pkpm专题之结构薄弱层的概念和控制_secret.doc

- 1 - 专题三专题三 结构薄弱层的概念和控制结构薄弱层的概念和控制 在 02 版“抗规” 关于结构沿竖向规则性要求中，对侧向刚度不规则定义一种薄弱层 的概念；在 89 版“抗规” 中，原先就有的弹塑性薄弱层的概念。这两种薄弱层概念一并 在此说明，解释在计算机软件中怎样实现的，要注意些什么问题。 1 结构层刚度沿竖向突变产生的薄弱层 1.1 规范条文 高规的 4.4.2、5.1.14 条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小于其上一 层的 70%或小于其上相临三层侧向刚度平均值的 80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续， 其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以 1.15 的增大系数。 另外高规附录 E.0.2 条规定，当底部带转换层高层建筑结构的转换层设置在 3 层及 3 层以上时，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的 60%。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。 1.2 软件实现 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时，抗震规范和高规建 议的计算层刚度的下列方法（地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求等，都 要求有层刚度作为依据）： 方法 1：高规附录 E.0.1 建议的方法剪切刚度：Ki = Gi Ai / hi 方法 2：高规附录 E.0.2 建议的方法剪弯刚度：Ki = Vi / i 方法 3：抗震规范的 3.4.2 和 3.4.3 条文说明及高规建议的方法地震剪力与地震层 间位移的比：Ki = Vi / i 软件已全部实现。程序提供三种方法的选择项，用户可以选用其中之一。程序隐含的 方法是第 3 种，即地震作用下层剪力与层间位移之比。 - 2 - 对于薄弱层：对于薄弱层： （1）程序将该层地震作用标准值的地震剪力乘以 1.15 的增大系数； （2）程序设有指定薄弱层项。用户可手工指定薄弱层； （3）这三种计算方法有差异是正常的，可以根据需要选择； （4）对于大多数一般的结构应选择第第 3 种层刚度算法； （5）对于多层结构可以选择第 1 种层刚度算法； （6）对于有斜支撑的钢结构可以选择第 2 种层刚度算法。 选择第 3 种方法计算层刚度和刚度比控制时，一般要采用“刚性楼板假定”的条件。 对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次。在刚性楼板假定条件下计算层刚度并找出 薄弱层。再在真实条件下计算，并且检查原找出的薄弱层是否得到确认，完成其它计算。 转换层是楼层竖向抗侧力构件不连续的薄弱层。不管该层程序判断是否满足刚度比要 求，用户都应将该层手工置为“薄弱层” 。 第 3 种方法适用于所有结构类型计算刚度比及薄弱层，且比其它二种方法更易通过刚 度比验算。 1.3 操作方法 分为层刚度比计算方法的设定和指定薄弱层的操作。 SATWE 层刚度比计算方法的设定层刚度比计算方法的设定 进入菜单2.结构分析和构件内力计算SATWE 计算控制参数 在层刚度比计算框中的三个任选项剪切刚度 、 剪弯刚度或地震剪力与 地震层间位移的比内选一打 ，则可。 指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单1.接 PM 生成 SATWE 数据1.分析与设计参数补充定义调整信 息 在指定的薄弱层个数项内填入要用户设定薄弱层的总层数，再在各薄弱层层 号项内填入薄弱层的结构层号。 TAT 层刚度比计算方法的设定层刚度比计算方法的设定 进入菜单3.结构内力，配筋计算计算选择 在层刚度计算选择框中的三个任选项剪切层刚度 、 剪弯层刚度或平均 剪力/平均层间位移内选一打 ，则可。 指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧放大指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧放大 1.15 进入菜单2.数据检查和图形检查3.参数修正调整信息 在考虑附加薄弱层地震剪力的人工调整项内打 ，此时弹出折减系数菜单。 在指定薄弱层的层号行中填入 X 方向、Y 方向的薄弱层放大系数值。注意：程序按填 入的放大系数调整，不一定是 1.15。 PMSAP 层刚度比计算方法的设定层刚度比计算方法的设定 进入菜单3.参数补充与修改设计信息 。 在楼层刚度比计算框中的三个任选项剪切刚度算法 、 剪弯刚度算法或 - 3 - 地震层间剪力比地震层间位移算法内选一。 指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单3.参数补充与修改计算调整信息 在指定的薄弱层个数项中填入要用户设定薄弱层的总层数，再在指定的各薄弱 层层号项内填入薄弱层的结构层号。 1.4 关联操作 刚性楼板假定：设定第三种层刚度比计算方法（地震剪力与地震层间位移的比） 时，一般应该有刚性楼板假定。 