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文檔簡介
1、3.1 結構設計的原則是什么?多高層建筑設計中應符合安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理、方便施工的原則。 建筑物首先是為了使用,因此對于不同類型建筑物必須滿足使用功能的要求。住宅、辦公樓、商場、賓館、劇院、車站、機場、醫(yī)院、學校等各種類型的建筑,他們的使用功能有著很大的區(qū)別。如果建筑物不能或不能很好滿足他們的使用功能,則建造起來的建筑將是廢品或者次品。 建筑同時又體現(xiàn)出社會的文化藝術。建筑設計中往往采用許多建筑藝術手法,體現(xiàn)出社會與時代的藝術氣息。結構設計應當配合與保證建筑設計的很好實現(xiàn),能夠準確反映出建筑設計師所要表現(xiàn)的建筑藝術要求。 結構設計必須確保使用者
2、在正常使用的安全,而且在遇到可能預料的各種災難時,使生命財產(chǎn)的損失減少到最小程度。為此結構設計方案應當盡量做到受力明確、利于計算、便利計算、減小作用效應、增加結構構件抗力,利于非結構構件可靠連接,不易破壞、脫落與坍塌。 建筑物的使用尚有采光、通風、采暖、溫濕度調節(jié)、供水、排水、照明、通信以及提供動力等要求,因此建筑結構的設計應和相關專業(yè)密切配合,便于多種管線,設備及設施的設計與施工安裝。多高層結構的設計應有先進性,盡量采用先進的、高科技的材料、設備的施工安裝方法。 32 結構的設計使用年限和安全等級是怎樣確定的?建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB5006
3、8-2001規(guī)定:1.0.5 結構的設計使用年限應按表1.0.5采用。(一般鋼筋混凝土結構的設計使用年限為50年,若建設單位提出更高的要求,也可以按建設單位的要求確定。)1.0.6 結構在規(guī)定的設計使用年限內應具有足夠的可靠度。結構可靠度可采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法分析確定。1.0.7 結構在規(guī)定的設計使用年限內應滿足下列功能要求:1 在正常施工和正常使用時,能承受可能出現(xiàn)的各種作用。2 在正常使用時具有良好的工作性能;3 在正常維護下具有足夠的耐久性能;4 在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后,仍能保持必需的整體
4、穩(wěn)定性。1.0.8 建筑結構設計時,應根據(jù)結構破壞可能產(chǎn)生的后果(危及人的生命、造成經(jīng)濟損失、產(chǎn)生社會影響等)的嚴重性,采用不同的安全等級。建筑結構安全等級的劃分應符合表1.0.8的要求 109 建筑物中各類結構構件的安全等級,宜與整個結構的安全等級相同。對其中部分結構構件的安全等級可進行調整,但不得低于三級。 33 對于設計使用年限為100年及其以上的丙類建筑,設計基本地震加速度、抗震措施和抗震構造措施應如何確定?首先要明確
5、建筑壽命、設計使用年限和設計基準期的關系。建筑壽命指從規(guī)劃、實施到使用的總時間,即從確認需要建造開始直到建筑毀壞的全部時間。設計使用年限指設計規(guī)定的結構或結構不需進行大修即可達到其預定的使用年限,即房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和一般維護下所應達到的使用年限。當房屋建筑達到設計使用年限后,經(jīng)過鑒定和維修,可繼續(xù)使用。因而設計使用年限不同于建筑壽命同一建筑中不同專業(yè)的設計使用年限可以不同,例如,外保溫、給排水管道、室內外裝修、電氣管線、結構和地基基礎,均可有不同的設計使用年限。結構的設計基準期是指為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數(shù),它不等同于建筑結構的設計使用年限
6、,也不等同于建筑結構的壽命。一般設計規(guī)范所采用的設計基準期為50年,即設計時所考慮荷載、作用的統(tǒng)計參數(shù)均是按此基準期確定的。對于設計使用年限為100年及其以上的丙類建筑,結構設計時應另行確定在其設計基準期內的活荷載、雪荷載、風荷載、地震等荷載和作用的取值,確定結構的可靠度指標以及確定包括鋼筋保護層厚度等構件的有關參數(shù)的取值。其中結構抗震設計所采用的基本地震加速度、抗震措施和構造措施,應根據(jù)結構形式、設計使用年限、原設計基本地震加速度等條件專門研究后確定?;镜卣鸺铀俣却_定的一種方法,可參閱建筑結構雜志2002年第1期的文章估計不同服役期結構的抗震設防水準的簡單方法(周錫元、曾德民、高曉安)。&
7、#160;3.4 建筑抗震設防分類是怎樣確定的?建筑抗震設防分類標準GB50223-95規(guī)定:3.0.2 建筑抗震設防類別,應根據(jù)其使用功能的重要性可分為甲類、乙類、丙類、丁類四個類別,其劃分應符合下列要求。 3.0.2.1 甲類建筑,地震破壞后對社會有嚴重影響,對國民經(jīng)濟有巨大損失或有特殊要求的建筑。3022 乙類建筑,主要指使用功能不能中斷或需盡快恢復,且地震破壞會造成社會重大影響和國民經(jīng)濟重大損失的建筑。3023 丙類建筑,地震破壞后一般影響及其他不屬于甲、乙、丙、丁類的建筑。3024 丁類建筑,地震破壞或倒塌不會影響
