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［摘要］对建筑抗震设计中的剪重比问题进行了讨论，探讨了场地类别对剪重比的影响，结论中指出规范对剪重比限值的规定中没有考虑到场地类别的影响是不妥的。对于不满足规范要求的高层建筑，当结构的计算基底剪力不满足规定的最小基底剪力时，可以加大地震作用力，而不应该调整结构的刚度来加大地震反应，同时也提出了通过直接调整长周期段加速度反应谱以完成剪重比控制的改进建议。
［关键词］高层建筑; 抗震设计; 剪重比; 限值
中图分类号：TU208文献标识码： A
0 引言
《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010)［1］(简称抗规) 及《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)［2］(简称高规)规定:水平地震剪力系数(本文称为剪重比)剪重比等于楼层地震作用(楼层地震剪力)与重力荷载代表值的比值，是抗震设计的重要控制指标之一，并且属于规范的强制性条文。其中抗规条文说明的5. 2. 5 条写到: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会对结构产生更大的破坏力，但是规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此做出估计。出于对结构安全的考虑， 规范［1， 2 ］提出了各楼层水平地震剪力对应剪重比最小值的要求， 即规定了不同抗震设防烈度下楼层剪重比的限值，当计算结构水平地震作用效应的剪重比小于规范规定的限值时，须对楼层设计用的地震剪力进行相应的调整。
诚然，规范以规定剪重比限值的方式来控制基底和楼层最小地震剪力的做法对保证结构的抗震安全性是有一定作用的，但在實际结构设计中，经常会遇到结构剪重比与规范限值相差较多的情况，这时通过调整结构形式或结构布置来提高剪重比，往往收效甚微，比较困难。 为解决此问题，有必要对结构剪重比的变化规律和控制方法进行研究。
1 剪重比的工程含义
首先从建筑结构的刚度的谈起，一个建筑物之所以必须具备足够的刚度，其实是出于以下几点的需求：1.免强震时非结构构件如砖砌隔墙，外表面幕墙等因结构过大的变形而破坏;2.避免在风荷载作用下建筑物产生低频振动令人感到不舒服;3.避免强震时结构过大的侧向变形加剧 P- Δ 效应，此时不利于结构的受力;4. 避免结构过大的变形影响竖向交通的正常运行。因此，在满足以上需求的情况下，结构可以适当降低刚度，节省材料，同时也有利于降低地震作用效应。
节选抗规的5. 2. 5 条和高规的4. 3. 12 条如下所示：水平地震作用计算时， 结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求:
式中:V Eki 为第 i 层对应于水平地震作用标准值的剪力;λ 为水平地震剪力系数(剪重比)， 不应小于抗规表5. 2. 5(高规表4. 3. 12)规定的楼层最小地震剪力系数值(剪重比限值)，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以 1. 15 的增大系数;G j 为第 j 层的重力荷载代表值;n 为结构计算总层数。
在实际工程中，假若由于使用比实际地震时小得多的地震作用来进行结构设计而安全度不高需要结构承担必要的、某一最低限度要求下的地震作用，这样规范如此强制规定就可以理解；与此相反，如果设计结果却要求增加结构的自身刚度来加大作用于其上的地震作用，那就未免本末倒置值得商榷了。下面举出现实存在的工程案例作为反证。假设，一栋高层建筑位于上海地区Ⅳ类场地，经过合理的设计，结构各项控制性指标都可以满足规范的要求甚至有一点的富裕度，即最小地震作用即剪重比也能够岗好满足规范要求；如果将这栋高层建筑置于风荷载一样、抗震设防烈度同样是7度的佛山地区， 尽管地勘报告发现场地的工程地质情况远好于上海地区，经调查为Ⅰ、Ⅱ类场地，但经过计算结构自身刚度却不能满足规范规定的最小地震作用要求。于是就有可能出现如何不合理的结论：地质条件较好导致结构地震反应较小、位于佛山地区Ⅰ、 Ⅱ类场地上的此高层建筑，尽管结构的除剪重比以外各项控制性指标均满足规范要求且比在上海地区时富余度更大，却要再加大梁、柱、核心筒等构件的截面尺寸来提高结构的刚度去满足加大结构的地震作用反应来满足此时规范规定的最小地震作用要求。
由此可见，超高层建筑结构底部楼层剪重比不满足规范限值要求在Ⅰ，Ⅱ类场地中是经常发生的， 规范对剪重比限值的规定未考虑场地类别的影响是不妥的。对于不满足规范要求的高层建筑结构， 采用增大结构刚度的方法来增大基底剪重比是难以奏效的，不失一般性，按单自由度体系对此钢筋混凝土超高层建筑做一简单的讨论假定其周期大于 5Tg。由单自由度体系周期计算公式 T= 2π 槡 M/K 可知，在广州地区要把周期 T = 5 s 的建筑加大刚度至T =3. 5 s以满足基底最小地震作用剪力要求并不容易， 相当于要求结构刚度为原来的(5/3. 5)2 = 2. 04倍，这明显难以满足。
2 剪重比在电算里的指导意义
