《结构工程设计概要》PPT课件.ppt

高层建筑结构分析与设计要点 编写 赵新启 1 选择合理的计算分析模型2 识别计算模型的局限性和适应性3 计算结果的判断与处理4 通过周期比及位移比判断结构平面规则性 1 选择合理的计算分析模型 分析模型由以下三部分组成 1 建立模型 模型不同于原型 2 施加载荷 载荷不可知 3 使用材料抵抗外力 材料属性是离散的 1 1 结构的初始分析 当拿到一个建筑结构时 首先要分析结构特殊性 特殊性往往是指结构的薄弱部位 设计时需要特别注意 或需要加强 的部位 特殊的结构形式 如 大底盘多塔结构 造成塔之间相互影响 且上下刚度突变 错层结构 造成大量的越层柱 楼板错位使得水平荷载传递中断 产生刚度突变以及薄弱部位 转换层结构 造成上下刚度突变 竖向荷载传递中断 产生薄弱层 板柱结构 形成框架的刚度很弱 不能抵抗较大的水平力 需要加剪力墙才能抵抗较大的水平荷载 楼板弱连接 楼板整体性差 水平力作用将产生弱连接处的应力集中 特殊连接方式 偏心梁托柱 墙 大截面柱产生的刚性梁 上部大梁的向下的吊柱 悬臂梁抬柱 短肢墙的单元划分 洞口不对齐 等等 结构的特殊性往往与结构的刚度特征 传力方式 荷载作用 受力变形等有关 结构的特殊性反应在结构的分析模型 通过建模来合理地实现这种特殊性 结构的特殊性大多也是结构的薄弱部位 所以需要合理的简化 设计时需要特别的加强 有吊柱的结构 在恒载计算时不能采用 模拟施工 的方法 只能用 一次性加载 吊车厂房结构附属框架 地震 风可能的最不利作用方向 1 2 计算模型的选择 对于常见的梁 柱 支撑构件 一般选用杆系模型 即杆单元模型 或称一维单元模型 对于剪力墙 楼板构件 一般选用壳元模型 或称二维单元模型 对于板柱结构 在整体分析时 楼板可模拟成宽扁梁 即柱上板带 模型 也可以按弹性楼板分析 弹性板6 壳元 但是要注意楼板的单元划分 对于顶部为平板网架的部分 网架部分可以按一个超大房间定义 并采用刚性楼板的分析模型 整体计算不得输入网架画蛇添足 对于有斜坡梁的结构 分析时 不能按 强制刚性楼板假定 来分析 且平面部分也最好考虑弹性楼板的分析模型 对于有超多小塔的多塔结构 由于程序允许的刚性板数有限 可以采用定义弹性楼板的分析模型来避开这个限制 对于复杂错层结构 宜采用全楼弹性楼板的分析模型 对于上连的多塔结构 上部连体部分在整体分析时 宜采用弹性楼板的分析模型 复杂的连接部位 对于超短梁 或在柱截面范围内的梁 应按刚性梁模型分析 对于框支转换大梁 由于需要与上部剪力墙变形协调 所以单元划分应尽量细 但即使如此 仍不能避免两种模型协调上的差异 造成应力集中 此时可以采用平面有限元的计算模型 补充分析 对于墙与转换梁偏心连接 可以加刚性梁来考虑偏心传力对托梁产生的整体扭矩 对于超短柱 应尽量避免 容易产生应力集中 2 1 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 刚性板块或塔数太多 定义弹性板 避开刚性板数的限制 屋架的模型简化 刚性杆或采用刚性楼板假定 柱顶铰接 屋盖计算模型简化 平板网架的模型简化 定义超大房间按刚性楼板假定分析 网架荷载按均布作用到四周 网壳的模型简化 网壳荷载按集中力作用到四周 超大房间按板厚为0考虑 忽略水平刚度 注意网壳传给四周的水平推力 合理的计算模型 应根据实际工程的情况确定 不一定有统一的模式 合理的计算模型 主要要满足结构刚度 传力特点 并能较好地反映结构的变形特征 即使有简化误差 也应该限制在局部的范围 计算模型的正确与否 是结构分析的前提 在建模时就时时体现贯彻这点 建模不是几何模型 搭积木 而是力学计算模型 力学模型讲求简单明了 如果计算模型简化错误 则后面的分析均失效 力学模型是由 点 连接点 线 线刚度 面 壳刚度 所组成 连接 传力均以节点为准 1 3 连梁 刚性梁 转换大梁的分析模型 由剪力墙开洞产生的连梁梁刚度模型采用壳元 刚度与单元划分有关 刚度只能折减不能放大 不做负弯矩调幅和扭矩的折减 这种采用二维单元模型的连梁 与两端的剪力墙协调性较好 刚度的准确性很依赖于单元的划分 所以 当其跨高比较大时 应加细单元的划分 如果单元加密有限制 则可以采用框架梁单元较为合理 连梁的单元划分也会影响到两端墙体的单元划分 用框架梁定义的连梁梁刚度采用一维杆模型 