结构设计几个限值的意义

结构设计几个限值的意义结构设计几个限值的意义 高层设计的难点在于竖向承重构件 柱 剪力墙等 的合理布置 设计过程中 控制的目标参数主要有如下十一个 1 1 轴压比轴压比 估算公式 Ac Nc a fc 其中 a 轴压比 一级 0 7 二级 0 8 三级 0 9 短柱减 0 05 fc 砼轴心抗压强度设计值 Nc 估算柱轴力设计值 2 柱轴力设计值 Nc 1 25C N 其中 N 竖向荷载作用下柱轴力标准值 已包含活载 水平力作用对柱轴力的放大系数 七度抗震 1 05 八度抗震 1 10 C 中柱 C 1 边柱 C 1 1 角柱 C 1 2 3 竖向荷载作用下柱轴力标准值 N nAq 其中 n 柱承受楼层数 A 柱子从属面积 q 竖向荷载标准值 已包含活载 框架结构 10 12 轻质砖 12 14 机制砖 框剪结构 12 14 轻质砖 14 16 机制砖 筒体 剪力墙结构 15 18 单位 KN M M 4 适用范围 轴压比控制小偏心受压或轴心受压柱的破坏 因此适用于高层建筑中的底部 楼层柱截面的估算 轴压比主要为控制结构的延性 规范对墙肢和柱均有相应 限值要求 见抗规 6 3 7 和 6 4 6 在剪力墙的轴压比计算中 轴力取重力荷 载代表设计值 与柱子的不一样 8 轴压比轴压比 轴压比是指有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和砼轴心 受压抗压强度设计值乘积的比值 是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一 轴压比限值的依据是理论分析和试验研究并参照国外的类似条件确定的 其基 准值是对称配筋柱大小偏心受压状态的轴压比分界值 2 2 剪重比 剪重比 剪重比是对整个结构体系一个宏观概念 主要为控制各楼层最小地震剪力 确保结构安全性 见抗规 5 2 5 剪重比在抗震规范的 5 2 5 条 就是剪力系数 它的最小值一般工程取 0 2 倍的 水平地震影响系数最大值 这个系数与楼层重力荷载代表值的乘积就是楼层水平 地震剪力最小限值 如计算出剪重比过小 程序就按水平地震剪力最小值来调整 楼层的水平剪力 这就说明上部结构过柔 所以要增加上部结构的刚度 来吸收 更多的地震力 水平剪力也就增加了 从而剪重比也就跟这大了 主要是为了避免在地震中某层的地震力大于设计值 不满足要求 增强该层的 抗震能力 控制意义 控制剪重比 是要求结构承担足够的地震作用 设计时不能小于规范的要求 剪重比与地震影响系数由内在联系 0 2 max 剪重比在抗震规范的 5 2 5 条 就是剪力系数 它的最小值一般工程取 0 2 倍的 水平地震影响系数最大值 这个系数与楼层重力荷载代表值的乘积就是楼层水平 地震剪力最小限值 如计算出剪重比过小 程序就按水平地震剪力最小值来调整 楼层的水平剪力 这就说明上部结构过柔 所以要增加上部结构的刚度 来吸收 更多的地震力 水平剪力也就增加了 从而剪重比也就跟这大了 剪重比过大过小都需要检查 过大 说明底部剪力过大 应检查输入信息 是 否填入信息有误 或者剪力墙数量过多 结构太刚 不论剪力重力比过大过小 都要找出原因 将其控制在适宜的范围内 其计算的位移 内力 配筋才有意 义 剪重比太小 说明结构太柔 设计的整体刚度不够 最好增加结构的刚度 而 不要一味地调整地震力 3 侧向刚度比侧向刚度比 主要为控制结构竖向规则性 位移比 主要为控制结构平面规则性 以免形成 扭转 对结构产生不利影响 控制比例为 1 5 见抗规 3 4 2 3 4 3 刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标 新规范要求结构各层之间的刚度比 并根据刚度比对地震力进行放大 新规范对结构的层刚度有明确的要求 在判断楼层是否为薄弱层 地下室是否 能作为嵌固端 转换层刚度是否满足要求等等 都要求有层刚度作为依据 直观的来说 层刚度比的概念用来体现结构整体的上下匀称度 B 规范条文 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 3 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 6 条规定 底部大空间剪力墙结构 转换层上部结构与下部结构 的侧向刚度 应符合高规附录 D 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 2 5 层大空间的部分框支剪力墙结构 其转换层下部框加 剪力墙 结构的等效侧向刚度与相同或相近高度的上部剪力墙结构的等效侧向刚度比 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 C 计算方法及程序实现 楼层剪切刚度 单层加单位力的楼层剪弯刚度 楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度 只要计算地震作用 一般应选择第 3 种层刚度算法 不计算地震作用 对于多层结构可以选择剪切层刚度算法 高层结构可以选择 剪弯层刚度 不计算地震作用 对于有斜支撑的钢结构可以选择剪弯层刚度算法 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 4 4 周期比 周期比 主要为控制结构扭转效应 减小扭转对结构产生的不利影响 要求见高规 4 3 5 周期比是相当重要的 在计算地震控制力的计算中 参数扭转系数就是主要由周 期比来控制的 第一扭转周期与第一侧振周期的比值 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 所以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一状况 这种改变一般是整体性的 局部的 小调整往往收效甚微 一句话 周期比控制不是在要求结构足够结实 而是在 要求结构承载布局的合理性 验算周期比的目的 主要为控制结构在罕遇大震下的扭转效应 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 