《結構工程設計概要》PPT課件.ppt

高層建筑結構分析與設計要點 編寫 趙新啟 1 選擇合理的計算分析模型2 識別計算模型的局限性和適應性3 計算結果的判斷與處理4 通過周期比及位移比判斷結構平面規(guī)則性 1 選擇合理的計算分析模型 分析模型由以下三部分組成 1 建立模型 模型不同于原型 2 施加載荷 載荷不可知 3 使用材料抵抗外力 材料屬性是離散的 1 1 結構的初始分析 當拿到一個建筑結構時 首先要分析結構特殊性 特殊性往往是指結構的薄弱部位 設計時需要特別注意 或需要加強 的部位 特殊的結構形式 如 大底盤多塔結構 造成塔之間相互影響 且上下剛度突變 錯層結構 造成大量的越層柱 樓板錯位使得水平荷載傳遞中斷 產生剛度突變以及薄弱部位 轉換層結構 造成上下剛度突變 豎向荷載傳遞中斷 產生薄弱層 板柱結構 形成框架的剛度很弱 不能抵抗較大的水平力 需要加剪力墻才能抵抗較大的水平荷載 樓板弱連接 樓板整體性差 水平力作用將產生弱連接處的應力集中 特殊連接方式 偏心梁托柱 墻 大截面柱產生的剛性梁 上部大梁的向下的吊柱 懸臂梁抬柱 短肢墻的單元劃分 洞口不對齊 等等 結構的特殊性往往與結構的剛度特征 傳力方式 荷載作用 受力變形等有關 結構的特殊性反應在結構的分析模型 通過建模來合理地實現這種特殊性 結構的特殊性大多也是結構的薄弱部位 所以需要合理的簡化 設計時需要特別的加強 有吊柱的結構 在恒載計算時不能采用 模擬施工 的方法 只能用 一次性加載 吊車廠房結構附屬框架 地震 風可能的最不利作用方向 1 2 計算模型的選擇 對于常見的梁 柱 支撐構件 一般選用桿系模型 即桿單元模型 或稱一維單元模型 對于剪力墻 樓板構件 一般選用殼元模型 或稱二維單元模型 對于板柱結構 在整體分析時 樓板可模擬成寬扁梁 即柱上板帶 模型 也可以按彈性樓板分析 彈性板6 殼元 但是要注意樓板的單元劃分 對于頂部為平板網架的部分 網架部分可以按一個超大房間定義 并采用剛性樓板的分析模型 整體計算不得輸入網架畫蛇添足 對于有斜坡梁的結構 分析時 不能按 強制剛性樓板假定 來分析 且平面部分也最好考慮彈性樓板的分析模型 對于有超多小塔的多塔結構 由于程序允許的剛性板數有限 可以采用定義彈性樓板的分析模型來避開這個限制 對于復雜錯層結構 宜采用全樓彈性樓板的分析模型 對于上連的多塔結構 上部連體部分在整體分析時 宜采用彈性樓板的分析模型 復雜的連接部位 對于超短梁 或在柱截面范圍內的梁 應按剛性梁模型分析 對于框支轉換大梁 由于需要與上部剪力墻變形協(xié)調 所以單元劃分應盡量細 但即使如此 仍不能避免兩種模型協(xié)調上的差異 造成應力集中 此時可以采用平面有限元的計算模型 補充分析 對于墻與轉換梁偏心連接 可以加剛性梁來考慮偏心傳力對托梁產生的整體扭矩 對于超短柱 應盡量避免 容易產生應力集中 2 1 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 剛性板塊或塔數太多 定義彈性板 避開剛性板數的限制 屋架的模型簡化 剛性桿或采用剛性樓板假定 柱頂鉸接 屋蓋計算模型簡化 平板網架的模型簡化 定義超大房間按剛性樓板假定分析 網架荷載按均布作用到四周 網殼的模型簡化 網殼荷載按集中力作用到四周 超大房間按板厚為0考慮 忽略水平剛度 注意網殼傳給四周的水平推力 合理的計算模型 應根據實際工程的情況確定 不一定有統(tǒng)一的模式 合理的計算模型 主要要滿足結構剛度 傳力特點 并能較好地反映結構的變形特征 即使有簡化誤差 也應該限制在局部的范圍 計算模型的正確與否 是結構分析的前提 在建模時就時時體現貫徹這點 建模不是幾何模型 搭積木 而是力學計算模型 力學模型講求簡單明了 如果計算模型簡化錯誤 則后面的分析均失效 力學模型是由 點 連接點 線 線剛度 面 殼剛度 所組成 連接 傳力均以節(jié)點為準 1 3 連梁 剛性梁 轉換大梁的分析模型 由剪力墻開洞產生的連梁梁剛度模型采用殼元 剛度與單元劃分有關 剛度只能折減不能放大 不做負彎矩調幅和扭矩的折減 這種采用二維單元模型的連梁 與兩端的剪力墻協(xié)調性較好 剛度的準確性很依賴于單元的劃分 所以 當其跨高比較大時 應加細單元的劃分 如果單元加密有限制 則可以采用框架梁單元較為合理 連梁的單元劃分也會影響到兩端墻體的單元劃分 用框架梁定義的連梁梁剛度采用一維桿模型 連梁的屬性可以修改 按連梁則剛度只可以折減 按框架梁則剛度可以放大 可以做負彎矩調幅以及扭矩的折減 與兩端剪力墻協(xié)調性較差 只有一個節(jié)點 當跨高比較小時 剛度估計偏小 連梁的計算模型 連梁作為一種重要的 敏感的結構剛度調節(jié)器 其分析模型的合理性會影響到整個結構的分析結果 連梁按殼元進行劃分單元方式的有限元分析模型 如果單元劃分可以很細 則連梁跨高比再大 計算結果也是正確的 當單元劃分受到限制 對跨高比較大的連梁 由于單元劃分不夠細 將造成較大的分析誤差 與形函數有關 為此 可以按以下方式處理 當跨高比大于5時 連梁按框架梁輸入 分析 當跨高比小于2 5時 連梁按殼元 洞口 輸入 分析 當跨高比介于5和2 5之間時 按殼元 洞口 分析 應細化單元劃分 按框架梁分析 結構剛度將偏柔 連梁的單元劃分 連梁與墻的協(xié)調節(jié)點 框架梁與墻的協(xié)調節(jié)點 剛性梁 廣義稱謂剛性桿 