混凝土结构设计幻灯片四

第5章多高层建筑结构的计算机辅助设计●

5.1多高层建筑结构的计算机辅助设计

●5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择●5.1.2关于结构底部的嵌固部位的确定

●5.1.3计算简图的处理

●5.1.4总信息中几个重要参数的确定

●5.1.5内力计算结果的分析、判断●5.1.6根据计算结果对结构进行调整

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5.2多高层建筑结构设计算例

●5.2.1工程概况及计算简图●5.2.2设计条件●5.2.3荷载标准值●5.2.4框架荷载及内力计算●

5.3剪力墙结构算例●5.4思考题与作业●

5.1多高层建筑结构的计算机辅助设计

随着科学技术的不断进步，目前多高层建筑的结构分析基本上都采用计算机软件进行，前面章节有关手算的方法的介绍主要是为了帮助对结构体系的受力特点及概念进行深入理解。当然，设计人员也可用手算方法对结构进行初步设计估算。

计算机软件并不能完全代替设计人员的设计概念，所以在计算机辅助设计时，我们必须对软件的计算原理及适用范围有一个清晰的认识，选择适合相应结构体系的软件进行计算，并应对计算结果进行认真分析，以确保计算结果的准确性和合理性。

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5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择计算模型分类计算假定适用范围单榀平面框架分析将结构划分为若干榀正交平面抗侧力结构，在水平力作用下，按单榀平面结构进行计算，楼板假定在其自身平面内为刚度无限大平面非常规则的纯框架(剪力墙)结构，且各榀框架(剪力墙)大体相似，一般不用于高层建筑结构平面结构空间协同法将结构划分为若干榀正交或斜交的平面抗侧力结构，在任一方向的水平力作用下，由空间位移协调条件进行各榀结构的水平力分配。楼板假定在其自身平面内为刚度无限大平面布置较为规则的框架、框架―剪力墙和剪力墙结构等三维空间分析法剪力墙为开口薄壁杆件模型采用开口薄壁杆件理论，将整个平面连肢墙或整个空间剪力墙模拟为开口薄壁杆件，每一杆件有两个端点，各有7个自由度，前6个自由度的含义与空间梁、柱单元相同，第7个自由度是用来描述薄壁杆件截面翘曲的。在小变形条件下，杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持刚性，在出平面方向可以翘曲。楼板假定为无限刚，采用薄壁杆件原理计算剪力墙，忽略剪切变形的影响框架、框架―剪力墙、剪力墙及筒体结构表5-1常用结构分析软件的计算模型及适用范●

5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择计算模型分类计算假定适用范围表5-1常用结构分析软件的计算模型及适用范三维空间分析法剪力墙为墙板单元模型梁、柱、斜杆为空间杆件，剪力墙为允许设置内部节点的改进型墙板单元，具有竖向拉压刚度、平面内弯曲刚度和剪切刚度，边柱作为墙板单元的定位和墙肢长度的几何条件，一般墙肢用定位虚柱，带有实际柱端的墙肢直接用柱端截面及其形心作为边柱定位。在单元顶部设置特殊刚性梁，其刚度在墙平面内无限大，平面外为零，既保持了墙板单元的原有特性又使墙板单元在楼层边界上全截面变形协调框架、框架―剪力墙、剪力墙及筒体结构板壳单元模型用每一节点6个自由度的壳元来模拟剪力墙单元，剪力墙既有平面内刚度又有平面外刚度，楼板既可以按弹性考虑，也可以按刚性考虑框架、框架―剪力墙、剪力墙、筒体等各类结构三维空间分析法墙组元模型在薄壁杆件模型的基础上作了改进，不但考虑了剪切变形有影响，而且引入节点竖向位移变量代替薄壁杆件模型形心竖向位移变量，更准确的描述剪力墙的变形状态，是一种介于薄壁杆件单元和连续体有限元之间的分析单元。沿墙厚方向，纵向应力均匀分布；纵向应变近似定义为：；墙组截面形状保持不变框架、框架―剪力墙、剪力墙及筒体结构●

