《结构设计砌体》PPT课件.ppt

2006新版PKPM结构软件专题 研讨会,砌体结构,规范规定,设计所用规范,建筑结构荷载规范（GB50009-2001) 建筑抗震设计规范（GB50011-2001) 砌体结构设计规范（GB50003-2001) 混凝土结构设计规范（GB50010-2002),砌体房屋的静力计算方案,根据房屋的空间工作性能，分为刚性方案、刚弹性方案、弹性方案三种，按房屋横墙间距加以区分,单层砌体房屋的计算,规范4.2.5条规定，刚性方案房屋在荷载作用下，墙、柱顶可视为上端不动铰支撑于屋盖，下端嵌固于基础的竖向构件 规范4.2.3条规定，弹性方案房屋的静力计算，可按屋架或大梁与墙（柱）为铰接、不考虑空间工作的平面排架或框架计算 规范4.2.4条规定，刚弹性方案房屋的静力计算，可按屋架、大梁与墙（柱）铰接并考虑空间工作的平面排架或框架计算。在刚性方案房屋计算基础上考虑房屋各层的空间性能影响系数 房屋各层的空间性能影响系数i,多层砌体结构方案房屋的计算,在横墙承重的房屋中，由于横墙间距较小，一般情况均属于刚性方案房屋。 水平地震剪力在各楼层墙体间的分配，是按楼（屋）盖的水平刚度及各墙体的侧移刚度比例分配 规范7.2.3条规定：刚度计算应计及高宽比的影响：高宽比小于1时，只计算剪切变形；高宽比不大于4且不小于1时，同时计算弯曲及剪切变形；高宽比大于4时，等效侧向刚度取0。,横向楼层地震剪力分配,规范5.2.6规定：结构的楼层水平地震剪力，应按抗侧力构件等效刚度的比例分配： 现浇和装配整体式混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，宜按抗侧力构件等效刚度的比例分配 木楼盖、木屋盖等柔性楼盖，宜按抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配 普通的预制装配式混凝土楼、屋盖等半刚性楼、屋盖建筑，可取上述两种分配结果的平均值,水平地震作用扭转影响,为考虑水平地震作用扭转影响，对于规则结构不进行扭转偶联计算时，抗震规范规定：规范5.2.3规定：规则结构不进行扭转偶联计算时，平行于地震作用的两个边榀，其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下，短边可按1.15采用，场边可按1.05采用；当扭转刚度较小时，宜按不小于1.3采用。 根据该规定，横向第1，n片横墙与纵向外墙的水平地震作用应分别乘以1.15与1.05的增大系数。,墙柱的高厚比,墙柱的高厚比太大，虽然承载力没问题，但可能在施工中产生倾斜、鼓肚等现象。因此，墙柱设计时限制其高厚比不超过允许值。 墙柱的允许高厚比，与承载力计算无关而是构造要求上规定的，它是保证墙体具备必要的稳定性和刚度的一项重要构造措施,多层钢筋混凝土内框架结构房屋,特点：横墙少，而且房屋比较空旷，楼屋盖刚度差，由砌体和钢筋混凝土两种构件承受水平及竖向荷载，因两者刚度相差较大，造成结构的整体性能差 设计要点：因横墙间距大，楼盖刚度相对较差，横向水平地震作用传给纵墙与内柱形成的框架，使纵墙因平面外弯曲而出现水平裂缝。故设计中应着重控制横墙间距及楼屋盖的刚度,多层内框架房屋规范规定,规范7.1.5条关于房屋抗震横墙的最大间距对内框架的规定,规范7.6.2条规定，多层多排柱内框架房屋的楼、屋盖，应采用现浇或装配整体式钢筋混凝土板。,多层内框架房屋的水平地震作用,可采用底部剪力法计算其水平地震作用，但应做调整：震害调查显示，内框架砖房结构破坏时，一般上层重于下层，顶层最严重。因此计算水平地震作用时，取总水平地震作用的20%集中于顶部，其余的80%仍按倒三角形分布于各层。 