连梁的属性可以修改 按连梁则刚度只可以折减 按框架梁则刚度可以放大 可以做负弯矩调幅以及扭矩的折减 与两端剪力墙协调性较差 只有一个节点 当跨高比较小时 刚度估计偏小 连梁的计算模型 连梁作为一种重要的 敏感的结构刚度调节器 其分析模型的合理性会影响到整个结构的分析结果 连梁按壳元进行划分单元方式的有限元分析模型 如果单元划分可以很细 则连梁跨高比再大 计算结果也是正确的 当单元划分受到限制 对跨高比较大的连梁 由于单元划分不够细 将造成较大的分析误差 与形函数有关 为此 可以按以下方式处理 当跨高比大于5时 连梁按框架梁输入 分析 当跨高比小于2 5时 连梁按壳元 洞口 输入 分析 当跨高比介于5和2 5之间时 按壳元 洞口 分析 应细化单元划分 按框架梁分析 结构刚度将偏柔 连梁的单元划分 连梁与墙的协调节点 框架梁与墙的协调节点 刚性梁 广义称谓刚性杆 是一种不能自身变形 但能刚体位移的构件 刚性杆普遍用于结构分析中 但是在结构分析中 不能有太多的刚性杆 因为刚性杆的刚度要远大于正常的结构刚度 使得结构刚度在局部产生病态 容易造成局部失真 程序控制超短构件 对小于0 2m的构件 取0 2m的长度 要区别刚性杆与杆件的刚域 两者的工作原理略有不同 刚性杆 带刚域的杆 不同的工作原理和区别 刚性梁和刚域的区别 刚性梁可以独立位移 但不变形 主要起到传递位移和力的作用 与构件变形不协调 即不符合变形协调条件 刚域则需要依附于构件 本身也不变形 但随构件变形而移动 与构件变形协调 刚性梁与刚域作用是一样的 但效果不一定相同 两者不能互换 刚性梁使局部转角增加 弯矩增加 垂直于构件的刚域也会使局部转角增加 弯矩增加 沿着构件的刚域不会使局部转角增加 弯矩增加 柱内多节点的连接 当柱范围内有多节点时 应加柱内小梁 以封闭房间 该小梁程序自动定义为刚性梁 应定义两根小梁 以封闭房间程序自动确认为刚性梁 柱定位点 一根柱抬两根柱 此时 需要加刚性梁 加两根刚性梁 加一根刚性梁 牛腿 一根梁抬两片墙 此时 只能简化处理 转换大梁上建三根轴线 如下图所示 中轴线定义宽转换梁 上下两根轴线定义上部剪力墙 建若干竖向轴线定义刚性梁 上部墙与下部刚性梁交点 刚性梁与转换梁的交点 对柱边的短梁 也可以采用定义刚性梁的方法 超过梁宽范围产生短梁 此时才是真正的短梁 应尽量避免 因为应力过于集中 对柱边短梁可以采用加宽 加掖等方法 柱边短梁加宽 柱边短梁加掖 梁柱偏心的计算模型 当梁柱偏心时 程序自动加刚域 来考虑偏心产生的附加弯矩 也可以通过人工设置刚性梁来实现 梁的计算模型 梁的刚域 梁端剪力 转换为柱端轴力和弯矩 上下柱偏心的计算模型 当上下柱形心偏心连接时 程序自动加刚域 来考虑偏心产生的附加弯矩 柱水平刚域 上柱轴力 转换为下柱的轴力和弯矩 梁抬墙的偏心问题 当转换梁抬偏心墙时 一般认为在竖向力作用下 墙对下部转换梁作用一个大的扭矩 但事实上扭矩并不大 因为扭矩是由梁两端转角不协调所产生 上部墙体虽然偏心 但它给下部的梁柱作用的是一个同向的弯曲 所以 偏心的效果都转化为两边柱的附加弯矩了 上部墙偏心将主要产生下部柱的附加弯矩 转换大梁往往占据了一层的层高 并且还开有部分洞口 转换大梁属于一种特殊的转换方式 上部托剪力墙或密排柱 转换大梁上下有两层楼板与之连接 所以具有足够的面外稳定性 转换大梁的开洞 应该避开应力集中区 模型一 模型二 柱竖向刚域 按墙定义 按大梁定义 一般这种超大梁占有一层的高度 分析模型与构件的配筋模型难以统一 所以采用两次分析用不同的计算模型来解决问题 模型一 梁所占有的一层仍按一层输入 大梁按剪力墙定义 此时可以正确分析整体结构及构件内力 除大梁 用剪力墙输入 的配筋不能用以外 其余构件的配筋均能参考采用 模型二 把大梁作为一层输入 即两层合并为一层 大梁则按梁定义 层高为两层之和 这种计算模型仅用于考察 计算大托梁受力 配筋 其余构件及结构整体分析的结果可以不用参考 层高的增加使柱的计算长度增加 此时程序自动考虑柱上端的刚域 亦使结构分析准确 也可以用FEQ进行二次分析 2 1 复杂洞口的处理 当剪力墙开洞复杂时 洞口附近的应力状态也复杂 整体计算时 需要简化 对特别复杂的洞口关系 还需要采用应力分析的方法 连梁的受力也与洞口密切相关 一方面 不管洞口多么复杂 只要剪力墙单元划分合理 结构刚度分析的准确性还是有保证的 