高层结构分析与设计

研究生课程考核试卷研究生课程考核试卷 科科 目 目 高层结构分析与设计高层结构分析与设计 教教 师 师 学学 生 生 学学 号 号 专专 业 业 结构工程结构工程 类类 别 别 学术学术 上课时间 上课时间 2014 年年 3 月至月至 2014 年年 6 月月 考考 生生 成成 绩 绩 卷面成绩卷面成绩平时成绩平时成绩课程综合成绩课程综合成绩 阅卷评语 阅卷评语 阅卷教师阅卷教师 签名签名 某高层的结构指标验算某高层的结构指标验算 摘要 此文是作者 2014 年 7 月到 9 月在某设计院实习期间所遇到的工程实例 通过 PKPM 软件进行建 模 采用 SATWE 模块计算 通过查找输出文件的各种指标如周期比 层间位移比 刚度比 刚重比 剪重 比弹性层间最大位移限值和结构整体抗倾覆验算等验证结构的安全性能 通过对整个主楼的设计过程的研 究总结出对于工程设计的若干条建议 关键词 扭转位移比 层间位移比 位移角 倾覆弯矩 SATWE 1 项目简介项目简介 1 1项目概述 建设用地面积 28971 平方米 总建筑面积 92921 11 平方米 功能为 住宅 及其配套商业 车库 由 3 栋住宅楼以及 1 2 3 号商业和地下车库与幼儿园 组成 其中 1 2 号住宅楼为 28 层 3 号住宅楼层为 30 层 1 号商业为 5 层 2 3 号商业楼为 4 层 幼儿园为 2 层 文章挑选 3 号楼作为描述对象阐述高层 住宅楼的设计过程 该工程地下 1 层 地上 29 层 结构主屋面高度为 87 米 楼梯屋面高度 90 米 建筑效果图见图 1 1 图 1 1 建筑效果图 2 设计依据 设计依据 2 1 主体结构设计使用年限 建筑主体结构设计使用年限 50 年 2 2 自然条件 基本风压 0 4kN m2 抗震设防烈度 6 度 设计基本地震加速度 0 05g 设计地震分组 第一组 2 3 本工程采用的主要法规和标准 1 工程结构可靠度设计统一标准 GB 50153 2008 2 建筑结构荷载规范 GB50009 2012 3 混凝土结构设计规范 GB50010 2010 4 砌体结构设计规范 GB50003 2011 5 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 6 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3 2010 7 建筑工程抗震设防分类标准 GB 50223 2008 8 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011 9 建筑桩基技术规范 JGJ94 2008 10 建筑边坡工程技术规范 GB50330 2002 11 建筑工程设计文件编制深度的规定 建设部 2008 年版 15 中国地震局 关于学校 医院等人员密集场所建设工程抗震设防要求 确定原则的通知 中震防发 2009 49 号 2 4 设计安全标准 1 建筑结构安全等级 二级 2 地基基础设计等级 乙级 3 建筑抗震设防类别 丙类 4 建筑防火分类等级与耐火等级 1 2 3 号住宅楼 建筑耐火等级为一级 1 2 3 号商业楼建筑的耐火等级为二级 汽车库防火分类为 类 耐 火等级为二级 2 5 场地分析和地勘报告分析 1 场地基本情况 拟建场地及周边未发现滑坡 泥石流 危岩 断层不良地质作用 场区 拟建地段开阔 土层下部为岩质地基 岩体分布连续 岩层产状平缓 岩质 地基稳定性好 土层与下伏基岩接触面平缓 场地内水文地质条件较简单 抗震设防烈度为 6 度 场地按设计地坪标高及环境标高平场后 场地与地基 稳定 适宜本工程建设 场地内无高边坡及不良地质现象 2 工程地质和水文地质概况 场内地层结构自上而下为 第四系全新统残坡积粉质粘土 Q4dl el 及侏罗系中统沙溪庙组基岩 J2s 组成 基岩岩性主要为中厚层状泥岩构成 按风化程度可划分强风化带基岩和中风化带基岩 现分述如下 粉质粘土 Q4dl el 紫红色及褐黄色 主要由粘粒组成 手捻 有砂感 稍有光泽 无摇震反应 韧性中等 干强度中等 可塑 分布于整 个场地 厚薄不均 厚度约 2 01m 3 86 强风化带基岩 J2s 强风化带岩石 主要为泥岩 夹有砂岩 薄层 泥岩主要为紫红色 岩石裂隙发育 破碎 岩芯不完整 岩石结构构 造已破坏 多呈块状 少量短柱状 厚度 2 58 4 17m 中风化带基岩 J2s 主要为泥岩 紫红色 粘土矿物为主 部 分含砂质 泥质结构 中厚层状构造 该带岩体完整性指数 0 64 0 73 岩 体较完整 根据环境调查及地下水 土层组成成分室内测试资料表明 场内及附近 周边无工业污染 地下水及地基岩 土对砼物有微腐蚀性 总之 场地内水 文地质条件较简单 3 主要荷载取值 主要荷载取值 3 1 永久外加荷载的容重 围护及填充墙体采用页岩空心砖 外墙采用厚壁型页岩空心砖容重 14kN m 内墙采用页岩空心砖容重 8kN m 管井及有水房间 卫生间 厨 