抗归中没有明确提出该概念 所以多层时该控制指标可以适当放松 但一般不 大于 1 0 C 计算方法及程序实现 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 周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期 Tt 周期最长的侧振振型对应的 就是第一侧振周期 T1 注意 在某些情况下 还要结合主振型信息来进行判断 知道了 Tt 和 T1 即可验证其比值是否满足规范 D 注意事项 复杂结构的周期比控制 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 此时应选择 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 周期比是控制结构扭转效应的重要指标 它的目的是使抗侧力构件的平面布置 更有效 更合理 使结构不至出现过大的扭转 也就是说 周期比不是要求结 构足够结实 而是要求结构承载布局合理 高规 第 4 3 5 条对结构扭转为 主的第一自振周期 Tt 平动为主的第一自振周期 T 之比的要求给出了规定 如 果周期比不满足规范要求 说明该结构的扭转效应明显 设计人员需要增加结 构周边构件的刚度 降低结构中间构件的刚度 以增大结构的整体抗扭刚度 设计软件通常不直接给出结构的周期比 需要设计人员根据计算书中周期 值自行判定第一扭转 平动 周期 以下介绍实用周期比计算方法 1 扭转周期 与平动周期的判断 从计算书中找出所有扭转系数大于 0 5 的扭转周期 按周 期值从大到小排列 同理 将所有平动系数大于 0 5 的平动周期按其值从大到 小排列 2 第一周期的判断 从队列中选出数值最大的扭转 平动 周期 查看 软件的 结构整体空间振动简图 看该周期值所对应振型的空间振动是否为整 体振动 如果其仅仅引起局部振动 则不能作为第一扭转 平动 周期 要从队 列中取出下一个周期进行考察 依此类推 直到选出不仅周期值较大而且其对 应的振型为结构整体振动的值 即为第一扭转 平动 周期 3 周期比计算 将 第一扭转周期值除以第一平动局期值即可 1 必须满足平动周期出现的比扭转周期早 2 扭转周期出现的越晚越好 不一定非得出现在第二周期 5 刚重比刚重比 主要为控制结构的稳定性 以免结构产生滑移和倾覆 要求见高规 刚度比一般在框剪中比较常见 刚重比为了避免不均的地震力 6 剪跨比剪跨比 梁的剪跨比 剪力的位置 a 与 h0 的比值 剪跨比影响了剪应力和正应力之间 的相对关系 因此也决定了主应力的大小和方向 也影响着梁的斜截面受剪承 载力和破坏的方式 同时 也反映在受剪承载力的公式上 柱的剪跨比 若 反弯点在柱子层高范围内 可取 柱子的剪跨比小于 2 时 需要全长加密 见混 凝土规范 11 4 12 11 4 17 7 剪压比剪压比 梁柱截面上的名义剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值 梁柱截面上的名义剪应力 V bh0 与混凝土轴心抗压强度设计值的比值 梁 塑性铰区的截面剪压比对梁的延性 耗能能力及保持梁的强度 刚度有明显的 影响 当剪压比大于 0 15 的时候 梁的强度和刚度有明显的退化现象 此时再 增加箍筋用量 也不能发挥作用 因此对梁柱的截面尺寸有所要求 9 跨高比跨高比 梁的跨高比 梁的净跨与梁截面高度的比值 对梁的抗震性能有明显的影响 梁 非剪力墙的连梁 的跨高比小于 5 和深梁都按照深受弯构件进行计算的 10 延性比延性比 延性比即为弹塑性位移增大系数 延性是指材料 构件 结构在初始强度没有 明显退化的情况下的非弹性变形能力 延性比主要分为三个层面 即截面的延 性比 构件的延性比和结构的延性比 结构的延性比多指框架或者剪力墙等结 构的水平荷载 顶层水平位移 P delta 水平荷载 层间位移等曲线 结构的 屈服位移有等能量方法 几何做图法等 1111 位移比 位移比 主要为控制结构平面规则性 以免形成扭转 对结构产生不利影响 见抗规 3 4 2 位移比是控制指标中最基本的 必须满足 才能给人舒适度和安全 A 控制意义 位移比 是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角与本楼层平均值的比 位移比的大小反映了结构的扭转效应 同周期比的概念一样都是为了控制建筑 的扭转效应提出的控制参数 在高归 4 3 5 条中位移比和周期比是同时提出的 B 规范条文 抗规第 3 4 3 1 条规定 平面不规则而竖向规则的建筑结构 应采用空间结构 计算模型 并应符合下列要求 1 扭转不规则时 应计及扭转影响 且楼层竖 向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和 层间位移平均值的 1 5 倍 新高规的 4 3 5 条规定 在考虑质量偶然偏心影响的地震作用下 楼层竖向构 件的最大水平位移和层间位移角 A B 级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均 值的 1 2 倍 且 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 C 计算方法及程序实现 程序中对每一层都计算并输出最大水平位移 最大层间位移角 平均水平位移 平均层间位移角及相应的比值 用户可以一目了然地判断是否满足规范 且注意位移比的限值是根据刚性楼板假定的条件下确定的 其平均位移的计算 方法 也基于 刚性楼板假定 控制位移比的计算模型 按照规范要求的定义 位移比表示为 最大位移 平 均位移 而平均位移表示为 最大位移 最小位移 2 其中的关键是 最 小位移 当楼层中产生 0 位移节点 则最小位移一定为 0 从而造成平均位移 为最大位移的一半 位移比为 2 则失去了位移比这个结构特征参数的参考意 义 所以计算位移比时 如果楼层中产生 弹性节点 应选择 强制刚性楼板 假定 规范要求 高规 4 3 5 条 应在质量偶然偏心的条件下 考察结构楼层位移比 的情况 层间位移角 程序采用 最大柱 墙 间位移角 作为楼层的层间位移角 此 时可以