混凝土结构设计课件.doc

13Building Structure设计交流We learn we goSATWE 结构整体计算时设计参数的合理选取（三）姜学诗/中国建筑设计研究院审图所1 总信息中各项参数的合理选取（三）1.8 特殊荷载计算信息1.8.3 温度荷载在正常使用条件下，由于大气温度变化在结构中引起的应力称为温度应力。影响结构温度应力的大气温度变化主要是季节温度变化和太阳辐射等造成的结构温差（温度荷载）。结构的这种温差一般分为两类：一类是外围构件自身内外表面的温差局部温差；另一类是外围构件中面和室内构件中面的温差整体温差。由于建筑物的屋面和外表面通常都会有保温隔热措施，局部温差对结构的影响相对较小，一般不专门考虑。目前国内的SATWE，PMSAP 等软件只考虑整体温差计算。关于设计温差，即室内外平均温度之差，工程界多采用建筑物所在地区夏季30 年一遇的最高日平均温度和冬季30年一遇的最低日平均温度与建筑物温度伸缩缝封缝时的温度之差。当计算使用阶段的温度应力时，室内空气温度夏季取空调设计温度，冬季取采暖设计温度，对于不采暖或不采用空调的地区，则取室内正常温度。在大气温度变化范围内，由于温度变化引起的材料伸缩是线性的，因此温度应力引起的结构构件的初始轴力和弯矩可以用普通的线弹性分析方法来计算。但对于钢筋混凝土结构，应考虑徐变应力松弛特性，根据文5的建议，可将按弹性计算获得的温度内力乘以徐变松弛系数0.3，作为实际温差内力标准值进行结构设计。对于钢结构，由于不存在徐变应力松弛，温差内力不能折减。在温度荷载作用下，还必须考虑构件界面裂缝的影响，因此应对梁、柱等钢筋混凝土构件截面的弹性刚度进行折减，根据文5的建议，该折减系数可取0.85；对于钢结构，其截面弹性刚度不折减。温度荷载效应与重力荷载效应组合时，重力荷载效应分项系数取1.25，温度荷载效应分项系数一般取1.2，温度荷载效应组合值系数一般取0.8。某工程的框架梁A，不计算温度荷载、计算温度荷载但不考虑应力松弛系数和梁柱钢筋混凝土弹性刚度折减系数（温度荷载2）及计算温度荷载并考虑应力松弛系数和梁柱钢筋混凝土弹性刚度折减系数（温度荷载1）三种情况下的计算结果，如表1 所示。由表1 可知，计算温度荷载时，考虑混凝土徐变产生的应力松弛和构件界面裂缝的影响后，梁的配筋计算结果比不计算温度荷载的要大，但较合理，否则，温度荷载的配筋结果会大得多，超筋现象严重。框架梁A 计算结果比较 表1内力及配筋 M-/kNm M+/kNm N/kN As-/mm2 As+/mm2不计算温度荷载 271.0(1) 39.3(1) 0 1944.37 558.83温度荷载1 271.0(1) 39.3(1) 308.5(3) 2340.52 768.38温度荷载2 280.2(2) 41.6(2) 1512.0(3) 4500.00 2931.66注：M-，M+分别表示负、正弯矩包络；N 轴力设计值；As-，As+分别表示负、正筋；括号内的数字1，2，3 分别表示恒+活+x 向风荷载，恒+活+升温荷载，恒+活+降温荷载。采用PMSAP 软件进行温度荷载（温差）计算时，其简要操作过程如下：1） 在PMSAP 的“温度荷载”中的温差工况项内输入相应的温度荷载（温差），即输入最高升温温差和最低降温温差两组温差荷载，如图1 所示；2） 在相应的节点处输入温度荷载，也可选择“全楼同温”（即在全部楼层的相应节点处都输入温度荷载）；3） 在弹性楼板中选择“全楼设膜”，即定义全部楼层楼板为弹性膜。因为结构在温度作用下会产生拉力，只有采用弹性楼板假定才能计算出拉力。如果不想考虑在温度荷载作用下楼板对结构构件的作用，则可以将楼板删除；4） 同时考虑温度荷载组合值系数0.8 和徐变应力松弛系数0.3，在PMSAP 的温度荷载组合系数中输入0.80.3=0.24，见图2。图1 温差工况中输入温差值 图2 温度荷载参数界面关于温度荷载计算，宜优先采用PMSAP 软件，原因是SATWE 软件暂无杆件截面弹性刚度折减功能。PMSAP 与SATWE 共用模型，计算方便、结果直观，可直接用于工程设计。结构的温度荷载等非荷载作用分析计算可参考文2和文5。1.9 结构类别（结构类型）常用的钢筋混凝土结构类型分为框架结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构、剪力墙结构、短肢剪力墙结构、板柱-剪力墙结构、异形柱结构、异形柱框架-剪力墙结构、钢-混凝土混合结构及复杂高层结构（带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、多塔楼结构、连体结构）等。14设计交流Building StructureWe learn we go结构工程师应正确填写结构类型，因为抗震设计时，在同一抗震设防烈度下，同一高度的不同类型结构，其抗震等级通常都不相同。不同抗震等级的结构，有不同的抗震内力调整系数，错填结构类型有可能使结构内力调整出错，影响结构安全。关于异形柱结构，由于SATWE 软件未能完全执行行业标准混凝土异形柱结构技术规程（JGJ1492006）（简称异形柱规程）的规定，对程序的一些参数应做必要的修改。