房 地面以上 1500 采用混凝土砌块 容重 19kN m 砂浆选用 M5 混合砂浆 车库顶板以上覆土容重 20KN m3 3 2 楼 屋 面活载 特殊设备荷载 序号荷载类别 标准值 kN m2 序号荷载类别 标准值 kN m2 1 不上人屋面 0 52 上人屋面 2 0 3 屋顶花园 3 04 楼梯间 电梯厅 通 道 3 5 5 厨房 起居室 卧室 过 道 2 06 卫生间 2 5 7 公共通道 阳台 露台 2 58 车道 车库 4 0 9 商业 3 5 注 1 30t 消防车折算荷载取 27kN m3 2 非固定隔墙的自重取每延米长墙重的 1 3 作为楼面活荷载的附加值计入 附加值不少于 1 0kN m3 3 电梯吊钩荷载 30kN 个 4 特殊荷载 消防水箱 18T 3 3 风荷载 建筑基本风压根据荷载规范为 0 40kN 地面粗糙度为 B 类 体型系 数 1 3 风压高度变化系数分别按照 B 类地面采用 采用 0 25kN 的风荷载 作为风压舒适度验算的荷载取值 对应重现期为 10 年 3 4 地震作用 抗震设防烈度 6 度 设计基本地震加速度 0 05g 设计地震分组 第一 组 场地类别 II 类 场地特征周期 0 35 s 结构阻尼比 5 地震影响系数 0 04 注 对于雪荷载 基础浮力 温度作用等本设计中都不做考虑 4 主要材料的选用主要材料的选用 1 混凝土强度等级 柱 剪力墙 C30 C50 梁 板 C30 C40 基础 C30 超长部分单元采用微膨胀混凝土 添加 6 8 ZY 2 钢筋 梁 板 柱 基础的纵向受力钢筋均采用 400MPa 级的热轧带肋钢筋 箍筋 和剪力墙分布筋采用 HPB300 钢筋 3 围护及填充墙体 围护及填充墙体采用页岩空心砖 外墙采用厚壁型页岩空心砖容重 14kN m 内墙采用页岩空心砖容重 8kN m 强度等级不小于 MU5 0 管井及 有水房间 卫生间 厨房 地面以上 1500 采用混凝土砌块 强度等级不小于 MU10 容重 19kN m 砂浆选用 M5 混合砂浆 4 结构选型及结构布置结构选型及结构布置 4 1 结构选型 住宅楼采用剪力墙结构体系 建筑中部采用楼梯 电梯 管井组成的筒 体布置剪力墙 楼梯 布置剪力墙 其余部分采用建筑外墙与内隔墙布置剪 力墙 梁板式楼盖结构 全部采用现浇钢筋砼 垂直荷载主要通过楼板传递 到框架梁 墙 水平荷载 地震力 风力 由框架柱及抗震墙承担 屋盖及 楼盖结构采用主次梁楼盖体系 控制梁截面高度 满足其他专业及使用的净 空要求 4 2 结构平面布置 4 2 1 建筑平面图 标准层平面图 4 2 2 结构平面图 标准层结构平面布置图 结构楼层组装模型 4 3 结构构件墙 梁和板的设计思路 4 3 1 墙构件 住宅楼对建筑格局的要求比较严格 对于大开间的房屋 如客厅 卧 室等不能中间过梁 墙的布置更不能随心所欲 需要严格遵守建筑的格局 布置 剪力墙的厚度也因此固定为 200mm 剪力墙的布置特点一般为 1 角部布墙 建筑房屋的角部如果没有特殊的要求 如 开角窗等 需 要在建筑的四个甚至以上的角部布置墙体 这样能有效的提高剪力墙抗侧 刚度和结构的整体抗扭转的性能 2 楼梯 电梯处必布墙 楼梯电梯处对于建筑结构的要求不高 而且从 底到顶是拉通了的 因此是最合适布置剪力墙的部位 因此一定要布置剪 力墙 但是由于中部的剪力墙刚度太大 造成结构整体的抗扭转性能变弱 此时需要降低剪力墙在此处的刚度 一般就是在剪力墙上面开洞口降低中 间部位的强度 3 剪力墙的布置长度 剪力墙尽量多布置成 L 形 T 形剪力墙 L 型 长 肢部分的长度为 1700mm 短肢部分为 600mm 这样取值的原因是根据规范 来的 对于 200mm 厚的墙如果墙长小于 1600 软件和规范都会认为是短 肢剪力墙 对墙体的要求会提高 而短肢部分 如果小于 600mm 时 墙的 翼缘部分的贡献作用就会不能考虑 同时建筑结构也要求尽量少的用短肢 剪力墙 因此对于结构来说最经济的墙体布置方式就是以上的结构尺寸 4 剪力墙尽量对直成线 当剪力墙长度大于 5 米时 在刚度有富裕时可 设置结构洞口 建立墙的洞口上的梁到底是普通梁还是连梁的区别为看看 梁的剪切位移是否可以忽略不计 不可以忽略的时候就要按连梁计算 可 以忽略不计的时候就可以按普通梁来计算 连梁一般后于剪力墙损毁 为 了使连梁作为剪力墙之前的抗震防线一般对建立墙的刚度进行折减 但是 折减系数不可以小于 0 5 4 3 2 梁构件 对于剪力墙结构就要将墙体当做梁的传力构件 墙体的布置要充分考虑 建筑要求和结构布置梁的需要 梁在住宅建筑中应尽量的布置在墙体内 考虑到美观梁的宽度一般不大于隔墙的宽度 因此一般梁的宽度取为 200mm 在纵横交错的复杂部位 最好的处理方法就是将梁的截面处理成 一样的 对于错层的结构 考虑将梁的高度提高 施工过程中是分层施工 的 并不是一次现浇完成 4 3 3 板构件 对于板构件与一般的结构房屋也有不同之处 最主要的是板的下面不允许 放置梁 因此对于客厅 主卧等开间比较大的房屋 