是一種不能自身變形 但能剛體位移的構件 剛性桿普遍用于結構分析中 但是在結構分析中 不能有太多的剛性桿 因為剛性桿的剛度要遠大于正常的結構剛度 使得結構剛度在局部產生病態(tài) 容易造成局部失真 程序控制超短構件 對小于0 2m的構件 取0 2m的長度 要區(qū)別剛性桿與桿件的剛域 兩者的工作原理略有不同 剛性桿 帶剛域的桿 不同的工作原理和區(qū)別 剛性梁和剛域的區(qū)別 剛性梁可以獨立位移 但不變形 主要起到傳遞位移和力的作用 與構件變形不協(xié)調 即不符合變形協(xié)調條件 剛域則需要依附于構件 本身也不變形 但隨構件變形而移動 與構件變形協(xié)調 剛性梁與剛域作用是一樣的 但效果不一定相同 兩者不能互換 剛性梁使局部轉角增加 彎矩增加 垂直于構件的剛域也會使局部轉角增加 彎矩增加 沿著構件的剛域不會使局部轉角增加 彎矩增加 柱內多節(jié)點的連接 當柱范圍內有多節(jié)點時 應加柱內小梁 以封閉房間 該小梁程序自動定義為剛性梁 應定義兩根小梁 以封閉房間程序自動確認為剛性梁 柱定位點 一根柱抬兩根柱 此時 需要加剛性梁 加兩根剛性梁 加一根剛性梁 牛腿 一根梁抬兩片墻 此時 只能簡化處理 轉換大梁上建三根軸線 如下圖所示 中軸線定義寬轉換梁 上下兩根軸線定義上部剪力墻 建若干豎向軸線定義剛性梁 上部墻與下部剛性梁交點 剛性梁與轉換梁的交點 對柱邊的短梁 也可以采用定義剛性梁的方法 超過梁寬范圍產生短梁 此時才是真正的短梁 應盡量避免 因為應力過于集中 對柱邊短梁可以采用加寬 加掖等方法 柱邊短梁加寬 柱邊短梁加掖 梁柱偏心的計算模型 當梁柱偏心時 程序自動加剛域 來考慮偏心產生的附加彎矩 也可以通過人工設置剛性梁來實現 梁的計算模型 梁的剛域 梁端剪力 轉換為柱端軸力和彎矩 上下柱偏心的計算模型 當上下柱形心偏心連接時 程序自動加剛域 來考慮偏心產生的附加彎矩 柱水平剛域 上柱軸力 轉換為下柱的軸力和彎矩 梁抬墻的偏心問題 當轉換梁抬偏心墻時 一般認為在豎向力作用下 墻對下部轉換梁作用一個大的扭矩 但事實上扭矩并不大 因為扭矩是由梁兩端轉角不協(xié)調所產生 上部墻體雖然偏心 但它給下部的梁柱作用的是一個同向的彎曲 所以 偏心的效果都轉化為兩邊柱的附加彎矩了 上部墻偏心將主要產生下部柱的附加彎矩 轉換大梁往往占據了一層的層高 并且還開有部分洞口 轉換大梁屬于一種特殊的轉換方式 上部托剪力墻或密排柱 轉換大梁上下有兩層樓板與之連接 所以具有足夠的面外穩(wěn)定性 轉換大梁的開洞 應該避開應力集中區(qū) 模型一 模型二 柱豎向剛域 按墻定義 按大梁定義 一般這種超大梁占有一層的高度 分析模型與構件的配筋模型難以統(tǒng)一 所以采用兩次分析用不同的計算模型來解決問題 模型一 梁所占有的一層仍按一層輸入 大梁按剪力墻定義 此時可以正確分析整體結構及構件內力 除大梁 用剪力墻輸入 的配筋不能用以外 其余構件的配筋均能參考采用 模型二 把大梁作為一層輸入 即兩層合并為一層 大梁則按梁定義 層高為兩層之和 這種計算模型僅用于考察 計算大托梁受力 配筋 其余構件及結構整體分析的結果可以不用參考 層高的增加使柱的計算長度增加 此時程序自動考慮柱上端的剛域 亦使結構分析準確 也可以用FEQ進行二次分析 2 1 復雜洞口的處理 當剪力墻開洞復雜時 洞口附近的應力狀態(tài)也復雜 整體計算時 需要簡化 對特別復雜的洞口關系 還需要采用應力分析的方法 連梁的受力也與洞口密切相關 一方面 不管洞口多么復雜 只要剪力墻單元劃分合理 結構剛度分析的準確性還是有保證的 另一方面 由于復雜洞口 造成結構構件特征 如梁 柱屬性 不明顯 如 看似梁但又不受彎而以剪切變形為主 反之亦然 所以 最后往往歸集到設計問題 對于特別復雜的開洞墻 可以采用FEQ補充分析 并且通過應力分析來掌握復雜洞口的應力分布 剪力墻設計控制截面的位置 一般取墻柱在洞口上下方的截面 但是應避開上下角點的應力集中區(qū) 對于小開口墻 整體剛度分析時 可以不考慮其影響 在施工圖設計時 局部加強即可 洞口產生的連梁 其剛度對結構整體影響很大 所以 合理分析模型是正確分析的前提保證 對于復雜洞口來說 局部的簡化是有必要的 但是 簡化模型不能使得結構整體分析誤差增大 當洞口處應力復雜時 應考慮斜向配筋 以防洞口角部開裂 2 2 樓板與墻體單元劃分的協(xié)調 當考慮彈性樓板時 樓板單元劃分是否需要與墻單元協(xié)調 這是需要討論的問題 對于二維單元來說 單元節(jié)點的位移協(xié)調模式 是很關鍵的問題 剪力墻單元劃分上下節(jié)點的協(xié)調 SATWE采用協(xié)調劃分 自動化份難度較大 有時上下洞口太復雜 造成單元自動化分局部不合理 而產生部分不協(xié)調節(jié)點 如果不協(xié)調節(jié)點在墻中部 問題不大 在端部 則會增大分析誤差 PMSAP采用兩個端點協(xié)調 中部采用廣義協(xié)調的方式 沒有不協(xié)調節(jié)點 廣義協(xié)調函數是關鍵 SATWE上下墻節(jié)點要求協(xié)調 PMSAP上下墻可以采用附加位移函數作為約束條件的廣義協(xié)調 廣義協(xié)調位移函數曲線 墻 墻上下邊界的節(jié)點協(xié)調 剪力墻單元劃分左右節(jié)點的協(xié)調 SATWE采用協(xié)調劃分 