8、甲、乙、丙類建筑,且社會影響、經(jīng)濟損失輕微的建筑。一般為儲存物品價值低、人員活動少的單層倉庫等建筑。303 各類建筑的抗震設計防標準,應符合下列要求。3031 甲類建筑,應按提高設防烈度一度設計(包括地震作用和抗震措施)。3032 乙類建筑,地震作用應按本地區(qū)抗震設防烈度計算??拐鸫胧?,當設防烈度為68度時應提高一度設計,當為9度時,應加強抗震措施。對較小的乙類建筑,可采用抗震性能好、經(jīng)濟合理的結構體系,并按本地區(qū)的抗震設防烈度采取抗震措施。已類建筑的地基基礎可不提高抗震措施。3233 丙類建筑,地震作用和抗震措施應按本地區(qū)設防烈度設計。3234
9、0;丁類建筑,一般情況下,地震作用可不降低,當設防烈度為79度時,抗震措施可按本地區(qū)設防烈度降低一度設計,當為6度時可不降低。3035 本標準僅列出部分行業(yè)的甲、乙類建筑和少數(shù)丙類建筑,丁類建筑按本標準第3.0.2.4款的規(guī)定確定,除甲、乙丁類以外,本標準未列出的宜劃為丙類建筑。 903 廣播、通信、交通運輸建筑抗震設防類別,應按本標準有關章節(jié)的規(guī)定采用,醫(yī)療、城市動力系統(tǒng)、消防建筑的抗震設防類別,應符合表9.0.3的規(guī)定。 1001 本章適用于住宅、旅館、辦公樓、教學樓、資料室、計算
10、站、博物館、幼兒園、公共建筑(影劇院、大會堂、體育館)、商業(yè)建筑等的建筑抗震。1002 民用及其他建筑,應主要以其社會影響和經(jīng)濟損失的大小劃分抗震設防類別。1003 民用及其他建筑抗震設防類別,應符合表10.0.3的規(guī)定。1101 本章適用于工業(yè)與民用的倉庫類建筑抗震設防。1102 倉庫類建筑,應根據(jù)其存放物品的經(jīng)濟價值和損壞后次生災害的大小劃分抗震設防類別。1103 倉庫類建筑抗震設防類別,應符合表11.0.3的規(guī)定。
11、60;注:以上條文號均為建筑抗震設防分類標準的編號。3.5 抗震設計的基本原則有哪些?為了使用高層建筑有足夠的抗震能力,達到小震不壞,中震可修,大震不倒的要求,應考慮下述的抗震設計基本原則。(1)合理選擇結構體系。對于鋼筋混凝土結構,一般來說純框架結構抗震能力較差,框架-剪力墻結構性能較好,剪力墻結構和筒體結構具有良好的空間整體性,剛度也較大,歷次地震中震害都較小。(2)平面布置力求簡單、規(guī)則、對稱,避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位,避免在凹角和端部設置樓電梯間;避免樓電梯間偏置,以免產(chǎn)生扭轉的影響。(3)豎向體型盡量避免外挑,內收也不宜過多、過急、力求剛度均勻漸變,避免產(chǎn)生變形集
12、中。(4)結構的承載力、變形能力和剛度要均勻連續(xù)分布,適應結構的地震反應要求。某一部位過強、過剛也會使其他樓層形成相對薄弱環(huán)節(jié)而導致破壞。頂層、中間樓層取消部分墻柱形成大空間層后,要調整剛度并采取構造加強措施。底層部分剪力墻變?yōu)榭蛑е蛉∠糠种雍?,比上層剛度消弱更為不利,應專門考慮抗震措施。不僅主體結構,而且非結構墻體(特別是磚砌體填充墻)的不規(guī)則、不連續(xù)布置也可能引起剛度的突變。(5)高層建筑突出屋面的塔樓必須具有足夠的承載力和延性,以承受高振型產(chǎn)生的鞭梢效應影響。必要時可以采用鋼結構或型鋼混凝土結構。(6)在設計上的構造上實現(xiàn)多道設防。如框架結構采用強弱梁設計,梁屈服后柱仍能保持穩(wěn)定,
13、框架-剪力墻結構設計成連梁首先屈服,然后是墻肢,框架作為第三道防線,剪力墻結構通過構造措施保證連梁先屈服,并通過空間整體性形成高次超靜定等。(7)合理設置防震縫。一般情況下宜采取高速平面形狀與尺寸,加強構造措施,設置后澆帶等方法盡量不設縫、少設縫。必須設縫時必須保證有足夠的寬度。(8)節(jié)點的承載力和剛度要與構件的承載力與剛度相適應。節(jié)點的承載力應大于構件的承載力。要從構造上采取措施防止反復荷載作用下承載力和剛度過早退化。裝配式框架和大板結構必須加強節(jié)點的連接結構。(9)保證結構有足夠剛度,限制頂點和層間位移。在小震時,應防止過大位移使結構開烈、影響正常使用、中震時,應保證結構不到于嚴重破壞,可
14、以修復;在強震下,結構不應發(fā)生倒塌,也不能因為位移過大而使主體結構失去穩(wěn)定或基礎轉動過大而傾覆。(10)構件設計應采取有效措施防止脆性破壞,保證構件有足夠的延性。脆性破壞指剪切、錨固和壓碎等突然而無事先警告的破壞形式。設計時應保證抗剪承載力大于抗彎承載力,按“強剪弱彎”的方針進行配筋。為提高構件的抗剪和抗壓能力,加強約束箍筋是有效措施。(11)保證地基基礎的承載力、剛度和有足夠的抗滑移、抗轉動能力,使整個高層建筑成為一個穩(wěn)定的體系,防止產(chǎn)生過大的差異沉降和傾覆。 (12)減輕結構自重,最大限度的降低地震的作用。 3.6抗震設計的多高層建筑對建筑場地有哪些規(guī)定?表
