水平荷载作用下结构产生侧向变形, 当结构侧向刚度不足时, 较大的侧向变形可能导致结构开裂、P-Δ效应不能忽略、舒适度不满足要求、幕墙等围护结构破坏以及电器设备不能正常工作等。因此, 高层建筑结构应具有足够的侧向刚度, 在水平荷载作用下应避免出现上述情况。关键的问题是:多大的侧向刚度才算足够?

　　 我国大陆地区现行规范采用结构层间位移角控制结构侧向刚度, 对于如何确定层间位移角限值的大小, 在工程界有许多争论。广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》 (DBJ 15-92—2013) (简称广东省高规) 对《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3—2010) ^[1] (简称高规) 的层间位移角限值进行了放松, 广东省正在讨论继续放宽层间位移角限值。但是层间位移角限值是否可以继续放松, 却没有相关学者给予理论及试验上的支持。

　　 结构层间位移角由结构整体弯曲变形引起的层间位移角 (称为无害层间位移角) 和梁、柱、剪力墙弯曲及剪切变形引起的层间位移角 (称为有害层间位移角) 两部分组成, 从构件受力的角度来看, 结构层间位移角不能准确反映构件的受力情况。对于多层框架结构, 由于无害层间位移角较小, 结构层间位移角主要是梁、柱弯曲及剪切变形引起的, 层间位移角可以较好地反映多层框架结构构件的受力;然而对于高宽比较大的框架结构或以剪力墙为主的结构 (包括剪力墙结构、部分框支剪力墙结构、框-剪结构、框-筒结构、筒中筒结构和板柱-剪力墙结构等) , 最大层间位移角通常出现在结构中、上部楼层, 其有害层间位移角约占总层间位移角的10%或更小, 总层间位移角不能准确反映构件受力大小, 仅在结构底部几层, 由于无害层间位移角很小, 其层间位移角可以反映构件受力, 但结构底部几层层间位移角数值较小, 在工程设计中不起控制作用。同时, 层间位移角限值还应考虑围护结构以及电器设备等, 很难得到准确的结果。

　　 目前世界各国及地区均有自己的结构设计规范, 在计算侧向荷载作用下的结构变形时, 侧向荷载大小、沿高度分布情况、材料弹性模量取值以及构件刚度折减等均不完全相同, 仅仅根据各规范的侧向变形限值数值大小, 无法判断哪一本规范更合理。

　　 各国及地区依据自己的规范设计了大量建筑物, 在使用过程中经历了多次强台风的考验, 每次受荷过程就是一次足尺结构试验, 并根据试验结果对规范进行了多次修改, 应该说各国及地区规范对结构侧向刚度控制的准则都是安全的, 主要区别是哪一本规范的要求更加严格。为了准确评价中国大陆地区规范对结构刚度控制准则的合理性, 本文针对中国大陆地区、欧洲、美国、澳新、日本、中国台湾地区和中国香港地区的相关规范在风荷载作用下的层间位移角进行对比分析, 提出合理的结构侧向刚度控制准则。

　　 针对典型的框架结构、框-剪结构、剪力墙结构和框-筒结构, 从两方面展开研究工作。

　　 第一, 假设在相同风速和相同场地环境条件下, 按各国及地区规范计算结构最大层间位移角 (或顶点位移与结构高度比) , 并与各规范给出的层间位移角限值 (或顶点位移与结构高度比限值) 进行比较, 研究各国及地区规范对结构刚度控制的严格程度。

　　 第二, 由于中国香港地区与中国深圳市毗邻的特殊地理位置, 中国大陆地区规范对中国香港地区风荷载计算亦有明确的规定, 故对中国香港地区的典型结构分别采用中国大陆地区和中国香港地区规范进行计算, 对比层间位移角 (或顶点位移与结构高度比) 及其限值, 可以更清晰地看到哪一套规范要求更严格。

　　 各国及地区对基本风速进行统计的方法不完全相同, 但相互之间在数值上可以进行转换。根据各国及地区的相关规范, 基本风速的统计方法见表1。

　　 可以看出, 大部分国家及地区的基本风速满足标准高度10m, 重现期50年, 统计时距为10min, 其场地类别也基本以地势平坦开阔且少建筑物的地形为主。不同的是, 美国和澳新以3s阵风为基础对观测资料进行统计整理;同时中国香港地区由于地形狭小, 地理位置近海, 故仅有一种场地类别, 其观测的风速高度也因统计测得的风速时间而不同, 3s阵风风速和1h时均风速均对应90m基本高度, 其中3s阵风风速用于计算不考虑动力效应的风荷载, 主要针对100m以下的建筑结构, 而1h时均风速用于计算考虑动力效应的风荷载, 主要针对100m以上的建筑结构。

