关于地下室设计的讲义.ppt

邵弘 上部结构与地下室共同工作及地下室设计 人防设计 1 地下室结构的特点2 分析模型3 风 地震 恒活荷载作用计算4 地下室抗震控制5 地下室外墙平面外设计 1 有地下室结构的特点和变形特征 上部结构与地下室组成一个承力体系 具有共同的位移场 相互协调变形 地下室外的回填土对结构侧向有一定的约束作用 地下室楼层侧移刚度通常较大 规范有关规定 嵌固部位如何定 何为嵌固部位 能约束结构所有位移和转角 Dx Dy Dz x y z 的部位 称为嵌固部位 何为侧向约束 只约束结构的水平位移和整体扭转 Dx Dy z 的部位 称为侧向约束 当这种侧向约束很大时 也可以称之为侧向嵌固 抗震规范 第6 1 14条 高规 第5 3 7条都规定 当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时 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 高规 的 宣贯培训材料 P5 12 建议 当刚度比不满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时 有条件可增加地下室楼层的侧向刚度 或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位 地下室侧向刚度比计算 确定嵌固部位 高规 的 宣贯培训材料 P5 12 建议 方法1 按 抗震规范 的楼层剪力与层间位移比计算 方法2 按 高规 附录E的剪切刚度比计算 抗震规范 第6 1 14条文说明中建议 当进行方案设计时 侧向刚度比可采用剪切刚度比估算 1 1 地下室的特点和约束模型 上部结构与地下室共同组成一个承载力体系 具有共同的位移场 相互协调变形 地下室外回填土对结构有一定的约束作用 且回填土的约束作用从上倒下越来越强 回填土只对结构的侧向变形有约束 对竖向变形没有约束 地下室侧向约束程度的变化 1 高规5 3 7条 地下室顶板作为上部结构的嵌固端时 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 2 地下室某一层顶板作为上部结构嵌固端 用的很少 3 半地下室应从严处理 即不考虑有回填土一边的侧向约束作用 简化分析模型 满足层刚度要求的简化 单边有回填土的简化 协同工作分析模型 通过对地下室部分施加侧向弹簧约束 考虑地下室外的回填土对结构有一定的约束作用 回填土的约束与土的压缩模量有关 程序采用简化方式模拟地下室的侧向约束 地下室层数定义 地下室约束刚度定义 回填土对地下室约束相对刚度比 这个参数反映了侧向土对结构侧向的约束作用 约束 可以用一种刚度表示 当刚度越大 反映在结构上就是变形越小 当刚度很大时 变形将趋于零 反过来约束加在结构上也是这个现象 所以 约束可以用刚度来模拟 相对刚度比 反映约束与层刚度的比值 如认为约束产生的等效刚度是层刚度的2倍 该系数则填2 当需要无限约束 即侧向完全嵌固不动 可以按负值填入 程序将按一个超大数来放大约束的等效刚度 以达到无限约束 嵌固不动的目的 一般小于10以下的约束均为有限约束 地下室将会产生很小的侧向位移 协同工作模型 加约束 1 2 水平荷载作用及变形特征 风荷载计算均扣除地下室的高度 地下室是否约束 约束的程度与风荷载 外力 计算无关 程序自动考虑 1 地下室部分的基本风压为零 2 在地上部分的风荷载计算中 自动扣除地下室部分的高度 地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点 结构在地震作用下的反应 周期 振型 位移 内力 受地下室外的回填土约束程度的影响 由地下室质量产生的地震力 主要被室外的回填土吸收 在控制结构剪重比时 不考虑地下室质量 即不考虑地下室楼层的剪重比 地下室的剪重比可以不予考虑 越向下约束程度越大 地震反应越小 程序仍然给出调整 但影响不大 地下室也可以不调整 水平位移的影响 有限约束 越向下约束程度越大 位移趋于0 竖向位移没有影响 竖向位移不受侧向约束的影响 所以仍然较大 在水平力作用下地下室约束的变形特征 1 3 竖向荷载作用及变形特征 对于一般结构而言 地下室外的回填土约束对竖向荷载作用几乎没有影响 当地下室出现悬挑结构 则地下室外的回填土约束对竖向荷载作用有一定影响 所以 地下室不应有悬挑结构 地下室与上部结构整体分析 是首选 因为竖向变形的协调是非常重要的 当地下室体量 面积很大时 与上部结构所占面积差异太大 如超大地下室 底盘等 此时可以根据上部结构的底面积取外伸2 3跨作为地下室 