自動化份難度不大 一般不會產生不協(xié)調節(jié)點 左右節(jié)點的協(xié)調 沒有考慮與邊框柱中間的協(xié)調 PMSAP同樣采用兩個端點協(xié)調 中部采用廣義協(xié)調的方式 并且考慮了與邊框柱的中部協(xié)調 墻 墻左右邊界的節(jié)點協(xié)調 PMSAP上下采用節(jié)點協(xié)調 中部采用廣義協(xié)調位移函數曲線 SATWE采用節(jié)點協(xié)調 樓板單元劃分左右節(jié)點的協(xié)調 SATWE樓板單元劃分很簡單 一般只劃分一個單元 對異形房間會多劃分成幾個單元 由于沒有中間結點 所以沒有協(xié)調問題 單元化分粗 這種簡單的樓板劃分只適用于整體結構的分析 PMSAP采用三角形單元的精細劃分 板與板之間的中部節(jié)點采用廣義協(xié)調的方式 并且可以考慮與梁的中部協(xié)調 樓板邊界的節(jié)點協(xié)調 SATWE樓板單元劃分不增加周邊梁墻的劃分節(jié)點 樓板剛度只對控制節(jié)點有貢獻 PMSAP樓板單元劃分增加周邊梁墻的劃分節(jié)點 樓板剛度可以控制是否與梁墻協(xié)調 樓板單元劃分與剪力墻單元劃分節(jié)點的協(xié)調 SATWE樓板單元劃分 只與剪力墻在房間樓板的節(jié)點上協(xié)調 PMSAP樓板單元劃分 與剪力墻之間可以采用廣義協(xié)調的方式進行位移協(xié)調 樓板與墻邊界的節(jié)點協(xié)調 SATWE樓板單元劃分不增加周邊梁墻的劃分節(jié)點 樓板剛度只對控制節(jié)點有貢獻 PMSAP樓板單元劃分增加周邊梁墻的劃分節(jié)點 樓板剛度可以控制是否與梁墻協(xié)調 綜上所述 SATWE PMSAP在整體分析時 樓板單元劃分粗細影響不大 對結構整體性能的影響很小 所以結構整體分析結果是沒有問題的 對于梁柱結構 分析時不考慮樓板所能承擔荷載 只是適當考慮其剛度變化 如 開大洞 薄弱連接等 所以單元劃分粗細 對分析影響不大 對于板柱結構 由于樓板剛度是主要因數 樓板剛度將影響到整體結構的性能 內力和設計 所以 應該考慮樓板細分的準確剛度 對于需要局部精細分析 尤其分析板柱結構 或薄弱樓板對結構的影響 樓板與梁 墻的協(xié)調等方面 PMSAP要比SATWE更合理 更精確 2 3 短肢墻和邊框柱 對于短肢墻 局部單元劃分的疏密 對結構局部分析影響比較明顯 當結構中設有較多的短肢墻時 應把 殼元最大邊長 選擇最小 以提高局部的分析精度 當有邊框柱與墻相連時 由于邊框柱與墻共同工作 所以邊框柱的剛度可以有條件地忽略 邊框柱與墻會產生剛度的重復 在分析時宜扣除 考慮邊框柱與墻共同工作 其中間節(jié)點是否與墻協(xié)調 對分析影響不大 局部短墻肢單元劃分較粗 存在局部誤差 對結構整體性能分析影響不大 最好考慮局部細分 必須協(xié)調節(jié)點 可以協(xié)調節(jié)點 協(xié)調后結構剛度增加 端部的超短墻肢可以按邊框柱來定義 設計 從整體分析來看 短墻肢的局部細分 還是比較重要的 尤其是短墻肢較多時 目前 SATWE所能做到的最小劃分單元長度為1米 應該說對整體分析已經夠了 PMSAP可以劃分的更細 單元控制長度可以在1米以下 當然對提高局部精度有好處 但是也將花費更多的時間 對于設計來說 不應或盡量避免設置超短墻肢 如小于500長 指軸線距離 的墻肢 以避免局部分析誤差 如果一定要定義超短墻肢 可以把這段端部的超短墻肢按邊框柱定義 設計 3 1 產生不同計算結果的原因 對于復雜結構 規(guī)范要求要用兩個計算模型不同軟件進行對比分析 其目的就是要避免各個軟件計算模型的局限性 取長補短 相互補充 以免為設計帶來隱患 當計算結果不同時 1 首先檢查建構的整體性能指標和參數 對結構的分析控制參數 各層質量 荷載 層高 材料強度 基本風壓等等 進行對比 2 對結構特殊構件的定義進行對比 如 鉸接構件 彈性樓板 多塔定義 特殊荷載定義等 3 對比結構的性能指標 層剛度比 剪重比 剛重比 位移比 樓層抗剪承載力比值 等等 4 整體分析結果對比 結構自振周期 樓層位移角 風荷載 樓層傾覆彎矩等等 5 內力調整及調整方式 地震內力調整內涵較多 如最小剪力系數 0 2Qo 雙向地震組合 框支剪力墻 轉換托梁等等 6 構件單工況內力的對比 單工況內力反映了結構在各種外力下的效應 可以很容易對比出問題所在 這是經常采用的方法 7 構件配筋驗算的設計對比 設計包絡和配筋驗算可以具體檢查出不同軟件的處理手段 如 越層柱 越層支撐 邊框柱 以及特殊截面的處理等 變截面 鋼管混凝土 型鋼混凝土 等 對分析結果的正確性判斷 由基本的力學概念 和分析對比來實現 而復雜結構難以用力學概念判斷 大多采用分析對比判斷其合理性 所以 產生不同計算結果的原因 有可能是多方面的 需要有條理地一步步分析 由外至內地分析產生的原因 3 2 分析結果的合理性判斷 分析結果的合理性 取決于結構建模 含特殊構件 多塔設置 定義 的合理性 計算模型簡化的合理性有關 對于模型和算法 有時理論上 規(guī)范中 并沒有給出現成的準確的方法 這樣軟件在操作中就要作特殊處理 了解這些特殊的處理 對目前結構分析理論 設計理論的局限性和簡化模式 會有較深刻的理解 對于處理特殊部位的現象 可以更深刻的理解和解釋 這樣處理問題也就容易了 