常见结构设计问题辨析(专题篇上部)

用M/Vh0计算剪跨比,PKPM常见问题汇总深圳建研建筑科技有限公司,PKPM用户QQ群29804624入群请先加QQ：248281268技术邮箱：JGpkpm-;pub服务电话4008000900,V2.2版常见问题汇总(上部结构）,专题篇,1.跃层柱计算长度系数确定2.性能设计3.M值理解4.剪力墙施工缝验算5.框支框架结构的倾覆力矩6.连梁超限问题处理7.剪力滞后问题分析8.楼层受剪承载力调整9.配筋简图中PL标识的理解,1.跃层柱计算长度系数确定,跃层柱特点：结构局部楼板开大洞，部分柱子周边没有楼层梁，柱子长度变长。跃层柱容易发生失稳，在一定条件下需考虑构件挠度对轴力作用的效应（p-效应），而在分析过程中，正确计算跃层柱的计算长度系数是关键点。,1.跃层柱计算长度系数确定,规范对混凝土柱计算长度系数条文,注：表中H为底层柱从基础顶面到一层楼盖顶层的高度；其余各层柱为上下两层楼盖顶层之间的高度。,1.跃层柱计算长度系数确定,目前规范提到的计算长度系数考虑到上下楼盖可以作为柱的有效侧向支撑情况，当跃层柱一侧或者两侧没有足够的支撑刚度时，该如何计算它的计算长度系数呢？有两种考虑方式：一是简化方法，直接取侧向支撑较强的高度作为H考虑，分别计算柱各段长度系数。,1.跃层柱计算长度系数确定,二是考虑跃层柱在临界荷载状态下屈曲，由欧拉临界荷载公式反算该构件的计算长度系数式中Ncr临界荷载E材料弹性模量I截面惯性矩L杆件的实际长度,1.跃层柱计算长度系数确定,案例分析：某8度（0.2g）5层框架结构，首层有两根跃四层柱子（层高分别为6m、5m、5m、5.5m）,截面为1000mm1000mm，柱砼强度等级为C40，通过分层建模（跃层柱分为四段），V2.2版SATWE及PMSAP软件分析其计算长度及相应的构件配筋，并了解跃层柱的屈曲模态。,1.跃层柱计算长度系数确定,跃层柱计算长度确定方法一：SATWE自动计算其跃层柱计算长度系数值在刚性楼板假定的情况下，跃层柱子从下至上计算长度系数分别为1.0，1.25,1.25，1.25（该结果明显不对）。,1.跃层柱计算长度系数确定,1.跃层柱计算长度系数确定,方法二：构件屈曲分析确定计算长度系数;V2.2版PMSAP软件可以计算各阶屈曲模态，进行Buckling分析，计算中选取恒载（D）+活载(L)作为屈曲分析每步加载值，对整体结构进行线性屈曲分析。分析步骤如下：对跃层柱进行线性屈曲分析得到结构的各阶屈曲模态，屈曲临界荷载系数；然后检查各阶段屈曲模态形状，确定该构件发生局部屈曲时的临界荷载系数，得到该构件的屈曲临界荷载Ncr；最后由欧拉临界荷载公式反算该构件的计算长度系数。,1.跃层柱计算长度系数确定,1.跃层柱计算长度系数确定,1.跃层柱计算长度系数确定,第八阶屈曲模态图,1.跃层柱计算长度系数确定,1.跃层柱计算长度系数确定,1.跃层柱计算长度系数确定,对Z1底端考虑三种情况柱计算长度系数值修正后，进行双偏压承载力配筋计算,1.跃层柱计算长度系数确定,1、从上表可以看出，根据屈曲分析反算计算长度系数得到的配筋最大，非刚性楼板假定条件下柱配筋次之。2、在跃层柱刚性楼板假定条件下，得到的计算长度系数值与非跃层柱的是一致的（考虑楼板的侧向支撑影响），该种条件下得到的计算长度系数是失真的，配筋结果很可能偏小。3、可以采用将跃层柱看做一根柱子，再按照规范方法去确定其计算长度系数。在有条件或者对构件计算长度系数值没有把握的情况下，可以采用Buckling分析构件失稳的结果反算其计算长度系数值。,1.跃层柱计算长度系数确定,延伸：Buckling分析除了可以通过失稳模态反推构件计算系数之外，还可以确定建筑结构整体稳定性，通过查阅特征值算法得到屈曲因子来判断结构整体稳定性情况。