5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择

目前，我国国内常用计算程序的模型多为上述一种或几种组合形成。其中单榀平面框架分析的计算模型主要是在早期的结构计算中采用。其特点是与平面框架手算步骤一致，由于它只适用于非常规则的纯框架结构和剪力墙结构，适用范围有限，所以现在已很少使用。平面结构空间协同计算模型也只能在一定程度上反映结构整体工作的特性，只适用于较规则的框架、框架―剪力墙、剪力墙结构，目前也已较少使用。在三维空间分析程序中，基于薄壁杆件模型的优点是自由度小，使复杂的高层结构分析得到极大的简化。但是薄壁杆件中许多剪力墙难以满足薄壁柱理论的假定，它对剪力墙为长墙、矮墙、多肢剪力墙及框支剪力墙、无楼板约束的剪力墙等情况计算精度不够；基于薄板理论的结构有限元分析软件，把无洞口或有较小洞口的剪力墙模型化为一个板单元，把有较大洞口的剪力墙模型化为板―梁连接体系。这类软件对剪力墙的模型化不够理想，没有考虑剪力墙的平面外刚度及单元的几何尺寸影响，对于带洞口的剪力墙，其模型化误差较大。●

5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择基于壳元理论的三维组合结构有限元分析程序，由于壳元既有平面内刚度，又具有平面外刚度，用壳元模拟剪力墙和楼板可以较好的反映其实际受力状态。基于壳元理论的多高层结构分析模型，理论上比较科学，分析精度较高。尽管这种程序功能全面，适用范围广，但它的前后处理功能较弱，在一定程度上限制了这类软件在实际工程中的使用。因此，在实际工程设计时，设计人员应根据工程的实际情况，深入理解各计算机软件的适用范围和特点，选择适合于本工程的计算软件进行分析。●

5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择在下列情况下，楼板变形比较显著，楼板刚度无限大的假定不符合实际情况，应对采用刚性楼板假定的计算结果进行修正，或采用楼板内为半刚性的计算方法：(1)楼面有很大的开洞或缺口，楼面宽度狭窄。(2)平面上有较长的外伸段。(3)底层大空间的剪力墙结构的转换层楼面。(4)错层结构，楼面不能保证平面内无限刚度。(5)楼面的整体性差的结构体系。●

5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择在内力与位移计算中，钢构件、型钢混凝土及钢管混凝土等构件宜按实际情况直接作为设计条件输入计算机进行计算。当此类构件较少时，也可以按等刚度原则，等效为混凝土构件进行计算。对于平、立面复杂的剪力墙结构，应采用合适的计算模型分析。当采用有限元模型时，对应力变化复杂处应合理划分单元；当采用薄壁杆件计算模型时，对错洞墙可进行适当的模型化处理后再作整体分析。●

5.1.1常用计算机结构辅助设计程序的选择B级高度的高层建筑结构和体型复杂、结构布置复杂的结构应满足以下要求：(1)应采用两个不同的力学模型的三维空间分析，结构分析软件进行整体分析计算。对于同一结构采用不同的结构分析计算软件计算，可以互相比较和校核，对把握结构的实际受力状态是十分必要的。(2)在抗震设计时，宜考虑平扭耦连计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。(3)应采用弹性时程分析法进行补充计算。(4)宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。应采用竖向荷载作用下模拟施工进行结构分析。对于高层建筑结构，在考虑轴向变形影响时，由于高层建筑结构是逐步逐层施工形成的，其竖向荷载也是逐层加载而成的。如果采用一次施加外荷载进行计算就会出现较大的差异，房屋越高，构件竖向刚度相差越大，则差异越大。因此一般的三维空间分析计算软件都建议采用模拟施工加载进行内力分析。(5)对竖向不规则的高层建筑，包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的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。结构分析应按上述要求进行，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。●