另一方面 由于复杂洞口 造成结构构件特征 如梁 柱属性 不明显 如 看似梁但又不受弯而以剪切变形为主 反之亦然 所以 最后往往归集到设计问题 对于特别复杂的开洞墙 可以采用FEQ补充分析 并且通过应力分析来掌握复杂洞口的应力分布 剪力墙设计控制截面的位置 一般取墙柱在洞口上下方的截面 但是应避开上下角点的应力集中区 对于小开口墙 整体刚度分析时 可以不考虑其影响 在施工图设计时 局部加强即可 洞口产生的连梁 其刚度对结构整体影响很大 所以 合理分析模型是正确分析的前提保证 对于复杂洞口来说 局部的简化是有必要的 但是 简化模型不能使得结构整体分析误差增大 当洞口处应力复杂时 应考虑斜向配筋 以防洞口角部开裂 2 2 楼板与墙体单元划分的协调 当考虑弹性楼板时 楼板单元划分是否需要与墙单元协调 这是需要讨论的问题 对于二维单元来说 单元节点的位移协调模式 是很关键的问题 剪力墙单元划分上下节点的协调 SATWE采用协调划分 自动化份难度较大 有时上下洞口太复杂 造成单元自动化分局部不合理 而产生部分不协调节点 如果不协调节点在墙中部 问题不大 在端部 则会增大分析误差 PMSAP采用两个端点协调 中部采用广义协调的方式 没有不协调节点 广义协调函数是关键 SATWE上下墙节点要求协调 PMSAP上下墙可以采用附加位移函数作为约束条件的广义协调 广义协调位移函数曲线 墙 墙上下边界的节点协调 剪力墙单元划分左右节点的协调 SATWE采用协调划分 自动化份难度不大 一般不会产生不协调节点 左右节点的协调 没有考虑与边框柱中间的协调 PMSAP同样采用两个端点协调 中部采用广义协调的方式 并且考虑了与边框柱的中部协调 墙 墙左右边界的节点协调 PMSAP上下采用节点协调 中部采用广义协调位移函数曲线 SATWE采用节点协调 楼板单元划分左右节点的协调 SATWE楼板单元划分很简单 一般只划分一个单元 对异形房间会多划分成几个单元 由于没有中间结点 所以没有协调问题 单元化分粗 这种简单的楼板划分只适用于整体结构的分析 PMSAP采用三角形单元的精细划分 板与板之间的中部节点采用广义协调的方式 并且可以考虑与梁的中部协调 楼板边界的节点协调 SATWE楼板单元划分不增加周边梁墙的划分节点 楼板刚度只对控制节点有贡献 PMSAP楼板单元划分增加周边梁墙的划分节点 楼板刚度可以控制是否与梁墙协调 楼板单元划分与剪力墙单元划分节点的协调 SATWE楼板单元划分 只与剪力墙在房间楼板的节点上协调 PMSAP楼板单元划分 与剪力墙之间可以采用广义协调的方式进行位移协调 楼板与墙边界的节点协调 SATWE楼板单元划分不增加周边梁墙的划分节点 楼板刚度只对控制节点有贡献 PMSAP楼板单元划分增加周边梁墙的划分节点 楼板刚度可以控制是否与梁墙协调 综上所述 SATWE PMSAP在整体分析时 楼板单元划分粗细影响不大 对结构整体性能的影响很小 所以结构整体分析结果是没有问题的 对于梁柱结构 分析时不考虑楼板所能承担荷载 只是适当考虑其刚度变化 如 开大洞 薄弱连接等 所以单元划分粗细 对分析影响不大 对于板柱结构 由于楼板刚度是主要因数 楼板刚度将影响到整体结构的性能 内力和设计 所以 应该考虑楼板细分的准确刚度 对于需要局部精细分析 尤其分析板柱结构 或薄弱楼板对结构的影响 楼板与梁 墙的协调等方面 PMSAP要比SATWE更合理 更精确 2 3 短肢墙和边框柱 对于短肢墙 局部单元划分的疏密 对结构局部分析影响比较明显 当结构中设有较多的短肢墙时 应把 壳元最大边长 选择最小 以提高局部的分析精度 当有边框柱与墙相连时 由于边框柱与墙共同工作 所以边框柱的刚度可以有条件地忽略 边框柱与墙会产生刚度的重复 在分析时宜扣除 考虑边框柱与墙共同工作 其中间节点是否与墙协调 对分析影响不大 局部短墙肢单元划分较粗 存在局部误差 对结构整体性能分析影响不大 最好考虑局部细分 必须协调节点 可以协调节点 协调后结构刚度增加 端部的超短墙肢可以按边框柱来定义 设计 从整体分析来看 短墙肢的局部细分 还是比较重要的 尤其是短墙肢较多时 目前 SATWE所能做到的最小划分单元长度为1米 应该说对整体分析已经够了 PMSAP可以划分的更细 单元控制长度可以在1米以下 当然对提高局部精度有好处 但是也将花费更多的时间 对于设计来说 不应或尽量避免设置超短墙肢 