地下室：层刚度比计算用于地下室是否能作为嵌固端的判定条件。但注意，用第 三种层刚度比计算方法（地震剪力与地震层间位移的比）计算层刚度比时，已经考虑了地 下室的基础回填土的约束刚度，所以是不符合规范规定的。此时用户可以如下操作： （1）将地下室信息中回填土对地下室的约束相对刚度比填为 0，先算一遍，判定 地下室是否可作为嵌固端。 （2）用第一种层刚度比计算方法（剪切刚度比）先算一遍，判定地下室是否可作为嵌 固端。 转换层上、下刚度突变的控制：选取那种层刚度计算方法要按高规规定方法进行。 1.5 结果说明 程序逐层输出每一层层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数。 SATWE 层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在 WMASS.OUT 中查看。如以下所示： 各层刚心、偏心率、相邻层侧移刚度比等计算信息 Ratx，Raty：X、Y 方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移刚度的比值 Ratx1，Raty1：X、Y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度 70%的比值 或上三层平均侧移刚度 80%的比值中之较小者 RJX，RJY，RJZ：结构总体坐标系中塔的侧移刚度和扭转刚度 = Floor No：1，Tower No.：1 Xstif= 45.7917(m)，Ystif= -11.6787(m)，Alf = 0.0000(Degree) Xmass= 50.9751(m)，Ymass= -13.9529(m)，Gmass= 1022.9373(t) Eex = 0.4070，Eey = 0.1706 Ratx = 1.0000，Raty = 1.0000 Ratx1= 2.1582，Raty1= 2.3140，薄弱层地震剪力放大系数= 1.00 RJX = 4.7175E+06(kN/m)，RJY = 4.7783E+06(kN/m)，RJZ = 0.0000E+00(kN/m) TAT 层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在 TAT-M.OUT 中查看。如以下所示： - | 各层附加薄弱层地震剪力的人工调整系数 | - 层号：Nfloor = 4 调整系数：X 向 WakeX = 1.00 Y 向 WakeY = 1.00 - 4 - 层号：Nfloor = 3 调整系数：X 向 WakeX = 1.00 Y 向 WakeY = 1.00 层号：Nfloor = 2 调整系数：X 向 WakeX = 1.15 Y 向 WakeY = 1.15 层号：Nfloor = 1 调整系数：X 向 WakeX = 1.00 Y 向 WakeY = 1.00 * * 第四部分 各层层刚度、刚度中心、刚度比 * * 各层(地震平均剪力/平均层间位移)刚度、刚度比等，其中： Ratio_d1：表示本层与下一层的层刚度之比 Ratio_u1：表示本层与上一层的层刚度之比 Ratio_u3：表示本层与上三层的平均层刚度之比 - 层号 塔号 X 向层刚度 Y 向层刚度 刚心坐标：X、Y X 向偏心率 Y 向偏心率 - 4 1 0.1361E+07 0.1636E+07 51.92 -14.33 0.02 0.11 3 1 0.9378E+06 0.9106E+06 53.00 -13.21 0.05 0.28 2 1 0.1812E+07 0.1663E+07 46.97 -13.43 0.33 0.02 1 1 0.2843E+07 0.2570E+07 47.19 -13.69 0.28 0.00 - 层号 塔号 Ratio_d1：X、Y Ratio_u1：X、Y Ratio_u3：X、Y 薄弱层放大系数：X、Y - 4 1 1.45 1.80 1.26 1.32 1.39 1.49 1.00 1.00 3 1 0.52 0.55 0.69 0.56 0.82 0.69 1.15 1.15 2 1 0.64 0.65 1.93 1.83 1.61 1.32 1.15 1.15 1 1 1.00 1.00 1.57 1.55 2.07 1.83 1.00 1.00 PMSAP 层刚度比和薄弱层地震剪力放大系数的结果可在工程名_TB.RPT（简单摘要）文件中 查看。如以下所示： 7. 楼层刚度比 X 刚度比：本层 X 刚度比下层 X 刚度 Y 刚度比：本层 Y 刚度比下层 Y 刚度 X 刚度比 1：本层 X 刚度比上层 X 刚度的 70%和上三层 X 刚度平均值的 80%中的大者 Y 刚度比 1：本层 Y 刚度比上层 Y 刚度的 70%和上三层 Y 刚度平均值的 80%中的大者 采用的楼层刚度比算法:剪弯刚度算法 X 刚度比 Y 刚度比 X 刚度比 1 Y 刚度比 1 薄弱层调整系数 楼层：1 刚度比： 1.00 1.00 0.03 0.04 1.15 楼层：2 刚度比： 1.87 1.59 1.43 1.41 1.00 楼层：3 刚度比： 1.00 1.01 9.53 5.37 1.00 楼层：4 刚度比： 0.15 0.25 1.58 1.39 1.00 - 5 - 2 结构楼层受剪承载力沿竖向突变产生的薄弱层 2.1 规范条文 高规的 4.4.3、5.1.14 条规定，A 级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力 不宜小于其上一层受剪承载力的 80%，不应小于其上一层受剪承载力的 65%；B 级高度高 层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的 75%。