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结构设计中周期比的本质是什么?不满足规范限值怎么办?

  • 结构文章
  • 来源:行走的苏格拉底
  • 24年8月22日
  • 编辑
我爱吃土豆力学分析达人


在建筑结构设计中,周期比是一个非常重要的概念。它不仅反映了建筑物在地震、风等动力荷载作用下的响应特性,还直接关系到结构的安全性和舒适性。

那么,什么是周期比?它的本质是什么?不满足规范限值时又该如何处理呢?
一、周期比的定义及其本质:
1. 周期的定义:
周期,通常指的是结构物在自由振动状态下完成一个完整振动所需的时间。对于建筑结构,特别是高层建筑,周期主要与建筑的高度、质量分布和刚度等因素有关。
2. 周期比的定义:
周期比一般指不同方向上的结构周期之比,主要包括两个方面:
a)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:反映了结构抗扭刚度与平动刚度的强弱关系。
b)结构X与Y两个平动方向的周期比:反映了结构在不同平面方向上刚度的不均匀性。
3.周期比的本质:
周期比的本质在于结构的动力特性。它反映了结构在不同方向、不同振动形式下的响应差异。
我们可以从单自由度振动系统的自振周期计算公式入手理解,结构设计中周期比的本质是什么?不满足规范限值怎么办?,其中T为结构自振周期,m为结构质量,k为结构刚度。    

所以,由以上公式可以看出:结构周期比本质上是刚度比。

二、规范限值要求及意义:

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.4.5条:A级高度高层建筑周期比不应大于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。

结构设计规范中并没有对X、Y两个平动方向的周期比作出明确要求,但是,《建筑抗震设计规范》(2016年版) GB 50011-2010第3.5.3-3条结构体系宜符合要求“结构在两个主轴方向的动力特性宜相近”。即要求结构在两个主轴方向的刚度宜相近,也就要求结构在两个平动方向的周期相近——周期比宜为1.0。
建筑结构设计中对周期比的限值,是为了确保结构在地震作用下具有足够的安全性和舒适性。具体来说是为了提高结构的抗震性能:通过限制扭转与平动周期比,可减少扭转效应,避免结构扭转刚度过低。通过限制平动周期比,可确保结构在不同方向的刚度分布相对均匀;
结构设计中周期比的本质是什么?不满足规范限值怎么办?
三、应对措施:
当结构的周期比不满足规范限值时,需要采取相应措施进行调整和优化。以下是一些常见的方法:
1. 当两方向平动周期相差较大时(平动周期比不是接近1.0):
说明两个方向侧向刚度差异较大,应将较大周期方向的侧向刚度加大,或将较小周期方向的侧向刚度适当减小。

可通过调整剪力墙、支撑或框架等结构构件的布置,来协调结构在各个方向上的刚度分布。例如,可以在柔弱方向(周期较大)增加剪力墙或支撑,以提高该方向的刚度。

注:上述的平动周期是指各振型中两个方向上最大的周期。正常的计算分析数据应该是前两个周期即为该结构两个方向的主平动周期。
2.扭转周期与第一平动周期之比(Tt/T1)超过规范限值0.9(0.85):

由前述可知,周期比的本质是刚度比。需要说明的是,Tt/T1超过规范限值时,不能简单的认为结构抗扭刚度过低,其侧重控制的是抗扭刚度与抗侧刚度间的相对关系,而不是绝对大小。

“加强周边、减小中间!”便是调整Tt/T1满足规范限值的不二法门。

调整之前可以结合结构“位移角”大小初步判断如何调整。如果结构位移角数值较规范限值小很多,说明结构平动刚度足够大,可以考虑适当减小结构中部构件的刚度。如果结构位移角数值与规范限值相近,说明结构平动刚度较正常,抗扭刚度偏弱,可以加强结构周边构件的布置,增大抗扭刚度。

如,某住宅剪力墙结构,经计算其最大位移角为1/3500,Tt/T1=0.94。此案例中结构位移角计算值较规范限值1/1000小很多,但周期比Tt/T1不满足规范限值不大于0.9的要求,说明结构整体刚度偏大较多,抗扭刚度应该是足够的,可以首先考虑将结构中部刚度或第一平动周期方向的刚度适当减小。

在设计初期,尽量使建筑平面布局对称,避免不规则形状或局部突出部分,减少结构在不同方向上的刚度差异。
讨论:

1)结构设计规范中为何没有规定结构两个平动方向的周期比限值?

2)结构计算的第二周期可以为扭转周期吗?

3)规范有规定扭转周期与第一平动周期之比(Tt/T1)限值要求,那么,结构设计中要不要控制扭转周期与第二平动周期之比(Tt/T2)呢?

5)周期比Tt/T1是在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中规定的,是不是可以理解为“只有高层建筑结构才有周期比Tt/T1的限值要求,多层建筑结构不必考虑?”
个人理解:

对于前两个问题可以认为是同一个问题,文中已经给了答案,就是《建筑抗震设计规范》(2016年版) GB 50011-2010第3.5.3-3条结构体系宜符合要求“结构在两个主轴方向的动力特性宜相近”,这就要求结构在两个方向的周期宜相近(平动周期比宜为1.0),自然的前两个周期均为平动周期了。

第3个问题,在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第3.4.5条条文说明中有解释“…Tt/T2本条未规定限值,主要是考虑对抗扭刚度的控制不致过于严格。有的工程如两个方向的第一振型周期与Tt的比值均能满足限值要求,其抗扭刚度更为理想。”

第5个问题,很多人认为周期比Tt/T1是《高规》规定的,多层结构设计中不必执行,并且对于多层结构,即便是抗扭刚度弱,对结构的安全没有太大影响,只要其余结构指标(如位移比、位移角等)满足规范要求即可。但是,《抗规》3.4.1条文说明中关于结构不规则程度判断“具有表1所列的一项不规则,即可判断结构为严重不规则”。表1序2中“抗扭刚度弱——扭转周期比大于0.9,混合结构扭转周期比大于0.85”。因此,对于多层建筑结构也是应该执行《高规》中关于周期比Tt/T1的限值要求的。

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  1. 我爱吃土豆
    我爱吃土豆AM力学分析达人 永久会员飞升lv7
    24年8月23日

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