稳定特征值大于10，可以认为通过稳定验算稳定特征值大于20，可以认为无须考虑二阶效应,2.性能设计,抗震性能化设计，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新发展不同地震力（小震、中震、大震）不同构件（普通构件、关键构件、耗能构件）同一构件的不同内力（弯矩、剪力、轴力）指定不同的性能目标（或性能水准）进行设计，保证结构在地震作用下的安全性能（承载能力，继续承载的能力）及使用性能,2.性能设计,工程案例：,2.性能设计,新高规3.11.1条将结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，并给出了各性能目标在各地震（小震、中震、大震）作用下的性能水准要求，性能水准分为1、2、3、4、5共5个等级，对应构件破坏程度为为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”。每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。,2、性能设计,性能A对应：小震、中震、大震性能水准为1、1、2性能B对应：小震、中震、大震性能水准为1、2、3性能C对应：小震、中震、大震性能水准为1、3、4性能D对应：小震、中震、大震性能水准为1、4、5,2.性能设计,性能C要求设计,2.性能设计,以该结构为例的性能C要求设计,2.性能设计,程序执行：改地震最大影响系数值及对应的中大震调整不同的设计方法，具有不同的承载力一般而言，承载力由小到大的次序为：1现行规范的设计方法2中震不屈服（性能水准3，构件抗剪、抗弯不屈服验算）3中震弹性（性能水准3，构件抗剪弹性验算）4大震不屈服5大震弹性,2.性能设计,小震分析程序：SATWE、PMSAP中震分析程序：SATWE、PMSAP（中震不屈服、中震弹性、大震不屈服、大震弹性）大震弹塑性分析程序：EPDA、SAUSAGE,2.性能设计,PKPM程序实现：1、选择中/大震弹性设计时自动实现,2.性能设计,2、选择中/大震不屈服设计时自动实现,2.性能设计,3.SAUSAGE计算罕遇地震结果，下面这个表就是构件损坏程度的对应关系,2.性能设计,3.罕遇地震下SUASAGE构件损伤情况，如下图所示：某剪力墙对应混凝土损伤状态,2.性能设计,3.罕遇地震下结构整体指标，如下表所示：结论：性能设计不像我们想象中的那么难。,M值的概念,M值是基础回填土对结构约束作用的刚度,M值的影响因素,基坑开挖方式地下室外侧土质室外地坪上的荷载,3.M值理解,地下室侧向约束刚度的计算,地上部分,地下部分,地下室侧向约束刚度分布图,0,程序把地下室侧向约束刚度值按照三角形土的侧移刚度：Ak=M*H*1000(KN/m/m2)等效侧移刚度：K=A*Ak式中H为地下室埋深，H为A为土作用面积,嵌固端与回填土约束M值的关系嵌固端：设计概念回填土约束：力学概念（M值）两者没有任何关联！回填土约束总是应如实填写，与嵌固端层号无关！,3.M值与嵌固端关系,M值影响结构动力特性,模型为一规则的框架结构，地下3层，地上8层，层高3.3米。设防烈度7度（0.1g)，设防地震分组为三组，场地类别为3类，修正后的基本风压为0.9KN/m2。,在M=0的时候，结构的周期是最大的,两侧周期都处于衰减阶段，当M值很大时，周期会收敛于0.9918s，与M=-3时的相同。由此可见，M值对于结构的周期之间存在着一定程度的反比关系。,M值对地下室位移的约束,选择地下室顶板的某个节点作为分析对象，不同模型的该节点在X或Y方向地震作用下的位移计算结果,M为0时相当于地下室没有侧向约束，地下室顶板在6个自由度方向上都有位移；M值取为负值时或者很大刚度值，地下室顶板在X,Y方面向水平位移和Z方向转角进行约束。