抗震设 计的高层建筑结构，结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的 80%，其薄弱层对 应于地震作用标准值的地震剪力应乘以 1.15 的增大系数。 2.2 软件实现 程序无自动进行楼层层间受剪承载力不满足的判断的功能。 用户在确定某层抗侧力结构的受剪承载力小于其上一层的 80%时，应将该层手工设置 为薄弱层。 2.3 操作方法 用户可做指定薄弱层的操作。 SATWE 指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单1.接 PM 生成 SATWE 数据1.分析与设计参数补充定义调整信 息 。 在指定的薄弱层个数项内填入要手工设定薄弱层的总层数，再在各薄弱层层 号项内填入相当的薄弱层所在结构的层号。 TAT 指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧放大指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧放大 1.15 进入菜单2.数据检查和图形检查3.参数修正调整信息 。 在考虑附加薄弱层地震剪力的人工调整项内打 ，此时弹出折减系数菜单。 在指定薄弱层的层号行中填入 X 方向、Y 方向的薄弱层放大系数值。注意：程序按填 入的放大系数调整，不一定是 1.15。 PMSAP 指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整指定薄弱层，此时程序自动判定的薄弱层仍旧调整 进入菜单3.参数补充与修改计算调整信息 在指定的薄弱层个数项中填入要用户设定薄弱层的总层数，再在指定的各薄弱 层层号项内填入薄弱层的结构层号。 关联操作见薄弱层（刚度比） ：参见刚度比的薄弱层相关内容。 2.4 结果说明 程序逐层输出每一层薄弱层（包括用户指定）地震剪力放大系数。详见薄弱层（刚度 比）的结果说明。 - 6 - 3 结构弹塑性变形验算 我国的抗震设计的基本思想，是“三水准设防和两阶段设计” ；三水准设防是“小震不 坏，中震可修，大震不倒” ；两阶段设计是第一阶段，小震下弹性设计，即多遇地震下结 构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范要求采取抗震措施；第二阶 段，对一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹塑性变形验算。 结构弹塑性变形验算，指罕遇地震下结构层间位移不超过弹塑性层间位移角，属变形 能力极限状态验算。 3.1 验算范围 “高规”4.6.4 条，高层建筑结构在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算，应符合下 列规定： 下列结构应应进行弹塑性变形验算： （1）7-9 度时楼层屈服强度系数小于 0.5 的框架结构； （2）甲类建筑和 9 度抗震设防的乙类建筑结构； （3）采用隔震和消能减震技术的建筑结构。 下列结构宜宜进行弹塑性变形验算： （A）在下列高度范围：）在下列高度范围： （1）8 度、类场地和 7 度，建筑高度大于 100m； （2）8 度、类场地，建筑高度大于 80m； （3）9 度，建筑高度大于 60m。 并且存在以下问题的： （1）刚度突变的软弱层； （2）受剪承载力的突变层； （3）结构竖向抗侧力构件上下不连续贯通； （4）上部楼层收进部位到室外地面的高度 H1 与房屋高度 H 之比大于 0.2 时，上 部楼层收进后的水平尺寸 B1 小于下部楼层水平尺寸的 0.75 倍； （5）上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸 B 小于上部楼 层水平尺寸 B1 的 0.9 倍，或水平外挑尺寸 a 大于 4m。 （B）7 度度、类场地和类场地和 8 度抗震没设防的乙类建筑结构；度抗震没设防的乙类建筑结构； （C）板柱）板柱-剪力墙结构。剪力墙结构。 验算目的，防止结构在罕遇地震时倒塌。 楼层屈服强度系数是指，按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与 按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力的比值。 3.2 弹塑性变形计算方式 （1）罕遇地震作用取值 烈度789 max 0.50（0.72）0.9（1.2）1.4 （2）作用效应组合 只考虑罕遇地震下的弹塑性层间变形，不考虑其它荷载下产生的变形；地震作用分项 - 7 - 系数驭 1.0，其它荷载组合值系数取 0。 （3）计算方法 “高规”5.5.1 条规定，7、8、9 度抗震设计的高层建筑结构，在罕遇地震作用下薄弱 层（部位）弹塑性变形计算可采用： （a）弹塑性位移增大系数法“高规”5.5.3 条的简化方法，适用于不超过 12 层， 且层侧向刚度无突变的框架结构； （b）弹塑性时程分析方法； （c） “抗震规范”5.5.3 条，还提出可采用静力弹塑性分析方法。 