设计地震剪力：由于砖墙的抗侧移刚度远大于内框架的刚度，因此认为楼层纵横向设计地震剪力全部由该方向的砖墙承担。对于柱承担的设计地震剪力已采用空间分析方法，但甚为复杂。规范提出了简化计算公式。,底部框架-抗震墙房屋 抗震计算,规范规定,由于上下层材料及结构不同，自震特性差异大，抗震设计时，除针对上下层不同的结构类型分别按相应的要求进行设计、计算外，尚应在进行整体结构的抗震验算，并设构造措施 分别设计的原理：把房屋在底框顶层楼板处水平切开，将上部砌体和底部框架-抗震墙分开考虑分析计算。上部砌体结构的计算与把整体房屋视作砌体房屋相同；底部框架-抗震墙结构计算时，将上部砌体的外荷载和结构自重作用在底框顶部，不考虑上部砌体的刚度贡献,抗震计算分为两部分：,作用和内力计算：地震作用、楼层地震剪力、底层或底部两层地震建立在抗震墙上的分配、底部框架柱的水平地震剪力、倾覆力矩在抗震墙和框架中的分配及底部框架柱附加轴力、砖砌体引起的底层框架柱附加轴力和附加剪力、托梁考虑与墙体组合作用的内力 抗震承载力验算：框支墙梁上部计算高度范围内墙体的截面抗震承载力、底层框架、抗震墙房屋中嵌砌于框架之间的砌体抗震墙的抗震验算以及钢筋混凝土剪力墙的承载力计算等,底层框架抗震墙与上层砌体结构侧移刚度比的控制,规范7.1.8条规定：底部框架抗震墙房屋的纵横两个方向、第二层与底层侧向刚度的比值，6、7度是不应大于2.5，8度时不应大于2.0，且均不应小于1.0 底部框架抗震墙的侧向刚度的计算分为三部分： 底层框架刚度=所有柱子侧移刚度总和 底层钢筋混凝土抗震墙侧移刚度=考虑墙体剪切变形和弯曲变形 嵌砌于框架的砌体抗震墙的侧移刚度=框架的侧移刚度和砌体墙的侧移刚度之和,底层地震剪力的调整,规范对采用底部剪力法计算的底框抗震墙房屋地震剪力调整： 规范7.2.4条对底框抗震墙房屋，底层的纵向和横向地震剪力设计值均应乘以增大系数。其值应允许根据第二层与底层侧向刚度比值的大小在1.21.5范围内选用 =1/2 刚度比,地震剪力分配的二道防线思路,规范7.2.4规定，底层或底部两层的纵向和横向地震剪力设计值全部由该方向的抗震墙承担。并按各抗震墙侧向刚度比例分配 地震作用较小时，结构处于弹性工作阶段，抗震墙的侧移刚度远大于框架的侧移刚度，地震作用按刚度分配，抗震墙约占95%左右，因此，弹性工作阶段不考虑框架的作用，地震作用完全有同方向的抗震墙承担，按各抗震墙侧向刚度比例分配,框架部分承担的地震剪力,规范7.2.5条规定，底部框架柱的地震剪力和轴向力，宜按下列规定调整：框架柱承担的地震剪力设计值，可按各抗侧力构件有效侧向刚度比例分配确定；有效侧向刚度的取值，框架不折减，混凝土墙可乘以折减系数0.30，砖墙可乘以折减系数0.20 底部框架承担的地震剪力按结构进入弹塑性工作阶段来考虑。在计算底部框架承担的地震剪力时，各抗侧力构件分配到的地震剪力采用有效侧向刚度比例确定。有效侧向刚度的取值，框架不折减，混凝土抗震墙的折减系数取0.3，砌体抗震墙的折减系数取0.2,过渡层墙体间距及楼板的刚度控制,为保证过渡层楼板在水平方向有足够的刚度来传递横向剪力，抗震规范7.1.5条对抗震横墙的间距和过渡层楼板的构造进行了专门规定 房屋抗震横墙最大间距（m）,底框结构的荷载,竖向荷载=恒荷载（墙体、构造柱自重及楼面恒载）+活荷载（楼面活荷载） 地震作用：（1）水平地震作用，上部各层水平地震作用之和；（2）倾覆弯矩，作用于上部砌体楼层的水平地震作用平移到底框顶层楼板处后，产生作用于底框顶层楼板处的倾覆弯矩。 风荷载：水平风荷载及倾覆弯矩与地震作用相同,底框-抗震墙结构倾覆弯矩分配,由地震作用和风荷载产生倾覆弯矩转化为作用于柱顶的附加轴力及作用于墙顶的附加轴力和附加弯矩 假定上部砌体为刚体，底层及底部二层框架-抗震墙结构楼板竖向变形符合平截面假定，则底层框架-抗震墙结构可视为一悬臂梁，底部二层框架-抗震墙结构可视为一变截面悬臂梁,底框-抗震墙结构倾覆弯矩分配,底部框架-抗震墙房屋的底部和上部是由两种不同的承重和抗侧力体系组成。