板厚一般取为 200mm 比一般的板要厚些 设计时还要注意阳台 卫生间等部位需要降板 的标高 4 3 4 混凝土强度 对于高层建筑混凝土的强度不是一成不变的 我所经历的这个住宅的混凝 土强度 1 5 层的强度取值为 C50 6 10 层的混凝土强度取值为 C45 10 层以 上的结构混凝土强度取值为 C40 5 结构运算及指标调整结构运算及指标调整 5 1 特殊构件定义 混凝土强度变化示意 底部加强区 剪力墙约束边缘构件 5 2 平面规则指标 5 2 1 结构周期比 上图中两个圆圈的图标代表整个模型的刚度中心 圆圈中带十字的图标代表模 型的质量中心 通过这个图形我们可以定性的判断结构的扭转效应是否明显 对应高规 3 4 5 中结构平面布置应减少扭转的影响 结构扭转为主的第一自振 周期与平动为主的第一自振周期之比 A 级高度高层建筑不应大于 0 9 B t T 1 T 级高度高层建筑 超过 A 级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于 0 85 本工程对应 A 级高度 结构计算的周期为 第一自振周期 13 0639s 第二自振周期 2 2 9742 s 第三自振周期 3 2 5661 s 结构平动第一自振周期与扭转第一自振周期之比为 0 83 0 9 满足规范对于平 面不规则的要求 5 2 2 结构位移比 对应高规 3 4 5 中在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下 楼层竖向 构件最大的水平位移和岑建位移 A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1 2 倍 不应大于该楼层平均值的 1 5 倍 B 级高度高层建筑 超过 A 级高度的混 合结构及股砸高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1 2 倍 不应大于该楼层平均 值的 1 4 倍 结构水平地震力作用下 X Y 方向的最大位移结果如下 楼层数层间位 移 平均层 间位移 最大层 间位移 角 本层与上层位移角 的 1 3 倍及上三层 平均位移角的 1 2 倍的比值的大者 300 890 731 3355 5 80 290 950 771 3161 6 50 281 010 821 2956 6 50 271 080 881 2766 6 10 261 150 931 2601 5 50 251 220 981 2462 4 90 241 281 031 2343 4 40 231 341 081 2242 4 00 221 391 131 2155 3 60 211 441 171 2080 3 20 201 491 21 2016 2 80 191 531 241 1961 2 40 181 571 271 1915 2 00 171 61 31 1877 1 60 161 621 321 1847 0 90 151 641 331 1831 0 80 141 651 341 1816 0 50 131 661 351 1807 0 10 121 661 351 1804 0 30 111 661 351 1809 0 90 101 641 341 1825 1 40 91 621 321 1849 2 10 81 591 291 1886 3 00 71 551 251 1941 4 40 61 481 21 2024 6 30 51 391 121 2153 9 00 41 271 021 2358 14 10 31 10 871 2736 24 40 20 830 651 3629 52 30 10 380 31 7872 96 10 由上表可知每一层的层位移角都满足规范要求的 1 1000 的要求 5 3 竖向规则指标 5 3 1 刚度比 对应于高规 3 5 2 条对于剪力墙结构 楼层与其相邻上一层的侧向刚度比 可以按照式计算 且本层与相邻上层的比值不宜小于 0 9 2 11 1 2 i i ii ii h h V V 当本层层高大于小林上层层高的 1 5 倍时 该比值不宜小于 1 1 对结构底部 嵌固层 该比值不宜小于 1 5 结构设计时每层的构件布置相同 竖向刚度基本没有变化 通过软件计算给 出的结果与预想的相同 此处不再做论述 5 3 2 楼层受剪承载力之比 楼层受剪承载力之比对应高规 3 5 3 条 A 级高度高层建筑的楼层抗侧力结 构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的 80 不应小于其相 邻下一层受剪承载力的 65 B 级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承 载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的 75 结构构件布置时