浙江省工业设计研究院 浙江省 310051
摘要：剪重比，《建筑抗震设计规范》（以下简称规范）中称之为剪力系数，为对应于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。主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全，影响剪重比限值的因素中考虑了地震烈度和结构自振周期，没有考虑场地类别的因素。
关键词：剪重比；结构刚度；自振周期；场地类别
一、前言
剪重比是建筑抗震设计中及其重要的一个参数。规范规定剪重比计算，主要是基于结构在长周期作用下，地震影响系数曲线较陡，下降快，对于基本周期大于3.5s的较柔结构，由此计算得出的水平地震作用下的结构效应有可能太小。尤其对于周期较长结构，地震动态作用下的地面运动速度可能对结构有更大的破坏作用，而振型分解反应谱法尚无法对此作出较准确的计算。出于安全考虑，规范规定了各楼层水平地震剪力的最小值，该值如不满足要求，说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，需进行调整。
二、剪重比的调整
“剪重比”是结构整体控制设计的一项重要参数指标，当其不能满足规范的相关要求，就应该进行必要的调整。对于需调整楼层层数较少（不超过楼层总数的15%），且“剪重比”与规范限值相差不大（不小于规范下限值的85％）的情况下，我们可以通过选择“地震力放大系数”等SATWE或者YJK的相关参数来进行调整；对于需调整楼层层数较多（超过楼层总数的15%），或与规范限值相差较大的情况（小于规范下限值的85％），就只能通过提高结构的刚度的办法。但是在对结构刚度进行调整的时候，会出现这样一种情况，当我们加大了结构下部“剪重比”不满足规范要求楼层的侧移刚度，但这些楼层的“剪重比”变化的值非常小，有时反而略有减小。问题出在哪里呢？
我们通过查阅规范：“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”。这不是简单的结构局部刚度不足的问题，而是规范针对上述情况对“振型分解反应谱法”的修正，即规定了水平地震作用的最小值。因此，只加大结构下部“剪重比”不满足规范要求楼层的侧移刚度，是把结构整体刚度偏柔的问题，当成了局部刚度或承载能力不足的问题，以偏盖全，以至于收效不大。
下面再看看结构基本自振周期与水平地震作用的关系：抗震结构中起主要作用的三个基本振型（靠近两个主轴的方向和扭转方向，其中两个平动为主振型的基底剪力分别沿两个主轴方向为最大值），其自振周期T（基本周期）一般都大于设计特征周期Tg。根据规范5.1.5条的“地震影响系数曲线”，此时的地震影响系数与结构基本周期成负相关关系。即结构的基本周期越大，水平地震作用效应就越小。而结构的刚度和结构的自振周期与成反比关系。这说明采用结构调整的方法加大“剪重比”，必须增大结构的刚度，以减小结构的基本周期，这个思路是正确的。那为什么我们加大了结构下部几层“剪重比”不满足规范要求楼层的侧移刚度，但这些楼层的“剪重比”没有多大的变化，有时却反而而略有减小呢？
通过对具体工程实践的分析，不难发现，当仅增大结构下部少数楼层的侧移刚度（剪力墙加长、加厚或者增加剪力墙）时，结构的基本周期变化小，水平地震作用增幅有限。同时，因为结构刚度的增大，结构质量必然增加，致使结构的“剪重比”变化不大。特别是在受到建筑空间布置的限制，仅能加厚剪力墙的墙厚时，结构质量增加的百分比可能大于水平地震作用的增大的百分比，反而可能导致“剪重比”的减小。但是，当我们改变刚度增加方式，沿结构自下而上的大多数楼层（包括“剪重比”满足规范要求的楼层）直致结构全高增大结构的侧移刚度时，结构基本周期的减小显著，结构水平地震作用的增大的百分比大于结构质量的增大百分比，结构的“剪重比”也随之增大。由此，我们就找到了解决问题的思路。
