平面不规则结构的判断及调整.ppt

平面不规则结构的判断及调整 编写 黄吉锋中国建筑科学研究院软件所 目录1 平面不规则的类型2 楼层位移比3 结构周期比4 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的调整和设计5 结构扭转效应控制 扭转不规则结构的调整和设计 1 平面不规则的类型 扭转不规则凹凸不规则楼板局部不连续 平面不规则的类型 扭转不规则 扭转不规则单向偶然偏心地震作用下的位移比超过1 2扭转特别不规则A类高层建筑 单向偶然偏心地震作用下的位移比超过1 5 或者Tt T1 0 90B类高层建筑 混合结构 复杂高层 单向偶然偏心地震作用下的位移比超过1 4 或者Tt T1 0 85 平面不规则的类型 凹凸不规则 平面太狭长L B 6 抗震设防烈度6 7度 L B 5 抗震设防烈度8 9度 凹进太多l Bmax 0 35 抗震设防烈度6 7度 l Bmax 0 30 抗震设防烈度8 9度 凸出太细l b 2 0 抗震设防烈度6 7度 l b 1 5 抗震设防烈度8 9度 平面不规则的类型 凹凸不规则 平面太狭长 凹入太多 凸出太细 平面不规则的类型 凹凸不规则 狭长平面实例 平面不规则的类型 凹凸不规则 凹凸不规则平面实例 平面不规则的类型 凹凸不规则 凹凸不规则平面实例 平面不规则的类型 楼板局部不连续 一般不规则有效宽度Be小于典型宽度B的50 Be0 3A特别不规则有效净宽度Be小于5米或一侧楼板最小有效宽度小于2米 平面不规则的类型 楼板局部不连续 相对有效宽度太小 50 相对开洞面积太大 30 绝对有效宽度太小 总宽 5m或单侧 2m 平面不规则的类型 楼板局部不连续 严重楼板局部不连续平面实例 三条占全了 2 楼层位移比 基本概念计算条件相关参量取值几何解释 位移比与形心转心的关系竖向变化规律 位移比立面控制 楼层位移比 基本概念 楼层位移比的概念楼层层间位移比的概念 楼层位移比 相关参量取值 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2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除2不考虑无柱节点的位移 是对结构整体抗扭特性的衡量 是结构的全局指标 非局部指标 为了保证位移比的全局意义 计算位移比时 应采用强制刚性楼面假定规范仅对地震作用要求位移比控制 楼层位移比 计算条件 楼层位移比 计算条件 楼层位移比 几何解释 控制楼层的位移比等价于控制楼层形心与楼层转动中心的距离r位移比与转动中心的关系 楼层位移比 几何解释 1 4 3 2 0 5B 1 0B 1 5B 2 0B 2 5B r B 垂直于地震方向的楼面宽度 r 形心与转心在垂直于地震方向的距离 楼层位移比 几何解释 B B B 转动中心CR 楼面形心CS r 2 5B 楼层位移比 几何解释 楼层位移比 竖向变化规律 楼层位移比 竖向变化规律 楼层位移比 如何进行立面控制 通过考察位移比的竖向变化规律我们知道 结构底部的位移比理论上会趋于无穷大 控制底部楼层的位移比有时难以实行 笔者建议 仅对于楼面标高高于结构主体总高度1 4的楼层 才按照规范限值控制其位移比 对于地下室以及楼面标高不高于结构主体总高度的1 4的楼层 可以不必控制其位移比 楼层位移比 如何进行立面控制 控制1 4总高处的位移比小于1 5相当于控制顶层位移比小于 1 0 5 3 68 1 136控制1 4总高处的位移比小于1 4相当于控制顶层位移比小于 1 0 4 3 68 1 109控制1 4总高处的位移比小于1 2相当于控制顶层位移比小于 1 0 2 3 68 1 054如此看来 这个控制已经足够严格了 3 结构周期比 扭转效应与周期比的关系如何选取Tt Tx1 Ty1 结构周期比 扭转效应与周期比 结构的地震扭转反应与两个因素有关 一是偏心率 二是周期比 用公式表示就是 偏心率 结构相对扭转反应 周期比 结构周期比 扭转效应与周期比 结构扭转效应随周期比的变化曲线 周期比接近1 0时 扭转效应出现峰值 结构周期比 扭转效应与周期比 周期比接近1 0时 扭转效应出现峰值 故应使周期比尽量远离1 0理论上宜控制双向周期比均满足限值 实际运用时 可采用较松的做法 满足下式即可 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 何为扭转为主 整体振动扭转成分超过80 何为平动为主 整体振动平动成分超过80 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 振型周期转角平动系数 X Y 扭转系数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 平动为主 扭转为主 混合振型 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 这样的局部平动振型对应的周期不能作为验算周期比的素材 要采用强制刚性楼板假定以获得整体平动振型 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 采用强制刚性楼板假定后变成整体平扭振型 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 这样的局部扭转振型对应的周期也不能作为验算周期比的素材 要采用强制刚性楼板假定获得整体扭转振型 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 采用强制刚性楼板假定后变成整体扭转振型 