当结构的剪重比小于规范要求，同时位移大于规范要求时，说明结构过柔，优先考虑调整结构构件的布置来增加结构的侧向刚度，不要一味的提高地震剪力；当剪重比与规范要求的最小值相相差不多时，应采取加大水平地震效应的做法，提高地震剪力，即当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度； 当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标； 当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可直接用调整系数来放大结构的地震作用，以满足剪重比要求，使结构安全度提高。另外一个可行的方法是，在确定是直接进行地震剪力放大还是对结构构件布置进行调整之前，可以先查看剪力墙和柱的轴压比是偏大还是偏小，若剪力墙和柱轴压比已经接近规范值，说明结构过柔，这时应该适当地加大结构刚度；若偏小，则可以进行地震力放大来进行设计。
最新版本SATWE勾选“按照抗规5.2.5调整各楼层地震内力”这个选项，当底部总剪力不满足规范要求的时候，除了地下室不做调整之外，其他各楼层的剪力应该都需要调整，程序会自动按照规范给出的最小剪力系数对不满足要求楼层及其以上所有的楼层自动进行剪重比调整；然而，对于基本周期大于3.5s但小于5s的结构来说，程序会自动按照线性插值取最小剪力系数。另外，剪重比调整前必须保证结构振型参与系数达到结构总质量的90%或以上，这时候才能计算的振型个数是足够的，还有，采用时程分析法时，其计算的总剪力也需符合最小剪重比的要求。
3 结论
总的来说，抗规强制性条文规定剪重比限值是为了保证楼层剪力不小于一定限值，在我们还没有把抗震分析和可靠度研究透彻之前，用于提高结构安全度是很有实际意义的，以防范目前尚无法确切估计的地震动加速度和位移分量的破坏，对我们提高并保证结构的抗震安全性是有积极意义的。笔者认为，当设计地震力达不到剪重比要求时，此时可不必强求计算剪重比，因为在保持质量不变的前提下， 直接加大结构刚度也可以加大计算剪重比，但要付出极大的代价， 甚至会造成结构畸形，而应考虑采用放大剪重比并通过修改反应谱曲线的方法来使结构达到一定的设计剪重比，或采用更严格的位移限值来控制结构变形，又或者通过乘以周期折减系数，增大楼层地震剪力，进行周期折减后仍不能满足要求时， 可对不满足的楼层处的地震剪力进行放大(不传递)，以满足规范剪重比限值的要求。总而言之，在其他各项指标都满足的情况下，加大结构刚度去满足最小地震力作用，是本末倒置的。
参 考 文 献
［1］GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京:中国建筑工业出版社， 2010．
［2］ JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程 ［S］． 北京:中国建筑工业出版社， 2011．
［3］唐友刚． 高等结构动力学［Ｍ］． 天津：天津大学出版社，2002.
［关键词］高层建筑; 抗震设计; 剪重比; 限值
中图分类号：TU208文献标识码： A
0 引言
《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010)［1］(简称抗规) 及《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)［2］(简称高规)规定:水平地震剪力系数(本文称为剪重比)剪重比等于楼层地震作用(楼层地震剪力)与重力荷载代表值的比值，是抗震设计的重要控制指标之一，并且属于规范的强制性条文。其中抗规条文说明的5. 2. 5 条写到: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会对结构产生更大的破坏力，但是规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此做出估计。出于对结构安全的考虑， 规范［1， 2 ］提出了各楼层水平地震剪力对应剪重比最小值的要求， 即规定了不同抗震设防烈度下楼层剪重比的限值，当计算结构水平地震作用效应的剪重比小于规范规定的限值时，须对楼层设计用的地震剪力进行相应的调整。
诚然，规范以规定剪重比限值的方式来控制基底和楼层最小地震剪力的做法对保证结构的抗震安全性是有一定作用的，但在實际结构设计中，经常会遇到结构剪重比与规范限值相差较多的情况，这时通过调整结构形式或结构布置来提高剪重比，往往收效甚微，比较困难。 为解决此问题，有必要对结构剪重比的变化规律和控制方法进行研究。
1 剪重比的工程含义
首先从建筑结构的刚度的谈起，一个建筑物之所以必须具备足够的刚度，其实是出于以下几点的需求：1.免强震时非结构构件如砖砌隔墙，外表面幕墙等因结构过大的变形而破坏;2.避免在风荷载作用下建筑物产生低频振动令人感到不舒服;3.避免强震时结构过大的侧向变形加剧 P- Δ 效应，此时不利于结构的受力;4. 避免结构过大的变形影响竖向交通的正常运行。因此，在满足以上需求的情况下，结构可以适当降低刚度，节省材料，同时也有利于降低地震作用效应。
节选抗规的5. 2. 5 条和高规的4. 3. 12 条如下所示：水平地震作用计算时， 结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求:
