增加的轴力全部由钢筋来承担,很不经济,尤其是地下室柱更应注意对截面的控制。
根据以往经验,合理的柱截面应该其配筋为构造配筋(配筋率0.7%~1.0%),当柱计算配筋面积很大时应加大柱截面。
(2)剪重比:是指结构任一楼层的水平剪力与该层及以上各层总重力荷载代表值之比。
一般特指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比。
剪重比主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性,见《抗震规范》第5.2.5条。
剪重比在某种程度上反映了结构的刚柔程度,它应该在一个合理的范围内。
如果结构太刚,剪重比过大,则地震力增加,造成浪费;如果结构太柔,剪重比过小,层间位移比就不满足规范规定的变形要求。
剪重比的本质关系推导及其对长周期超高层建筑的影响

剪重比的本质关系推导及其对长周期超高层建筑的影响
剪重比 (Shear-to-Weight Ratio, SWR) 是指某结构的剪切承载力与自身重量的比值,是衡量结构抗剪承载能力的一个重要指标。
剪重比的本质关系是:SWR = V / (W / g)
其中,V 表示结构的剪切承载力,W 表示结构的重量,g 表示重力加速度。
剪重比越大,则结构的剪切承载力就越大,抗剪能力也就越强。
剪重比过小,则结构的剪切承载力就较小,抗剪能力也较弱。
剪重比对长周期超高层建筑的影响是很重要的。
由于长周期超高层建筑的高度较大,承受的风荷载也相对较大。
如果剪重比过小,则结构的抗剪能力较弱,在大风条件下容易受到剪切力的影响,导致结构的振动增大,甚至可能出现破坏。
因此,在设计长周期超高层建筑时,要注意控制剪重比,保证结构的抗剪能力。
YJK剪重比说明

第三节 剪重比一、规范规定《抗震规范》5.2.5条、《高规》4.3.12条明确规定了抗震验算时楼层剪重比不应小于规范给出的剪力系数λ,这是强制性条文。
关于剪重比的意义及调整规则,《抗震规范》5.2.5条文说明给出了具体解释:由于地震影响系数在长周期段下降较快,对于基本周期大于3.5s的结构,由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小。
而对于长周期结构,地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响,但是规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计。
出于结构安全的考虑,提出了对结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求,规定了不同烈度下的剪力系数,当不满足时,需改变结构布置或调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求。
例如,当结构底部的总地震剪力略小于本条规定而中、上部楼层均满足最小值时,可采用下列方法调整:若结构基本周期位于设计反应谱的加速度控制段时,则各楼层均需乘以同样大小的增大系数;若结构基本周期位于反应谱的位移控制段时,则各楼层i均需按底部的剪力系数的差值 λ0增加该层的地震剪力—— FEki = λ0GEi;若结构基本周期位于反应谱的速度控制段时,则增加值应大于 λ0GEi,顶部增加值可取动位移作用和加速度作用二者的平均值,中间各层的增加值可近似按线性分布。
需要注意:(1)当底部总剪力相差较多时,结构的选型和总体布置需重新调整,不能仅采用乘以增大系数方法处理;(2)只要底部总剪力不满足要求,则结构各楼层的剪力均需要调整,不能仅调整不满足的楼层;(3)满足最小地震剪力是结构后续抗震计算的前提,只有调整到符合最小剪力要求才能进行相应的地震倾覆力矩、构件内力、位移等等的计算分析;即意味着,当各层的地震剪力需要调整时,原先计算的倾覆力矩、内力和位移均需要相应调整;(4)采用时程分析法时,其计算的总剪力也需符合最小地震剪力的要求;(5)本条规定不考虑阻尼比的不同,是最低要求,各类结构,包括钢结构、隔震和消能减震结构均需一律遵守。
轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比详解

轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比详解轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比详解高层结构设计中经常要控制轴压比、剪重比、刚度比、周期比、位移比和刚重比“六种比值”,1、轴压比:主要为控制结构的延性,规范对墙肢和柱均有相应限值要求,见抗规6.3.7和6.4.6。
2、剪重比:主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性,见抗规5.2.5。
3、刚度比:主要为控制结构竖向规则性,以免竖向刚度突变,形成薄弱层,见抗规3.4.2。
4、位移比:主要为控制结构平面规则性,以免形成扭转,对结构产生不利影响。
见抗规3.4.2。
5、周期比:主要为控制结构扭转效应,减小扭转对结构产生的不利影响,要求见高规 4.3.5。
6、刚重比:主要为控制结构的稳定性,以免结构产生滑移和倾覆,要求见高规5.4.1。
1.一个建筑物结构设计部分,一般来说,包含两个过程:1)结构分析;2)结构设计方案选定后要结构分析,结构分析就是看方案的布置是否合理,包括水平布置和竖向布置;具体的说就是八个比值:轴压比,周期比,位移比,剪重比,刚重比,层间受剪承载力比,侧向刚度比,层间位移角。
2.下面来说说这个比值是用来控制结构哪个方面的。
轴压比: 保证结构的延性;周期比和位移比:判断和控制结构的扭转效应;剪重比:是用来确保长周期结构的安全。
刚重比:控制P-Δ效应作用下的稳定性。
当刚重比比较大时,是可以不用考虑其P-Δ效应的,当刚重比比较小时,就要考虑其P-Δ效应。
规范采用的是对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑。
但是刚重比不能过小,是有一个限值的。
层间受剪承载力比:限制结构的竖向布置规则性,可以用来判断薄弱层。
注:层间受剪承载力是指是指在所考虑的水平地震作用方向上,该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。
也就是说,当混凝土的等级,构件截面以及配筋定下之后,由《高规》6.2.8以及7.2.11的公式就确定了层间受剪承载力。
轴压比,剪重比的定义和介绍(精)

1.什么是轴压比轴压比:主要为控制结构的延性,规范对墙肢和柱均有相应限值要求,见抗规6.3.7和6.4.6。
u=N/A*fc,u—轴压比,对非抗震地区,u=0.9N—柱轴力设计值A—柱截面面积fc—砼抗压强度设计值2.什么是周期比?剪重比?位移比?楼层最小剪力系数?新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充,特别是对抗震及结构的整体性,规则性作出了更高的要求,使结构设计不可能一次完成。
如何正确运用设计软件进行结构设计计算,以满足新规范的要求,是每个设计人员都非常关心的问题。
以SATWE软件为例,进行结构设计计算步骤的讨论,对一个典型工程而言,使用结构软件进行结构计算分四步较为科学。
1.完成整体参数的正确设定计算开始以前,设计人员首先要根据新规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述,以及工程的实际情况,对软件初始参数和特殊构件进行正确设置。
但有几个参数是关系到整体计算结果的,必须首先确定其合理取值,才能保证后续计算结果的正确性。
这些参数包括振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期等,在计算前很难估计,需要经过试算才能得到。
(1)振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量。
该值取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量,使计算结果失真;取值太大,不仅浪费时间,还可能使计算结果发生畸变。
《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13-2条规定,抗震计算时,宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应,振型数不宜小于15,对多塔结构的振型数不应小于塔楼的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。
一般而言,振型数的多少于结构层数及结构自由度有关,当结构层数较多或结构层刚度突变较大时,振型数应当取得多些,如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。
振型组合数是否取值合理,可以看软件计算书中的x,y向的有效质量系数是否大于0.9。
具体操作是,首先根据工程实际情况及设计经验预设一个振型数计算后考察有效质量系数是否大于0.9,若小于0.9,可逐步加大振型个数,直到x,y两个方向的有效质量系数都大于0.9为止。
高层建筑结构抗震设计中的剪重比探析