,3.M值与地震力,结论,A.M0时，M值与结构的周期有着一些反比关系,B.M值约束了结构的X,Y平动，Z方向的转动,C.M值对结构约束作用可减小楼层地震力,D.结构设计时合理的设置M值，能够更加准确的分析结构的内力，减小因为约束不足配筋过大造成的材料浪费，同时也需避免约束过大造成的不安全因素,E、不设置地下室时，底部楼层地震剪力况与设置地下室后，但M=0时的结果较接近,3.M值与嵌固端,F、SATWE参数“嵌固端所在层号”此处嵌固端不同于结构的力学嵌固端，不影响结构的力学分析模型，而是与计算调整相关的一项参数，还是存在水平地震力的变形和内力值的“M值”参数才是反映真正的力学概念，当M值无限大时，可以认为在地下室顶板是没有水平位移和绕Z轴转角的。所以在对比有地下室模型和无地下室模型时的结果时，如果要想两者内力、配筋结果对应完全一致，只有M值填为负的地下室层数。否则两者结果还是有些差异。,高规7.2.12对抗震等级为一级的剪力墙，水平施工缝抗滑移验算要满足一定的要求。上式中：Vwj剪力墙水平施工缝处剪力设计值；As水平施工缝处剪力墙腹板内竖向分布筋和边缘构件中的竖向钢筋总面积（不包括两侧翼墙），以及在墙体中有足够锚固长度的附加竖向插筋面积；fy竖向钢筋抗拉强度设计值；N水平施工缝处考虑地震作用组合的轴向力设计值，压力取正值，拉力取负值。,4.剪力墙施工缝验算实例,一剪力墙结构，高99m，抗震等级为特一级，边缘构件和分布筋的钢筋强度均为fy=360N/mm2。底层某片剪力墙施工缝提示超限，超限信息如图1：,4.剪力墙施工缝验算实例,首先从超限信息可以查到验算施工缝所需要的剪力设计值Vwj以及与之对应组合工况的轴力设计值N。为了更好的了解软件的计算，现将该构件的内力标准值摘录如图2：,4.剪力墙施工缝验算实例,考察验算施工缝的工况组合为68号组合图3：,4.剪力墙施工缝验算实例,按照此组合的分项系数手工计算Vwj如下：Vwj=1.9413.4+0.50.5577.5+0.28（-764.2）+1.3（-1425.5）-0.563=-3161.4KN;（特一级剪力调整系数1.9）,4.剪力墙施工缝验算实例,按照此组合的分项系数手工计算N如下：N=-5386+0.50.55（-894.2）+0.283527.8+1.36275.60.5（-1092.3）=4060.3KN（拉力）剪力和轴力均与软件计算一致。在此注意轴力为拉力，验算施工缝抗滑移时重力恒活荷载对此工况是有利工况，故恒活荷载的分项系数取为1。,4.剪力墙施工缝验算实例,钢筋面积Ast=24717.9如何得来？这个数值对验算抗滑移非常重要。首先从高规的参数解释看，它包括剪力墙腹板内竖向分布筋和边缘构件中的竖向钢筋总面积（不包括两侧翼墙）。此处软件首先得到边缘构件的钢筋，此钢筋综合考虑了计算配筋和构造配筋，也即两者取大值。所以边缘构件的配筋成了主要研究对象。,4.剪力墙施工缝验算实例,此片剪力墙尺寸截面宽度300mm，高度3700mm，软件计算阴影区的尺寸为300400，按照特一级剪力墙约束边缘构件构造配筋为1.4%，得到构造配筋为As1=3004000.014=1680mm2小于计算配筋7417mm2，故软件取边缘构件的配筋量取7417mm2,4.剪力墙施工缝验算实例,分布筋的钢筋取决于软件计算前计算参数墙竖向钢筋配筋率的设置。图4：,本例取竖向分布筋配筋率0.6%，故得到竖向分布筋的钢筋量As2=30037000.006=6660mm2。,4.剪力墙施工缝验算实例,Ast=1.1521494=24718.1mm2，这样就和软件计算值对的上了。,4.剪力墙施工缝验算实例,综合边缘构件配筋的总配筋：As1+As2=74172+6660=21494mm2对不上？