5.1.2关于结构底部的嵌固部位的确定

对于多高层建筑结构，在进行结构计算分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在的位置。所谓嵌固部位也就是预期塑性铰出现的部位。嵌固端的正确选取是结构计算模型中的一个重要假定，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性以及结构局部的经济性。●5.1.2关于结构底底部的嵌固固部位的确确定(1)在二层以上上地下室的的多层建筑筑，宜将上上部的嵌固固部位设在在地下室顶顶板，此时时应满足以以下条件：：①地下室室顶板标高高与室外地地坪高差不不能太大，，一般应小小于地下一一层层高的的1/3。②地下室室顶板结构构应为梁板板体系，且且该层楼面面不得留有有大洞口，，楼面框架架梁的抗弯弯刚度要足足够大。③地下室室结构的布布置应保证证地下室顶顶板及地下下室各楼层层楼板有足足够的平面面内整体刚刚度和承载载力，能将将上部结构构的地震作作用传递到到全部地下下室抗侧力力构件；为为此地下室室顶板板厚厚不宜小于于180mm，混凝土等等级应不小小于C30，且应双层层双向布置置钢筋。每每层每个方方向的钢筋筋配筋率不不宜低于0.25%。●5.1.2关于结构底底部的嵌固固部位的确确定(1)在二层以上上地下室的的多层建筑筑，宜将上上部的嵌固固部位设在在地下室顶顶板，此时时应满足以以下条件：：④地下室室结构应能能承受上部部结构屈服服超强及地地下室本身身的地震作作用。为此此地下室的的楼层侧向向刚度不应应小于相邻邻上部结构构楼层侧向向刚度的2倍。⑤计算多多塔大底盘盘地下室楼楼层侧向刚刚度比时，，大底盘地地下室的整整体刚度应应不小于相相邻上部结结构所有塔塔楼的总体体刚度的2倍，每栋塔塔楼内范围围内(塔楼周边向向外扩展与与地下室高高度相等的的水平长度度)的地下室侧向向刚度与相邻邻上部塔楼的的侧向刚度比比不宜小于1.5。⑥地下室柱柱截面每侧面面的纵向钢筋筋面积，除应应满足计算要要求外，不应应少于地上一一层对应柱每每侧纵向钢筋筋面积的1.1倍。⑦地下室顶顶板部位的梁梁柱节点左右右梁端截面实实际受弯承载载力之和不宜宜小于上下柱柱端实际承载载力之和。●5.1.2关于结构底部部的嵌固部位位的确定(2)当由于地下室室大部分顶板板降板或地下下一层为车库库(墙体少)等使用要求，，不满足地下下室顶板作为为结构嵌固部部位的要求时时，对于3层及3层以上的地下下室，可将结结构的嵌固部部位置于地下下一层底板，，此时的底板板应按上述第第1款中有关“顶顶板”的要求求处理，且应应满足以下要要求：①地下一层层楼层抗侧刚刚度应大于地地上一层楼层层的抗侧刚度度。②地下二层层楼层抗侧刚刚度应大于地地下一层的楼楼层抗侧刚度度，并应大于于地上一层楼楼层抗侧刚度度的2倍。当地下室室层数少于3层时，宜将嵌嵌固部位设于于基础顶面。。●5.1.2关于结构底部部的嵌固部位位的确定(3)对于单层地下下室建筑宜选选择基础底板板作为结构的的嵌固端。选选择基础底板板作为结构嵌嵌固端，可以以充分利用基基础“无限刚刚”的假定。。对于首层楼楼面留有大孔孔洞，或选用用无梁楼盖等等各种结构形形式，都不会会影响计算结结果的准确性性。但当地下下室作为抗爆爆级别较高的的防空地下室室时，其地下下室顶板通常常具有作为结结构嵌固端的的抗侧刚度，，此时可以取取其作为结构构的嵌固端。。●5.1.3计算简简图的的处理理在多高高层结结构设设计时时，设设计人人员首首先必必须结结合工工程实实际，，与建建筑设设备专专业协协商，，确定定一个个合理理的结结构设设计形形式和和结构构体系系。结结构体体系应应受力力明确确，传传力简简捷并并力求求平面面和竖竖向规规则。。然后后再应应用力力学概概念对对计算算简图图进行行处理理。