多层框架结构周期比调整的方法研究

聂懿

摘 要：本文结合具体工程实例的计算过程，提出了多层框架结构周期比控制的有效方法，即加大外部柱（及外围四周框架柱）的刚度，弱化或减小中间某些竖向构件的刚度，加大外围边梁的截面高度。

关键词：多层框架结构;周期比;高层建筑

中图分类号：TU323.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0105-03

Study on the Method of Periodic Ratio Adjustment

of Multilayer Frame Structure

——Take the Office Building of a Fishing Port in Guangdong Province as an Example

NIE Yi

（Institute of Fishery Engineering， Chinese Academy of Fishery Sciences，Beijing 100125）

Abstract： In this paper， combined with the calculation process of concrete engineering examples， the effective method of period ratio control of multi-storey frame structure was put forward， which was to increase the rigidity of outer column （and frame column around periphery）， weaken or reduce the rigidity of some vertical members in the middle， and increase the section height of peripheral side beam.

Keywords： multi-layer frame structure;period ratio;high rise building

多层科研楼、办公楼常用的结构体系为框架结构。在结构设计过程中，为了防止建筑发生扭转破坏，多参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）中对高层建筑的周期比控制条文，但是对于多层框架结构，规范没有明文规定，需要对周期比做特殊规定（不应大于0.9）。但实际上，很多地方审图机构也参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）中的相关规定，对多层框架结构的周期比要求控制在小于0.9的范围内。

1 周期比定义

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.4.5条中规定：“结构平面布置应减少扭转的影响。……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，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。”[1]该条主要是限制结构的抗扭刚度不能太弱，以免产生较大的扭转效应导致结构体系的严重破坏。

2 建筑主自振周期的辨别

周期比调整的实质是要保证结构抗扭刚度适宜，不可偏低，关键是限制结构以扭转为主的第一阶自振周期（[Tt]）与以平动为主的第一阶自振周期（[T1]）的比值。当两者接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应明显增大。抗震设计中应采取措施减小周期比[TtT1]值，使结构具有可靠的抗扭刚度[1]。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）3.4.5的条文解释[1]：“扭转耦联振动的主振型，可通过计算振型方向因子来判断。在两个平动和一个转动构成的3个方向因子中，当转动方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。”然而，对于平动为主的第一自振周期[T1]，相关解释没有给出明确的判定方法，目前大多数设计人员主要通过以下三种方法进行综合判别：第一，通过计算振型方向因子判别法;第二，查看结构整体空间振动简图判别法;第三，以振型下产生的基底剪力来间接判断主平动周期。进行综合判别的原因是用其中任何一种单一的方法来判定都是不准确的，甚至可能导致错误的判断。因为本文篇幅有限，在此就不赘述说明上述三种判别方法的具体细节。

3 工程实例

广东某渔港办公楼共3层，建筑最大高度13.266 m（坡屋面），总建筑面积为2 053.7 m2，室内外高差0.45 m，各层层高为3.6 m。该地区按抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1 g，场地类别为Ⅳ类，抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为三级[2]。建筑楼、屋面等效均布活荷载标准和工程场地自然条件见表1和表2。

该建筑纵向柱距为3.6、4.2、6.6 m，纵向主梁截面为300 mm×550 mm;横向柱距为3.6、4.2、5.7m，横向主梁截面为300 mm×500 mm;其余次梁截面为250 mm×450 mm、250 mm×400 mm、250 mm×300 mm，各层框架柱截面为450 mm×450 mm，各层板厚为120 mm。框架梁、板、柱砼为C40，基础为钢筋混凝土柱下十字条形基础。设计标高±0.000以下楼梯间、独立墙及卫生间周围墙体采用240 mm厚MU10烧结页岩砖以及M7.5水泥砂浆砌筑;设计标高±0.000以上墙体采用240 mm厚普通輕集料混凝土空心砌块以及DM7.5干拌砂浆砌筑;所有内墙体采用240 mm厚B04加气混凝土砌块，加气混凝土专用黏结剂DA-HR砌筑。

4 结构初步计算

结构的计算和建模都是使用中国建筑科学研究院研发的SATWE和PMCAD软件（V5.1版本）来实现的。其中，SATWE软件是一种空间有限元分析软件，是通过采用空间杆单元来模拟柱、梁及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，能比较好地模拟出结构的实际受力情况[3]。结构计算中考虑双向地震作用下的扭转耦联，计算振型系数为9个（本文只给出6个振型），周期折减系数为0.7，地震作用分析时采用总刚分析法。初步计算以框架柱截面为450 mm×450 mm，计算结果表3、表4和图1所示。

计算结果分析：经软件计算后，该办公楼周期比为0.903 7，不满足相关规范要求，说明结构的抗扭刚度偏弱，在地震作用下会产生较大的扭转效应，导致结构破坏，需要采取措施加强结构的抗扭刚度。

5 结构调整后计算

因该建筑结构为框架结构，框架柱为主要抗侧力构件。加强结构的抗扭刚度，即是加强框架柱的刚度，即增大柱的截面。将框架柱的尺寸增加50 mm，柱截面增至500 mm×500 mm，然后进行计算，计算结果如表5、表6和图2所示。

计算结果分析：从图表结果来看，框架柱截面增大后，结构的周期有所降低，但周期比变化不大，仍不能满足规范要求。如果再继续加大框架柱截面，结果还是实质改变。可见，同时增加柱截面的方法不能根本上解决上述问题。在满足柱承载力的情况下，加大柱截面，浪费了砼，加大了柱配筋率，造价浪费。如果把框架结构考虑成一个由柱组成的筒体，把外部柱加强，而内部柱只满足承载力验算即可，并在建筑专业允许的情况下，加大外围边梁的截面高度。这样也可以加大结构的抗扭刚度[4]。

在初步计算的基础上增大外围四周框架柱及外围梁的截面，而中间框架柱、梁的截面不变。然后进行计算，计算结果如表7、表8和图3所示。

计算结果分析：从图表结果来看，增大外围四周框架柱及外围梁的截面，而中间框架柱、梁的截面不变，可以增大平动周期，减小扭转周期，可以使周期比满足规范要求。

6 结论

多层框架结构中控制结构周期比的有效方法是：加大外部柱及外围四周框架柱的截面，弱化或减小中间柱的刚度，加大外围边梁的截面高度（建筑专业能允许的最大高度），以此来增大平动周期，减小扭转周期，使周期比满足（不应大于0.9）规范要求。

参考文献：

[1]蔡政杰.探讨如何控制高层结构的周期比[J].建材与装饰，2020（1）：95-96.

[2]王晓宇，郭英宇.浅析港口项目工程的施工管理问题[J].山东工业技术，2016（5）：113.

[3]王春泉.淺谈港口工程建设项目管理[J].中国高新技术企业，2014（2）：164-166.

[4]郭小康.高层框架结构周期比控制的有效方法[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2006（3）：312-315.