并与上部结构共同分析 定义地下室 定义侧向约束 竖向位移协调 传基础力更合理 上部结构与地下室共同分析 对超大地下室采用局部地下室与上部结构共同分析 对于传基础荷载也是可行的 分开计算 将导致竖向荷载局部的不协调性 与整体分析将产生差异 2 分析模型 简化的分离模型 有条件的 将上部结构与地下室分开 分别设计计算 按规范确定嵌固层作为二者分界 共同工作分析 无条件的 将上部结构与地下室作为一个整体 考虑共同作用 采用如下两种方式之一来考虑地下室外回填土对结构的约束作用 方法1 地下室水平位移的侧向嵌固 K法 方法2 地下室水平位移的有限 弹簧 约束 K法 满足层刚度要求的简化嵌固端上移 单边有回填土的简化不考虑土的侧向约束作用 地下室层刚度的计算 第2层 地下1层 的结构平面 第3层的结构平面 采用第3种层刚度的计算方法时 应先不设地下室层数 查看所计算的层刚度及层刚度比值 第2层层刚度 5 6 5 9 大于第3层层刚度 1 7 2 5 的2倍 满足规范要求 所以可以把第3层底作为嵌固端 嵌固端上移的工程实例 满足层刚度的要求 分析模型的选择 虽然满足层刚度比的要求 但仍然选择按共同分析通过对地下室部分施加侧向约束 考虑地下室外的回填土对结构有一定的约束作用 K型 1 K层侧向嵌固 K型 地下室外加K倍主元刚度 侧向约束 弹簧侧移约束的图示 选择K型约束 先定义地下室层数 选择K型约束 定义地下室侧向约束系数 分析模型的选择方法 一般结构只要地下室体量满足建模容量 最好首选 上部下部共同分析 的计算模型 当地下室体量太大 或上部有多个塔楼时 宜仍然考虑 上部下部共同分析 的计算模型 此时 地下室取上部结构外围轮廓向外2 3跨的结构部分 作为该塔楼的地下室部分 只要采用共同工作的分析模型 无需考虑层刚度2倍 地下室层刚度仍应大于上层的层刚度 的要求 当上部多塔结构靠的很近时 宜考虑与地下室共同工作的分析模型 地下室构件尽量简化 以满足整体建模容量的要求 地下室侧向约束刚度的作用 地下室侧向约束为什么能用大刚度来模拟 地下室侧向受回填土的影响 当结构侧移时 回填土将对地下室部分的侧移产生反作用力 被动土压力和侧向摩擦力 并使侧移减少 越往下 侧移越小直至为0 这种限制侧移的现象可以理解为一种约束 对结构来说 刚度越大位移越小 当刚度无限大时 位移为0 所以 刚度与约束是互通的 约束强可以理解为刚度大 0 0 目前程序采用的约束 建议修改后采用的约束 地下室侧向约束的模拟刚度 应随深度而增加 结构的嵌固端与地下室有什么关系 嵌固端是指对该点的各向位移进行完全约束 使之不能发生任何移动 真实的结构不具备这样的点 只有相对不动点 所以嵌固也是相对的 抗震规范第6 1 14条 对地下室的刚度做了明确要求 层刚度 梁柱墙承载力配筋的放大等 希望在大震作用下 结构的 抗倒塌 塑性铰出现在嵌固端 这是一种预期的假设 实际工程地下室刚度有较大的不确定性 半地下室 单边有回填土的地下室 地下室刚度很大土约束不住 规范本意 嵌固端对上部柱产生的塑性铰形式 由于不能保证塑性铰一定出现在 0 0处 可以把嵌固端与预设塑性铰的设计概念区别开来 结构预设塑性铰 可以通过构造 配筋等来假定 结构嵌固端还是应设在基础顶面 即 考虑上下部结构的共同作用 嵌固端取在地下室底面 地下室与上部结构共同建模分析与侧向约束的关系 上下部结构的共同建模 分析 使得整体结构具有相同的位移场 上下部协调变形 传力合理 尤其是竖向的协调变形具有显著的优点 如柱墙轴压比的连续性等 如果不考虑侧向约束 刚度估计偏柔 有时位移处在临界状态时 往往对侧向约束程度较为敏感 所以 对上部结构的分析 设计 宜考虑地下室的侧向约束 侧向约束程度应如何选择 回填土对地下室的约束程序 与土质有关 实际上难以确定 Satwe程序的地下室参数 回填土对地下室约束相对刚度比 如果填3 则这个参数的含义是 回填土的约束取3倍的地下室层刚度来模拟 有时 地下室的体量 刚度本身就已经很大了 再把其放大3倍作为土的侧向约束 则土的约束估计就偏大很多了 建议应根据工程的实际情况取值 取值范围宜在0 1之间 3 风 地震 恒活荷载作用计算 风荷载计算无论地下室侧向约束的程度如何 地下室部分的基本风压取为0 在地上部分的风荷载计算中 自动扣除地下室部分的高度 地下室顶板作为风压高度变化系数的起算点 结构在风荷载作用下的效应 位移 内力 受地下室侧向约束的程度的影响 地下室对风荷载计算的影响 地下室顶板 地震作用计算 结构的地震作用效应 周期 振型 位移 内力 受地下室侧向约束约束程度的影响 由地下室质量产生的地震力 主要被室外的回填土吸收 程序执行抗规 5 2 5 控制结构的 