高层建筑结构抗震设计中的剪重比探析[摘要]剪重比是高层建筑结构抗震设计重要的参数,如何控制好结构的剪重比关系到整个结构布置的合理性及经济性。
[关键词]高层建筑结构;抗震设计;剪重比引言地震时由于地震波的作用产生地面运动,通过房屋基础影响上部结构,使结构产生振动称为结构的地震反应。
结构的地震反应与地震作用!地面运动特性及建筑本身的动力特性有关。
建筑本身的动力特性是指建筑物的自振周期、振型与阻尼,它们与建筑物的质量和结构的刚度有关。
通常质量大!刚度大!周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大;刚度不、周期长的建筑物位移较大。
特别是当地震波的卓越周期与建筑物自振周期相近时,会引起类共振,结构的地震反应加剧。
因此,建筑设计应根据抗震概念设计的要求,重视其平面、立面、竖向剖面的规则性对抗震性能及其经济合理性的影响。
现行规范为确定整体结构的合理性提出了几个主要控制指标:结构的周期、位移、位移比;结构的各层刚度比;竖向构件的轴压比;刚重比;剪重比等。
结构的周期、位移、位移比是控制结构因平面不规则造成扭转效应的重要指标。
结构的各层刚度比、竖向构件的轴压比是控制结构竖向不规则及结构延性的指标。
刚重比是控制结构整体稳定性的重要指标。
剪重比则是控制结构安全性的指标。
1、剪重比概述剪重比是抗震设计特别重要的参数,抗震规范GBS0011-2010中规定,抗震验算时,结构任一楼层的水平地震剪力应符合公式的要求,规范之所以如此规定,是因为结构在长周期作用下,地震影响系数下降较快,山地震规范中的地震影响系数曲线可见。
但对于长周期结构,地震动态作用下的地面加速度和位移对结构具有更大的破坏,所以对此长周期结构,按此地震影响系数计算出来的结构将处于不安个状态,所以规范对此进行了最不水平地震剪力的要求。
对于常规的框架结构,结构周期可以按如下经验公式进行周期估算,即:T=(0.07--0.09)N,N为结构楼层数若对于一个普通规则的框架结构,假设位于场地类别为一类,设计地震分组为第一组的场地,由地震规范中可查特征周期T =0.4s若本框架结构为s层,则T=0.08 X 5=0.4s=T。
设计中结构设计需要控制的11个比值

设计中结构设计需要控制的11个比值1、轴压比:定义:轴压比指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值;可不进行地震作用计算的结构,取无地震作用组合的轴力设计值【抗规第6.3.6】;轴压比指柱考虑地震组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值【高规第6.4.2条】墙肢轴压比指墙的轴压力设计值与墙的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值【抗规第6.4.2条】。
不计入地震作用组合(条文说明)目的:主要为控制结构的延性。
注意:应按规范要求对结构地震作用进行调整:特殊结构地震作用下内力调整、0.2Q0调整、墙柱弱梁、强剪弱弯调整等等(程序可自动完成),短柱的调整。
2、剪重比定义:结构任一楼层的水平地震剪力与该层及其以上各层总重力荷载代表值的比值;抗规:5.2.5 抗震验算时,结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求:高规:4.3.12条多遇地震水平地震作用计算时,结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求:内涵:是反应地震作用大小的重要指标,主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性,在某种程度上反映了结构的刚柔程度,剪重比应在一个比较合理的范围内。
剪重比太小,说明结构刚度偏柔;剪重比太大,说明整体结构偏刚,会引起很大的地震力,不经济。
抗规表5.2.5给出了楼层最小地震剪力的要求,当不满足时,应优化设计方案、改进结构布置或调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力,使之满足要求。
地下室由于受回填土的约束作用,可以不考虑剪重比调整。
3、刚度比定义:结构楼层与其相邻上层的侧向刚度的比值。
目的:主要为控制结构竖向的规则性,以免竖向刚度突变,形成薄弱层,分类:PKPM系列软件提供了三种刚度比的计算方式:分别是剪切刚度,剪弯刚度和地震作用与相应的层间位移比。
剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定;剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构;地震作用与层间位移比,通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比,也是软件的缺省方式。
多层框架结构设计的主要控制参数分析