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 何为 第一 第二 第N 振型 有几个 振幅零点 就是第几阶振型 第一振型 第二振型 第三振型 一阶振型实例 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 何谓振型的 阶 二阶振型实例 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 何谓振型的 阶 三阶振型实例 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 何谓振型的 阶 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 周期比验算中所用到的周期Tt Tx1 Ty1 均为 第一 不应取其余 第二 第三 乃至于 第N 均为不可取 X Y应理解为结构的刚度主轴 一般不同于用户建模时所采用的坐标轴 结构周期比 如何选取Tt Tx1 Ty1 沿结构刚度主轴方向的第一侧振周期示意 X Y 4 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的调整和设计 合法分法基于性能的抗震设计主体结构如何定义弹性板关注有效质量系数弱连系楼盖主体结构独立工作复核构造加强 结构楼面凹凸不规则 楼板不连续的调整 通过楼面调整消除凹凸不规则或楼板不连续 基本方法两种 合法 增设楼板 拉板 拉梁或阳台板 空调设备平台板 分法 设缝分割为若干规则子结构 低矮的弱连廊采用滑支座等 结构楼面凹凸不规则 楼板不连续的调整 合法 红色的拉板或蓝色的设备板 结构楼面凹凸不规则 楼板不连续的调整 分法 设防震缝或滑动铰支 防震缝 防震缝 滑动铰支 连廊 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 若经分 合二法调整未果 或受到客观条件限制不能作此类调整 则须对此类不规则结构采用更为严格的方法进行基于性能的抗震设计 设计要点如下 主体结构设计 中震弹性设计考虑弹性楼板 偶然偏心 双向地震取不利 位移角及承载力均作小震 中震双控 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 如何定义弹性楼板 楼板局部大开洞造成的明显的薄弱部位应定义弹性板 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 如何定义弹性楼板 楼板开洞较多或较复杂时应整层定义弹性板 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 如何定义弹性楼板 多塔楼之间的连廊应定义成弹性板 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 考虑楼板的几种方式 刚性楼板假定面内刚度无限大 面外刚度为零适用范围楼板面内刚度足够大的工程 但板厚较小 150mm 梁刚度放大以此近似考虑楼板的面外刚度 在楼板规则的多数工程中应用 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 弹性楼板6考虑楼板的面内刚度和面外刚度采用壳单元适用范围主要用于厚板转换层 板柱体系注意普通结构中应用 会减小梁的配筋结果 考虑楼板的几种方式 主要用于转换厚板 弹性楼板3面内刚度无限大 考虑楼板的面外刚度采用板弯曲单元适用范围面内刚度很大 又不可忽略面外刚度的结构板柱体系 板柱剪力墙体系 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 考虑楼板的几种方式 主要用于板柱体系 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 考虑楼板的几种方式 弹性膜考虑楼板的面内刚度 面外刚度为零采用平面应力膜单元适用范围要考虑面内刚度 可以忽略面外刚度的结构多数楼面凹凸不规则 楼板不连续 大开洞结构 均可应用 主要用于楼面凹凸不规则 楼板不连续 大开洞结构 在不采用等代杆系时 楼板可如下考虑 IF 厚板转换层 THEN弹性板6ELSEIF 板柱体系 板柱抗震墙体系 THENIF 楼面凹凸不规则 楼板不连续 THEN弹性板6ELSE弹性板3ENDIFELSEIF 楼面凹凸不规则 楼板不连续 THEN弹性膜 板较厚时用弹性板6 ELSE刚性楼板假定 板较厚时用弹性板3 ENDIFENDIF 楼板模型的使用逻辑 总结 实际工程可按照本逻辑对号入座 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 楼面不规则结构采用弹性楼板进行计算时 要特别关注有效质量系数是否达到了90 楼面不规则结构采用弹性楼板进行计算时 往往要指定较多参与振型才能使有效质量系数达到要求 楼面不规则结构应特别关注有效质量系数 要指定较多参与振型的原因是结构存在大量局部振动振型 每个振型对地震反应的贡献都较小 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第一标准层 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第二标准层 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第三标准层 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第四标准层 