(1)高层建建筑结结构分分析计计算时时宜对对结构构进行行力学学上的的简化化处理理，使使其既既能反反映结结构的的受力力性能能，又又适应应于所所选用用的计计算分分析软软件的的力学学模型型，从从而从从根本本上保保证分分析结结果的的可靠靠性。。(2)在内力与位移计算算中，应考虑相邻邻层竖向构件的偏偏心影响。楼面梁梁与柱子的偏心一一般按实际情况参参与整体计算。●5.1.3计算简图的处理(3)在内力与位移计算算中，密肋板楼盖盖可按实际情况进进行输入计算，当当不能按实际情况况计算时，可将密密肋梁均匀等效为为柱上框架梁进行行计算，其截面宽宽度可取被等效的的密肋梁截面宽度度之和。平板无梁梁楼盖采用近似方方法考虑时，其柱柱上板带可等效为为框架梁计算，等等效截面宽度可取取等代框架方向板板跨的3/4及垂直于等代框架架方向板跨的1/2两者的较小值。(4)高层建筑结构中，，梁、柱、剪力墙墙的初估截面尺寸寸可按第5章第4～6节中的有关规定进进行取值。从大量量的工程设计的结结果的分析，钢筋筋混凝土高层建筑筑单位建筑面积的的竖向总荷载大约约在12kN/m2～16kN/m2之间。其中框架、、框架―剪力墙结构大约为为12kN/m2～14kN/m2；剪力墙和筒体结结构大约在14kN/m2～16kN/m2。在初步设计阶段段，这些数据可以以用来对结构进行行初步内力分析，，从而可以初步确确定柱、剪力墙的的截面尺寸。●5.1.3计算简图的处理(5)当构件截面尺寸相相对其跨度较大时时，构件交汇处会会形成相对的刚性性节点区域，所以以在内力与位移计计算时，可考虑框框架或壁式框架梁梁柱节点区刚域的的影响。刚域的长长度(如图5.1所示)近似按下式计算：：图5.1框架节点刚域图=a1–0.25hb(5-1a)=a2–0.25hb(5-1b)=c1–0.25bc(5-1c)=c2–0.25bc(5-1d)当计算刚域的总长长度为负值时应取取为零。●5.1.3计算简图的处理(6)对于大底盘多塔结结构，如果把裙房房部分按塔楼的形形式切开计算，则则下部群房及基础础的计算误差较大大，且各塔之间的的相互影响也无法法考虑。因此，应应先进行整体计算算，按《高层建筑混凝土结结构技术规程》取够振型数，并考考虑塔楼与塔楼之之间的相互影响。。当各塔楼的质量量、刚度等分布悬悬殊时，整体计算算反映出的前若干干个振型可能大部部分均为某一塔楼楼所贡献。而由于于耦连振型的存在在，判断某一振型型反映的是哪一塔塔楼的某一主振型型比较困难。同时时，由于《高层建筑混凝土结结构技术规程》中第一扭转周期和和第一平动周期比比值的限制以及水水平位移限值的限限制，为了验证各各独立单塔的正确确性和合理性，还还需将多塔结构分分开进行计算分析析。●5.1.3计算简图的处理(7)对于超长或不规则则等原因将建筑物物结构分为两个或或多个独立的结构构单元时，最好是是将各独立单元分分开进行计算分析析，如果一定要合合在一起计算，也也可按多塔结构模模型进行计算，但但需要注意的是，，由于分缝处不是是真正独立迎风面面，其风荷载的计计算与实际受力状状态不符，对于那那些对风荷载比较较敏感或以风荷载载为控制荷载的结结构，必须修改风风荷载数据，以计计算出正确的风荷荷载数据文件。●5.1.4总信息中几个重要要参数的确定结构总信息是控制制全局的参数，在在应用程序时应深深刻理解程序中对对有关参数选用的的说明，且应在正正确理解参数的物物理概念的基础上上，根据工程的实实际情况及规范要要求经分析后确定定。1.周期折减系数周期折减的目的是是为了充分考虑框框架结构和框架―剪力墙结构的填充充墙刚度对计算周周期的影响，其大大小由结构类型和和填充墙数多少来来决定结构类型填充墙较多填充墙较少结构类型填充墙较多填充墙较少框架结构0.6～0.70.7～0.8剪力墙结构0.9～1.01.0框剪结构0.7～0.80.8～0.9表5-2周期折减系数●5.1.4总信息中几个重要要参数的确定2.