最小剪重比 时 地下室部分也考虑在内 即自动放大地震作用 注意 地下室剪重比不满足规范要求 不作为结构不合理的标志 用K型约束方法考虑回填土作用时 地下室地震作用减小 但并非没有 地下室对总地震作用的影响 若地下室约束刚度比填零 则对总地震作用无影响 若地下室约束刚度比大于零 则根据约束强弱调整地震作用 约束越强 地下室地震作用考虑越少 约束非常大时 相当于不考虑地下室地震作用 若地下室约束刚度填负整数M 则对底部M层地下室的水平位移和扭转角作完全嵌固 从而也就完全不考虑底部M层的地震作用 M MBASE 地下室顶板 A B C 不同地下室侧向约束刚度比下的地震作用示意 恒活荷载作用计算 正确理解 K法 嵌固的含义 水平嵌固 竖向可变形 地下室部分竖向构件的轴向变形和转动会导致上部结构恒活作用内力的重分布 对于一般规则结构 地下室外的回填土约束对竖向荷载作用影响很小 对于不规则结构 地下室外的回填土约束对竖向荷载作用有一定影响 在计算中由程序自动反映这一特点 地下室的约束传力 地下室的侧向约束是如何影响水平力传递的 当地下室侧向施加约束时 水平剪力将随着约束而减少 约束越强 上部结构传到地下室的剪力越小 直至为0 即 约束刚度将吸收剪力 上部结构传到地下室顶面的剪力 侧向约束传到土体内的剪力 上部结构传到地下室的剪力 4层地下室的超高层结构 所观察的柱 4层地下室的超高层结构 所观察的柱 地下室上层 第5层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下1层 第4层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下2层 第3层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下3层 第2层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下4层 第1层的柱内力 柱弯矩 柱剪力 由柱的弯矩 剪力随地下室楼层的变化 可以看到弯矩在地下室楼层中急剧减小 剪力在地下室1层有应力集中现象 导致地下室1层的剪力反而有所增加 再往下的变化规律与弯矩的变化一致 这种充大刚度模拟约束的方式 容易在地下室1层刚度突变 造成剪力的应力集中 产生大于上1层 0 0层 的剪力 地下室结构设计和剪力的调整 地下室设计剪力应如何确定 在 建筑抗震设计手册 按GB50011 2001编写 中的第352页 有关 基础及地下室结构的抗震设计要求 中提出了地下室结构抗震设计要求 如下图所示 上部结构传到地下室顶面的剪力 弯矩 作用在有整体基础的主体结构地下室底部总地震剪力V为 主体结构在地下室顶部的地震剪力 主体结构地下室引起的底部地震剪力 地下室结构地震作用降低系数 1 主体结构按结构基本自振周期的水平地震影响系数 GB 主体结构地下室的重力荷载代表值 这是一种手算的方法 还是比较繁琐的 基于这样的设计思想 地下室的设计剪力在采用软件计算时 可以按以下方法操作 1 给地下室部分的侧向施加较大的约束 来分析上部结构的周期 地震力 位移 内力等 并对上部结构进行配筋 验算的设计 2 给地下室部分的侧向施加很小的约束 模拟 的折减 或不加侧向约束 对结构进行整体分析 此时只对地下室部分进行配筋设计 上部结构分析时地下室的侧向约束模型 建议修改后采用的侧向约束模型 上部结构设计的分析模型 地下室分析采用微约束或无约束分析模型 地下室设计的分析模型 地下室上层 第5层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下1层 第4层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下2层 第3层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下3层 第2层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 地下4层 第1层的柱内力 柱剪力 柱弯矩 4 地下室抗震控制 地下室的抗震等级 抗震规范第6 1 3条 当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时 地下一层的抗震等级应与上部结构相同 地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级 地下室无上部结构的部分 可根据具体情况采用三级或更低等级 地下室抗震等级和截面控制 构造要求 抗震规范第6 1 14条 