15、3-1(1)選擇建筑場地時,應按表3-1劃分對建筑抗震有利、不利和危險的地段。 (2)建筑場地的類別劃分,應以土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度為準。 (3)土層剪切波速的測量,應符合下列要求:1)在場地初步勘察階段,對大面積的同一地質單元,測量土層剪切波速的鉆孔數(shù)量,應為控制性鉆孔數(shù)量的1/3一1/5,山間河谷地區(qū)可適量減少,但不宜少于3個;2)在場地詳細勘察階段,對單幢建筑,測量土層剪切波速的鉆孔數(shù)量不宜少于2個,數(shù)據(jù)變化較大時,可適量增加;對小區(qū)中處于同一地質單元的密集高層建筑群,側量土層剪切波速的鉆孔數(shù)量可適量減少,但每幢高層建筑下不得少于一個;3)對丁類建筑及層數(shù)不超過10層
16、且高度不超過30M的丙類建筑,當無實測剪切波速時,可根據(jù)巖土名稱和性狀,按表3-2劃分土的類型,再利用當?shù)亟?jīng)驗在表3-2的剪切波速范圍內估計各土層的剪切波速。表3-2 (4)建筑場地夜蓋層厚度的確定,應符合下列要求:1)一般情況下,應按地面至剪切波速大于500M/G的土層頂面的距離確定;2)當?shù)孛?M以下存在剪切波速大于相鄰上層土剪切波速2.5倍的土層,且其下臥巖土的剪切波速均不小于400M/G。時,可按地面至該土層頂面的距離確定3)剪切波速大于500M/S,的孤石、透鏡體,應視同周圍土層;4)十層中的火山巖硬夾層,應視為剛體,其厚度應從覆蓋土層中扣除。(5)土層的等效剪切波速,應按下列公式計
17、算;V_E=D_O/I (3一1)I=_(I-1)ND_I/_I (3一2)式中:V_E土層等效剪切波速( M/S);DO計算深度(M),取覆蓋層厚度和2DM二者的較小值;L剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間;D_I計算深度范圍內第I土層的厚度(M);_I計算深度范圍內第D土層的剪切波速(M/S)N計算深度范圍內土層的分層數(shù)。(6)建筑的場地類別,應根據(jù)土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度
18、按表3-3劃分為四類。當有可靠的剪切波速和覆蓋層厚度且其值處于表3-3所列場地類別的分界線附近時,應允許按插值方法確定地震作用計算所用的設計特征周期。 (7)場地內存在發(fā)震斷裂時,應對斷裂的工程影響進行評價,并應符合下列要求:1) 對符合下列規(guī)定之一的情況,可忽略發(fā)震斷裂錯動對地面建筑的影響: 抗震設防烈度小于8度;非全新世活動斷裂;抗震設防烈度為8度和9度時,前第四紀基巖隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別大于60M和90M.2)對不符合本條1款規(guī)定的情況,應避
19、開主斷裂帶。其避讓距離不宜小子表3-4對發(fā)震斷裂最小避讓距離的規(guī)定。 3.7多商層建筑的適用高度和高寬比的房屋高度應怎樣確定?根據(jù)高規(guī)規(guī)定,房屋高度指室外地面至主要屋面,不包括局部突出屋面的電梯機房、水箱間、構架等高度。部分框支剪力墻結構的層數(shù)指地面以上有部分框支剪力墻結構的層數(shù)。3.8較復雜體型的高層建筑高寬比如何確定? 在復雜體型的高層建筑中,如何計算高寬比是比較難以確定的問題。一般場合,可按所考慮方向的最小投影寬度計算高寬比,但對突出建筑物平面很小的局部結構(如樓梯間飛電梯間等),一般
20、不應包含在計算寬度內;對于不宜采用最小投影寬度計算高寬比的情況,應由設計人員根據(jù)實際情況確定合理的計算方法;對帶有裙房的高層建筑,當裙房的面積和剛度相對于其上部塔樓的面積和剛度較大時,計算高寬比的房屋高度和寬度可按裙房以上部分考慮。3.9多高層建筑結構平面布置有哪些規(guī)定?(1)結構平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載,受力明確,傳力直接,力爭均勻對稱,減少扭轉的影響。在地震作用下,建筑平面要力求簡單規(guī)則,風力作用下則可適當放寬。1976年7月28日唐山地震中,L形平面和其他不規(guī)則平面的建筑物因扭轉而破壞的很多。天津人民印刷廠(6層L形平面框架結構)的角柱多處破壞便是一例。1985年9月墨西
21、哥城地震中,相當多的框架結構由于平面不規(guī)則、不對稱而產(chǎn)生扭轉破壞。 因此,抗震設防的高層建筑,平面形狀宜簡單、對稱、規(guī)則,以減少震害。一般建筑平面如圖3-1所示,其中C,D, H三個平面比較不規(guī)則、不對稱,選用后各方面應予以加強。圖3-1 除平面形狀外,各部分尺寸都有一定的要求。首先,平面的長度比不宜過大,L/B一般宜小于6,以避免兩端相距太遠,震動不同步,由于復雜的振動形態(tài)而使結構受到損害。長矩形平面的尺寸目前一般在70-80M以內,但最長的結構單元長度已達114M(北京昆侖飯店)和138 M(北京京倫飯