考虑了参数定义中实配钢筋超配筋系数1.15。如图,通过以上分析我们得出了规范剪力墙抗滑移公式中各个参数的解析，不难得出最后的抗滑移验算结果：V=3162.Fs=(0.6*fy*Ast+0.8*N)/Rre=(0.6*360*24717.9-0.8*4060.3*1000)/0.85=2459795.8N=2460KN（注意拉力取负号）。,4.剪力墙施工缝验算实例,某片剪力墙出现施工缝验算超限，如何调整是我们较关心的问题，在此只给出调整建议。从剪力墙水平施工缝超限的原因看无外乎有三个：第一个是墙的剪力过大；第二个是墙的轴力较小或者为拉力；第三个是竖向分布筋配筋率较小；,4.剪力墙施工缝验算实例,鉴于第一种情况，为了减小剪力墙的剪力，只能从结构的布置入手，想办法减小墙的刚度，例如减短墙肢长度或者长墙开洞；第二种情况也需要从整体布局调整尽量不要让墙肢出现负值；墙体布置不能改变的情况下可考虑将第三种情况中的墙的竖向分布钢筋配筋加大来满足超限情况。（在特殊构件定义那单独修改墙体的竖向分布筋的配筋率，想当与加竖向插筋的结果）其中改变墙体布置肯定是最有效的方式。,4.剪力墙施工缝验算实例,抗规6.1.3条文说明中给出了计算“倾覆力矩”的规范方法（V*H求和方法）按照力学上“力矩”的定义，可以给出计算“倾覆力矩”的力学方法（与取矩点有关）,5.框支框架结构的倾覆力矩,SATWE中同时提供了两种方法的倾覆力矩值抗规方式和轴力方式两种倾覆力矩的关系楼层总的倾覆力矩相等（与外力的力矩平衡）某一类构件的倾覆力矩一般不等规范方法的适用条件适用于竖向构件连续的结构形式,5.框支框架结构的倾覆力矩,高规10.2.16-7要求计算框支框架承担的倾覆力矩百分比对于框支剪力墙结构，规范方法并不适用，推荐采用力学方法,第5层框支框架倾覆力矩百分比,5.框支框架结构的倾覆力矩,某些软件对于这类情况仍然采用规范方法，而且在计算倾覆力矩百分比时，楼层总的倾覆力矩未考虑转换层以上部分，这种做法是不严谨的,楼层整体受力状态,转换层及以下部分的受力状态,5.框支框架结构的倾覆力矩,一、对连梁的计算处理1、减小连梁高度；抗弯刚度的降低比抗剪刚度降低快。2、抗震设计剪力墙中连梁的弯矩和剪力可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。3、点铰变为简支梁，只承担竖向荷载，不提供整体刚度。4、双(多缝）连梁；5、交叉斜筋、对角暗撑；,6.连梁超限处理,设缝连梁：目前可以针对“按框架输入”和“按洞口输入”两种建模方式的连梁，进行设缝处理。,6.连梁超限处理,1.设缝连梁；,6.连梁超限处理,2.交叉斜筋混凝土规范11.7.10条对于一、二级抗震等级的连梁，当跨高比不大于2.5时，除普通箍筋外宜另配置斜向交叉钢筋，其截面限制条件及斜截面受剪承载力可按下列规定计算：1当洞口连梁截面宽度不小于250mm时，可采用交叉斜筋配筋，其截面限制条件及斜截面受剪承载力应符合下列规定：,6.连梁超限处理,“交叉斜筋”PKPM软件中的体现SATWE前处理“配筋信息”中增加参数“梁抗剪配筋采用交叉斜筋方式时，箍筋与对角斜筋的配筋强度比”SATWE前处理“特殊构件补充定义”中，对“按框梁方式”输入的连梁人工指定“交叉斜筋”。,6.连梁超限处理,6.连梁超限处理,3、对角暗撑当连梁截面宽度不小于400mm时，可采用集中对角斜筋配筋或对角暗撑配筋，其截面限制条件及斜截面受剪承载力应符合下列规定：1)受剪截面应符合式(11.7.10-1)的要求：2)斜截面受剪承载力应符合下列要求,6.连梁超限处理,6.连梁超限处理,7.剪力滞后问题分析,某工程高106m，首层层高11m，框架核心筒结构，基本风压0.8KN/M2，设防烈度7度（0.15g)。