设计规范要求在软件中的实现及设计参数的合理取值三.ppt

李云贵,设计规范要求在软件中的实现及设计参数的合理确定,内容,1、结构整体性能控制 2、作用效应的计算与调整 3、钢筋混凝土构件设计 4、设计参数的选取,内容,1、层刚度比控制 2、周期比的控制 3、位移比的控制 4、剪重比的控制 5、结构薄弱层验算 6、结构的二阶效应,1、层刚度比控制,新抗震规范附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。 新高规的4.4.2条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%。 新高规的5.3.7条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。,新高规的10.2.3条规定，底部带转换层的高层结构，转换层上部结构与下部结构的侧向刚度，应符合高规附录E的规定。 E.0.1底部大空间为一层的部分框支剪力墙结构，可近似采用转换层上、下层结构等效刚度比表示转换层上、下层结构刚度的变化，非抗震设计时不应大于3，抗震设计时不应大于2。 E.0.2底部为多于一层大空间的部分框支剪力墙结构，其等效侧向刚度比e宜接近1，非抗震设计时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。,1.1 层刚度比计算方法,高规附录E.0.1建议的方法剪切刚度 Ki = （CiGci Aci + Gwi Awi ） / hi 高规附录E.0.2建议的方法剪弯刚度 Ki = Fi / i 抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明中建议的计算方法： Ki = Vi / ui 高位转换层刚度比,高位转换层刚度比,1.2 层刚度比算例比较,剪切刚度,高规附录E.0.1建议的方法剪切刚度 Ki = （CiGci Aci + Gwi Awi ） / hi 计算简单 不能考虑有支撑的情况 不能考虑剪力墙动口高度的变化,剪弯刚度,产生单位位移所需要的水平力 Ki = Fi / i 计算较繁琐 适用于所有情况 计算模型值得商讨,抗震规范的3.4.2和3.4.3条文 说明中建议的计算方法,层剪力与层间位移的比值： Ki = Vi / Ui 计算简单 概念简单 剪力和位移的取值得商讨,j,Vj,1.3 存在的问题,层抗侧移刚度的基本概念？ 层抗侧移刚度计算的力学模型？ 层抗侧移刚度有关的限制指标？,算法一：剪切刚度 判断地下室嵌固点 一层转换结构的刚度比 上海地区钢筋混凝土结构 算法二：剪弯刚度 多层转换结构的刚度比 算法三：抗震规范算法 一般情况,层刚度比控制 目前的应用,建议方法,2. 周期比的控制,高层规程第4.3.5条，要求：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。,2.1 周期比的验算,验算周期比的目的，主要为控制结构在大震下的扭转效应。 周期比，即：第一扭转周期与第一平动周期的比值。 程序计算出每个振型的侧振成份和扭振成份，通过平动系数和扭转系数可以明确地区分振型的特征。 周期最长的基本扭转振型对应的就是第一扭振周期Tt，周期最长的基本平动振型对应的就是第一侧振周期T1。知道了Tt和T1，即可验证其比值是否满足规范,平动因子与扭转因子,总振动能量,平动能量,扭转能量,平动因子,扭转因子,考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数 振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 1.5742 83.44 0.06 ( 0.00+0.06 ) 0.94 2 1.4524 90.89 0.94 ( 0.00+0.94 ) 0.06 3 1.2665 0.45 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 4 0.5302 90.56 0.03 ( 0.00+0.03 ) 0.97 5 0.4025 103.18 0.97 ( 0.05+0.92 ) 0.03 6 0.3748 14.35 1.00 ( 0.94+0.05 ) 0.00 7 0.3631 138.63 0.50 ( 0.29+0.21 ) 0.50 8 0.3082 93.37 0.05 ( 0.00+0.05 ) 0.95 9 0.2126 92.74 0.06 ( 0.00+0.06 ) 0.94,第一振型为扭转,平面规整的剪力墙结构，但第一振型为扭转,平面规整的框剪结构，但第一振型为扭转,15层狭长结构,周期比计算原则,楼板刚度假定 不符合刚性楼板假定情况：可以不采用楼板刚度假定,周期比控制什么？ 