式中:V Eki 为第 i 层对应于水平地震作用标准值的剪力;λ 为水平地震剪力系数(剪重比)， 不应小于抗规表5. 2. 5(高规表4. 3. 12)规定的楼层最小地震剪力系数值(剪重比限值)，对于竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以 1. 15 的增大系数;G j 为第 j 层的重力荷载代表值;n 为结构计算总层数。
在实际工程中，假若由于使用比实际地震时小得多的地震作用来进行结构设计而安全度不高需要结构承担必要的、某一最低限度要求下的地震作用，这样规范如此强制规定就可以理解；与此相反，如果设计结果却要求增加结构的自身刚度来加大作用于其上的地震作用，那就未免本末倒置值得商榷了。下面举出现实存在的工程案例作为反证。假设，一栋高层建筑位于上海地区Ⅳ类场地，经过合理的设计，结构各项控制性指标都可以满足规范的要求甚至有一点的富裕度，即最小地震作用即剪重比也能够岗好满足规范要求；如果将这栋高层建筑置于风荷载一样、抗震设防烈度同样是7度的佛山地区， 尽管地勘报告发现场地的工程地质情况远好于上海地区，经调查为Ⅰ、Ⅱ类场地，但经过计算结构自身刚度却不能满足规范规定的最小地震作用要求。于是就有可能出现如何不合理的结论：地质条件较好导致结构地震反应较小、位于佛山地区Ⅰ、 Ⅱ类场地上的此高层建筑，尽管结构的除剪重比以外各项控制性指标均满足规范要求且比在上海地区时富余度更大，却要再加大梁、柱、核心筒等构件的截面尺寸来提高结构的刚度去满足加大结构的地震作用反应来满足此时规范规定的最小地震作用要求。
由此可见，超高层建筑结构底部楼层剪重比不满足规范限值要求在Ⅰ，Ⅱ类场地中是经常发生的， 规范对剪重比限值的规定未考虑场地类别的影响是不妥的。对于不满足规范要求的高层建筑结构， 采用增大结构刚度的方法来增大基底剪重比是难以奏效的，不失一般性，按单自由度体系对此钢筋混凝土超高层建筑做一简单的讨论假定其周期大于 5Tg。由单自由度体系周期计算公式 T= 2π 槡 M/K 可知，在广州地区要把周期 T = 5 s 的建筑加大刚度至T =3. 5 s以满足基底最小地震作用剪力要求并不容易， 相当于要求结构刚度为原来的(5/3. 5)2 = 2. 04倍，这明显难以满足。
2 剪重比在电算里的指导意义
当结构的剪重比小于规范要求，同时位移大于规范要求时，说明结构过柔，优先考虑调整结构构件的布置来增加结构的侧向刚度，不要一味的提高地震剪力；当剪重比与规范要求的最小值相相差不多时，应采取加大水平地震效应的做法，提高地震剪力，即当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度； 当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标； 当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可直接用调整系数来放大结构的地震作用，以满足剪重比要求，使结构安全度提高。另外一个可行的方法是，在确定是直接进行地震剪力放大还是对结构构件布置进行调整之前，可以先查看剪力墙和柱的轴压比是偏大还是偏小，若剪力墙和柱轴压比已经接近规范值，说明结构过柔，这时应该适当地加大结构刚度；若偏小，则可以进行地震力放大来进行设计。
最新版本SATWE勾选“按照抗规5.2.5调整各楼层地震内力”这个选项，当底部总剪力不满足规范要求的时候，除了地下室不做调整之外，其他各楼层的剪力应该都需要调整，程序会自动按照规范给出的最小剪力系数对不满足要求楼层及其以上所有的楼层自动进行剪重比调整；然而，对于基本周期大于3.5s但小于5s的结构来说，程序会自动按照线性插值取最小剪力系数。另外，剪重比调整前必须保证结构振型参与系数达到结构总质量的90%或以上，这时候才能计算的振型个数是足够的，还有，采用时程分析法时，其计算的总剪力也需符合最小剪重比的要求。
3 结论
总的来说，抗规强制性条文规定剪重比限值是为了保证楼层剪力不小于一定限值，在我们还没有把抗震分析和可靠度研究透彻之前，用于提高结构安全度是很有实际意义的，以防范目前尚无法确切估计的地震动加速度和位移分量的破坏，对我们提高并保证结构的抗震安全性是有积极意义的。笔者认为，当设计地震力达不到剪重比要求时，此时可不必强求计算剪重比，因为在保持质量不变的前提下， 直接加大结构刚度也可以加大计算剪重比，但要付出极大的代价， 甚至会造成结构畸形，而应考虑采用放大剪重比并通过修改反应谱曲线的方法来使结构达到一定的设计剪重比，或采用更严格的位移限值来控制结构变形，又或者通过乘以周期折减系数，增大楼层地震剪力，进行周期折减后仍不能满足要求时， 可对不满足的楼层处的地震剪力进行放大(不传递)，以满足规范剪重比限值的要求。总而言之，在其他各项指标都满足的情况下，加大结构刚度去满足最小地震力作用，是本末倒置的。
参 考 文 献
［1］GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京:中国建筑工业出版社， 2010．
［2］ JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程 ［S］． 北京:中国建筑工业出版社， 2011．
［3］唐友刚． 高等结构动力学［Ｍ］． 天津：天津大学出版社，2002.