因此得出结论：结构的整体刚度与结构“剪重比”的大小密切相关。当需要通过增加刚度的方法来增大结构的“剪重比”时，仅对剪重比不满足规范限值要求的楼层增加刚度来满足剪重比要求收效甚微，需自上而下对全楼的大多数甚至所有楼层增加刚度，从而减小周期，使剪重比接近或者满足规范规范限值，为最终采用“地震力放大系数”等SATWE或者YJK等结构软件的相关参数来调整结构的“剪重比”创造条件。
三、影响剪重比限值因素
结合笔者最近做的一个工程谈谈影响剪重比限值的因素，本工程的是高层住宅项目，其中一个住宅户型A的标准层平面图如下：
项目概况如下：
项目坐落位置：杭州市余杭区；地震烈度：6度（0.05g）；设计地震分组：第一组；结构类型：全剪力墙结构；层数：地下2层，地上33层；建筑高度：98米；结构抗震等级：三级；
该项目占地面积较大，下面的土层分布在场地的两端有较大差异，根据地堪报告，场地在中间划分成两块，一块是Ⅲ类场地，一块是Ⅳ类场地，这两块场地上均有户型A的33层的高层住宅分布。
户型A在Ⅳ类场地上的各主要参数调整完毕后，笔者将此模型的场地类别参数由Ⅳ类调整为Ⅲ类，继续调整该模型在Ⅲ类场地上的主要参数，在别的参数都满足规范要求的情况下，发现剪重比这个参数在两个场地类别上有着很大的差异，下面取底部六层的剪重比数据编辑成表格A，如下：
一层和二层为地下结构，无需控制剪重比，但从三层开始（地上一层），同样的结构布置在Ⅳ类场地上剪重比均可满足规范要求，在Ⅲ类场地上剪重比则均不满足规范要求，但与规范下限值相差较小，可通过所有楼层乘以增大系数的方式来调整，但由此，笔者产生一个疑问，同样的结构布置在Ⅳ类场地场地上剪重比可满足要求，在Ⅲ类场地上却不能满足规范要求，这个是什么原因，为此找出了规范5.1.5条关于剪重比的条文，查阅相关条文的计算公式，原来原因在于Ⅲ类场地和Ⅳ类场地的Tg值相差较多，Ⅲ类场地的Tg值0.45s，Ⅳ类场地的Tg值为0.65s，根据规范5.1.5条水平地震影响系数α的计算公式，在结构Tg≤自振周期≤6s的阶段，α的值随着Tg的减小而减小，在Tg≤自振周期≤5Tg的阶段，斜率较陡，对于Tg的变化比较敏感，在5Tg≤自振周期≤6s的阶段，斜率较平缓，对于Tg的变化不如Tg~5Tg阶段敏感，但是总的趋势是随着Tg的减小而减小，而在同一地震分组下，场地类别从Ⅳ类~Ⅰ0类时Tg是依次减小的，所以在Ⅳ类场地上可以满足规范剪重比要求的结构布置如果到Ⅲ、Ⅱ类场地上就需要通过乘以增大系数来满足规范的剪重比要求，到Ⅰ1类和Ⅰ0类的场地甚至需要调整结构布置来满足规范的剪重比要求。
因此笔者认为此中有不合理之处，规范5.2.5在编制剪重比限值的的时候只考虑了地震烈度和自振周期的因素，没有考虑场地类别的因素，导致一样的结构布置在不同的场地类别会产生迥然不同的计算结果，使得在Ⅳ类场地上满足要求的结构布置到Ⅰ1类和Ⅰ0类场地要通过调整结构布置来满足规范要求，针对这个问题，笔者还专门请教了朱炳寅老师，他也认为在规范中剪重比的要求也要考虑场地类别的因素，把剪重比的要求根据场地类别更细化，使得规范规定更为合理。
结束语
以上是笔者在工作中根据实际的工程实践对于剪重比这个参数的一点粗浅理解，希望起到抛砖引玉的效果，引发结构工程师在工作中重视对规范的理解，并能更好的应用到实际的工程中。
参考文献：
[1]黄世敏等．建筑抗震设计规范 ．GB50011-2010
论文作者:叶忠伟
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/12
标签：结构论文; 刚度论文; 周期论文; 楼层论文; 场地论文; 剪力论文; 系数论文; 《基层建设》2016年4期论文;