周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而不是绝对大小。 目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。 周期比不满足要求，如何调整？ 一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。 周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，调整原则是加强结构外部，或者削弱内部。,多塔结构周期比：对于多塔楼结构，不能直接按上面的方法验算。如果上部没有连接，应该各个塔楼分别计算并分别验算，如果上部有连接，验算方法尚不清楚。 体育场馆、空旷结构和特殊的工业建筑，没有特殊要求的，一般不需要控制周期比。 当高层建筑楼层开洞口较复杂，或为错层结构时，结构往往会产生局部振动，此时可以选择“强制刚性楼板假定”来计算结构的周期比。以过滤局部振动产生的周期。,2.2 复杂结构的周期比控制,多塔结构的振型,1,2,3,4,5,高层结构的局部振动,调整前,调整后,扭转振动的调整,调整前 T1=1.4603，Tt= 1.3568 周期比Tt/T1=0.93,调整后 T1=1.4543，Tt= 1.3108 周期比Tt/T1=0.89,3. 位移比控制,新高规的4.3.5条规定，高层建筑的楼层竖向构件最大水平位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍。 层间位移角，A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑，及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。,3.1 最大位移和平均位移计算,最大位移： 墙顶、柱顶节点的最大位移； 平均位移： 墙顶、柱顶节点的最大位移与最小位移之和除的一半； 最大层间位移：墙、柱层间位移的最大值； 平均层间位移：墙、柱层间位移的最大值与最小值之和的一半。,3.2 位移比控制原则,计算规则 1：偶然偏心与双向地震作用 高层结构应考虑偶然偏心影响（高规3.3.3条）； 复杂结构应考虑双向地震作用（抗震5.1.1条）； 偶然偏心和双向地震作用分别考虑，不叠加。 计算规则 2：楼板刚度假定 抗震规范3.4.3条,凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型。 当平面不对称时尚应计及扭转影响。,3.3 复杂结构的位移控制,复杂结构，如坡屋顶层、体育馆、看台、工业建筑等，这些结构或者柱、墙不在同一标高，或者本层根本没有楼板，此时如果采用“强制刚性楼板假定”，结构分析严重失真，位移比也没有意义。所以这类结构可以通过位移的“详细输出”或观察结构的变形示意图，来考察结构的扭转效应。 对于错层结构或带有夹层的结构，这类结构总是伴有大量的越层柱，当选择“强制刚性楼板假定”后，越层柱将受到楼层的约束，如果越层柱很多，计算失真。,带有坡屋面、不等高柱的结构第3层结构,此时位移比意义不大位移比异常,4. 剪重比控制,抗震规范第5.2.5条明确要求了楼层剪重比。 控制剪重比，是要求结构能过承担足够的地震作用，设计时不能小于规范的要求。 若结构的剪重比是小于规范要求， 首先应研究设计方案是否合理，改进结构布置、增加结构刚度，使计算的剪重比能自然满足规范要求。 其次才考虑调整地震力，剪重比调整系数将直接乘在该层构件的地震内力上。,八层钢框架：存在大量越层柱和弹性节点，这种情况 往往需要很多振型才能使有效质量系数满足要求。 原因：振型整体性差，局部振动明显,8层结构：算了30个振型有效质量系数仍不够,算了60个振型有效质量系数够了,输出分塔的剪重比,5.