高层建筑结构概念设计-韩小雷

高层建筑结构概念设计(广东省注册工程师培训讲座),主讲:韩小雷博士华南理工大学土木工程系教授、博导华南理工大学建筑设计研究院一级注册结构工程师英联邦结构工程师学会会员、特许注册结构工程师香港工程师学会会员,结构工程是这样一种艺术:,使用材料这些材料属性只能估算建立真实的结构这些真实的结构只能近似分析来承受外力这些外力不能准确得知以满足我们对公众安全职责的要求,1.荷载,竖向荷载美国规范规定混凝土容重取24kN/m3，而常用的计算软件没有考虑扣除梁板重叠、竖向构件和水平构件重叠引起的重复荷载，故为了考虑剪力墙结构的墙面装修荷载而取混凝土容重为27kN/m3是不合理的。水平荷载风荷载：10年一遇基本风压：舒适度验算50年一遇基本风压：刚度验算100年一遇基本风压：强度验算地震作用：小震(重现期50年)：弹性中震(重现期475年)：基本弹性大震(重现期2475年)：弹塑性,2.结构设计的荷载组合与荷载效应组合,3.结构稳定、倾覆与基础埋深,1）剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求：2）框架结构应符合下式要求：,高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ32002)要求高层建筑结构的稳定符合如下规定：,4.结构抗扭,风荷载作用合力中心为建筑物投影的几何中心地震荷载作用合力中心为质量中心,5.框筒与筒中筒结构,框筒结构:,筒中筒结构:,剪力滞后现象:,6.结构抗弯刚度与抗扭刚度的关系,结构的抗弯刚度和与抗扭刚度应相匹配，基本原则是结构振型为平平扭。若抗弯刚度太大，抗扭刚度相对较弱，可能产生第一振型就是扭转，扭转第一周期与平动周期之比以及平面最大位移与平均位移不能满足规范要求，这时可采用以下两个方法：1）增加抗扭刚度，有时很困难最好采用：在不增加竖向构件的前提下，增加连梁的作用2）在层间位移有富余的情况下，可减小抗弯刚度,7.高规建议的高层建筑结构分析模型,空间协同空间杆系空间杆薄壁杆空间杆墙板元有限元,8.梁板结构、宽扁梁结构和无梁楼盖的传力路径,9.对规范要求钢筋混凝土框架结构“大震不倒”的思考,10.中国高规的发展,钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JGJ3-79)1979高层建筑结构设计建议(体选择与构造措施)上海科学技术出版社，1984钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JGJ3-91)中国建筑工业出版社，1991高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ32002)中国建筑工业出版社，2002,11.结构竖向规则性,12.超高层建筑的风洞试验,地形地貌模型试验高频动态天平刚体模型测力风洞试验刚体模型测压风洞试验气弹全模型风致振动响应风洞试验,广州观光塔效果图(610m):,广州西塔效果图(432m):,13.结构计算均假设结构处于弹性状态，实际结构是处于弹塑性状态,14.强柱弱梁、强剪弱弯、强墙弱连梁,15.美国规范要求无粘结预应力结构中，非预应力筋必须能抵抗100恒载及25活载,16.带地下室的结构计算假设嵌固在0.000时，0.000应设计成强梁弱柱,17.带地下室的结构计算假设嵌固在0.000时，结构刚度大为增大，计算出的结构刚度偏大，位移偏小，地震作用偏大,18.无地下室的结构，计算模型为首层嵌固，这是有条件的，应设计成强梁弱柱。,19.性能的设计方法：强度+延性,20.弹性与弹塑性时程分析的选波及其概率性定义,1)现行规范的弹性反应谱的来由体现了概率的统计意义2)弹塑性反应谱可变参数多，无法用单一谱反应,3)用大量的涵盖各种情况的地震波进行弹塑性时程分析，符合概率统计的思想，是“可靠”的，是解决问题的一个正确方法。4)如何选波，如何进行概率统计是下一步需要解决的问题。,21.振动台试验介绍,1)地震实测数据和振动台试验数据是检验弹塑性分析软件的重要标准。2)振动台试验的模型设计及其重力相似比。,3)存在的几点问题：附加重量的滑动阻尼、台面加速度与电脑输入加速度的差异等4)振动台试验实例a、华标三期b、日本阪神地震之一之二c、框架结构与剪力墙结构d、美国PEER振动台试验,5)从振动台试验及弹塑性分析得到的启示：320层的较为刚性的结构是比较敏感的，高柔结构、超高层结构反应不敏感。,22.重要结构的抗震加固方法,1)强度+构造（延性）抗震性能如果抗震性能的目标是正确的，则强度与构造间是可以互相补充的。,2)以上思想为不符合现行规范构造的结构抗震加固提供了出路：不是不符合构造要求的结构都需要加固。,3)选用符合概率统计意义的一批地震波，对反映结构真实几何尺寸、真实材料性能和真实截面配筋的结构模型进行弹塑性时程分析，对其性能作出评价。,4)增加耗能支撑阻尼是框架结构加固的一个有效的方法,23.基于能力的转换层结构设计简介,24.建筑工程抗震性态设计通则简介90%的内容以美国FEMA规范条文为蓝本,25.关于最小配筋率的讨论,对于悬挑长度小于500，厚度大于100的装饰性线条，若其仅承受自重和表面装修荷载，可不按最小配筋率设置，仅需满足强度和使用性要求。,ACI318-2002关于最小配筋率的补充规定：,10.5.3Therequirementsof10.5.1and10.5.2neednotbeappliedifateverysectionASprovidedisatleastone-thirdgreaterthanthatrequiredbyanalysis.,26.关于弹塑性分析的若干讨论,精确从理论上考虑各种因素，从微观出发，数值处理困难，不易收敛。粗糙以试验数据为依据，从宏观出发，数值处理较为简单，较易收敛。,1)在目前(或可见的未来38年)“精确”的弹塑性分析的精度与“粗糙”的结果的可靠性对比2)两者结果应相互校核，如果“精确”算法与“粗糙”算法有本质的偏离，则“精确”的方法的结果是不可靠的。,3)美国、日本的研究、工程应用现状美国单片剪力墙模型通过试验数据得出，复杂的剪力墙等效为杆件。（OPENSEES,DRAIN2D,IDARC2D，SAP2000）日本高层建筑基本不采用剪力墙结构，均为杆系。（CANNY）,4)地震实测数据及实验室试验数据是检验弹塑性分析是否合理的重要标准。5)可靠的符合统计意义的弹塑性分析是判别结构“大震不倒”的重要标准。,27.结束语,国际结构设计名人的忠告：混凝土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图寻求“百分之百的计算精确度”，无疑是在浪费时间和金钱。美国G.P.Manning应用现