按照抗震规范的设计方法，多层砌体房屋的抗震承载力验算不考虑地震倾覆力矩，采用房屋的高宽比控制；而多层钢筋混凝土房屋的抗震承载力验算当房屋高度或房屋的高宽比超过一定限制时，则要考虑地真倾覆力矩对构件的影响。底部框架-抗震墙房屋的底部必须考虑地震倾覆力矩的影响。底部框架柱的轴力计算，亦应考虑地震作用时产生的倾覆力矩引起的附加轴力。,底框-抗震墙结构倾覆弯矩分配,规范7.2.5条规定，底部框架柱的地震剪力和轴向力，按如下规定调整：框架柱的轴理应计入地震倾覆力矩引起的附加轴力，上部砖房可视为刚体，底部各轴线承受的地震倾覆力矩，可近似按底部抗震墙和框架的侧向刚度的比例分配确定 计算地震倾覆力矩引起的框架柱附加轴力，可假定墙梁刚度为无限大，由框架在倾覆力矩作用下的变性协调条件和静力平衡条件求出,PKPM各模块适用范围,PKPM系统中，不同类型的砌体房屋采用不同软件或者两个软件协作完成结构设计，具有砌体结构设计功能的模块及其适用范围如下： PMCAD：砖砌体房屋结构设计；底部框架-抗震墙房屋上部砌体结构设计 QIK：小砌块房屋结构设计；底部框架-抗震墙房屋上部小砌块砌体结构设计 SATWE：底部框架-抗震墙房屋底部框架-抗震墙部分三维分析和设计（抗震墙采用墙元模型） TAT：底部框架-抗震墙房屋底部框架-抗震墙部分三维分析和设计（抗震墙采用薄壁杆件模型） PK：底部框架-抗震墙房屋底部框架二维分析和设计,地下室结构嵌固高度,有地下室或半地下室的砌体房屋，结构建模时可把地下室作为结构层输入，程序将地下室底平面高度内定为0.000。此参数为结构嵌固端相对于地下室底平面（0.000）的高度。 计算结构总重力荷载代表值时将不计入嵌固端以下部分的结构重力荷载；在计算各层水平地震作用标准值时，楼层的计算高度为楼层相对于地下室底平面高度减去该嵌固高度。,砼墙与砌体弹塑性模量比,组合结构是指在砌体房屋中设置少量竖向连续钢筋混凝土剪力墙的多层砌体结构。 组合结构中混凝土墙和砌体墙承担的层间地震剪力按各抗侧力构件的有效侧向刚度比例分配确定：有效侧向刚度的取值，砌体墙不折减，混凝土墙乘以折减系数。 程序在计算砌体侧向刚度时，取砌体弹性模量为1；在计算混凝土墙侧向刚度时，取混凝土弹性模量为实际混凝土弹性模量与实际砌体弹性模量之比并乘以折减系数。 C=Ec/Em,适用范围：只有在结构某一层中既输入了砼墙，又输入了砖墙时才起作用 物理意义：砼墙与砖墙的弹性模量比 参数大小：缺省值是3，大小在36之间 填写原则：一般而言，砼的弹性模量是砖墙的10倍以上。如果是同等墙厚，则砼墙的刚度就是砖墙的10倍以上。但在实际结构设计时，一方面砼墙的厚度小于砖墙的厚度，从而使砼墙的刚度有所降低；另一方面，在实际地震力作用下砼墙所承受的地震力是否就是砖墙的10倍以上还是一个未知数，因此此值不宜填得过高。,砼墙与砌体弹塑性模量比,砌体抗震抗剪承载力验算,注意重点,新规范版本在参数对话框中取消了“考虑构造柱参与工作” 选项，因新抗震规范（GB50011-2001）在砌体抗震抗剪公式中明确计入了墙段中部构造柱对抗震承载力的提高作用。 新规范版本只考虑界面不小于240mm240mm且间距不大于4m的中部构造柱（不考虑端部构造柱）对抗剪承载力的贡献。 新规范版抗剪公式中，不但计入了构造柱混凝土的抗剪作用，还计入了构造柱配筋所起的抗剪作用。,注意重点,程序对构造柱面积和构造柱钢筋面积设了上限 当横墙的所有中部构造柱面积之和与横墙面积之比大于0.15时，取0.15；当纵墙的所有中部构造柱面积之和与总墙面积之比大于0.25时，取0.25； 当中部构造柱的钢筋面积与构造柱面积之比大于1.4%时，取1.4%。