结构的薄弱层,受剪承载力突变 高规的4.4.3、5.1.14条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计的高层建筑结构，结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。,刚度突变 高规的4.4.2、5.1.14条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一层的70%或小于其上相临三层侧向刚度平均值的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。 高规附录E.0.2条规定，当底部带转换层高层建筑结构的转换层设置在3层及3层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%。抗震规范附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。,按楼层刚度比判断薄弱层,按楼层承载力比判断薄弱层,楼层抗剪承载力和屈服系数,按楼层承载力比判断薄弱层,楼层弹塑性层间位移角,按楼层弹塑性层间位移角判断薄弱层,楼层抗剪承载力的简化计算,矩形截面柱抗剪承载力计算： 对其它截面柱，都简化成矩形截面来计算其抗剪承载能力。 剪力墙对每段墙肢，按矩形截面计算其抗剪承载能力,钢截面按不同的截面形式，分别计算Mpc，即钢截面的全塑性抵抗弯矩，然后再求其抗剪承载能力。 抗剪承载力的计算，体现了规范“强剪弱弯”的设计思想，即构件应首先弯曲屈服、破坏，而不能剪切破坏。剪切破坏属于脆性破坏，应避免。 结构的极限承载能力，对复杂工程、重要工程，应进行弹塑性分析来全面的评估，如：弹塑性静力分析、弹塑性动力分析等。,楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向构件的尺寸、配筋有关，与它们的连接关系无关。 目前软件只是采用了计算配筋面积，没有采用实际配筋面积，这是有较大出入的。 当楼层承载力的比值不满足规范要求时，应强制定义该层为“薄弱层”，以提高设计地震作用。,结构二阶效应的基本定义与特点 重力二阶效应 构件挠曲二阶效应 重力二阶效应（ 效应）计算 构件挠曲二阶效应（ 效应）计算,6、结构的二阶效应,重力二阶效应： 由于结构的水平变形而引起的重力附加效应，结构在水平力（风荷载或水平地震力）作用下发生水平变形后，重力荷载因该水平变形而引起附加效应，结构发生的水平侧移绝对值越大，效应越显著，若结构的水平变形过大，可能因重力二阶效应而导致结构失稳。 构件挠曲二阶效应： 由于构件在轴向压力作用下，自身发生挠曲引起的附加效应，通常指轴向压力在产生了挠曲变形的构件中引起的附加弯矩，附加弯矩与构件的挠曲形态有关，一般中间大，两端部小。,6.1重力二阶效应和构件挠曲二阶效应,重力二阶效应,准确计算 严格的讲，应考虑材料的非线性和裂缝、构件的曲率和层间侧移、荷载的持续作用、混凝土的收缩和徐变，以及与地积基础的相互作用等因素。 近似计算 等效几何刚度的有限元法 等效水平力的有限元迭代法 折减弹性抗弯刚度的有限元法 结构位移和构件内力增大系数法,6.2 重力二阶效应的计算,(1)等效几何刚度的有限元法,结构的初始平衡方程,增加了重力二阶效应后的结构平衡方程,等效几何刚度矩阵,考虑重力二阶效应的结构平衡方程,新规范版的SATWE、TAT、PMSAP等软件都采用了等效几何刚度的有限元法，目前的ETABS软件也提供这种方法。 采用这种方法考虑效应影响，与不考虑效应的分析结果相比，结构的周期、位移和构件的内力都有所不同。 这是一种近似方法，没有考虑在不同的荷载组合中取值不同的差异。,软件的实现,(2)等效水平力的有限元迭代法,这种方法的基本思路是：根据楼层重力荷载，以及楼层在水平荷载作用下产生的层间位移，计算出考虑效应的近似等效水平荷载向量，然后，对结构的有限元方程进行迭代求解，直到迭代结果收敛，得到最终的位移和相应的构件内力。 这种计算方法计算效率不如等效几何刚度的有限元法，因为要对每一个水平荷载作用工况（或组合）进行迭代求解。89规范版的SATWE、TAT软件是采用这种方法考虑效应影响的，新规范版软件已经改用等效几何刚度的有限元法；目前的ETABS软件中还提供这种方法。 采用这种方法考虑效应影响，与不考虑效应的分析结果相比，结构的周期不变，变化的仅仅是结构的位移和构件的内力。,(3)折减弹性抗弯刚度的有限元法,折减弹性抗弯刚度的有限元法是近年来美国、加拿大等国设计规范推荐的一种考虑效应方法。 