柱長度系數對配筋的影響 柱長度系數對柱配筋 驗算影響很大 目前 軟件采用規(guī)范方法 有梁柱剛度比 指定等方法 但是由于長度系數的計算公式是從平面框架中簡化計算求得 所以存在以下一系列問題 1 對于空間框架 柱受到多方向梁的約束 2 斜撐對柱的影響 3 單邊有墻時 對柱的影響 4 梁近端 遠端的不同約束 對柱的影響 5 柱上下端不同連接 梁抬柱 墻抬柱 柱抬墻 對柱的影響 6 異形柱 特殊截面柱的長度系數 7 斜柱的長度系數 8 層間梁對柱長度系數的影響 9 樓板剛度對柱的約束作用 也應該對柱長度系數的計算有影響 另外 對于斜支撐的長度系數 梁平面外穩(wěn)定的長度系數 規(guī)范沒有給出計算公式 軟件只提供補充修改 定義 并不計算 缺省取1 理解了柱長度系數計算存在的問題 設計中就可以提出相應的解決辦法 或簡化辦法 以解決設計問題 梁柱重疊作為剛域對梁端彎矩剪力的影響 梁柱重疊作為剛域 可能會改變梁端彎矩 剪力 因為 1 梁柱重疊作為剛域 提高了結構的剛度 在地震力作用下 端部內力會增加 2 由于風荷載不變 所以由風產生的內力將減少 2 在豎向荷載作用下 端部內力將減少 3 組合設計內力的增加 減少是不一定的 4 梁柱重疊作為剛域 只有在柱截面較大于梁截面時才起作用 當結構剛度不夠時 表現為位移超限 可以選擇該參數提高結構剛度 框剪結構0 2Qo調整的選擇和計算方法 根據高規(guī)對框架剪力墻結構 要求0 2Qo 調整對于結構延高度方向有內收時 應按內收層作為Qo的基礎調整值 來調整內收以上層的地震內力 1 軟件并沒有這樣設計 所以 當有內收時 內收層的調整系數將偏大 2 統(tǒng)計Qo時 應在 最小剪力系數 薄弱層放大系數調整以后 注意不應在雙向地震組合以后 3 然后進行雙向地震組合 組合后的地震內力再乘以0 2Qo的放大系數 4 放大系數對柱和框架梁端的剪力 彎矩起作用 5 可以人工定義調整系數 以解決內收結構調整系數偏大的問題 6 對于多塔框架剪力墻結構 應特別注意 軟件目前沒有分塔的調整系數 當兩個塔的剛度 質量等相差較大時 應分塔再計算 調整一次 以便對比 框支柱地震內力調整系數的計算 框支柱根據高規(guī)需要做相應的地震內力放大 其核心是基于調整的剪力統(tǒng)計方法 和構件效應 1 框支柱統(tǒng)計Qo時 與統(tǒng)計0 2Qo的一樣 2 放大系數對框支柱和與之相連的框架梁端的剪力 彎矩起作用 3 對與剪力墻相連的框支柱 單邊或雙邊 可以不按框支柱來設計控制 4 當框支柱數很少而體量又很大時 2 的Qo也會使放大系數很大 一般可以認為是結構布置不合理 5 框支柱的定義 設計應上下一致 即從轉換層以下各層的柱 均應定義成框支柱 且每層均應滿足調整的要求 強柱弱梁 強剪弱彎對設計內力的影響 強柱弱梁 強剪弱彎 規(guī)范采用經驗系數法來實現 九度或一級框架結構除外 這也是規(guī)范的精髓所在 1 經驗系數只在地震力參與組合時才有效 2 對有地震參與的設計內力影響很大 構件超限往往與之有關 3 由于我國采用小震 彈性計算結構的作用 要實現設防烈度 彈塑性設計 采用經驗系數法是一種比較實用的簡化方法 4 對于一些特殊構件 如轉換桁架中的構件 吊柱 斜柱 特殊截面柱 等等 經驗系數法還不能涵蓋 此時 需要設計人員特別注意 需要時還可以通過模型試驗來確定其承載能力 斜柱設計結果的判斷 斜柱在建模時按斜桿定義 分析時 只要是兩端剛接 則按柱來設計 1 由于傾斜 斜柱的受力以軸力為主 彎矩往往較小 在設計時 經驗調整系數對軸力不起作用 所以 斜柱設計往往較容易通過 2 斜柱傳力需要注意會產生較大的剪力或軸力 其效應與連接方式有關 剪力墻組合配筋的合理選擇 剪力墻組合配筋 解決了目前單肢墻配筋 然后再組合成邊緣構件 造成配筋過大的問題 但是 1 剪力墻組合配筋是基于平截面假定 所以所選擇的墻肢不能太長 也不能太多 2 組合墻配筋對邊框柱特別有效 也是改變邊框柱獨立配筋不合理的主要手段 3 組合墻所選取的多肢墻應包含完整的邊緣構件 這樣才能有效改善邊緣的配筋 4 對不完整的邊緣構件 計算后程序不予紀錄 3 3 超限的處理和調整 結構設計超限 分整體分析和局部分析 結構整體性能超限 往往需要調整結構布置 而局部超限需要調整構件材料 截面尺寸等 構件超限一般需要考察超限內容 如 抗剪截面不夠 軸壓比超限 最大配筋率超限 受壓區(qū)高度超限 延性比超限 剪扭截面超限 單邊配筋率超限 等等 一定要搞清楚超限內容 據此找到超限原因 才能調整和修正方案 結構分析超限切忌盲目調整結構 一定要找到原因后 才能事半功倍地解決問題 有效質量系數大于90 但是剪重比不夠 這種情況往往是結構剛度 質量不匹配造成的 鋼結構或超高層建筑結構中 常有這種現象 解決方法 需要增加結構剛度 或調整結構布置 檢查結構加載是否有問題 荷載太小也是樓層質量偏小 剪重比太小的原因之一 只有在確認結構方案 結構布置 荷載作用 合理后 才可以啟用程序內部的最小地震剪力放大系數 這個功能 否則 應視為結構方案不合理 需要重新調整 位移角不滿足規(guī)范要求 這種情況一般是結構局部剛度較弱引起的 對于彎曲形變形結構 有時上部轉角較大 也會造成位移角不夠的現象 這時可以適當放松 可以考慮用有害位移角來控制 目前規(guī)范仍以層間位移角控制 是考慮到很難分離出合理的樓層有害位移角 實際結構變形不可能是單純的彎曲或剪切變形 