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第五标准层 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第六标准层 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 薄弱楼板越层柱 8层钢框架空间透视图 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 SATWE里 这两个勾都打上 就是所谓双向地震 偶然偏心取不利 PMSAP TAT也类似 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 弱连系楼盖设计 大震弹性设计在小震作用下 弱连系楼盖的水平剪力至少应达到单侧主体结构上的地震作用力 其余内力按此比例放大 单侧主体结构地震作用F 楼盖剪力V 在此基础上 再将小震下弱连系楼盖的地震内力按大震作进一步的放大 以用来做相应性能水准的抗震设计 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 弱连系楼盖设计 为何弱连系楼盖的水平剪力至少应调整至单侧主体结构上的地震作用力 由于对称性 沿短轴的地震作用不能在连廊上激起剪力 所以仅凭计算是不可靠的 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 两侧结构独立工作复核 大震弹性设计当弱联系楼盖凹凸或不连续足够严重 以至于不能满足上述的大震弹性设计要求 则应对两侧主体结构 按独立工作进行大震弹性设计 两侧结构独立工作复核示意 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 对去掉连廊的剩余部分作大震弹性计算 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的设计 采取构造措施 加强抗震延性若不规则较严重 整体结构抗震等级提高一级对楼板阴角 弱联系楼板加厚及双层双向贯通配筋或设置开孔钢板薄弱楼盖与主体结构交接处及其附近构件 在抗震等级提高一级的基础上 进一步保守设计 提高延性 5 结构扭转效应控制 总纲单塔楼结构的平面布局调整质量和刚度分布的均匀化调整结构内外圈刚度比例调整特别值得强调的事示例多塔楼结构的平面布局调整总原则同基多塔结构 验算分塔周期比上部有强连接的同基多塔结构 补充验算整体周期比基于性能的抗震设计 中震弹性 结构扭转效应控制 总纲 当结构位移比不能控制在1 4 1 5 以内当结构周期比不能控制在0 85 0 9 以内结构将被视为平面特别不规则 此时 有两种选择可供考虑 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整 如果某单塔楼结构不能满足高规 4 3 5 条的位移比要求或者周期比要求 就说明该结构或者刚度分布和质量分布的均匀性差 或者抗扭能力不足 或者二者兼具之 这时需要对结构做适当调整以谋求改善 通常可以按下面的次序进行调整 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整 质量和刚度分布的均匀化调整 减小偏心率e r 观察振型 了解平面各个部位的相对强弱 根据总体刚度情况 或削强 或补弱 经过调整 直到结构出现足够纯粹的主振型 均匀化调整即告完成 侧振 扭振 成分超过80 的振型可视为较纯粹的侧振 扭振 振型 振型周期转角平动系数 X Y 扭转系数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 较纯粹的平动振型 较纯粹的扭转振型 不纯粹的平动振型 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整 不纯粹的扭转振型 何谓纯粹 比较纯粹的平动振型 不怎么纯粹的平动振型 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整 何谓纯粹 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整 结构内外圈刚度比例调整 减小周期比Tt T1 在偏心率已经得到充分控制的前提下 进一步调节结构楼面的内 外圈刚度比例关系 通过相对加强楼层的外圈刚度 以增强结构抗扭能力 从而可以使周期比减小乃至于满足要求 所谓相对加强 其含义为 如果整体结构的抗侧力刚度不够强 位移角刚刚能够满足规范要求 这时需要加强外圈刚度 如果整体结构的抗侧力刚度已经足够强 位移角远小于规范限值 这时也可以考虑削弱结构内筒的刚度 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整 特别值得强调的事在结构的刚度 质量均匀性未调整至足够好 以至于结构的一阶振型中不存在足够纯粹的侧振振型和扭振振型时 验算周期比近乎徒劳 此时的周期比满足或者不满足要求 都不能说明任何问题 先调刚度和质量的均匀性 再加强外圈提高抗扭能力 最后验算周期比 位移比 这个顺序不能颠倒或遗漏 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 概念性示例这里给出一个示意性例题 以便从概念上直观地显示上述的两步调整 该例题是由同一个标准层形成的10层框剪结构 层高均为3 3m 各跨跨度均为6m 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 由于剪力墙的不对称布置 