　　 根据风荷载计算方法的不同, 各国及地区规范大致可以分为两类:1) 以基本风压为计算基础, 在此基础上再考虑结构体型、结构高度和风振效应的影响, 该类主要有中国大陆地区和中国香港地区规范;2) 以基本风速为计算基础, 在此基础上考虑风向、地形、结构高度等对风速的影响, 进行风速修正, 再考虑结构体型和风振效应的影响, 该类主要有欧洲、美国、澳新、日本和中国台湾地区规范。各国及地区风荷载计算方法具体可参见文献[2,3,4,5,6,7,8]。

　　 风压计算是风荷载计算中的主要部分。欧洲、美国、澳新、日本和中国台湾地区对基本风速进行了地形、结构高度等影响的修正, 然后根据修正后的设计风速得出修正风压。不同于这些国家和地区, 中国大陆地区和中国香港地区不需要根据各地区风速来进行计算。中国大陆地区规范中已给出根据气象台观测数据求得的基本风压, 故可直接查表得到。该风压为基本风压, 以标准条件下的基本风速计算得到, 没有考虑风向的影响, 同样也不用考虑结构高度和地形的影响, 在后续的修正风压计算中才会考虑地形和结构高度的影响。而中国香港地区则占地面积较小, 地形单一, 没有地形的影响, 不存在不同地区会出现不同的风压情况, 故为计算简便, 其风压表给出了风压随结构高度的变化, 该风压为修正风压, 以中国香港地区规范规定的标准条件测得的风速考虑高度影响而计算得到。

　　 各国及地区规范根据相同混凝土强度求得的混凝土弹性模量略有差异。除中国大陆地区及中国香港地区外, 其余各国及地区规范的混凝土强度试验均采用圆柱体试件。

　　 由于各国及地区规范混凝土强度保证率并不一致, 为使分析模型所用混凝土相同, 故假设混凝土的平均抗压强度一致, 根据各国及地区规范保证率和相关要求得到其弹性模量计算时所使用的混凝土强度值。从而根据强度值和文献[9,10,11,12,13,14,15,16]中的弹性模量计算公式可得各国及地区规范对不同强度等级的混凝土弹性模量, 如图1所示。

　　 可以看出各国及地区规范混凝土弹性模量的变化趋势基本相同, 同等级混凝土强度下以欧洲规范弹性模量取值最大, 澳新规范弹性模量取值最小。

　　 本研究共选取4种结构, 分别是框架结构、框-剪结构, 框-筒结构和剪力墙结构。各结构形式均设计4个模型, 同种结构类型的模型其平面布置保持一致, 仅在高度上有所变化。各模型首层均为5m, 其余各层3.5m。其具体高度、长宽值详见表2和表3。结构平面布置图见图2。

　　 为使结果具有可比性, 选取各国及地区相同场地类别进行比较。由于中国香港地区仅有一类场地, 即开阔海洋状况, 对比各国及地区规范, 均存在该类型场地 (表4) 。同时由于开阔海洋状况的场地地势平坦开阔、无植被影响且鲜有障碍物, 故其风速与其他场地类别的风速相比较大, 施加在结构上的风荷载相应较大, 对结构产生的影响更接近规范限值, 以此作为比较条件较为合理。

　　 以中国广州市A类场地为设计条件, 由于各国及地区规范对基本风速的定义不同, 故须将按广州市A类场地得出的基本风速根据各国及地区规范进行转换。根据中国大陆地区荷载规范^[2]附录E可得基本风速v₀=28.29m/s。

　　 根据风速时距转换公式、重现期转换公式及基本高度转换公式可以得到各国及地区定义的基本风速, 以中国大陆地区广州市A类场地高度10m风速时距10min重现期50年的基本风压求得的基本风速为基准, 将其按各转换系数转换成各国及地区基本观测条件及计算条件下的基本风速, 见表5。

　　 按照中国大陆地区规范, 结构形式不同、高度不同, 其风荷载作用下弹性层间位移角限值也有所差异。除中国大陆地区规范外, 其他各国及地区规范并没有依据结构高度或结构形式来对限值进行划分。部分考虑非结构构件的延性来进行限值的划分及取值, 例如美国规范;部分则不考虑非结构构件延性和结构高度、形式, 取统一的限值, 如澳新、中国台湾地区规范等。还有部分根据顶点位移除以结构总高度而非层间位移角来判断, 例如中国香港地区。计算时所取各国及地区规范的限值如表6所示。其中中国大陆地区规范暂不考虑限值随结构高度变化而改变。同时中国香港地区规范限值考虑的是顶点位移除以结构高度, 以下计算结果中的层间位移角对中国香港地区规范均采用顶点位移除以结构高度表示。