框架―剪力墙结构中，任任一层框架承担地地震力调整系数框架―剪力墙结构中，由由于剪力墙刚度很很大，承担了大部部分的地震作用剪剪力，而框架分担担的地震作用很少少，则在剪力墙开开裂后很不安全，，所以《高层建筑混凝土结结构技术规程》第8.1.4条规定框架部分承承担的最小剪力应应不小于基底剪力力的20%和最大楼层总剪力力值的1.5倍两者中的较小值值。3.计算振型个数一般计算振型数应应大于9。多塔结构振型数数应不小于塔数的的9倍。但也要注意一一点，此处指定的的振型数不能超过过结构固有振型的的总数。例如，一一个规则的两层结结构，采用刚性楼楼板假定，由于每每块楼板只有三个个有效动力自由度度，整个结构只有有6个有效动力自由度度，这样系统自身身只有6个特征对，这时候候就不能指定9个振型，最多只能能取6个，否则就会造成成地震力计算异常常。●5.1.4总信息中几个重要要参数的确定4.梁端弯矩调幅系数数考虑梁在竖向荷载载作用下的塑性内内力重分布，通过过调整使梁端弯矩矩减少，相应增加加跨中弯矩，使梁梁上下配筋均匀一一些，达到节约材材料，方便施工的的目的。一般情况况下，梁端弯矩调调幅系数取值范围围为0.8～1.0。5.梁跨中弯弯矩放大大系数对于内力力分析中中未考虑虑活荷载载不利分分布，而而仅按满满布计算算时，当当活载较较大或结结构的层层数不多多时，可可通过此此系数来来加大梁梁的跨中中弯矩。。弯矩放放大系数数可参照照如下取取值：(1)一般高层层建筑：：1.0。(2)活载较大大的高层层及一般般多层建建筑：1.1～1.2。(3)活载较大大的多层层建筑：：1.2～1.3。6.地震力放放大系数数为了提高结构抗抗震安全度，可可通过此参数来来放大地震力，，其取值范围一一般为1.0～1.5。●5.1.4总信息中几个重重要参数的确定定7.连梁刚度折减系系数抗震设计的框架架―剪力墙或剪力墙墙结构的连梁，，由于两端的变变位差很大，故故剪力很大，连连梁截面设计困困难，往往出现现超筋现象。抗抗震设计时，在在保证连梁具有有足够的承受其其所属面积竖向向荷载能力的前前提下，允许其其适当开裂(降低刚度)而把内力转移到到墙体等其他构构件上。就是在在内力和位移计计算中，对连梁梁刚度进行折减减。通常，设防防烈度为6、7度时连梁刚度折折减系数取0.7，8、9度时取0.50，最小不宜小于于0.50。当结构位移由由风荷载控制时时，连梁刚度折折减系数不宜小小于0.8。当连梁跨高比大大于5时，受力机理类类似于框架梁，，竖向荷载比水水平荷载作用效效应明显，此时时应慎重考虑连连梁刚度的折减减问题，以保证证连梁在正常使使用阶段的裂缝缝及挠度满足使使用要求。●5.1.4总信息中几个重重要参数的确定定8.梁刚度增大系数数在一般程序输入入中，梁是按矩矩形尺寸输入并并计算刚度的。。对于现浇楼板板，在采用刚性性楼板假定时，，楼板作为梁的的翼缘，是梁的的一部分。在分分析中可用此系系数来考虑楼板板对梁刚度的贡贡献，梁刚度增增大系数取1.0～2.0。其中可将现浇浇楼面的边框梁梁1.5，中间框架梁取取2.0。●5.1.4总信息中几个重重要参数的确定定9.梁扭矩折减系数数高层建筑楼面梁梁受楼板的约束束，当结构计算算未考虑这个约约束作用时，梁梁的扭转变形和和扭矩计算值偏偏大，与实际受受力不符。故在在截面设计时应应对梁扭矩予以以适当折减。计计算分析表明，，梁的扭矩折减减系数与楼盖的的约束作用和梁梁的位置密切相相关。边梁和中中梁有区别，有有次梁和无次梁梁也不一样。因因此，应根据具具体情况确定楼楼面梁的扭矩折折减系数。若电电算程序中只有有一个扭矩折减减系数时，一般般可取0.4。10.活载折减系数活载折减系数参参数均可按荷载载规范规定进行行取值。