如小于500长 指轴线距离 的墙肢 以避免局部分析误差 如果一定要定义超短墙肢 可以把这段端部的超短墙肢按边框柱定义 设计 3 1 产生不同计算结果的原因 对于复杂结构 规范要求要用两个计算模型不同软件进行对比分析 其目的就是要避免各个软件计算模型的局限性 取长补短 相互补充 以免为设计带来隐患 当计算结果不同时 1 首先检查建构的整体性能指标和参数 对结构的分析控制参数 各层质量 荷载 层高 材料强度 基本风压等等 进行对比 2 对结构特殊构件的定义进行对比 如 铰接构件 弹性楼板 多塔定义 特殊荷载定义等 3 对比结构的性能指标 层刚度比 剪重比 刚重比 位移比 楼层抗剪承载力比值 等等 4 整体分析结果对比 结构自振周期 楼层位移角 风荷载 楼层倾覆弯矩等等 5 内力调整及调整方式 地震内力调整内涵较多 如最小剪力系数 0 2Qo 双向地震组合 框支剪力墙 转换托梁等等 6 构件单工况内力的对比 单工况内力反映了结构在各种外力下的效应 可以很容易对比出问题所在 这是经常采用的方法 7 构件配筋验算的设计对比 设计包络和配筋验算可以具体检查出不同软件的处理手段 如 越层柱 越层支撑 边框柱 以及特殊截面的处理等 变截面 钢管混凝土 型钢混凝土 等 对分析结果的正确性判断 由基本的力学概念 和分析对比来实现 而复杂结构难以用力学概念判断 大多采用分析对比判断其合理性 所以 产生不同计算结果的原因 有可能是多方面的 需要有条理地一步步分析 由外至内地分析产生的原因 3 2 分析结果的合理性判断 分析结果的合理性 取决于结构建模 含特殊构件 多塔设置 定义 的合理性 计算模型简化的合理性有关 对于模型和算法 有时理论上 规范中 并没有给出现成的准确的方法 这样软件在操作中就要作特殊处理 了解这些特殊的处理 对目前结构分析理论 设计理论的局限性和简化模式 会有较深刻的理解 对于处理特殊部位的现象 可以更深刻的理解和解释 这样处理问题也就容易了 柱长度系数对配筋的影响 柱长度系数对柱配筋 验算影响很大 目前 软件采用规范方法 有梁柱刚度比 指定等方法 但是由于长度系数的计算公式是从平面框架中简化计算求得 所以存在以下一系列问题 1 对于空间框架 柱受到多方向梁的约束 2 斜撑对柱的影响 3 单边有墙时 对柱的影响 4 梁近端 远端的不同约束 对柱的影响 5 柱上下端不同连接 梁抬柱 墙抬柱 柱抬墙 对柱的影响 6 异形柱 特殊截面柱的长度系数 7 斜柱的长度系数 8 层间梁对柱长度系数的影响 9 楼板刚度对柱的约束作用 也应该对柱长度系数的计算有影响 另外 对于斜支撑的长度系数 梁平面外稳定的长度系数 规范没有给出计算公式 软件只提供补充修改 定义 并不计算 缺省取1 理解了柱长度系数计算存在的问题 设计中就可以提出相应的解决办法 或简化办法 以解决设计问题 梁柱重叠作为刚域对梁端弯矩剪力的影响 梁柱重叠作为刚域 可能会改变梁端弯矩 剪力 因为 1 梁柱重叠作为刚域 提高了结构的刚度 在地震力作用下 端部内力会增加 2 由于风荷载不变 所以由风产生的内力将减少 2 在竖向荷载作用下 端部内力将减少 3 组合设计内力的增加 减少是不一定的 4 梁柱重叠作为刚域 只有在柱截面较大于梁截面时才起作用 当结构刚度不够时 表现为位移超限 可以选择该参数提高结构刚度 框剪结构0 2Qo调整的选择和计算方法 根据高规对框架剪力墙结构 要求0 2Qo 调整对于结构延高度方向有内收时 应按内收层作为Qo的基础调整值 来调整内收以上层的地震内力 1 软件并没有这样设计 所以 当有内收时 内收层的调整系数将偏大 2 统计Qo时 应在 最小剪力系数 薄弱层放大系数调整以后 注意不应在双向地震组合以后 3 然后进行双向地震组合 组合后的地震内力再乘以0 2Qo的放大系数 4 放大系数对柱和框架梁端的剪力 弯矩起作用 5 可以人工定义调整系数 以解决内收结构调整系数偏大的问题 6 对于多塔框架剪力墙结构 应特别注意 软件目前没有分塔的调整系数 当两个塔的刚度 质量等相差较大时 应分塔再计算 调整一次 以便对比 框支柱地震内力调整系数的计算 框支柱根据高规需要做相应的地震内力放大 其核心是基于调整的剪力统计方法 和构件效应 1 框支柱统计Qo时 与统计0 2Qo的一样 2 放大系数对框支柱和与之相连的框架梁端的剪力 弯矩起作用 3 