22、店)。為了保證樓板在平面內有很大的剛度,也為了防止或減輕建筑物各部分之間振動不同步,建筑平面的外伸段長度C應盡可能小。平面凹人后,樓板的寬度應予保證,Z形平面(圖3-1F的重疊部分應有足夠長度。另外,由于在凹角附近,樓板容易產(chǎn)生應力集中,要加強樓板的配筋。在設汁中,L/R的數(shù)值7度設防時最好不超過4; 8度設防時最好不超過3,C/D的數(shù)值最好不超過1.0.當平面突出部分長度C/D1且C/B3時,如果質量和剛度比較均勻對稱,可以按規(guī)則結構進行抗震設計:在規(guī)則平面中,如果結構剛度不對稱,仍然會產(chǎn)生扭轉。所以,在布置抗側力結構時,應使結構均勻分布,令荷載合力作用線通過結構剛度中心,以減少扭
23、轉的影響。尤其是布置樓電梯間更要注意,樓電梯井筒往往有較大的剛度,它對結構剛度的對稱性有顯著的影響??蚣芤煌搀w結構和筒中筒結構更應選取雙向對稱的規(guī)則平面,如矩形、正方形、正多邊形、圓形。當采用矩形平面時,L/B不宜大于2。(2)為了防止樓板削弱后產(chǎn)生過大的應力集中,樓電梯間不宜設在平面凹角部位和端部角區(qū),但建筑布置上,從功能考慮,往往在上述部位設樓電梯間。如果確實非設不可 ,則應采用剪力墻筒體予以加強。如果采用了復雜的平面而又不能滿足高層規(guī)程表4.3.3的要求,則應進行更細致的抗震驗算并采取加強措施:如圖3-2所示的井字形平面建筑,由于立面陰影的要求,平面凹人很探,中央設置樓電梯間后
24、,樓板四邊所剩無幾,很容易發(fā)生震害,二必須予以加強。在不妨礙建筑使用的原則下,可以采用下面兩種措施之一:(1)如圖中所示,設置拉梁A,為美觀也可以設置拉板(板厚可為250一300MM。拉梁、拉板內配置受拉鋼筋;(2)或如圖中所示,增設不上人的外挑板或可以使用的陽臺B,在板內雙層雙向配鋼筋,每層、每向配筋率O.25%。圖3-2圖3-3的不規(guī)則平面中,圖(A)重疊長度太小,應力集中十分顯著,宜增設斜角板增強,斜角板宜加厚并設邊梁,梁內配置1%以上的拉筋。圖(B)中的啞鈴形平面中,狹窄的樓板連接部分是薄弱部位。經(jīng)動力分析表明:板中剪力在兩側反向振動時可能達到很大的數(shù)值。因此,連接部位板厚應增大;板內
25、設置雙層雙向鋼筋網(wǎng),每層、每向配筋率不小于0.25%.邊梁內配置1%以上的受拉鋼筋。圖3-3 位于凹角處的樓板宜配置加強筋(如416的45斜向筋),自凹角頂點延伸人樓板內的長度不小于L_AK(受拉鋼筋抗震錨固長度)。 (3)在高層建筑周邊設置低層裙房時,裙房可以單邊、兩邊和三邊圍合設置(圖3_4A-C),甚至高層主樓置于裙房內(圖3-4D).當裙房面積較小,與主樓相比其剛度也不大時,上、下層剛度中心不一致而產(chǎn)生的扭轉影響較小,可以采用圖A-C的偏置形式;當裙房面積較大,裙房邊長與主樓邊長之比R/B , L/L大于1.5時,宜采用圖D的內置式,
26、井且裙房剛度中心O與主樓剛度中心0的偏心不宜大于裙房相應邊長的20 P實際操作時可按質量中心進行控制。(4) 高層建筑物設置了伸縮縫、沉降縫或防震縫后,獨立的結構單元就是由這些縫劃分出來的各個部分。各獨立的結構單元平面形狀和剛度對稱,有利于減少地震時由于扭轉產(chǎn)生的震害。唐山地震、墨西哥城地震和阪神地震都明顯看出:平面不規(guī)則、剛度偏心的建筑物,在地震中容易受到較嚴重的破壞。因此,在設計中宜盡量減小剛度的偏心。如果建筑物平面不規(guī)則、剛度明顯偏心,則應在設計時用較精確的內力分析方法考慮偏心的影響,并在配筋構造上對邊、角部位予以加強。 (5)平面過于狹長的建筑物在地震時由
27、于兩端地震波輸人有位相差而容易產(chǎn)生不規(guī)則振動,產(chǎn)生較大的震害,平面有較長的外伸時。外伸段容易產(chǎn)生局部振動而引發(fā)凹角處破壞。需要抗震設防的A級高度鋼筋混凝上高層建筑,其平面布置宜符合下列要求:1)平面宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心,否則應考慮扭轉不利影響;2)平面長度不宜過長,突出部分長度L不宜過大,凹角處宜采取加強措施(圖3-5); L, L等值宜滿足表3-5的要求;( 圖略)(6)抗震設計的B級高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑,其平面布置應簡單、規(guī)則,減少偏心。(7)角部重疊和細腰形的平面圖形(圖3-6),在中央部位形
28、成狹窄部分,在地震中容易產(chǎn)生震害,尤其在凹角部位,因為應力集中容易使樓板開裂、破壞。這些部位應采用加大樓板厚度,增加板內配筋設置集中配筋的邊梁,配置45°斜向鋼筋等方法予以加強。圖3-6 當樓板平面過于狹長、有較大的凹人和開洞而使樓板有過大削弱時,應在設計中考慮樓板變形產(chǎn)牛的不利影響。樓面凹人和開洞尺寸不宜大于樓面寬度的一半,樓板開洞總面積不宜超過樓面面積的30% 在扣除凹人和開洞后,樓板在任一方向的最小凈寬度不宜小于5M。且開洞后每一邊的樓板凈寬度不應小于2M.如圖3-7所示屬不規(guī)則平面圖3-7 (A)當房屋底部僅為門廳、共享大
29、廳通高2-3層的情況在工程中是常見的,設計時應注意分析和加強構造。 (8)抗震設計時,當建筑物平面形狀復雜而又無法調整其平面形狀和結構布置使之成為較規(guī)則的結構時,宜設置防震縫將其劃分為較簡單的幾個結構單元。設置防震縫時,應符合下列規(guī)定:1)房屋高度不超過15M時防震縫最小寬度為70 MM ,當高度超過15M時,各結構類型按表3-6確定; 2)防震縫兩側結構體系不同時,防震縫寬度按不利的體系考慮,并按較低一側的高度計算確定縫寬