这种分析方法的基本思想是采用折减等效刚度，近似地考虑钢筋混凝土结构中各类构件在极限状态时因开裂而导致刚度减小现象，使分析结果与设计状态尽可能一致。 如何合理地确定钢筋混凝土构件的弹性抗弯刚度折减系数，成了决定这种方法精度、效率和实用性的关键。 从理论上讲，弹性抗弯刚度折减系数的确定原则应该使结构在不同的荷载组合方式下，采用折减弹性抗弯刚度的弹性分析结果与按非线性有限元法所得结果相当。,美国规范的简化处理,由于钢筋混凝土结构中各构件承受荷载的差异，以及构件各截面开裂不同而导致刚度变化的复杂性，实际上很难实现上述原则的要求。 为了使用上的方便，不得不对所有的框架梁（包括剪力墙洞口连梁）、所有的柱、所有的剪力墙均分别取用统一的弹性抗弯刚度折减系数，对其初始弹性抗弯刚度进行折减。 美国ACI 318-99明确要求在结构一阶弹性分析时考虑弹性抗弯刚度折减， ACI 318-99给出了钢筋混凝土构件的弹性抗弯刚度折减系数取值建议：梁取0.35；柱取0.7；未开裂剪力墙取0.7，已开裂剪力墙取0.35。,我国规范的简化处理,我国混凝土结构设计规范引进了该方法。 第7.3.12条规定，当采用考虑二阶效应的弹性分析方法时，宜在结构分析中对钢筋混凝土构件的弹性抗弯刚度EcI乘以下列折减系数： 梁取0.4，柱取0.6，对未开裂的剪力墙和核心筒壁取0.7，对已开裂的剪力墙和核心筒壁取0.45。 这些折减系数是参考美国规范给出的，但与美国规范建议的取值略有不同。,讨论,钢筋混凝土结构在弹塑性阶段的刚度变化十分复杂。在极限状态下，未必所有构件都同时开裂，针对某一构件而言，在某一作用组合下可能开裂，而在另一些作用组合下未必一定开裂。 采用统一的刚度折减系数，仅仅可能近似地反映在极限状态下结构整体的、宏观的性能，但很难真实地反应结构在极限状态下的刚度变化规律，特别是内力变化规律。 有些文献中把这种方法称为“是一种精度和效率较高的考虑二阶效应的方法”，这种提法一定不恰当。,讨论,采用折减弹性抗弯刚度的有限元法进行结构分析，会产生一系列新的问题。 如构件弹性抗弯刚度折减后，按照目前的建筑抗震设计规范规定的反应谱方法计算的地震力随之减小，构件的内力分布规律和位移沿高度的分布规律也会发生变化，该如何考虑？ 建筑抗震设计规范规定的最小剪力系数是针对这样分析的地震力吗？这样分析的位移是属于弹性位移还是弹塑性位移，结构的位移该如何控制？因为弹性位移和弹塑性位移控制条件相差很大。 鉴于上述原因，在目前的SATWE、TAT、PMSAP等软件中，都未提供折减弹性抗弯刚度的有限元法。,(4)结构位移和构件内力增大系数法,增大系数法是一种简单可行的考虑重力二阶效应的方法。这类方法是对不考虑重力二阶效应的分析结果（结构位移、构件弯矩和剪力），乘以增大系数，近似考虑重力二阶效应的影响。 高规第5.4.2条规定，高层建筑结构的重力二阶效应，可采用弹性方法进行计算，也可采用对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑。结构位移增大系数，以及结构构件弯矩和剪力增大系数，可分别按下列规定近似计算：,(4)结构位移和构件内力增大系数法,建筑抗震设计规范第3.6.3条的条文说明中给出了以楼层稳定系数表达的内力增大系数计算公式。在弹性分析时，作为简化方法，重力二阶效应的内力增大系数可近似取为：,目前的SATWE、TAT等软件中，都未提供楼层内力和位移增大系数法。,多层框架整体稳定的验算,框架为剪切型变形，按每层的刚重比验算结构的整体稳定,超高层建筑整体稳定的验算,剪力墙为弯曲型变形，按整体的刚重比验算结构的整体稳定,P-效应的计算选择,多层框架结构的对比,周期对比变化不大,不考虑P-效应,考虑P-效应,位移对比变化不大,不考虑P-效应,考虑P-效应,58层超高层结构的对比,第1层平面,第15层平面,周期对比,不考虑P-效应,考虑P-效应,位移对比,不考虑P-效应,考虑P-效应,内力对比底层变化不大,不考虑P-效应,考虑P-效应,柱内力对比15层变化较大，不能忽略,不考虑P-效应,考虑P-效应,梁内力对比不考虑P-效应,考虑P-效应,6.3 构件的挠曲二阶效应,结构“有侧移”和“无侧移”的判断标准 柱计算长度系数的计算 因构件挠曲引起的附加弯矩的计算,(1) 结构“有侧移”和“无侧移”的判断标准,传统上将结构分为无侧移和有侧移两类。 