如当存在薄弱层时，应人工指定；由于异形柱规程第3.2.5 条规定，异形柱结构的薄弱层的剪力增大系数为1.2，而SATWE 软件内定的薄弱层地震剪力增大系数为1.15 ， 故应通过输入“ 全楼地震力放大系数” 1.04（1.20/1.15=1.04）来使薄弱层的地震剪力调整符合规程要求。对计算的输出结果文件也应做必要的人工复核，如异形柱的最大、最小配筋率，轴压比等。另外，还应注意异形柱规程对异形柱结构的位移比控制、楼层受剪承载力控制均比一般结构要严。异形柱规程的节点构造设计也有不同的要求，有条件时可采用天津大学编写的计算异形柱结构节点的子程序。1.10 裙房层数和转换层所在层号（1） 裙房是相对于塔楼而言的，它是塔楼结构（多塔结构或单塔结构）的组成部分。塔楼、裙房和地下室构成复杂的高层建筑结构（单塔楼结构是多塔楼结构的特例）。带裙房和地下室的多塔楼结构在进行分析与设计计算时，除周期比和位移比指标采用“离散模型”（即将各塔楼及其相连的部分裙房和地下室离散开分别计算）控制外，还必须采用“整体模型”（即将各塔楼连同整个裙房和地下室作为一个结构整体进行计算）计算内力和配筋，并对离散模型的内力和配筋计算结果进行校核。采用整体模型进行结构内力和配筋计算，也便于基础软件接力运行。SATWE 软件规定，裙房层数应包括地下室层数（包括人防地下室层数）。例如，建筑物在0.000 以下有2 层地下室，在0.000 以上有3 层裙房，则在总信息的参数“裙房层数”项内应填5。正确填写裙房层数的优点是：1） 程序可以较准确地计算塔楼结构质心与底盘（裙房）结构质心的距离，便于结构工程师判断该质心距离是否大于底盘相应边长的20%。当单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长的20%时，仅此一项不规则，根据建设部建质2006 220 号通知发布的超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点的规定，该单塔或多塔结构便属于应进行抗震设防专项审查的超限高层建筑工程。2） 正确输入裙房层数后，程序能够自动按照高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ32002）（简称高规）的规定正确判断结构底部加强区所在的位置。（2） 根据建筑抗震设计规范（GB500112001）和高规的规定，在建筑结构的底部，当上部楼层的部分竖向构件（剪力墙、框架柱、支撑）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。根据建筑功能的要求，转换层可以设置在地面（通常指室内0.000 地面）以上的层1，2 或3 等。高规规定：8 度抗震设防时转换层的设置位置不宜超过地面以上第3 层；7度抗震设防时不宜超过地面以上第5 层；6 度抗震设防时其层数可适当增加。建筑物转换层所在地面以上的位置超过高规规定时，在抗震设防地区，应对该建筑物进行抗震设防专项审查。根据SATWE 软件的规定，当建筑物有地下室时，转换层所在层号也应从地下室算起。例如，建筑物有2 层地下室，转换层位于地面以上第2 层，则在总信息参数项内“转换层所在层号”应填4。正确填写转换层所在层号，有助于程序按照规范的要求，对相关构件进行正确的内力调整。1.11 墙元细分最大控制长度和墙元侧向节点信息（1） 剪力墙是多高层建筑结构（特别是高层建筑结构）的主要抗侧力构件，既承受水平荷载的作用，又承受竖向荷载的作用。SATWE 软件采用在壳元的基础上凝聚而成的墙元来模拟剪力墙，并通过采用数学归纳与专家系统相结合的方法，实现了墙元的自动细分。墙内部节点的自由度被凝聚消去，墙上下节点为出口节点，墙左右的中间节点的自由度可由用户参数设置来决定是内部节点还是出口节点。剪力墙单元划分质量对剪力墙计算结果的精度与准确性影响较大。单元形状以矩形为好，单元尺寸取较小值为好，墙元左右的中间节点按出口节点计算比按内部节点计算效果好。对于尺寸较大的剪力墙，在作墙元细分形成一系列小壳元时，为确保分析精度，要求小壳元的长边尺寸不得大于给定的“墙元细分最大控制长度”Dmax，程序限定，1.0mDmax5.0m，隐含值为Dmax=2.0m。Dmax 对分析精度略有影响，但不敏感。对于一般工程，可取隐含值Dmax=2.0m，对于部分框支剪力墙结构，Dmax 可取得略小些，如取Dmax=1.5m 或1.0m。（2） 墙元侧向节点信息是墙元刚度矩阵凝聚计算时的一个控制参数。SATWE 软件在自动划分剪力墙的单元时，应保证上下层之间剪力墙单元节点必须对应连接，即剪力墙两端节点和剪力墙上下边的壳单元节点要对应相连，但对墙元两侧的中间节点，可由用户选择是否连接。SATWE 中的“墙元侧向节点信息”控制着是否连接。若选“出口节点”，则把墙元左右两侧边上的中间节点均作为出口节点（图3），墙元的变形协调性好，分析结果符合剪力墙的实际，但计算量较大；若选“内部节点”，则把墙元左右两侧边上的中间3Building Structure设计交流We learn we go节点作为内部节点（图3）而被凝聚掉，这时，带洞口的墙元两侧边中部的节点为变形不协调点；后者的处理方法是对剪力墙的一种简化模拟，其精度略逊于前者的，但效率较高，计算工作量比前者少。对于一般工程，若无特殊要求，均可采用内部节点。“出口节点” “内部节点”图3 SATWE 软件中“墙元侧向节点信息”参 考 文 献1 多层及高层建筑结构空间有限元分析与设