所以仍保留按層間位移角控制 位移角超限 也可能是水平力過大造成的 也需要考察地震 風荷載的作用大小 然后才能確定調整方案 位移比較大或超限的解決方案 位移比過大或超限一般是由于結構上下剛心與質心的差引起的 本層剛心 質心差也會引起結構的扭轉 但是不如上下層剛心 質心差造成的嚴重 解決位移比超限 需要調整結構布置 剛度等 并且需要分析具體原因 對于有大底盤高層建筑結構 其底盤與塔樓的交接層 很容易位移比偏大或不夠 此時可以適當放松控制 位移比是結構性能的重要參數 但也只能在符合剛性樓板假定的基礎上有意義 如果超出剛性樓板假定的范圍 位移比需要專門研究 剪力墻邊緣構件的組合配筋法 采用平截面假定的雙向配筋方法 原單肢墻配筋 然后再疊加形成邊緣構件的方法仍然有效 一般均大于組合墻的配筋方法 單肢墻配筋只要不是太大 可以不用按組合墻重新驗算配筋 只有某個邊緣構件配筋較大時 再采用組合墻的配筋方式來調整該邊緣構件的配筋 這樣 可以大大減少組合墻配筋的操作量 按組合墻配筋的邊緣構件的配筋 可以在邊緣構件配筋簡圖中表達 或JLQ剪力墻施工圖軟件讀取修改后的配筋 轉換梁的撓度 轉換梁的彈性撓度 在SATWE TAT中是看不到的 因為程序只輸出了相對撓度 在梁抬柱這點的撓度為0 所以 轉換梁的撓度需要單獨驗算 按整體考慮 轉換梁在驗算撓度時 需要考慮上部所抬柱的連接剛度和位置 這樣才能準確 周期折減系數的理解 周期折減系數并不改變結構的基本振動特征 即輸出表達的結構周期是不變的 周期折減系數是放大地震作用的方法之一 周期折減系數是根據結構早期彈性剛度較大 因為有大量的填充墻 而在地震作用時破壞這種特性 而設置的放大地震作用的系數 周期折減前的 max 周期折減后的 max Tg 5Tg 0 1 6 0 Tg T 2 max T T 設計問題 梁受彎配筋 梁配筋根據跨高比區(qū)分 有 1 跨高比大于5 普通梁配筋 2 跨高比在2 5和5之間 深受彎梁配筋 3 跨高比小于2 5 深梁配筋 由于深受彎梁 深梁的配筋 與鋼筋的擺放有關 所以輸出的鋼筋面積還含有構造筋 腰筋等 造成使用中的理解問題 現SATWE TAT PMSAP均只采用普通梁的配筋模式 梁配筋根據受力區(qū)分 有 1 純受彎配筋 2 拉彎配筋 受壓按純彎考慮 梁按配筋形式區(qū)分 有 1 單排配筋 受壓區(qū)高度ho h cover 12 5 2 雙排配筋 受壓區(qū)高度ho h cover 12 5 25 3 雙筋配筋 考慮受壓筋的作用 梁主筋超筋信息 規(guī)范只規(guī)定框架梁支座在抗震設計時 最大配筋率不能超過2 5 這是為了保證梁的塑性鉸發(fā)生在梁的支座處 使梁能夠起到耗能的作用 對梁跨中 規(guī)范沒有要求 程序按4 的配筋率提示 同時也需要滿足梁的抗彎承載力 梁配筋控制 1 梁設計彎矩放大系數 主要指沒有考慮活荷載不利布置時 梁內力的放大 2 梁設計彎矩不小于簡支梁彎矩的1 2 即兩者取大來計算配筋 3 梁主筋是拉筋 壓筋取大輸出 梁剪扭配筋 梁設計扭矩折減 1 沒有樓板時 不折減 2 考慮 彈性板6 和 彈性板3 時 不折減 梁剪扭配筋 1 梁剪扭縱筋采用箍筋的強度 偏大 注意 最近的版本改為主筋的強度 2 剪扭箍筋中純扭箍筋Ast1的配筋方法 即最外圈單根箍筋面積不小于Ast1 3 剪扭配筋不考慮地震作用 柱配筋計算和驗算 柱配筋方式 1 單偏壓 2 雙偏壓 柱單偏壓配筋計算 1 配筋時只考慮彎曲面內的彎矩和軸力 2 當截面以軸向受力為主時 配筋偏大 3 同一組設計內力中 兩個方向的彎矩同時很大 則配筋偏小 柱雙偏壓配筋計算 1 配筋時同時考慮兩個方向的彎矩和軸力 但是為多解 2 多解方式造成配筋偏大 柱單偏壓計算控制 對每一組設計內力 彎矩 軸力 計算出單邊配筋面積 取最大值輸出 柱雙偏壓計算控制 1 截面配筋按 角筋 B邊腹筋 H邊腹筋 控制 2 對第1組設計內力 兩個方向彎矩和軸力 進行配筋計算 初步確定截面的角筋 B邊腹筋 H邊腹筋 3 從第2組設計內力起 對截面進行驗算 此時配筋的增加將遵循一種方式 如先加角筋 后加腹筋 或根據彎矩的比列增加 等等方法 這就是造成雙偏壓配筋多解的原因 柱雙偏壓驗算 1 柱雙偏壓驗算 必須先確定柱的配筋形式 即角筋 腹筋均已確定 2 根據角筋 腹筋的根數 位置 求得截面的承載力均大于各組設計內力時 驗算通過 3 可以根據雙偏壓驗算的結果來調整配筋 達到理想的要求 雙偏壓驗算是最合理檢驗配筋的方式 影響柱配筋的因數 1 雙向地震內力的組合 對柱配筋影響很大 程序目前采用只考慮主方向彎矩的雙向地震組合 軸力 剪力則嚴格按雙向地震組合公式執(zhí)行 對X向地震內力 彎矩的雙向地震組合 只考慮Mx對Y向地震內力 彎矩的雙向地震組合 只考慮My 2 柱長度系數的計算方式 對柱配筋影響很大 當選擇 按規(guī)范7 3 11 3 條 即考慮梁柱剛度比的方式計算柱長度系數時 程序把長度系數控制在1 1 25 2 5范圍內 最近的新版有所改進 判斷所有組合設計內力中 只要有一組滿足水平力的彎矩占設計彎矩的75 以上時 程序就執(zhí)行梁柱剛度比的柱長度系數 否則仍然采用1和1 25的長度系數 柱剪跨比計算 柱剪跨比的通用計算公式 Rmd M Vho 但是 柱的組合設計內力有多組 造成每組不同的剪跨比 程序難以操作 如軸壓比 最小配筋率等 都與剪跨比有關 