对与剪力墙相连的框支柱 单边或双边 可以不按框支柱来设计控制 4 当框支柱数很少而体量又很大时 2 的Qo也会使放大系数很大 一般可以认为是结构布置不合理 5 框支柱的定义 设计应上下一致 即从转换层以下各层的柱 均应定义成框支柱 且每层均应满足调整的要求 强柱弱梁 强剪弱弯对设计内力的影响 强柱弱梁 强剪弱弯 规范采用经验系数法来实现 九度或一级框架结构除外 这也是规范的精髓所在 1 经验系数只在地震力参与组合时才有效 2 对有地震参与的设计内力影响很大 构件超限往往与之有关 3 由于我国采用小震 弹性计算结构的作用 要实现设防烈度 弹塑性设计 采用经验系数法是一种比较实用的简化方法 4 对于一些特殊构件 如转换桁架中的构件 吊柱 斜柱 特殊截面柱 等等 经验系数法还不能涵盖 此时 需要设计人员特别注意 需要时还可以通过模型试验来确定其承载能力 斜柱设计结果的判断 斜柱在建模时按斜杆定义 分析时 只要是两端刚接 则按柱来设计 1 由于倾斜 斜柱的受力以轴力为主 弯矩往往较小 在设计时 经验调整系数对轴力不起作用 所以 斜柱设计往往较容易通过 2 斜柱传力需要注意会产生较大的剪力或轴力 其效应与连接方式有关 剪力墙组合配筋的合理选择 剪力墙组合配筋 解决了目前单肢墙配筋 然后再组合成边缘构件 造成配筋过大的问题 但是 1 剪力墙组合配筋是基于平截面假定 所以所选择的墙肢不能太长 也不能太多 2 组合墙配筋对边框柱特别有效 也是改变边框柱独立配筋不合理的主要手段 3 组合墙所选取的多肢墙应包含完整的边缘构件 这样才能有效改善边缘的配筋 4 对不完整的边缘构件 计算后程序不予纪录 3 3 超限的处理和调整 结构设计超限 分整体分析和局部分析 结构整体性能超限 往往需要调整结构布置 而局部超限需要调整构件材料 截面尺寸等 构件超限一般需要考察超限内容 如 抗剪截面不够 轴压比超限 最大配筋率超限 受压区高度超限 延性比超限 剪扭截面超限 单边配筋率超限 等等 一定要搞清楚超限内容 据此找到超限原因 才能调整和修正方案 结构分析超限切忌盲目调整结构 一定要找到原因后 才能事半功倍地解决问题 有效质量系数大于90 但是剪重比不够 这种情况往往是结构刚度 质量不匹配造成的 钢结构或超高层建筑结构中 常有这种现象 解决方法 需要增加结构刚度 或调整结构布置 检查结构加载是否有问题 荷载太小也是楼层质量偏小 剪重比太小的原因之一 只有在确认结构方案 结构布置 荷载作用 合理后 才可以启用程序内部的最小地震剪力放大系数 这个功能 否则 应视为结构方案不合理 需要重新调整 位移角不满足规范要求 这种情况一般是结构局部刚度较弱引起的 对于弯曲形变形结构 有时上部转角较大 也会造成位移角不够的现象 这时可以适当放松 可以考虑用有害位移角来控制 目前规范仍以层间位移角控制 是考虑到很难分离出合理的楼层有害位移角 实际结构变形不可能是单纯的弯曲或剪切变形 所以仍保留按层间位移角控制 位移角超限 也可能是水平力过大造成的 也需要考察地震 风荷载的作用大小 然后才能确定调整方案 位移比较大或超限的解决方案 位移比过大或超限一般是由于结构上下刚心与质心的差引起的 本层刚心 质心差也会引起结构的扭转 但是不如上下层刚心 质心差造成的严重 解决位移比超限 需要调整结构布置 刚度等 并且需要分析具体原因 对于有大底盘高层建筑结构 其底盘与塔楼的交接层 很容易位移比偏大或不够 此时可以适当放松控制 位移比是结构性能的重要参数 但也只能在符合刚性楼板假定的基础上有意义 如果超出刚性楼板假定的范围 位移比需要专门研究 剪力墙边缘构件的组合配筋法 采用平截面假定的双向配筋方法 原单肢墙配筋 然后再叠加形成边缘构件的方法仍然有效 一般均大于组合墙的配筋方法 单肢墙配筋只要不是太大 可以不用按组合墙重新验算配筋 只有某个边缘构件配筋较大时 再采用组合墙的配筋方式来调整该边缘构件的配筋 这样 可以大大减少组合墙配筋的操作量 按组合墙配筋的边缘构件的配筋 可以在边缘构件配筋简图中表达 或JLQ剪力墙施工图软件读取修改后的配筋 转换梁的挠度 转换梁的弹性挠度 在SATWE TAT中是看不到的 因为程序只输出了相对挠度 在梁抬柱这点的挠度为0 所以 转换梁的挠度需要单独验算 按整体考虑 转换梁在验算挠度时 需要考虑上部所抬柱的连接刚度和位置 这样才能准确 周期折减系数的理解 