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摘要：由于地震等自然灾害的影响，人们开始对高层建筑的抗震性能提出了担忧，为满足人们对高层建筑抗震性能的要求，剪力墙结构被广泛应用于高层建筑中。通过提高楼层设计剪力来满足最小地震剪力系数的方案与提高结构刚度的方案相比，其抗罕遇地震的性能基本相当，而抗地震倒塌能力更好，设计难度和建造成本会更低。
关键词：最小地震剪力系数；弹塑性分析；抗震设计
引言:
随着科学技术水平的不断提高，城市用地出现紧张，加上建筑功能越来越复杂，我国城市建筑逐渐由平面空间开始向纵向发展。目前在建筑结构抗震设计时，基本都是基于加速度反应谱确定地震作用。对于超高层建筑等长周期结构，基于规范加速度反应谱确定的底部剪力会很小。考虑结构安全，国内外的相关抗震规范中都提出了最小地震剪力系数（或最小基底剪力）的要求。我们需要根据实际情况，进行其刚度环节、抗风能力及其抗震性能的优化，促进其高层建设的总体环节的优化，满足社会经济的发展需要。
1.中美规范中最小地震剪力系数比较
1.1中国规范中最小地震剪力系数相关规定
因为我国对于地理学上的长周期地震动规律的研究还有许多不足之处，在建筑施工时为了保证工程的施工安全，《建筑抗震设计规范》规定：抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合有关公式。虽然我国规范中给出了一些调整楼层剪力的建议，但是在实际建筑超限审查中，一般通过调整结构刚度（周期）的手段，确保振型分解法计算得出的楼层剪力能够符合最小地震剪力系数的标准。现有的超高层建筑结构的周期一般都在6～10s之间，所以其抗震验算时利用振型分解法所计算出的地震剪力系数很难满足现行规范中最小地震剪力系数的要求。但是在实际施工过程中我们发现，其中超高层建筑的刚度往往不能够达到规范中的这一相关标准。如果想要完全符合规范中最小地震剪力系数的要求，一定要把结构周期降控制在6s以下，但是这样的结果会带来更大的成本投入而且也是很难实现。
1.2美国规范中最小基底剪力相关规定
规范的其他各版本中，关于结构总设计基底剪力的计算，基本沿用了ASCE7-05的计算方法，即按照式确定。该规范在条文说明中却明确表明：强制规定最小基底剪力的做法是不科学的性能化设计方法，伴随着各国专家的深入研究，这一规定也应该作出相应修改，或者是取消最小基底总剪力限值的规定。最小基底总剪力的规定是适用于所有建筑施工之中，不单单对高层或者超高层建筑进行约束的。
抗震验算时，用振型分解法计算的楼层剪力不得小于规范的限值。结构的总重量一般可调整性不大，只能通过增大计算得到的楼层地震剪力来实现。高层建筑的地震剪力系数一般会采用控制计算得到的结构底部剪力不小于规范限值的85%的方案来处理。
2.影响因素
最小地震剪力系数的表达式：
根据上述最小地震剪力系数实质表达式的推导，以及工程设计经验的总结，可以明确影响最小地震剪力系数的因素主要有外部参数和内部参数两类：外部参数主要是反应谱形状参数，包括地震影响系数、特征周期、衰减指数；内部参数主要有结构的自振周期、振型参与系数、质量参数系数等。而振型参与质量系数主要由结构的刚度和质量分布决定。从这些影响因素可知，当最小地震剪力系数不满足要求，想要提高时，调整的方向也将主要有两个方面，一是外部参数调整，二是结构自身的调整。
以某建筑工程为例，其设计反应谱和最小地震剪力系数如图所示。可见，当结构周期大于6．0s后，反应谱谱值明显小于最小地震剪力系数的限值，周期越长，相差越多。这也就意味着对于超过6s的超长周期段，即使是一个同等周期的单自由度结构，按底部剪力法计算得到的最小地震剪力系数也不能满足规范由于仅取了前面有的要求。而对于多自由度结构，限阶振型，用振型分解反应谱法计算的基底总剪力一般会小于同等周期和质量的单自由度结构的。要完全满足规范中最小地震剪力系数的规定，必须将结构周期降低到6s以下，这非常不经济而且也是很难实现。
3.最小地震剪力系数对超高层建筑结构抗震性能的影响
（1）最小地震剪力系数是否反映结构刚度大小和规则性
楼层地震剪力系数不是一个孤立的参数，它与结构质量和刚度分布、反应谱参数有关，与结构内力、位移及舒适性是否满足要求是相互协同和相互制约的，当限值要求不能满足时，应主要通过调整改善结构体系而不是放松限值要求。总的来看结构本身的缺陷可能引起“剪力系数”不满足，反之则并非绝对。对立观点证明了规则结构依然可能不满足限值要求，但给出的“临界周期”概念过于孤立，应以满足基本刚度要求的周期为前提。
（2）结构高度较大时最小剪力系数难于满足是“个例”还是“共性”问题
经过专业人士进行的试验证明：一批不同烈度、不同特征周期、不同风荷载特征的一批结构案例，说明在设计合理的情况下最小剪力系数都能满足规范要求，个别不能满足的工程是由于结构本身存在缺陷。大多数结构是否能够满足，与限值本身是否合理没有必然因果关系。
（3）最小地震剪力系数限值与场地特征周期相关性
目前规范给出的最小剪力限值要求仅和烈度有关，并根据结构基本周期做调整，和场地类别（特征周期）无关，这导致同一座建筑在场地较差的场地容易计算满足规范限值要求，而在条件较好的坚硬场地上反而不容易满足。这种现象主要是目前计算方法和反应谱特征决定，在不调整反应谱参数的情况下，最易于操作的方法是调整限值与场地相关，即按照不同场地条件给出不同的限值要求。
（4）不同调整方式设计结果安全性
在最小剪力系数不能满足规范要求时，调整方式主要分为“调刚度”和“调强度”，当楼层最小剪力系数不能够满足施工标准上的要求数值时，要把各个楼层的剪力乘于一个放大系数，但是这样的做法只是在表面上解决了结构构件承载力（强度）的问题，实际上并没有把结构体系合理性的问题进行彻底解决，当最小剪力系数不能达到规定标准是由于结构本身缺陷所致时，首先应该调整的是结构布置，这符合概念设计；当结构刚度合适，规则性满足要求，则调整承载力会使得结构具有更高的安全储备。
4.结语
最小剪力系数是规范中众多系数中的一个，属于从概念设计进行控制的范畴，该系数是对于当前技术缺陷的一种概念补充，目的在于保证结构的安全。由于地震影响系数在长周期段下降较快，通常情况下如果基本周期大于 3. 5s 的结构，在经过计算后所得的水平地震作用下的结构效应就会较小。为了保证结构的安全，规定了不同程度下的剪力系数，在建筑设计时不能达到剪力系数标准时，要进行结构的重新规划，直至满足需各楼层的水平地震剪力。未来的超高层建筑会越来越多，对于最小地震剪力的研究不容松懈，我们要继续努力。
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论文作者:邱知茂
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/18
标签：剪力论文; 系数论文; 结构论文; 最小论文; 周期论文; 刚度论文; 限值论文; 《基层建设》2017年2期论文;