按照彎矩剪力的計算公式 容易產生設計控制的不合理現象 目前程序采用規(guī)范7 5 12 1條中的簡化公式 Rmd L 2ho 來控制與剪跨比有關的設計和構造 墻剪跨比計算 墻剪跨比的通用計算公式是根據 高規(guī) 第7 2 2 6條中的公式 Rmd M Vho 這里主要問題是彎矩 剪力取哪一組設計內力的問題 目前程序是取 最大組合剪力所屬的那一組內力來計算剪力墻的剪跨比 以此來控制剪力墻的設計截面 墻施工縫驗算 根據 高規(guī) 第7 2 13條 對一級抗震設防的剪力墻宜進行施工縫處的抗滑移驗算 驗算公式如下 其中 As 為豎向分布筋 豎向插筋和邊緣構件縱向筋的總截面面積 注意不包含翼墻 N 為水平施工縫處考慮地震作用組合的不利軸力設計值 受拉時取反向值 即起減少承載力的作用 墻整體穩(wěn)定驗算 根據 高規(guī) 附錄D的D 0 1 剪力墻墻肢應滿足穩(wěn)定的要求公式如下 這里關鍵是 的計算和控制 單肢剪力墻只有上下樓板為側向支撐 兩邊支撐 1 三邊支撐 四邊支撐 平面外墻 平面外墻 結構整體穩(wěn)定驗算中等效剛度的計算 高規(guī) 第5 4 4條對結構的整體問題提出了明確要求 這里EJd和Di的計算方式如下 帶剪力墻結構的等效側向剛度 其中可以分析出基底剪力 程序最后執(zhí)行 Di即為層剛度 采用層剪力與層間位移的比值 高位轉換層多層側移剛度的計算 高規(guī) 第附錄E 0 2要求對高位轉換層控制其側移剛度比 這里多層的綜合側移剛度的簡化計算 如下 多層綜合側移剛度的簡化計算 其中 Ng 轉換層所在層 Ki 層剛度 可以采用3種層剛度之一 4 平面不規(guī)則結構的判斷及調整 4 1 平面不規(guī)則的類型4 2 樓層位移比4 3 結構周期比4 4 樓面凹凸不規(guī)則 樓板不連續(xù)結構的調整和設計4 5 結構扭轉效應控制 扭轉不規(guī)則結構的調整和設計 扭轉不規(guī)則凹凸不規(guī)則樓板局部不連續(xù) 4 1 平面不規(guī)則的類型 平面不規(guī)則的類型 扭轉不規(guī)則 扭轉不規(guī)則單向偶然偏心地震作用下的位移比超過1 2扭轉特別不規(guī)則A類高層建筑 單向偶然偏心地震作用下的位移比超過1 5 或者Tt T1 0 90B類高層建筑 混合結構 復雜高層 單向偶然偏心地震作用下的位移比超過1 4 或者Tt T1 0 85 平面不規(guī)則的類型 凹凸不規(guī)則 平面太狹長L B 6 抗震設防烈度6 7度 L B 5 抗震設防烈度8 9度 凹進太多l(xiāng) Bmax 0 35 抗震設防烈度6 7度 l Bmax 0 30 抗震設防烈度8 9度 凸出太細l b 2 0 抗震設防烈度6 7度 l b 1 5 抗震設防烈度8 9度 平面太狹長 凹入太多 凸出太細 狹長平面實例 凹凸不規(guī)則平面實例 凹凸不規(guī)則平面實例 平面不規(guī)則的類型 樓板局部不連續(xù) 一般不規(guī)則有效寬度Be小于典型寬度B的50 Be0 3A特別不規(guī)則有效凈寬度Be小于5米或一側樓板最小有效寬度小于2米 相對有效寬度太小 50 相對開洞面積太大 30 絕對有效寬度太小 總寬 5m或單側 2m 4 2 樓層位移比 基本概念計算條件相關參量取值幾何解釋 位移比與形心轉心的關系豎向變化規(guī)律 位移比立面控制 樓層位移比 基本概念 樓層位移比的概念樓層層間位移比的概念 樓層位移比 相關參量取值 最大位移 墻頂 柱頂節(jié)點的最大位移平均位移 墻頂 柱頂節(jié)點的最大位移與最小位移之和除2最大層間位移 墻 柱層間位移的最大值平均層間位移 墻 柱層間位移的最大值與最小值之和除2不考慮無柱節(jié)點的位移 是對結構整體抗扭特性的衡量 是結構的全局指標 非局部指標 為了保證位移比的全局意義 計算位移比時 應采用強制剛性樓面假定規(guī)范僅對地震作用要求位移比控制 樓層位移比 計算條件 對于單向地震不考慮偶然偏心產生的位移比判斷 可以遵循以下原則 1 當超過1 2的位移比 在結構頂部 或在大底盤結構的交界處 限值可以放松 2 一般超過1 2的位移比大于結構樓層的1 3層數時 才需要考慮雙向地震組合 樓層位移比 幾何解釋 控制樓層的位移比等價于控制樓層形心與樓層轉動中心的距離r位移比與轉動中心的關系 1 4 3 2 0 5B 1 0B 1 5B 2 0B 2 5B r B 垂直于地震方向的樓面寬度 r 形心與轉心在垂直于地震方向的距離 r越大說明結構扭轉剛度越大 B B B 轉動中心CR 樓面形心CS r 2 5B 樓層位移比 豎向變化規(guī)律 樓層位移比 如何進行立面控制 通過考察位移比的豎向變化規(guī)律我們知道 結構底部的位移比理論上會趨于無窮大 控制底部樓層的位移比有時難以實行 建議 僅對于樓面標高高于結構主體總高度1 4的樓層 注意 與前面提到的1 3樓層不是一個概念 前者為不考慮偶然偏心 才按照規(guī)范限值控制其位移比 對于地下室以及樓面標高不高于結構主體總高度的1 4的樓層 可以不必控制其位移比 控制1 4總高處的位移比小于1 5相當于控制頂層位移比小于 1 0 5 3 68 1 136控制1 4總高處的位移比小于1 4相當于控制頂層位移比小于 1 0 4 3 68 1 109控制1 4總高處的位移比小于1 