30、;3)防震縫應沿房屋全高設置,基礎及地下室可不設防震縫,但在防震縫處應加強構造和連接;4)當相鄰結構的基礎存在較大沉降差時,宜增大防震縫的寬度;5) 8, 9度框架結構房屋防震縫兩側結構高度、剛度或層高相差較大時,可在縫兩側房屋的盡端沿全高設置垂直于防震縫的抗撞墻,每一側抗撞墻的數(shù)量不應少于兩道,宜分別對稱布置,墻肢長度可不大于一個柱距,框架和抗撞墻的內力應按考慮和不考慮抗撞墻兩種情況分別進行分析,并按不利情況取值??棺矇υ诜勒鹂p一端的邊柱,箍筋應沿房屋全高加密(圖3-8 )。
31、160; 9)在有抗震設防要求的情況下,建筑物各部分之間的關系應明確;如分開,則徹底分開,如相連,則連接牢固。不宜采用似分不分、似連不連的結構方案。天津友誼賓館主樓(8層框架)與單層餐廳采用了餐廳層屋面梁支承在主框架牛腿上加以鋼筋焊接,在唐山地震中由于振動不同步,牛腿拉斷、壓碎、產(chǎn)生嚴重震害,這種連接方式是不可取的。因此,結構單元之間或主樓與裙房之間如無可靠措施,不應采用牛腿托梁的做法作為防震縫處理??紤]到目前結構型式和體系較為復雜,例如連體結構中連接體與主體建筑之間可能采用鉸接等情況,如采用牛腿托梁的做法,則應采取類似橋墩支承橋面結構的做法,在較長、較寬的牛腿上設置滾軸或鉸支承,而
32、不得采用焊接等固定連接方式。并應能適應地震作用下相對位移的要求。(10)在規(guī)則平面中,如果結構剛度不對稱,在地震作用下仍然會產(chǎn)生扭轉。所以,抗側力結構的布置應均勻分布,并使荷載合力作用線通過結構剛度中心,以減少扭轉的影響。樓梯及電梯墻體的布置應注意使結構剛度對稱分布。 3.10 多高層建筑結構豎向布置有哪些規(guī)定?(1)歷次地震震害表明:結構剛度沿豎向突變、外形外挑內收等,都會產(chǎn)生變形在某些樓層的過分集中,出現(xiàn)嚴重震害甚至倒塌。所以設計中應力求自下而上剛度逐漸、均勻減小,體型均勻不突變。1995年阪神地震中,大阪和神戶市不少建筑產(chǎn)生中部樓層嚴重破壞的現(xiàn)象,其中一個原因就是結構
33、剛度在中部樓層產(chǎn)生突變。有些是柱截面尺寸和混凝土強度在中部樓層突然減小。有些是由于使用要求而剪力墻在中部樓層突然取消,這些都引發(fā)了樓層剛度的突變而產(chǎn)生嚴重震害。(2)抗震設計的高層建筑結構。其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80 %。結構豎向抗側力構件不宜不連續(xù)(圖3-9 )樓層的側向剛度可取地震作用下該樓層剪力和該樓層層間位移的比值。(3)A級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的承載力不宜小于其上一層的80% ,不應小于其上一層的565%.B級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的承載力不應小于其上一層的75%圖3-10)
34、 注:樓層層間杭側力結構承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上,該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和。(4)抗震設計時,當結構上部樓層收進部位到室外地面的高度H_1與房屋高度H之比大于0.2時,上部樓層收進后的水平尺寸B_1,不宜小于下部樓層水平尺寸B的G.75倍(圖3-11A, B)當上部結構樓層相對于下部樓層外挑時,下部樓層的水平尺寸B不宜小于上部樓層水平尺寸B_1的0.9倍,且水平外挑尺寸A不宜大于4M.圖3-11 (5)中國建筑科學研究院的計算分析和試驗研究表明,當結構上部樓層相對于下部樓層收進時,收進的部位越高、收進后的平面尺寸越小,結構的高振型反應越明顯
35、,因此對收進后的平面尺寸加以限制。當上部結構樓層相對于下部樓層外挑時,結構的扭轉效應和豎向地震作用效應明顯,對抗震不利,因此對其外挑尺寸加以限制,設計上應考慮豎向地震作用影響。 (6)歷次地震震害表明:結構剛度沿豎向突變、外形外挑或內收等,都會產(chǎn)生某些樓層的變形過分集中,出現(xiàn)嚴重展害甚至倒塌。所以設計中應力求使結構剛度自下而上逐漸均勻減小,體形均勻、不突變。1995年阪神地震中,大阪和神戶市不少建筑產(chǎn)生中部樓層嚴重破壞的現(xiàn)象,其中一個原因就是結構側向剛度在中部樓層產(chǎn)生突變。有些是柱截面尺寸和混凝土強度在中部樓層突然減小,有些是由于使用要求使剪力墻在中部樓層突然取消,這些都引發(fā)了樓層剛
36、度的突變而產(chǎn)生嚴重震害。柔弱底層建筑物的嚴重破壞在國內外的大地震中更是普遍存在。 (7)頂層取消部分墻、柱而形成空曠房間時,其樓層側向剛度和承載力可能比其下部樓層相差較多,是不利于抗震的結構,應進行詳細的計算分析,并采取有效的構造措施。如采用彈性時程分析進行補充計算、柱子箍筋應全長加密配置、大跨度屋面構件要考慮豎1)減小土的重量,降低地基的附加壓力;2)提高地基土的承載能力;3)減少地震作用對上部結構的影響。唐山地震震害凋查表明:有地下室的建筑物震害明顯減輕.同一結構單元應全部設置地下室,不宜采用部分地下室,且地下室應當有相同的埋深。3.11怎樣通過計算來限制建筑結構的不規(guī)則性?