,抗剪验算中大片墙满足要求，而大片墙中的个别墙段不满足要求的原因,由于各墙段剪应力分布不均匀或构造柱设置不合理造成的 解决办法：通过改变洞口位置、改变洞口高度来改变墙段高宽比，从而改变墙段的刚度和剪力；在不满足要求的墙段中部设置构造柱或加大已有构造柱截面、提高已有构造柱钢筋混凝土等级、增加已有构造柱钢筋面积,竖向导荷和墙体受压承载力验算,注意重点,PMCAD是按轴心受压计算墙体受压承载力的，为考虑轴力偏心距的影响（取=0）。对于需按单向或双向偏心受压计算的墙体，用户应按砌体规范自行进行补充验算,底框计算地震作用SATWE计算步骤,计算各工况荷载内力 调整墙、柱地震剪力，使其满足以下两个条件： 1）底框的纵向和横向地震剪力全部由该方向的抗震墙承担 2）底框柱承担的地震剪力按各抗侧力构件有效侧向刚度比例分配确定；有效侧向刚度的取值，框架不折减，混凝土墙乘以折减系数0.3，砌体墙乘以折减系数0.2； 内力组合与配筋,关于底框的风荷载,程序在计算底框风荷载时没有考虑风振的影响，取风振系数z=1 SATWE模块目前不能直接计算风荷载，需要设计人员在特殊风荷载定义中人为输入；使用TAT模块可以计算底框风荷载内力 底框风荷载的风荷参数由PMCAD确定，TAT读取PMCAD里面的风荷参数 TAT模块计算底框风荷载内力时考虑了上部风荷载对底框施加的倾覆弯矩，并将倾覆弯矩转化为作用于墙、柱顶部的竖向荷载,关于侧移刚度,PMCAD计算楼层侧移刚度的基本假定：（1）楼板为刚体，在平面内只平动不转动，在平面外不弯曲；（2）计算某层侧移刚度时，地板设为固定端，顶板为滚动支座；（3）计算框架柱侧移刚度只考虑弯曲变形，计算混凝土抗震墙和砌体抗震墙侧移刚度同时考虑弯曲变形和剪切变形 PMCAD目前版本对待洞口混凝土抗震墙均按小洞口混凝土抗震墙处理，对大洞口混凝土抗震墙，用户应在结构建模时将墙段作为独立墙体输入。,混凝土抗震墙高宽比的要求,底层框架-抗震墙房屋的底层钢筋混凝土抗震墙，宜开设洞口形成若干墙段，各墙段的高宽比不宜小于2；对不便开设洞口的带边框低矮墙，应在墙中设置竖缝使墙体分成两个或三个高宽比大于1.5的墙板单元 底层钢筋混凝土抗震墙通过设竖缝分成若干墙段，结构建模时各墙段应作为独立墙体分别输入,剪力墙超筋的处理办法,砼剪力墙超筋的原因是剪力墙设置过少 底框结构底部剪力墙的数量由构造要求和层间刚度比控制。墙体越宽，需要的墙体数量越少；墙体越少，就越容易出现超筋 底部剪力墙应开设洞口形成高宽比不小于2的墙段，不宜开设洞口的应设竖缝将墙体分成高宽比大于1.5的墙板单元 在满足剪力墙高宽比的前提下，通过调整剪力墙的数量，使层间刚度比落在许可范围内，以避免剪力墙超筋,关于分析软件,SATWE、PK软件可适用于同时设置钢筋混凝土抗震墙和砌体墙的底框-抗震墙结构，TAT软件仅适用于设置钢筋混凝土抗震墙的底框结构 用户应优先适用SATWE、TAT模块，对底框结构作空间分析,“按经验考虑墙梁上部作用荷载折减”,由于墙梁的反拱作用，使得一部分荷载直接传给了竖向构件，从而使墙梁的荷载降低 若选择此项，则程序对所有的托墙梁均折减，而不判断该梁是否为墙梁,“按规范墙梁方法确定托梁上部荷载”,若选择此项，则程序自动判断托墙梁是否为墙梁，若是墙梁则自动按照规范要求计算梁上荷载，若不是墙梁则按照均布荷载的方法加到托墙梁上 若两项同时选取，则程序对于墙梁执行“按规范墙梁方法确定托梁上部荷载”，对于非墙梁则执行“按经验考虑墙梁上部作用荷载折减”,砖混底框不计算地震力时的设计,目前的PMCAD软件不能计算非抗震的砖混底框结构 设计时可按如下方法处理： 1、可按6度设防计算，砖混抗震验算结果可不看 2、砖混抗震验算完成后执行SATWE软件进行底框部分内力的计算,砖混底框不计算地震力时设计,处理方法的基本原理 一般来说，砖混底框结构按6度设防计算时地震力并非控制工况 对于构件的弯矩值基本上都是恒+活载控制剪力值，有可能某些断面由地震力控制，但该剪力值的大小与恒+活作用下的剪力值相差也不会很大。