2相當于控制頂層位移比小于 1 0 2 3 68 1 054如此看來 這個控制已經足夠嚴格了 4 3 結構周期比 扭轉效應與周期比的關系如何選取Tt Tx1 Ty1 結構周期比 扭轉效應與周期比 結構的地震扭轉反應與兩個因素有關 一是偏心率 二是周期比 用公式表示就是 偏心率 結構相對扭轉反應 周期比 結構扭轉效應隨周期比的變化曲線 周期比接近1 0時 扭轉效應出現峰值 周期比接近1 0時 扭轉效應出現峰值 故應使周期比盡量遠離1 0理論上宜控制雙向周期比均滿足限值 實際運用時 可采用較松的做法 滿足下式即可 結構周期比 如何選取Tt Tx1 Ty1 何為扭轉為主 整體振動扭轉成分超過80 何為平動為主 整體振動平動成分超過80 振型周期轉角平動系數 X Y 扭轉系數11 45413 440 98 0 98 0 00 0 0221 3492123 470 06 0 02 0 04 0 9431 197391 850 96 0 00 0 95 0 0440 49854 100 97 0 96 0 01 0 0350 4653140 250 06 0 03 0 02 0 9460 387792 420 62 0 00 0 62 0 3870 23810 270 99 0 99 0 00 0 0180 218257 470 05 0 02 0 04 0 9590 169991 580 97 0 00 0 96 0 03 平動為主 扭轉為主 混合振型 結構周期比 如何選取Tt Tx1 Ty1 這樣的局部平動振型對應的周期不能作為驗算周期比的素材 要采用強制剛性樓板假定以獲得整體平動振型 結構周期比 如何選取Tt Tx1 Ty1 采用強制剛性樓板假定后變成整體平扭振型 結構周期比 如何選取Tt Tx1 Ty1 這樣的局部扭轉振型對應的周期也不能作為驗算周期比的素材 要采用強制剛性樓板假定獲得整體扭轉振型 結構周期比 如何選取Tt Tx1 Ty1 采用強制剛性樓板假定后變成整體扭轉振型 何為 第一 第二 第N 振型 有幾個 振幅零點 就是第幾階振型 第一振型 第二振型 第三振型 一階振型實例 何謂振型的 階 二階振型實例 何謂振型的 階 三階振型實例 何謂振型的 階 周期比驗算中所用到的周期Tt Tx1 Ty1 均為 第一 不應取其余 第二 第三 乃至于 第N 均為不可取 X Y應理解為結構的剛度主軸 一般不同于用戶建模時所采用的坐標軸 沿結構剛度主軸方向的第一側振周期示意 X Y 4 4 樓面凹凸不規(guī)則 樓板不連續(xù)結構的調整和設計 合法分法基于性能的抗震設計主體結構如何定義彈性板關注有效質量系數弱連系樓蓋主體結構獨立工作復核構造加強 樓板不連續(xù)的調整 通過樓面調整消除凹凸不規(guī)則或樓板不連續(xù) 基本方法兩種 合法 增設樓板 拉板 拉梁或陽臺板 空調設備平臺板 分法 設縫分割為若干規(guī)則子結構 低矮的弱連廊采用滑支座等 合法 紅色的拉板或藍色的設備板 分法 設防震縫或滑動鉸支 防震縫 防震縫 滑動鉸支 連廊 樓板不連續(xù)結構的設計 若經分 合二法調整未果 或受到客觀條件限制不能作此類調整 則須對此類不規(guī)則結構采用更為嚴格的方法進行基于性能的抗震設計 設計要點如下 主體結構設計 中震彈性設計考慮彈性樓板 偶然偏心 雙向地震取不利 位移角及承載力均作小震 中震雙控 如何定義彈性樓板 樓板局部大開洞造成的明顯的薄弱部位應定義彈性板 如何定義彈性樓板 樓板開洞較多或較復雜時應整層定義彈性板 如何定義彈性樓板 多塔樓之間的連廊應定義成彈性板 考慮樓板的幾種方式 剛性樓板假定面內剛度無限大 面外剛度為零適用范圍樓板面內剛度足夠大的工程 但板厚較小 150mm 梁剛度放大以此近似考慮樓板的面外剛度 在樓板規(guī)則的多數工程中應用 考慮樓板的幾種方式 彈性膜考慮樓板的面內剛度 面外剛度為零采用平面應力膜單元適用范圍要考慮面內剛度 可以忽略面外剛度的結構多數樓面凹凸不規(guī)則 樓板不連續(xù) 大開洞結構 均可應用 主要用于樓面凹凸不規(guī)則 樓板不連續(xù) 大開洞結構 彈性樓板6考慮樓板的面內剛度和面外剛度采用殼單元適用范圍主要用于板柱體系 也可以應用在普通樓板注意普通結構中應用 會減小梁的配筋結果 考慮樓板的幾種方式 主要用于板柱體系 彈性樓板3面內剛度無限大 考慮樓板的面外剛度采用板彎曲單元適用范圍面內剛度很大 又不可忽略面外剛度的結構厚板轉換層 考慮樓板的幾種方式 主要用于轉換厚板 樓面不規(guī)則結構采用彈性樓板進行計算時 要特別關注有效質量系數是否達到了90 樓面不規(guī)則結構采用彈性樓板進行計算時 往往要指定較多參與振型才能使有效質量系數達到要求 樓面不規(guī)則結構應特別關注有效質量系數 要指定較多參與振型的原因是結構存在大量局部振動振型 每個振型對地震反應的貢獻都較小 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架之第一標準層 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架之第二標準層 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架之第三標準層 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架之第四標準層 