37、160;結構平面布置要限制結構的扭轉效應。國內、外歷次大地震震害表明,平面不規(guī)則、質量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結構,在地震中受到嚴重的破壞。國內一些振動臺模型試驗結果也表明,扭轉效應會導致結構的嚴重破壞。對結構的扭轉效應需從兩個方面加以限制:(1)限制結構平面布置的不規(guī)則性,避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結構產(chǎn)生較大的扭轉效應。規(guī)定單向地震作用扭轉變形的計算應考慮偶然偏心的影響(詳見(高規(guī)第3.3.3條),樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移,A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應大于該樓層平均值的1.5倍(圖3-12) B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不宜
38、大于該樓層平均值的1.2倍,不應大于該樓層平均值的1.4倍。 (2)限制結構的抗扭剛度不能太弱。關鍵是限制結構扭轉為主的第一自振周期T_1與平動為主的第一自振周期T_1之比。當兩者接近時,由于振動藕連的影響,結構的扭轉效應明顯增大。結構扭轉為主的第一自振周期T:與平動為主的第一自振周期T,之比,A級高度高層建筑不應大于0.9, B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85O不滿足以上要求時,宜調整抗側力結構的布置,增大結構的抗扭剛度。如在滿足層間位移比的情況下
39、,減小某些(中部)豎向構件剛度,增大平動周期,加大端部豎向構件抗扭剛度,減小扭轉周期。扭轉禍聯(lián)振動的主方向,可通過計算振型方向因子來判斷。在兩個平動和一個轉動構成的三個方向因子中,當轉動方向因子大于0.5時,則該振型可認為是扭轉為主的振型。多高層建筑結構,經(jīng)計算若周期比T_1/T_1.小于0.5,則相對扭轉振動效應R/。一般較小(,R分別為扭轉角和結構的回轉半徑。R表示由于扭轉產(chǎn)生的離質心距離為回轉半徑處的位移,為質心位移),即使結構的剛度偏心很大,偏心距。達到0.7R,其相對扭轉變形R/值亦僅為0.2。而當周期比T_1/T_1.大于0.85以后,相對扭振效應R/值急劇增加。即使剛度偏心很小,
40、偏心距E僅為0.1R,當周期比T_1/T_1等于0.85時,相對扭轉變形R/值可達0.25;當周期比T_1/T_1接近1時,相對扭轉變形R/值可達0.5。由此可見,抗震設計中應采取措施減小周期比T_1/T_1值,使結構具有必要的抗扭剛度。表3-7從表中還可以看出,結構的第一振型是以平動為主的平動與扭轉混合振型(其平動振動系數(shù)為0.90,扭轉振動系數(shù)為0.10),結構以扭轉振動為主的第一自振周期T,與平動振動為主的第一自振周期T_1之比為T_1/T_1=4.929/1.210 = 0.768,符合高規(guī)第4.3.5條A級高度高層建筑不應大于0.9的要求。(3)目前在工程設計中應
41、用的多數(shù)計算分析方法和計算機軟件,都假定樓板在平面內不變形,平面內剛度為無限大,這對于大多數(shù)工程來說是可以接受的。但當樓板有大的凹人、大的開洞時,樓板在平面內削弱過大,樓板產(chǎn)生顯著的變形,這時剛性樓板的假定不再適用,要采用考慮樓板變形影響的計算方法和相應的計算程序??紤]樓板的實際剛度可以采用將樓板等效為受彎水平梁的簡化方法,也可以將樓板劃分為單元后采用有限單元法進行計算。 (4) 級高度的高層建筑結構和高規(guī)第10章規(guī)定的復雜高層建筑結構,應符合下列要求: 1)應采用至少兩個不同力學模型的三維空間分析軟件進行整體內力位移計算;
42、160; 2)抗震計算時,宜考慮平扭藕連計算結構的扭轉效應,振型數(shù)不應小于15,對多塔樓結構的振型數(shù)不應小于塔樓數(shù)的9倍,且計算振型數(shù)應使振型參與質量不小于總質量的90%; 3)應采用彈性時程分析法進行補充計算; 4)宜采用彈塑性靜力或動力分析方法驗算薄弱層彈塑性變形。 5)對豎向不規(guī)則的高層建筑結構,包括某樓層抗側剛度小于其上一層的70%或小于其上相鄰三層側向剛度平均值的80% ,或結構樓層層間抗側力結構的承載力
43、小于其上一層的80%,或某樓層豎向抗側力構件不連續(xù),其薄弱層對應于地震作用標準值的地震剪力應乘以1.15的增大系數(shù);結構的計算分析應符合高規(guī)第5.1.13條的規(guī)定,并應對薄弱部位采取有效的抗震構造措施。 3.12多高層建筑結構水平位移限值的目的是什么? 多高層建筑結構應具有必要的剛度,在正常使用條件下限制建筑結構層間位移的主要目的為;第一,保證主要結構基本處于彈性受力狀態(tài),對鋼筋混凝土結構要避免混凝土墻或柱出現(xiàn)裂縫;將混凝土梁等樓面構件的裂縫數(shù)量、寬度限制在規(guī)范允許范圍之內。第二,保證填充墻、隔墻和幕墻等非結構構件的完好,避免產(chǎn)生明顯損壞
44、。因此,高規(guī)第4.6.3條規(guī)定了按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比U/H的限值。3.13樓層層間最大位移U是怎樣計算的? 正常使用條件下的結構水平位移是按地震小震考慮,即50年設計基準期超越概率10%的地震加速度的多遇地震考慮,比設防烈度約低1.55度的設計基本地震加速度計算確定;風荷載按50年或100年一遇的風壓標準值計算確定。第I層的U/H指第I層和第I-1層在樓層平面各處位移差U=U_1-U_(I-1中的最大值與層高之比,不扣除整體彎曲變形。由于多高層建筑結構在水平力(水平地震作用或風荷載)作用下幾乎都會產(chǎn)生扭轉,所以U的最大值一般在結構單元的邊角部位。高層建筑結構的水
45、平地震作用下最大位移,應在單向水平地震作用時不考慮偶然偏心的影響,采用考慮扭轉藕聯(lián)振動影響的振型分解反應譜法進行計算,并應采用剛性樓板假定。3.14為什么要進行薄弱層彈塑性變形計算? 震害表明,結構如果存在薄弱層,在強烈地震作用下結構薄弱部位將產(chǎn)生較大的彈塑性變形,會引起結構嚴重破壞甚至倒塌。因此。高規(guī)第5.5.1條規(guī)定了對某些抗震設計的高層建筑結構,在罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形驗算;第4.6.5條規(guī)定了層間彈塑性位移角限值;第5.5.1條至5.5.3條規(guī)定了彈塑性變形計算方法;第5.1.13條規(guī)定,B級高度的高層建筑結構和第10章的復雜高層建筑結構宜采用彈塑性靜力或動力分析方法