若结构自身的侧向刚度很大，在水平荷载作用下的侧移很小，或在其竖向平面内具有特殊支撑，可认为这类结构是无侧移结构；否则，为有侧移结构。 在计算偏心受压构件的效应时，框架是属于无侧移还是有侧移，这是一个重要因素。 无侧移框架中细长柱与有侧移框架中细长柱的性能存在着重要差异。,定义,严格地讲，有侧移或无侧移是指在某种荷载组合作用下，结构的某一楼层的侧移情况。 一个结构可能同时包含有侧移楼层和无侧移楼层，某一结构中的同一楼层在某一种荷载组合作用下可能为无侧移，而在另一种或几种荷载组合作用下就可能为有侧移，上述定义的原则性很强，但可操作性差。 在实际工程中，框架很少是完全有支撑或完全无支撑的。对于一个结构或结构的某一楼层，具体如何界定，需要有具体的定量指标。,判断指标,对确定受压构件和楼层是属于无侧移还是有侧移情况，美国规范ACI 318-99给出了两个可共选择的定量准则。 准则之一是：在某种荷载组合作用下，当由效应引起的重力附加弯矩不超过一阶弹性弯矩的5%时，就可以将该楼层作为无侧移楼层。 重力附加弯矩是指任意楼层以上全部重力荷载与该楼层水平荷载作用产生的层间位移的乘积，即所谓的重力二阶弯矩；一阶弹性弯矩是指该楼层水平剪力与楼层层高的乘积，即所谓的初始弯矩。 准则之二是采用楼层稳定系数作为判断的定量指标，在某种荷载组合作用下，当楼层稳定系数不超过0.05时，则可以把该楼层看作是无侧移的。,与荷载组合的关系,在不同的荷载组合作用下，水平荷载在第i层产生的楼层剪力和相应的不同，计算的楼层稳定系数也可能各有差异。 对于我国一般的房屋建筑结构，在线弹性分析与设计阶段，其荷载组合可以分为四类： （A）恒载楼面屋面活荷载 （B）恒载楼面屋面活荷载风荷载 （C）恒载楼面屋面活荷载多遇地震作用 （D）恒载楼面屋面活荷载风荷载多遇地震作用 按照美国规范建议的原则，一般的房屋建筑结构在(A)类组合作用下，都可认为是无侧移的，而在（B）、（C）、(D)类组合作用下，可能是有侧移的，也可能是无侧移的。,(2)柱计算长度系数的计算,英国规范BS8110的计算方法 美国规范ACI 318-99的计算方法 我国规范GB50010-2002的计算方法 各国规范计算方法的对比分析 SATWE软件的程序实现,英国规范BS8110的计算方法,对于无侧移的框架柱，计算长度系数可按下列两公式计算，并取其中的较小值：,对于有侧移的框架柱，计算长度系数可按下列两公式计算，并取其中的较小值：,美国规范ACI 318-99的计算方法,对于无侧移的框架柱，计算长度系数可按下列两公式计算，并取其中的较小值：,对于有侧移的框架柱，计算长度系数可按表查取，冶可按近似公式计算，但其近似公式精度差。,若,若一端铰接,我国规范GB50010-2002的计算方法,我国全部按有侧移情况考虑，偏于保守。 第7.3.11条规定，一般多层房屋中梁柱为刚接的框架结构，各层柱的计算长度系数可按表7.3.11-2取用。,当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度系数可按下列两公式计算，并取其中的较小值：,各国规范计算方法的对比分析,对于无侧移框架，美国规范与英国规范给出的计算公式形式上完全相同，但梁柱线刚度比计算原则不同，英国规范计算的是弹性线刚度比，而美国规范要求采用考虑二阶效应的线刚度比，即按折减刚度计算线刚度比。所以计算结果差异较大。 对于有侧移框架，英国规范给出的计算公式比较合理，美国规范给出的公式计算结果与查表结果差异较大，实用价值有限。例如，同样是一端嵌固的细长柱，若上端为铰接，按公式计算与查表结果基本一致， ；而若上端的约束很弱，取 ，按公式计算与查表结果差异很大，查表结果 ，而按公式计算结果 ，自相矛盾。,各国规范计算方法的对比分析,我国规范GB 50010-2002中，当水平荷载产生的弯矩设计值占总弯矩设计值的75%以上时，框架柱的计算长度系数计算公式与英国规范BS8110有侧移结构框架柱计算长度系数公式十分相似，应该基于相同的基本假定，但系数略有差异。,SATWE软件的程序实现,SATWE软件分中国规范版、英国规范版和美国规范版，在上述版本中，分别实现了三本规范各自给出的柱计算长度系数计算公式 。 在柱的计算长度系数计算中，考虑了柱两个主轴方向计算长度系数可能不同的情况。柱两个主轴方向的计算长度系数是分别计算的，如对于一根柱，若某个主轴方向既不与梁连接，又不与楼板连接，则柱的该方向和越层情况相类似，程序会自动按越层情况对该方向的计算长度系数进行