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架之第五標準層 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架之第六標準層 薄弱樓板越層柱 8層鋼框架空間透視圖 SATWE里 這兩個勾都打上 就是所謂雙向地震 偶然偏心取不利 PMSAP TAT也類似 弱連系樓蓋設計 大震彈性設計在小震作用下 弱連系樓蓋的水平剪力至少應達到單側主體結構上的地震作用力 其余內力按此比例放大 單側主體結構地震作用F 樓蓋剪力V 在此基礎上 再將小震下弱連系樓蓋的地震內力按大震作進一步的放大 以用來做相應性能水準的抗震設計 弱連系樓蓋設計 為何弱連系樓蓋的水平剪力至少應調整至單側主體結構上的地震作用力 由于對稱性 沿短軸的地震作用不能在連廊上激起剪力 所以僅憑計算是不可靠的 兩側結構獨立工作復核 大震彈性設計當弱聯(lián)系樓蓋凹凸或不連續(xù)足夠嚴重 以至于不能滿足上述的大震彈性設計要求 則應對兩側主體結構 按獨立工作進行大震彈性設計 兩側結構獨立工作復核示意 對去掉連廊的剩余部分作大震彈性計算 采取構造措施 加強抗震延性若不規(guī)則較嚴重 整體結構抗震等級提高一級對樓板陰角 弱聯(lián)系樓板加厚及雙層雙向貫通配筋薄弱樓蓋與主體結構交接處及其附近構件 在抗震等級提高一級的基礎上 進一步保守設計 提高延性 4 5 結構扭轉效應控制 總綱單塔樓結構的平面布局調整質量和剛度分布的均勻化調整結構內外圈剛度比例調整特別值得強調的事示例多塔樓結構的平面布局調整總原則同基多塔結構 驗算分塔周期比上部有強連接的同基多塔結構 補充驗算整體周期比基于性能的抗震設計 中震彈性 總綱 當結構位移比不能控制在1 4 1 5 以內當結構周期比不能控制在0 85 0 9 以內結構將被視為平面特別不規(guī)則 此時 有兩種選擇可供考慮 單塔樓結構的平面布局調整 如果某單塔樓結構不能滿足高規(guī) 4 3 5 條的位移比要求或者周期比要求 就說明該結構或者剛度分布和質量分布的均勻性差 或者抗扭能力不足 或者二者兼具之 這時需要對結構做適當調整以謀求改善 通常可以按下面的次序進行調整 質量和剛度分布的均勻化調整 減小偏心率e r 觀察振型 了解平面各個部位的相對強弱 根據總體剛度情況 或削強 或補弱 經過調整 直到結構出現足夠純粹的主振型 均勻化調整即告完成 側振 扭振 成分超過80 的振型可視為較純粹的側振 扭振 振型 振型周期轉角平動系數 X Y 扭轉系數11 45413 440 98 0 98 0 00 0 0221 3492123 470 06 0 02 0 04 0 9431 197391 850 96 0 00 0 95 0 0440 49854 100 97 0 96 0 01 0 0350 4653140 250 06 0 03 0 02 0 9460 387792 420 62 0 00 0 62 0 3870 23810 270 99 0 99 0 00 0 0180 218257 470 05 0 02 0 04 0 9590 169991 580 42 0 00 0 42 0 58 較純粹的平動振型 較純粹的扭轉振型 不純粹的平動振型 不純粹的扭轉振型 何謂純粹 比較純粹的平動振型 不怎么純粹的平動振型 何謂純粹 結構內外圈剛度比例調整 減小周期比Tt T1 在偏心率已經得到充分控制的前提下 進一步調節(jié)結構樓面的內 外圈剛度比例關系 通過相對加強樓層的外圈剛度 以增強結構抗扭能力 從而可以使周期比減小乃至于滿足要求 所謂相對加強 其含義為 如果整體結構的抗側力剛度不夠強 位移角剛剛能夠滿足規(guī)范要求 這時需要加強外圈剛度 如果整體結構的抗側力剛度已經足夠強 位移角遠小于規(guī)范限值 這時也可以考慮削弱結構內筒的剛度 特別值得強調的問題在結構的剛度 質量均勻性未調整至足夠好 以至于結構的一階振型中不存在足夠純粹的側振振型和扭振振型時 驗算周期比近乎徒勞 此時的周期比滿足或者不滿足要求 都不能說明任何問題 先調剛度和質量的均勻性 再加強外圈提高抗扭能力 最后驗算周期比 位移比 這個順序不能顛倒或遺漏 概念性示例這里給出一個示意性例題 以便從概念上直觀地顯示上述的兩步調整 該例題是由同一個標準層形成的10層框剪結構 層高均為3 3m 各跨跨度均為6m 由于剪力墻的不對稱布置 初始結構平面導致結構沿短軸方向不存在清晰的平動振型 這意味著較大偏心率的存在 通過對稱地布置剪力墻 結構平面消除了偏心率 出現了純粹的平動振型和純粹的扭轉振型 但是該平面導致第一振型為扭轉 不能滿足周期比要求 這說明其抗扭剛度不足 將對稱布置的剪力墻保持對稱地外移 形成上圖平面 結構外圈的剛度得到加強 扭轉周期后移 周期比被控制在0 9以內 周期比調整工程實例某14層高層結構 轉換層在第三層 轉換層以上11層 第二周期為扭轉周期 周期比 1 456 1 579 0 922 0 85 不滿足規(guī)范要求 轉換層及以下平面 計3層 轉換層以上平面 計11層 序號周期轉角屬性扭轉成分平動成分11 5785108 1X0 140 8621 455939 22 4TORSION0 810 1931 26628491 4Y0 060 94 層號節(jié)點最大位移平均位移位移比