46、驗算薄弱層彈塑性變形。 彈塑性動力分析,即彈塑性時程分析,目前各有關國家還處于研究階段,尚缺乏比較成熟的實用分析軟件。彈塑性靜力分析方法,即結構非線性計算( PUSHOVER推覆分析),目前許多院校和研究單位都可進行計算,中國建筑標準設計研究所的北京金土木軟件技術有限公司新推出國際建筑結構通用軟件ETARS中文版可以進行此項計算。3.15高規(guī)為什么規(guī)定舒適度要求?高層建筑在風荷載作用下將產(chǎn)生振動,過大的振動加速度將使在高樓內居住的人們感覺不舒適,甚至不能忍受,直接影響工作和生活,不舒適程度與建筑物的加速度關系如表3-8所示。高規(guī)第4.6.6條規(guī)定,高度超過150M的高層建筑
47、結構應具有良好的使用條件、滿足舒適度要求,按10年一遇的風荷載取值計算的順風向與橫風向結構頂點最大加速度_MAX不應超過表3-9中數(shù)值。超高層建筑風振反應加速度包括順風向最大加速度、橫風向最大加速度和扭轉角速度。順風向和橫風向的頂點最大加速度應按下列公式計算:(1) 順風向頂點最大加速度_W=(_R_0A)/(M_TOT)式中 _W順風向頂點最大加速度(M/S2)_風荷載體型系數(shù);_R重現(xiàn)期調整系數(shù),取重現(xiàn)期為10年時的系數(shù)0.83;_0基本風壓(KN/M2),按現(xiàn)行國家標準建筑結構荷規(guī)范GB 500092001、分別為脈動增大系數(shù)和脈動
48、影響系數(shù),按現(xiàn)行國家標準建筑結構荷載規(guī)范GB500092001的規(guī)定采用A建筑物總迎風面積(M2)M_TOT建筑物總質量(T)(2) 橫風向頂點最大加速度_W=(B_R)/(T_12).(SQRT(BL)/(_BSQRT(_T,CR) (3-4)B_R=2.05×10-4(_N,MT_T)/(SQRT(BL)3.3(KN/M3)(3-5)式中 _TR橫風向頂點最大加速(M/S2);_O,M建筑物頂點平均風速(M/S),_OM=40SQRT(_O_Z_O)_Z風壓高度變化系數(shù);B建筑物所受的平均重力(KN/M3);T,ER建筑物橫
49、風向的臨界阻尼比值;T_1建筑物橫風向第一自振周期(S)B、L分別為建筑物平面的寬度和長度(M)316多高層房屋適用高度和高寬比如何確定? (1)鋼筋混凝土高層建筑結構的最大適用高度和高寬比分為A級和B級。B級高度高層建筑站構的最大適用高度和高寬比較A級有所放寬,其結構抗震等級和有關的計算、構造措施應符合本手冊相應條文的規(guī)定。多層建筑結構只有A級適用高度。(2)A緞高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度宜符合高規(guī)表4.2.2-1的規(guī)定,短肢剪力墻筒體結構的最大適用高度應符合高規(guī)第7.1.2條的規(guī)定??蚣?剪力墻、剪力墻和筒體結構高層建筑,其高度超過表4.2.2-1規(guī)定時為B
50、級高度高層建筑.B級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度不宜大于高規(guī)表4.2.2-2的規(guī)定。(3)島層建筑的高寬比,是對結構剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟臺理性的宏觀控制。A級高度高層建筑的高寬比限值見高規(guī)表4.2.3-1,B級高度高層建筑的高寬比限值見高規(guī)表4.2.3-2。在復雜體型的高層建筑中,如何計算高寬比是比較難以確定的問題。一般場合,可按所考慮方向的最小投影寬度計算高寬比,但對突出建筑物平面很小的局部結構(如樓梯間、電梯間等),一般不應包含在計算寬度內;對于不宜采用最小投影寬度計算高寬比的情況,應由設計人員根據(jù)實際情況確定合理的計算方法;對帶有裙房的高層建筑,當裙房的面積和剛度相對于
51、其上部塔樓的面積和剛度較大時,計算高寬比的房屋高度和寬度可按裙房以上部分考慮。目前超過B級高度高層建筑的高寬比是極個別的,例如上海金茂大廈(88層,420M)為7 6深圳地王大廈(81層,320M)為8 8。高層建筑的高寬比在滿足限值時,可不進行穩(wěn)定驗算,超過限值時應進行穩(wěn)定驗算。317建筑結構抗震等級是怎樣確定的?(1)多高層建筑結構的抗震措施是根據(jù)抗震等級確定的,抗震等級的確定與建筑物的類別相關,不同的建筑物類別在考慮抗震等級時取用的抗震烈度與建筑場地類別有關,也就是考慮抗震等級時取用烈度與抗震計算時的設防烈度不一定相同。(2)建筑結構應根據(jù)其使用功能的重要性分為甲、乙
52、、丙、丁類四個抗震設防類別。建筑的抗震設防類別劃分見國家標準建筑抗震設防分類標準GB 50223的規(guī)定也可見建筑抗震設計手冊(1994年版)第一篇第二章。高層建筑沒有丁類抗震設防。各抗震設防類別的高層建筑結構,其抗震措施應符臺下列要求:1)甲類、乙類建筑:當本地區(qū)的抗震設防烈度為68度時,應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求;當本地區(qū)的設防烈度為9度時,應符合比9度抗震設防更高的要求。當建筑場地為類時,應允許仍按本地區(qū)抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施;2)而類建筑:應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求。當建筑場地為I類時,除6度外,應允許按本地區(qū)抗震設防烈度降低一度的要求采取抗震構造措
53、施. 按建筑類別及場地調整后用于確定抗震等級烈度如表3-10。表中9*表示比9度一級更有效的抗震措施,主要考慮合理的建筑平面及體型、有利的結構體系和更嚴格的抗震措施。具體要求應進行專門研究。(3)抗震設計時,多高層建筑鋼筋混凝土結構構件應根據(jù)設防烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級,并應符合相應的計算和構造措施要求。A級高度丙類建筑鋼筋混凝土結構的抗震等級應按表3.11確定。當本地區(qū)的設防烈度為9度時,A級高度乙類建筑的抗震等級應按本節(jié)第9條規(guī)定的特一級采用,甲類建筑應采取更有效的抗震措施。 注:本規(guī)程“特一級和一、二、三、四級”即“抗震等級為特一級和一、二、三、四級