　　 根据1.2节和1.3节假设及计算参数取值, 可以得到框架结构、框-剪结构、框-筒结构和剪力墙结构在风荷载作用下的侧向变形, 通过该侧向变形与相应规范限值的比值对比, 可以得出各国及地区规范限值控制的严格程度。

　　 下面以剪力墙结构X向风荷载为例进行风荷载、侧移变形及限值控制松紧程度分析。剪力墙结构X向风荷载及其作用下位移计算结果统计见图3和图4。

　　 随着结构高度的增高, 各国及地区的风荷载大小逐渐接近, 相互间的差距逐渐减小, 总体呈现出欧洲>美国>日本>中国台湾地区>澳新>中国大陆地区>中国香港地区的趋势。虽然从风荷载看, 中国大陆地区的计算值偏小, 但是由于各国及地区对弹性模量的计算方法差异, 故不可直接将此看作层间位移角的相对大小。结合各国及地区的弹性模量及计算得出的风荷载值, 可以求得各国及地区风荷载作用下的各层位移。

　　 根据计算结果可以看出, 风荷载作用下各层位移的大小情况基本上是日本>美国>中国台湾地区>欧洲>澳新>中国香港地区>中国大陆地区。各国及地区的各层位移有所差异, 但是各层位移大小情况并不能反映限值控制松紧程度情况。将各国及地区风荷载作用下的层间位移角 (或顶点位移角) 与各自的规范限值进行比较, 得出的结果再相互对比, 比值可以直观地反映出中国大陆地区限值控制的松紧程度。其中限值比按公式 (1) 计算。

　　 式中:θ_li为相应规范层间位移角限值;θ_di为按相应规范计算所得层间位移角;θ_lc为中国大陆地区规范层间位移角限值;θ_dc为按中国大陆地区规范计算所得层间位移角。

　　 将其他模型计算分析按照剪力墙结构X向计算过程进行分析统计后, 可以由图5 (图中大陆、台湾、香港分别指中国大陆地区、中国台湾地区和中国香港地区) 得出各国及地区层间位移角限值控制的情况。图中的限值比表示各规范层间位移角限值除以相应计算结果, 以中国大陆地区规范的层间位移角限值比为单位。

　　 框架结构的层间位移角限值取1/550基本上处在中间水平, 既不过分保守也不会过于放松;而对含有剪力墙的结构层间位移角取1/800~1/1 000的限值, 虽然和欧洲、美国及澳新相比松紧程度接近, 但仍然偏小, 可以说是这些国家及地区中最保守的、控制最严格的。

　　 根据中国大陆地区规范规定的中国香港地区基本风压换算的设计风速为38.04m/s, 根据中国香港地区风荷载计算参数换算的设计风速为38.74m/s, 说明中国大陆地区规范和中国香港地区规范计算风荷载大小的基本参数是一致的, 下面分别采用中国大陆地区规范和中国香港地区规范对上述四类典型结构在风荷载作用下的变形进行计算对比。计算方法同1.4.2节所述。最终统计整理结果见图6。

　　 由按中国大陆地区规范计算中国香港地区风荷载及其作用下的层间位移角与按中国香港地区规范计算得出的结果对比, 可以看出虽然是同一个地方, 但是二者的控制情况却存在较大差异。中国大陆地区规范控制仍然偏于保守。

　　 (1) 对于框架结构, 中国大陆地区、欧洲、美国和澳新规范的要求较严格, 日本、中国香港地区和中国台湾地区规范的要求较宽松, 欧洲、美国和澳新规范的要求比中国大陆地区规范的要求更严格。

　　 (2) 对于以剪力墙为主要抗侧力构件的结构 (剪力墙结构、框-剪结构、框-筒结构) , 中国大陆地区、欧洲、美国和澳新规范的要求较严格, 其中中国大陆地区规范要求最严格, 日本、中国香港地区和中国台湾地区规范要求较宽松。

　　 (3) 通过中国大陆地区规范和中国香港地区规范分别对处于中国香港地区的建筑分析对比可见, 无论是什么结构形式, 中国大陆地区规范的要求均比中国香港地区规范的要求严格。

　　 (4) 中国大陆地区规范与其他规范相比, 建筑高度越低要求越严格, 所以不应该根据建筑高度的增大放松结构层间位移角限值。

　　 通过以上分析对比, 建议中国大陆地区规范不区分结构形式和结构高度。同时根据图5可以看出中国香港地区规范限值介于最严格和最宽松的限值中间, 故结合中国大陆地区规范将风荷载作用下结构层间位移角限值定为1/450, 根据图6可知该值与中国香港地区规范限值控制程度相当。