本工程采用PMCAD建模如右图所示：,结构平面布置图,结构平面布置图如下所示：,跨中板带,计算结果分析,SATWE首层配筋计算结果如下，底层中间核心筒部分出现了很多受拉墙：,结构水平布置特点分析,1.筒体偏心布置，结构刚心偏上，与质心偏离较远。2.Y方向水平荷载很大，容易产生很大的拉应力。3.核心筒和框架部分跨度较大（接近10m),联系梁的尺寸为400*850，相对于框架柱1100*1400mm和核心筒墙体450mm刚度太弱，结构空间整体性效果较差。结论：该种结构布置非常容易导致剪力滞后现象！,9.剪力滞后问题分析,由于梁的弹性变形，在侧向荷载的作用下，截面并不保持为平面，角柱处轴向变形为最大，离角柱越远的各柱轴向变形为最小，这种现象称为剪力滞后。,剪力后滞的影响因素,1、剪力滞后现象越严重，框筒结构的整体空间作用越弱；2、剪力滞后的大小与梁的刚度、柱距、结构长宽比等有关。梁刚度越大、柱距越小、结构长宽比越小，剪力滞后越小；,调整方向,1.加大框架截面，增强结构外围抵抗矩。（效果不好）2.优化核心筒布置，适当加厚部分筒体和削弱部分筒体。（效果不好）3.加强核心筒和外围框架联系，增大梁尺寸或者考虑采用厚板增加水平力的传递作用。4.混合采用增大梁截面尺寸及厚板增加水平力的传递作用。,方法三：增大梁截面尺寸,大幅度提高梁截面尺寸，基本解决中间部位墙体受拉问题,方法三：采用厚板结构保证水平力的传递,修改板厚度采用800mm厚板，基本能够解决中间部位墙体受拉问题。,方法四：混合方法保证水平力的传递,采用局部加大梁截面尺寸和加厚楼房方法，能够更有效地解决中间墙体受拉问题。,Y向风荷载作用下墙底最大轴力,墙体最大轴力原模型为8046KN，采用大梁结构为6442KN约减小20%；采用厚板结构墙底轴力为6048约减小25%；采用混合方法墙底轴力为4997KN约减小40%，可见采用混合方法结果最佳。,原模型,大梁结构,厚板模型,混合模型,总结,剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。剪力滞后，有时也叫剪切滞后，从力学本质上说，是圣维南原理，它严格地符合弹性力学的三大方程，即几何方程、物理方程、平衡方程。具体表现是，在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。针对一些复杂偏心较大的工程，可以采用一些非常规方法，解决剪力滞后问题，针对本工程而言，混合采用厚板和加大梁截面方法效果最佳。,8.楼层受剪承载力调整,高规的3.5.3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，B级高度不应小于75。WMASS.OUT中输出要求：Ratio_Bu0.8（0.75）：,楼层受剪承载力计算,对于9度设防烈度的各类框架及一级抗震等级的框架结构，框架梁和连梁端部剪力、框架柱端部弯距、剪力调整应按实配钢筋和材料强度标准值来计算。在出施工图前，SATWE程序无法得到实配钢筋面积故：取近似实配钢筋面积=计算配筋面积*实配钢筋超配系数,需要设计人员根据经验输入超配系数程序根据该值自动调整配筋面积,实配超筋系数不同版本变化,1）柱、墙实配钢筋超配系数可独立指定,V1.3,V2.1,V2.2,2）可分层指定实配钢筋超配系,楼层受剪承载力-斜杆,楼层受剪承载力-斜杆,斜杆构件在楼层统计上与跃层柱相同；但是随着斜杆倾角变化，楼层受剪承载力统计上有差异,楼层受剪承载力-斜杆,程序处理原则,混凝土（含钢管/型钢混凝土）斜杆（1）当其与Z轴的夹角小于20时，按普通柱的方式计算受剪承载力，即按照建筑抗震鉴定标准附录C的规定计算构件受剪承载力；（2）大于20且小于70时，按斜杆计算受剪承载力，此时只