直接用该值设计首先肯定偏安全，其次误差很小 如果个别构件出现其弯矩值均由地震力控制，这种情况一般出现在结构的外围构件中，涉及人员或者直接采用改值进行设计，误差不大，或者作为个案单独处理,砖混底框结构刚度比的计算与调整 方法的探讨,规范要求：建筑抗震设计规范第7.1.8条第3款明确规定：底部框架-抗震墙房屋的纵横两个方向，第二层与底层侧向刚度的比值，6、7度是不用大于2.5，8度是不应大于2.0，且均不应小于1.0 第4款明确规定：底部两层框架-抗震墙房屋的纵横两个方向，底部与底部第二层侧向刚度应接近，第三层与底部第二层侧向刚度的比值，6、7度时不应大于2.0，8度时不应大于1.5，且均不应小于1.0,砖混底框结构刚度比的计算与调整 方法的探讨,从规范可以看出： 由于过渡层为砖房结构，受力复杂，若作为薄弱层，则结构位移反应不均匀，弹塑性变形集中，从而对抗震不利 设计的目标是充分发挥底部结构的延性，提高其在地震力作用下的抗变形和耗能能力,PMCAD对砼墙体刚度的计算,对无洞口墙体的计算： 1、如果墙体的高宽比M1.0，则需计算剪弯刚度KCW=1/(3Hj/ECAW+Hj3/12ECIW) 对小洞口墙体的计算： 1、小洞口墙体的判断标准=（bhhh/lwHj)1/20.4 2、目前的PMCAD软件，对于砖混底框结构只允许开设小洞口剪力墙。对于0.6或洞口高度大于等于0.8的大洞口剪力墙，则只能分片输入 3、PMCAD软件根据开洞率按照抗震规范表7.2.3成一腔段洞口影响系数计算小洞口剪力墙的刚度,工程算例,本工程为一层底部框架剪力墙，上部为5层砖房结构，首层层高3.9米，其余各层层高2.9米，底层砼墙后为200mm，其余各层墙厚为240mm，地震设防烈度为7度，地震基本加速度为0.15g。 墙体不开洞，X、Y向的侧移刚度比分别为：K0=0.711.0，K90=0.451.0，均不满足要求,以Y向为例，墙体开设24001200mm小洞口，经计算，=0.390.4，符合小洞口的要求。计算后，Y想的侧移刚度比K90=0.461.0，还是不满足要求 墙体开设竖缝： 1、墙体不开设竖缝的刚度计算：墙体的高宽比M=0.810.1，因此只计算剪切刚度KCW=82.05EC 2、墙体设竖缝的刚度计算：,调整过程,墙体开设竖缝的计算,开设竖缝如图所示 墙段1的高宽比M1=3900/1500=2.61.0，需要计算剪弯刚度KCW=7.88EC；墙段2的剪弯刚度KCW=7.88EC；墙段3的高宽比M3=3900/1400=2.781.0，需要计算剪弯刚度KCW=6.7EC。墙体设竖缝后的总刚度为KCW=（7.88+7.88+6.7）EC=22.46EC 墙体设竖缝后的总刚度与不设竖缝的总刚度之比为22.46/82.05=0.27 设竖缝后的Y向侧移刚度比为K90=1.13，满足规范要求,设竖缝的剪力墙墙体的构造要求,竖缝两侧应设置暗柱 剪力墙的竖缝应开到梁底，将剪力墙分成高宽比大于1.5，但也不宜大于2.5的若干个墙板单元 对带边框的低矮钢筋混凝土墙的边框柱的配筋不应小于无钢筋混凝土抗震墙的框架柱的配筋和箍筋要求 带边框的低矮钢筋混凝土墙的边框梁，应在竖缝的两侧1.5倍梁高的范围内箍筋加密，其箍筋间距不应大于100mm 竖缝的宽度可与墙厚相等，竖缝处可用预制钢筋砼块填入，并做好防水,底部两层框架-抗震