PKPM 软件系列提供了相应的计算软件，在 TAT、SATWE、PMSAP 结构设计程序中 提供了计算薄弱层弹塑性变形的增大系数法；也提供了高层建筑结构弹塑性时程分析程序 EPDA，静力弹塑性分析方法程序 PUSHOVER，用于上款规定的建筑结构的薄弱层弹塑性 变形计算。 3.3 弹塑性层间位移的简化方法 简化方法即为弹塑性位移增大系数法。 A. 结构薄弱层的位置确定结构薄弱层的位置确定 按“高规”5.5.3.1 款有： （1）楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层； （2）楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层及相对较小 的楼层，一般不超过 2-3 处。 B. 层间弹塑性位移可按下列公式计算层间弹塑性位移可按下列公式计算 ppe uu 其中： p -弹塑性位移增大系数，当薄弱层的屈服强度系数不小于相邻层该系数平均值的 0.8 时，按下表采用；当不大于该平均值的 0.5 时，可按表内相应数值的 1.5 倍采用；其他 情况可采用用内插。 结构的弹塑性位移增大系数 p y 框架总层数 0.50.40.3 2-41.31.41.60 5-71.51.651.80 8-121.82.002.20 y-楼层屈服强度系数。 y=Vy/Ve Vy-楼层实际受剪承载力，按构件实际配筋和材料强度标准值计算； Ve-罕遇地震作用标准值产生的框架楼层弹性地震剪力；可采用多遇地震作用标准值 产生的层间地震剪力乘以罕遇地震与多遇地震的水平地震影响系数最大值的比值；对于 7、8、9 度，此比值分别有 6.25(6.00)、5.625(5.00)和 4.375。 C. 弹塑性位移验算弹塑性位移验算 - 8 - pp uh 其中： 层间弹塑性位移角限值，可按高规中表 4.6.5 采用；对框架结构，当柱轴压比 p 小于 0.40 时，可提高 10%；当柱全高的箍筋构造比规范规定的最小配筋特征值大 30%时， 可提高 20%，但累计不超过 25%。 层高h D. 楼层受剪承载力的估算楼层受剪承载力的估算 TAT、SATWE 采用“拟弱柱化法” ，计算公式如下： （1）计算柱端正截面受弯承载力 当柱的时， b 01 ()0.5(1/) a cyykssck Mf A haNhNf bh 式中 柱端按实际配筋和材料强度标准值计算的正截面受弯承载力； cy M 钢筋强度标准值； yk f 受拉区纵向钢筋实际配筋截面面积； a s A N可取重力荷载代表值的柱轴向压力； 混凝土轴心抗压强度标准值。 ck f （2） 计算柱和楼层受剪承载力 ( )( ) ( ) ( ) ul cyjcyj yj n MiMi Vi Hi 1 ( )( ) m yyj j V iVi 式中 第 i 层第 j 根柱受剪承载力；( ) y V i 、分别为第 i 层第 j 根柱上、下端正截面受弯承载力，按( ) u cyj Mi( ) l cyj Mi （1）节计算； 第 i 层柱净高；( ) n Hi 第 i 层楼层受剪承载力。( ) y V i E. 软件的操作（弹塑性位移增大系数法）软件的操作（弹塑性位移增大系数法） - 9 - 在进入“构件配筋设计与验算”菜单时，选择“计算 12 层以下框架结构的薄弱层”的 计算选项，程序会自动执行计算，结果输出在 TAT-K.OUT（TAT） 、SAT- K.OUT（SATWE）文件中。 以一幢 7 层框架为例，输出的 SAT-K.OUT 文件内容如下： = Output of Weak-Storey-Analysis of Frame Structure Displacements of Floors under earthquake load = Vx、Vy - The Shear Force of Floors（楼层剪力） VxV、VyV - The Bearing Shear Force of Floors（承载力） - Floor Tower Vx Vy VxV VyV (kN) (kN) (kN) (kN) - 7 1 330.78 384.67 794.12 741.31 6 1 2430.16 2683.98 3656.01 3711.57 5 1 4063.65 4389.33 4797.23 4797.23 4 1 5255.97 5630.55 5531.87 5531.87 3 1 6192.91 6645.11 5858.66 5858.66 2 1 7152.73 7659.95 5963.40 6000.83 1 1 8183.14 8707.41 5145.58 4952.42 The Yield Coefficients of Floor（楼层屈服强度系数） - Floor Tower Gsx Gsy - 7 1 2.4007 1.9271 6 1 1.5044 1.3829 5 1 1.1805 1.0929 4 1 1.0525 0.9825 3 1 0.9460 0.8816 2 1 0.8337 0.7834 1 1 0.6288 0.5688 The Elastic-Plastic Displacement of Floor