周期折减系数并不改变结构的基本振动特征 即输出表达的结构周期是不变的 周期折减系数是放大地震作用的方法之一 周期折减系数是根据结构早期弹性刚度较大 因为有大量的填充墙 而在地震作用时破坏这种特性 而设置的放大地震作用的系数 周期折减前的 max 周期折减后的 max Tg 5Tg 0 1 6 0 Tg T 2 max T T 设计问题 梁受弯配筋 梁配筋根据跨高比区分 有 1 跨高比大于5 普通梁配筋 2 跨高比在2 5和5之间 深受弯梁配筋 3 跨高比小于2 5 深梁配筋 由于深受弯梁 深梁的配筋 与钢筋的摆放有关 所以输出的钢筋面积还含有构造筋 腰筋等 造成使用中的理解问题 现SATWE TAT PMSAP均只采用普通梁的配筋模式 梁配筋根据受力区分 有 1 纯受弯配筋 2 拉弯配筋 受压按纯弯考虑 梁按配筋形式区分 有 1 单排配筋 受压区高度ho h cover 12 5 2 双排配筋 受压区高度ho h cover 12 5 25 3 双筋配筋 考虑受压筋的作用 梁主筋超筋信息 规范只规定框架梁支座在抗震设计时 最大配筋率不能超过2 5 这是为了保证梁的塑性铰发生在梁的支座处 使梁能够起到耗能的作用 对梁跨中 规范没有要求 程序按4 的配筋率提示 同时也需要满足梁的抗弯承载力 梁配筋控制 1 梁设计弯矩放大系数 主要指没有考虑活荷载不利布置时 梁内力的放大 2 梁设计弯矩不小于简支梁弯矩的1 2 即两者取大来计算配筋 3 梁主筋是拉筋 压筋取大输出 梁剪扭配筋 梁设计扭矩折减 1 没有楼板时 不折减 2 考虑 弹性板6 和 弹性板3 时 不折减 梁剪扭配筋 1 梁剪扭纵筋采用箍筋的强度 偏大 注意 最近的版本改为主筋的强度 2 剪扭箍筋中纯扭箍筋Ast1的配筋方法 即最外圈单根箍筋面积不小于Ast1 3 剪扭配筋不考虑地震作用 柱配筋计算和验算 柱配筋方式 1 单偏压 2 双偏压 柱单偏压配筋计算 1 配筋时只考虑弯曲面内的弯矩和轴力 2 当截面以轴向受力为主时 配筋偏大 3 同一组设计内力中 两个方向的弯矩同时很大 则配筋偏小 柱双偏压配筋计算 1 配筋时同时考虑两个方向的弯矩和轴力 但是为多解 2 多解方式造成配筋偏大 柱单偏压计算控制 对每一组设计内力 弯矩 轴力 计算出单边配筋面积 取最大值输出 柱双偏压计算控制 1 截面配筋按 角筋 B边腹筋 H边腹筋 控制 2 对第1组设计内力 两个方向弯矩和轴力 进行配筋计算 初步确定截面的角筋 B边腹筋 H边腹筋 3 从第2组设计内力起 对截面进行验算 此时配筋的增加将遵循一种方式 如先加角筋 后加腹筋 或根据弯矩的比列增加 等等方法 这就是造成双偏压配筋多解的原因 柱双偏压验算 1 柱双偏压验算 必须先确定柱的配筋形式 即角筋 腹筋均已确定 2 根据角筋 腹筋的根数 位置 求得截面的承载力均大于各组设计内力时 验算通过 3 可以根据双偏压验算的结果来调整配筋 达到理想的要求 双偏压验算是最合理检验配筋的方式 影响柱配筋的因数 1 双向地震内力的组合 对柱配筋影响很大 程序目前采用只考虑主方向弯矩的双向地震组合 轴力 剪力则严格按双向地震组合公式执行 对X向地震内力 弯矩的双向地震组合 只考虑Mx对Y向地震内力 弯矩的双向地震组合 只考虑My 2 柱长度系数的计算方式 对柱配筋影响很大 当选择 按规范7 3 11 3 条 即考虑梁柱刚度比的方式计算柱长度系数时 程序把长度系数控制在1 1 25 2 5范围内 最近的新版有所改进 判断所有组合设计内力中 只要有一组满足水平力的弯矩占设计弯矩的75 以上时 程序就执行梁柱刚度比的柱长度系数 否则仍然采用1和1 25的长度系数 柱剪跨比计算 柱剪跨比的通用计算公式 Rmd M Vho 但是 柱的组合设计内力有多组 造成每组不同的剪跨比 程序难以操作 如轴压比 最小配筋率等 都与剪跨比有关 按照弯矩剪力的计算公式 容易产生设计控制的不合理现象 目前程序采用规范7 5 12 1条中的简化公式 Rmd L 2ho 来控制与剪跨比有关的设计和构造 墙剪跨比计算 墙剪跨比的通用计算公式是根据 高规 第7 2 2 6条中的公式 Rmd M Vho 这里主要问题是弯矩 剪力取哪一组设计内力的问题 目前程序是取 最大组合剪力所属的那一组内力来计算剪力墙的剪跨比 以此来控制剪力墙的设计截面 墙施工缝验算 根据 高规 第7 2 13条 