54、”的簡稱。A級高度的高層建筑結構抗震等級 表3-11(4)抗震設計時,B級高度丙類建筑鋼筋混凝土結構的抗震等級應按表3-12確定。(5)建筑場地為、類時,對設計基本地震加速度為0 15G和O.30G的地區(qū),宜分別按抗震設防烈度8度(0.20G)和9度(0.40G)時各類建筑的要求采取抗震構造措施。(6)抗震設計的多高層建筑,當?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y構的嵌固端時,地下一層的抗震等級應按上部結構采用,地下一層以下結構的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級,地下室柱截而每側的縱向鋼筋面積除應符合計算要求外,不應少于地上一層對應柱每側縱向鋼筋面積的1.1倍;地
55、下室中超出上部主樓范圍且無上部結構的部分,其抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。9度抗震設計時地下室結構的抗震等級不應低于二級。(7)抗震設計時、與主樓連為整體的裙樓的抗震等級不應低于主樓的抗震等級;主樓結構在裙房頂部上、下各一層應適當加強抗震構造措施。(8)房屋高度大、柱距較大而柱中軸力較大時,宜采用型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱,或采用高強度混凝土柱。 B級高度的高層建筑結構抗震等級 表3-12(9)高層建筑結構中,抗震等級為特一級的鋼筋混凝土構件,除應符合一級抗震等級的基本要求外,尚應符臺下列規(guī)定:1)框架柱應符合下列要求:宜采用型鋼
56、混凝土柱或鋼管混凝土柱;柱端彎矩增大系數(shù)_C、柱端剪力增大系數(shù)_VC.應增大20;鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值_V,應按表5-13的數(shù)值增大O.02采用;全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率,中、邊柱取1.4,角柱取1.6。2)框架梁應符合下列要求:梁端剪力增大系數(shù)“應增大20;梁端加密區(qū)箍筋構造最小配箍率應增大10。3)框支柱應符合下列要求:宜采用型鋼混凝士柱或鋼管混凝土柱;底層柱下端及與轉換層相連的柱上端的彎矩增大系數(shù)取L.8,其余層柱端彎矩增大系數(shù)_R應增大20;柱端剪力增大系數(shù)_VR應增大2U;地震作用產(chǎn)生的柱軸力增大系數(shù)取1.8,但計算柱軸壓比時可不計該項增大;鋼筋混凝土柱柱端加密
57、區(qū)最小配箍特征值_R應按表5-13的數(shù)值增大0.03采用,且箍筋體積配箍率不應小于1.6;全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率取1.6。4)筒體、剪力墻應符合下列要求:底部加強部位及其上一層的彎矩設計值應按墻底截面組合彎矩計算值的1.L倍采用,其他部位可按墻肢組合彎矩計算值的L.3倍采用;底部加強部位的剪力設計值,應按考慮地震作用組合的剪力計算值的1.9倍采用,其他部位的剪力設計值,應按考慮地震作用組合的剪力計算值的L.2倍采用;一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率應取為0.35,底部加強部位的水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率應取為0.4;約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率應取為1.4配箍特征值宜增
58、大20;構造邊緣構件縱向鋼筋的配筋率不應小于1.2;框支剪力墻結構的落地剪力墻底部加強部位邊緣構件宜配置型鋼,型鋼宜向上、下各延伸一層。 5)剪力墻和簡體的連梁應符合下列要求:當跨高比不大于2時,應配置交叉暗撐;當跨高比不大于1時,宜配置交叉暗撐;交叉暗撐的計算和構造宜符合本書第10章10.7條的規(guī)定。318重力二階效應和結構整體穩(wěn)定應怎樣考慮? (1)所謂重力二階效應,一般包括兩部分:一是由于構件自身撓曲引起的附加重力效應。-效應,二階內力與構件撓曲形態(tài)有關,一般中段大、端部為零;=是結構在水平風荷載或水平地震作用下產(chǎn)生側移變位后,重力荷載由于該側移而引起的附
59、加效應即重力P-效應。分析表明,對一般高層建筑結構而言,由于構件的長細比不大,其撓曲二階效應的影響相對很小,一般可以忽略不計;由于結構側移和重力荷載引起的P-被應相對較為明顯,可使結構的位移和內力增加,當位移較太時甚至導致結構失穩(wěn)。因此,高層建筑混凝土結構的穩(wěn)定設計,主要是控制、驗算結構在風或地震作用下,重力荷載產(chǎn)生的P-效應對結構性能降低的影響以及由此可能引起的結構失穩(wěn)。高層建筑結構只要有水平側移,就會引起重力荷載作用下的側移二階效應(P-效應),其大小與結構側移和重力荷載自身大小直接相關,而結構側移叉與結構側向剛度和水平作用大小密切相關??刂平Y構有足夠的側向剛度,宏觀上有兩個容易判斷的指標
60、:一是結構側移應滿足規(guī)程的位移限制條件,二是結構的樓層剪力與該層及其以上各層重力荷載代表值的比值(即樓層剪重比)應滿足最小值規(guī)定。一般情況下,滿足了這些規(guī)定,可基本保證結構的整體穩(wěn)定性,且重力二階效應的影響較小。對抗震設計的結構,樓層剪重比必須滿足高規(guī)第3.3.13條的規(guī)定;對于非抗震設計的結構,雖然荷載規(guī)范規(guī)定基本風壓的取值不得小于0.3KNM2可保證水平風荷載產(chǎn)生的樓層剪力不至于過小,但對樓層剪重比沒有最小值規(guī)定。因此,對非抗震設計的高層建筑結構,當水平荷載較小時,雖然側移滿足樓層位移限制條件,但側向剛度可能依然偏小,可能不滿足結構整體穩(wěn)定要水或重力二階效應不能忽略。(2)建筑抗震設計規(guī)范(CB 50011-2001)第三章第3.6.3條規(guī)定:“當結構在地震作用下的重力附加彎矩大于初始彎矩的10時,應計人重力二階效應的影響。”初始彎矩為該樓層地震剪力與樓層層高的乘積,即M_1=FEH;重力附加彎矩為任一樓層以上全部重力荷載與該樓層地震產(chǎn)生的層問位移的乘積,即M_2=P·,亦稱二階彎矩(圖3-13),總的彎矩為:M=M_1+M_2=F_RH+P*結構由于M_2又使增加,同時又對二階彎矩進一步增大,如此反復,對某些結構可能產(chǎn)生積累性的變形增大而導致結構失穩(wěn)而倒塌。重力二階彎矩與初始彎矩的比值稱之為穩(wěn)定系數(shù),其值為:公式一式中
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