初始结构平面导致结构沿短轴方向不存在清晰的平动振型 这意味着较大偏心率的存在 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 通过对称地布置剪力墙 结构平面消除了偏心率 出现了纯粹的平动振型和纯粹的扭转振型 但是该平面导致第一振型为扭转 不能满足周期比要求 这说明其抗扭刚度不足 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 将对称布置的剪力墙保持对称地外移 形成上图平面 结构外圈的刚度得到加强 扭转周期后移 周期比被控制在0 9以内 周期比调整工程实例某14层高层结构 转换层在第三层 转换层以上11层 第二周期为扭转周期 周期比 1 456 1 579 0 922 0 85 不满足规范要求 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 转换层及以下平面 计3层 转换层以上平面 计11层 序号周期转角属性扭转成分平动成分11 5785108 1X0 140 8621 455939 22 4TORSION0 810 1931 26628491 4Y0 060 94 层号节点最大位移平均位移位移比121 541 181 3021864 263 321 2833166 184 931 2545476 685 411 2357977 386 081 21610338 166 821 20 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 调整之前的周期比和位移比 周期比 0 922 0 85 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 通过外周加墙调整后的转换层及以下平面 转换层以上平面不必调整 序号周期转角属性扭转成分平动成分11 436491 1 8X0 020 9821 08650687 5Y0 010 9931 04577357 8TORSION0 920 08层号节点最大位移平均位移位移比1480 980 891 1022232 772 421 1433584 243 591 1847364 784 041 1859865 564 711 18612216 435 451 18 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 调整之后的周期比和位移比 周期比 0 728 0 85 调整后的第一振型 调整前的第一振型 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 调整后的第二振型 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 调整前的第二振型 调整后的第三振型 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 调整前的第三振型 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 1 调整前周期比 Tt T1 1 456 1 579 0 922 0 85调整后周期比 Tt T1 1 046 1 436 0 728 0 85 2 调整前最大位移比 Umax Uaver 1 30调整后最大位移比 Umax Uaver 1 18 汇总本工程调整前后的扭转指标变化 3 调整前振型纯粹性 前三个 0 860 810 94调整后振型纯粹性 前三个 0 980 990 92 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 周期比不满足要求的实际工程平面 几何上规则 抗侧刚度大但周期比超限 振型号周期转角平动系数 X Y 扭转系数11 574283 440 06 0 00 0 06 0 9421 452490 890 94 0 00 0 94 0 0631 26650 451 00 1 00 0 00 0 0040 530290 560 03 0 00 0 03 0 9750 4025103 180 97 0 05 0 92 0 0360 374814 351 00 0 94 0 05 0 0070 3631138 630 50 0 29 0 21 0 5080 308293 370 05 0 00 0 05 0 9590 212692 740 06 0 00 0 06 0 94 第一振型为扭转 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 周期比不满足要求的实际工程平面 平面貌似规整的剪力墙结构 第一振型为扭转 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整示例 周期比不满足要求的实际工程平面 平面貌似规整的框筒结构 第一振型为扭转 几何上规则 但周期比超限 结构扭转效应控制 单塔楼结构的平面布局调整小结 周期比侧重控制什么 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 而非其绝对大小 它的目的是使抗侧力构件的平面布置兼顾抗侧刚度和抗扭刚度 从而有效减小地震扭转效应 周期比控制的认识误区抗侧力刚度大 就意味着抗扭特性好几何上 视觉上很规则 就意味着抗扭特性好记住改善周期比的两招抗侧力刚度均匀布置相对加强外圈 非也 结构扭转效应控制 多塔楼结构的平面布局调整 总原则各塔之间宜均衡同一塔内宜均衡位移比采用整体模型计算 且宜对每一楼层的各个塔块采用强制刚性楼板假定