多层框架结构设计的主要控制参数分析【摘要】目前,我国多层框架结构设计的重点在于相关控制参数的分析和计算结果的判断。
深入理解多层框架结构整体控制各参数的实质含义,有助于提高结构整体控制的效率,也有助于使结构设计更加经济合理。
【关键词】多层框架结构;设计;控制参数多层框架结构设计的主要控制参数分析如下:1.剪重比剪重比是指水平地震作用标准值的楼层剪力与重力荷载代表值的比值。
主要为了控制各楼层最小地震水平剪力,用以确保较长周期结构的安全。
规定剪重比主要是为了多层框架结构楼层在长期作用下,地震影响系数下降较快,尤其对于基本周期大于3. 5s 的结构,以及存在薄弱层的结构,由此计算得出的水平地震作用下的结构效应可能太小。
而对于长周期结构,地震动态作用中的地面运动速度和位移则可能具有对结构的破坏影响力但是规范采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估量。
因此,基于安全考虑,规范规定了各楼层水平地震力的最小值和不同烈度下的剪力系数,见高规10版高规4.3.12。
要求结构承担足够的地震作用,设计时不能小于规范的要求。
剪重比是反映地震作用大小的重要指标,它可以由“有效质量系数”来控制,当“有效质量系数”大于90%时,可以认为地震作用满足规定要求。
此时,再考察结构的剪重比是否合适,如不合适则需要修改结构布置、增加结构刚度,使计算的剪重比能达到自然满足规范要求。
有效质量系数与振型个数有关,如果有效质量系数不满足90%,则需要通过增加振型数来满足。
剪重比即要求各楼层都要承担足够的地震作用,设计时不能小于规范的要求,并且明确指出,剪重比是一个调整系数,即这不是一个指标,计算结果出来后,若剪重比大于规定的最小值,计算结果不作调整,若小于,应将地震剪力调大,使剪重比达到规定的最小值。
2.轴压比轴压比是指考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值N/(fcA);对于剪力墙,轴压比是指重力荷载代表值作用下墙肢的轴向压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。
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第五章 剪重比 2014.7.17
一、定义:
剪重比即最小地震剪力系数λ。
(查表)
二、计算公式:
V eki :第i 层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力; G j :第j 层重力荷载代表值。
三、控制目的:
主要为限制各楼层的最小水平地震剪力,确保周期较长结构的安全,尤其是对于基本周期大于3.5S 的结构,以及存在薄弱层的结构,出于对结构安全的考虑,规范增加了对剪重比的要求。
四、规范要求:
①《抗规》5.2.5条规定:
抗震验算时,结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求:∑>=n
i j G V j eki λ,(其余同高规4.3.12)
我说的:λ查表5.2.5,对于竖向不规则结构的薄弱层的水平地震剪力应增大1.15倍,即楼层最小剪力系数λ应乘以1.15倍。
②《高规》4.3.12条规定
:
我说的:这个要求如同最小配筋率的要求,算出来的水平地震剪力如果达不到规范的最低要求,就要人为提高,并按这个最低要求完成后续的计算。
五、SATWE 中怎么看:
WZQ 文件→周期、地震力与振型输出文件→
各层 X 方向的作用力(CQC)
Floor : 层号
Tower : 塔号
Fx : X 向地震作用下结构的地震反应力
Vx : X 向地震作用下结构的楼层剪力
∑==n i j G V j eki
λ
Mx : X 向地震作用下结构的弯矩
Static Fx: 静力法 X 向的地震力
------------------------------------------------------------------------------------------
Floor Tower Fx Vx (分塔剪重比) (整层剪重比) Mx Static Fx
(kN) (kN) (kN-m) (kN)
(注意:下面分塔输出的剪重比不适合于上连多塔结构)
……
3 1 667.5
4 1811.39( 1.53%) ( 1.53%) 36475.79 191.92
2 1 504.56 2093.45( 1.42%) ( 1.42%) 42587.5
3 137.11
1 1 251.76 2261.43( 1.27%) ( 1.27%) 49811.77 72.27
抗震规范(5.2.5)条要求的X向楼层最小剪重比 = 0.80%
X 方向的有效质量系数: 99.66%
……还有Y向,此处省略
六、超了怎么办:
1.对于一般高层建筑而言,结构剪重比底层为最小,顶层最大,故实际工程中,结构剪重比由底层控制,由下
到上,哪层的地震剪力不够,就放大哪层的设计地震内力.
2.结构各层剪重比及各楼层地震剪力调整系数自动计算取值,结果详SATWE周期、地震力与振型输出
文件WZQ.OUT)
3.各层地震内力自动放大与否在调整信息栏设开关;如果用户考虑自动放大,SATWE将在WZQ.OUT
中输出程序内部采用的放大系数.
4.六度区剪重比可在0.7%~1%取。
若剪重比过小,均为构造配筋,说明底部剪力过小,要对构件截面
大小、周期折减等进行检查;若剪重比过大,说明底部剪力很大,也应检查结构模型,参数设置是否正确或结构布置是否太刚。
剪重比不满足时的调整方法:
1、程序调整:在SA TWE 的“调整信息”中勾选“按抗震规范5.2.5 调整各楼层地震内力”后,SATWE
按抗规5.2.5 自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和,用以调整该楼层地震剪力,以满足剪重比要求。
2、人工调整:如果还需人工干预,可按下列三种情况进行调整:
1)当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时,说明结构过柔,宜适当加大墙、柱截面,提高刚度。
2)当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时,说明结构过刚,宜适当减小墙、柱截面,降低刚度以取得合适的经济技术指标。
3)当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时,可在SA TWE 的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1 的系数增大地震作用,
以满足剪重比要求。