高层结构薄弱层的计算处理

摘 要：在建筑业蓬勃发展的今天，高层设计中楼层高度差异或局部错、跃层或设置转换层、或竖向构件的不连续等结构体系的运用越来越广泛，往往造成竖向刚度的突变，形成结构薄弱层。本文中，通过高层结构薄弱层模型计算的处理，了解结构薄弱层的定义，采取一定的结构设计模型计算处理措施，根据规范的要求经过合理的计算以保证结构薄弱层的承载和变形能力。

关键词：高层结构 薄弱层 计算模型

在高层建筑结构设计中，结构薄弱层的计算指标是考量建筑物承载能力重要的指标。尽可能的在设计中避免出现结构薄弱层，且在无可避免出现结构薄弱层时，尽可能通过有效的模型计算措施来避免结构薄弱层出现在应力集中部位，保证结构薄弱层的安全性、稳定性。

一、高层结构薄弱层的定义和规范要求

《高规》的3.5.2条规定：高层建筑，如：框架-剪力墙、板柱-剪力墙、剪力墙、框架-核心筒、筒中筒结构，楼层与其相邻上层的侧向刚度比按式3.5.2-2计算，且本层与相邻上层的比值不宜小于0.9；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1，对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5。

《高规》的3.5.3条规定：A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。

《高规》的3.5.4条规定：抗震设计时，结构的竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

《高规》的3.5.4条规定：侧向刚度变化、承载力变化、竖向抗侧力构件连续性不符合高规第3.5.2～4条要求的楼层，其对应于地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数。

二、高层结构薄弱层计算的处理

在高层结构薄弱层的计算之前，要对设计结构进行合理的模型建立，根据模型的计算数据来指导后续的结构安全设计。其中模型建立的依据有以下三点：

1.薄弱层安全模型计算通过结构的刚度参数来完成；

2.薄弱层安全模型计算通过结构体的承载能力来完成；

3.薄弱层安全模型计算通过结构物之间的塑性变形位移（可以考虑欧拉公式计算）来实现。

首先是刚度的相关参数的比对，按上述规范要求进行正确的结构薄弱层的判定。根据《抗震规范》和《高规》的相关规定，设计出合理的刚度指标，其中对于如地下防空结构的镶嵌式结构的稳定和结构的转换层之间的刚度要求是否满足承载力的要求，要进行图形的还原形成具体的计算模型，同时根据高层建筑物的模型的抗压、弯变形的刚度指数Ki = Gi *Ai / hi来判断结构薄弱层的稳定性；此外还可以根据结构物在抗剪、弯变形的刚度指数Ki = Vi+1Δi *hi / （Vi+1Δi *hi+1）来判断结构薄弱层的稳定性。在满足以上两条指标的同时，调整高层建筑规范中对于地震影响产生的多向抗剪、抗弯和抗压效应所产生的的位移变化，根据位移Ki = Vi / Δi 的变化来计算出相应的刚度数值，最终计算出最为合理的薄弱层的计算结果。值得提到的是，在调整结构的刚度计算数据的同时，还能够在结构的薄弱层处调整结构的刚度，或者是调整结构物内部材料的布置情况，加强结构材料强度及承载能力，更好的使得薄弱层稳定性加强。

其次是在薄弱层技术模型建立的过程中依据结构体系的承载能力来完成。在规定中，薄弱层的计算模型中要根据地震效应来选取技术安全数值，在地震安全值的基础值之上乘以1.25，形成新的安全数值。尤其是一些因压应力的作用下产生的变形状况的发生，如果在模型的建立中出现这样的位移情况发生，要在楼板刚度计算中，增加弹性楼板和增加板厚的方式来实现位移归零的工作。再在计算的基础上，形成具体的结构薄弱层的模型，最终在承载力的计算中得出相应的薄弱模型计算值。然后检查出原先找到的薄弱层，进行再确认，并根据相关指数继续计算。必须指出的是，调整结构各楼层地震剪力系数后，会出现薄弱层承载力超标的情况，只能根据调整钢筋的配筋率来进行解决，如将配筋率的系数相应的提高。

最后一点是通过结构物之间的塑性变形位移来实现。结构弹塑性变形验算，指罕遇地震下结构层间位移不超过弹塑性层间位移角，属变形能力极限状态验算。规范中规定罕遇地震影响系数最大值的取值，7度αmax为0.50或0.72；8度αmax为0.9或1.2；9度αmax 为 1.4。常用的计算和复核方法：弹性动力时程分析方法、弹塑性静（动）力时程分析。

罕遇地震作用下的薄弱层动力弹塑性时程分析采用《中国建筑科学研究院编制的多层及高层结构弹塑性动力分析软件EPDA》。该程序所提供的动力时程分析是一个全三维的有限元分析，而且能够考虑计算结构在整个地震作用过程中每一时刻的内力和变形状态值。

在高层结构弹塑性动力时程分析中，地震波的选择对分析结果影响的程度也比较大，不同地震波带来不同的结构响应。分析过程中，按地震波选波三要素（频谱特性、有效峰值和持续时间），选取场地上两组天然波及一组人工合成波RH2TG045进行分析。

薄弱层动力弹塑性分析结果：

（1）薄弱层结构在完成20秒动力弹塑性分析后，最大顶点位移、最大层间位移角，在考虑P-Δ效应影响的情况下，结构最终仍保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。

（2）最大楼层位移曲线包络线，各最大楼层位移由下而上均勾增长，应未出现明显的局部突变；在结构薄弱层（层高较大）、加强层、结构立面收进部位）层间位移角及有害位移角相对上层略有突变，与弹性计算结果中相关层刚度变化吻合，即与之前常遇地震的反应一致，在设计中，需加强对该部分楼层的构造措施。

对于薄弱层结构的自振频率、振型、阻尼等动力特性以及结构的极限承载能力、变形能力和延性等都取决于材料的性质和结构的形式，很难用纯粹的理论分析法求解，因而需要借助动力试验方法来确定，这也可以进一步验证理论分析法的正确性和精度。任何建筑结构都必须要满足建筑承载设计规范的要求，对于目前大量出现的超高层、复杂建筑一般都是通过振动台模型试验来验证其在加压作用下是否满足建筑规范的承载要求。

四.结束语

本文中就高层结构的薄弱层方面进行研究，以结构的刚度参数、结构体系的承载能力、结构体系之间的塑性变形位移三个方面来讨论模型建立的依据，并对薄弱层的模型计算调整进行了分析和研究，以保证高层结构薄弱层在承载过程中的安全稳定。

参考文献

[1]沈蒲生.高层建筑结构设计（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011，3（6）：11-15.

[2]徐培福，傅学怡等.复杂高层建筑结构设计[M].中国建筑工业出版社，200，9（12）：1-4.

[3]杨克家，梁兴文，李波等.带加强层高层建筑中加强层刚度的合理取值[J].哈尔滨工业大学学报，2009， 10（12）： 193-196