对一级抗震设防的剪力墙宜进行施工缝处的抗滑移验算 验算公式如下 其中 As 为竖向分布筋 竖向插筋和边缘构件纵向筋的总截面面积 注意不包含翼墙 N 为水平施工缝处考虑地震作用组合的不利轴力设计值 受拉时取反向值 即起减少承载力的作用 墙整体稳定验算 根据 高规 附录D的D 0 1 剪力墙墙肢应满足稳定的要求公式如下 这里关键是 的计算和控制 单肢剪力墙只有上下楼板为侧向支撑 两边支撑 1 三边支撑 四边支撑 平面外墙 平面外墙 结构整体稳定验算中等效刚度的计算 高规 第5 4 4条对结构的整体问题提出了明确要求 这里EJd和Di的计算方式如下 带剪力墙结构的等效侧向刚度 其中可以分析出基底剪力 程序最后执行 Di即为层刚度 采用层剪力与层间位移的比值 高位转换层多层侧移刚度的计算 高规 第附录E 0 2要求对高位转换层控制其侧移刚度比 这里多层的综合侧移刚度的简化计算 如下 多层综合侧移刚度的简化计算 其中 Ng 转换层所在层 Ki 层刚度 可以采用3种层刚度之一 4 平面不规则结构的判断及调整 4 1 平面不规则的类型4 2 楼层位移比4 3 结构周期比4 4 楼面凹凸不规则 楼板不连续结构的调整和设计4 5 结构扭转效应控制 扭转不规则结构的调整和设计 扭转不规则凹凸不规则楼板局部不连续 4 1 平面不规则的类型 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 平面太狭长 凹入太多 凸出太细 狭长平面实例 凹凸不规则平面实例 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 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 4 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 对于单向地震不考虑偶然偏心产生的位移比判断 可以遵循以下原则 1 当超过1 2的位移比 在结构顶部 或在大底盘结构的交界处 限值可以放松 2 一般超过1 2的位移比大于结构楼层的1 3层数时 才需要考虑双向地震组合 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 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 r越大说明结构扭转刚度越大 B B B 转动中心CR 楼面形心CS r 2 5B 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 建议 仅对于楼面标高高于结构主体总高度1 4的楼层 注意 与前面提到的1 3楼层不是一个概念 前者为不考虑偶然偏心 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 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 4 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 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 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 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 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 何谓振型的 阶 二阶振型实例 何谓振型的 阶 三阶振型实例 何谓振型的 阶 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 沿结构刚度主轴方向的第一侧振周期示意 X Y 4 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 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 合法 红色的拉板或蓝色的设备板 分法 设防震缝或滑动铰支 防震缝 防震缝 滑动铰支 连廊 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 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 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 如何定义弹性楼板 多塔楼之间的连廊应定义成弹性板 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 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 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板柱体系 也可以应用在普通楼板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 主要用于板柱体系 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厚板转换层 考虑楼板的几种方式 主要用于转换厚板 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 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第一标准层 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第二标准层 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第三标准层 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第四标准层 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第五标准层 薄弱楼板越层柱 8层钢框架之第六标准层 薄弱楼板越层柱 8层钢框架空间透视图 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 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 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 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 对去掉连廊的剩余部分作大震弹性计算 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 4 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 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 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 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 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 何谓纯粹 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 特别值得强调的问题在结构的刚度 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 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 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 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 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 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