地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积 除应满足计算要求外 不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1 1倍 地上一层框架结构柱和抗震墙墙底截面的设计弯矩值应符合6 2 3 6 2 6 6 2 7条规定 位于地下室顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际受弯承载力之和 地下室强柱弱梁 强剪弱弯的调整系数 有关调整底层柱 墙内力的调整 A在 0标高处 B结构最底部 框支柱的地震力调整 剪力墙底部加强区 剪力墙底部加强区的控制 现在的版本中 地下室是否作为剪力墙底部加强区由剪力墙底部加强区起算层号决定 地下室以上底部加强区的范围按照高规决定 HS 加强区高度 H1 H2 结构第1 2层层高 HT 转换层高度 H 结构 0 0以上的总高度 带框支层的结构 1 2 3 4 5 加强区起算层号为3层 则加强区范围为3 4 5层 地下室抗震等级的调整 地下1层以下的抗震等级可以放松 人防荷载的调整和作用 可以计算多层人防吗 人防荷载怎样调整 可以计算多层人防 并且可以通过调整人防的房间荷载 实现人防荷载的局部作用 局部人防荷载作用会影响到本层的其它构件吗 会的 在本层局部区域加人防荷载 本层所有的构件都会有影响 而且也会在设计时考虑人防内力 只是比直接承受人防的构件内力要小多了 SATWE人防参数定义 SATWE人防荷载修改 上部房间的人防荷载为60 下部房间不考虑人防荷载 SATWE人防荷载修改后 再次生成数据时的保留选择 SATWE人防荷载修改后 上下部梁人防荷载下的弯矩图 有人防荷载处 梁的弯矩 无人防荷载处 梁的弯矩 人防荷载对相邻无人防荷载构件的影响 人防荷载作用产生的内力 有人防荷载处 梁的配筋 无人防荷载处 梁的配筋 5 地下室外墙平面外设计 恒活荷载作用结构整体分析得到的恒活荷载的轴力 弯矩 面外土 水侧作用按简化方法计算面外土水侧压力作用的弯矩 配筋设计按压弯构件进行配筋计算 水土压力分布 水土压力分布的简化 由上层传来的荷载 1m 上下楼板的侧向约束 由上层传来的荷载 取单位宽度计算面外的配筋 计算模型1 适用于上沿到上部结构中的外墙 计算模型2 适用于只到地下室顶板的外墙 外墙的两种不同的计算模型 目的是要保证地下室外墙具有足够的面外配筋 地下室外墙面外配筋的输出 地下室外墙的竖向分布筋 即面外配筋 地下室人防设计 人防荷载计算的输入参数人防计算参数在 地下室信息 中定义 当不计算人防时 人防等级 荷载均应置0 以免计算出错 地下室层数与人防地下室层数人防层数应小于等于地下室层数 考虑了哪些构件的人防设计SATWE在结构整体分析时 可以考虑人防荷载对梁 柱和墙的作用 设计配筋将包含了人防的组合内力 人防荷载对楼板作用 在整体分析时不予考虑 板的设计将在SLABCAD软件中弯成 人防作用效应组合人防荷载作用的效应组合可以人工调整 否则程序将默认规范的组合方式 地下室构件的人防设计在进行人防荷载组合的构件配筋验算设计时 根据不同的混凝土材料 钢材 强度按规范相应提高 临空墙的人防作用效应分析模型对于抗爆的临空墙 程序也按照外墙的方式处理 此时6级人防的临空墙水平爆力取110kN m2 4 5级人防取210kN m2 地下室顶板人防荷载 下层人防荷载的局部修改 临空墙定义 人防外荷载与水土压力的叠加 人防层构件的设计 人防构件的弹塑性设计是如何实现的 人防规范 第4 6 1条 对人防构件可以考虑非弹性变形的塑性重分布 对按弹塑性设计的构件 可以按以下两方面控制实现 1 在人防设计内力进行截面配筋时 要考虑混凝土 钢筋材料的强度提高 2 要根据 人防规范 第4 6 5条 控制构件的计算延性比 或延性系数 人防构件设计时强度是如何提高的 只有在设计内力中有人防荷载参与时 构件的材料强度才提高 没有人防荷载参与组合 材料强度不提高 44 45类组合 有人防荷载参与 构件的材料强度才提高 人防荷载组合分项系数 在截面验算时 如控制内力有人防荷载参与 则材料强度也将相应提高后 再进行截面强度 如抗剪截面等 验算 人防构件为什么要控制延性比 爆炸荷载属于突发性荷载 它使构件在极短的时间内进入塑性状态 此时 如果构件刚度过大 很容易产生脆性破坏 使该构件完全失效 人防构件设计时 严格控制配筋率 保证延性比 就是要确保在爆炸荷载作用下 构件还有一定的变形能力 从而达到耗能 延缓失效的目的 所以 人防构件是按照延性设计控制 有人防荷载参与的柱设计控制内力 人防荷载参与的连梁控制内力 人防荷载参与的梁控制内力