一般情情况下不应对参参数进行修改。。●5.1.5内力计算结果的的分析、判断目前，采用计算算机软件进行多多高层建筑结构构分析几乎已成成为设计人员的的一种必然选择择，由于软件开开发版本很多，，这也给设计人人员创造了多个个可选择的设计计平台，但是，，计算机的辅助助设计不是万能能的，它提供的的计算结果是否否合理、可靠就就需要设计人员员来作出准确判判断。1.合理性判断(1)周期：周期大小小与刚度的平方方根成反比，与与结构质量的平平方根成正比，，因此，计算出出来的结构自振振周期宏观地反反映了结构的几几何特性和刚度度性质。周期的的大小与结构在在地震中的反应应有密切的关系系。最基本的是是不能与场地上上的卓越周期一一致，否则会产产生共振。在正正常情况下，如如果结构比较普普通，截面尺寸寸选择符合常规规要求，则结构构基本周期大体体在以下范围：：●5.1.5内力计计算结结果的的分析析、判判断1.合理性性判断断(1)周期：：周期期大小小与刚刚度的的平方方根成成反比比，与与结构构质量量的平平方根根成正正比，，因此此，计计算出出来的的结构构自振振周期期宏观观地反反映了了结构构的几几何特特性和和刚度度性质质。周周期的的大小小与结结构在在地震震中的的反应应有密密切的的关系系。最最基本本的是是不能能与场场地上上的卓卓越周周期一一致，，否则则会产产生共共振。。在正正常情情况下下，如如果结结构比比较普普通，，截面面尺寸寸选择择符合合常规规要求求，则则结构构基本本周期期大体体在以以下范范围：：框架结结构：：～～框-剪结构构、框框-筒结构构：～～剪力墙墙结构构：～～筒中筒筒结构构：～～～～～式中：：——基本自自振周周期，，、、——第二、、第三三周期期，N———结构计计算层层数。。●5.1.5内力计计算结结果的的分析析、判判断周期过过长或或过短短，可可能有有以下下四种种原因因：(1)结构方方案本本身很很不合合理，，刚度度过大大或过过小；；二是是可能能输入入数据据有误误，包包括几几何数数据，，荷载载信息息等。。质量量(荷载)偏大，，周期期偏长长，质质量过过小，，则周周期偏偏短；；三是是可能能选用用程序序不适适合本本工程程的设设计。。(2)地震力力：底底部总总剪力力应在在合理理范围围内。。耦连连计算算时，，底层层的剪剪重比比也应应在合合理的的范围围内。。对第第一周周期小小于3.5s的结构，一般为：：7度、Ⅱ类上时/W=1.6%～2.8%；8度、Ⅱ类上时/W=3.2%～5%。底部剪剪力过小小，除了了首先检检查结构构布置和和截面尺尺寸是否否使刚度度过小外外，还应应检查是是否考虑虑周期折折减系数数。如果果程序中中没有进进行周期期折减，，可使框框架、框框—剪结构周周期偏长长，造成成地震力力偏小，，偏于不不安全。。在地震震力偏小小的情况况下，会会出现结结构位移移满足要要求，构构件配筋筋为构造造配筋的的不合理理情况。。所以，，只有底底部剪力力在合理理范围内内，检查查内力，，配筋才才有意义义。●5.1.5内力计算算结果的的分析、、判断周期过长长或过短短，可能能有以下下四种原原因：(3)振型：一一般情况况下，正正常计算算结果的的振型曲曲线应当当是连续续的、光光滑的曲曲线，不不应出现现突然的的转折点点或不规规则的凹凹凸。在在有刚度度大的突突变处及及顶部有有高塔的的特殊情情况下，，可能在在转变处处出现明明显的突突变点，，如图5.2所示。图5.2振型曲线线●5.1.5内力计算算结果的的分析、、判断2.内力与位移的的渐变规律判判断如果高层建筑筑结构沿竖向向刚度与质量量都很均匀、、渐变，结构构布置也没有有大的改变的的情况下，则则结构的内力力和位移计算算结果沿竖向向也应均匀变变化，不应有有大的突变。。否则应检查查几何数据及及其他输入数数据是否正确确、合理。位位移特征曲线线如图5.3所示。(a)剪力墙(b)框架(c)框架―剪力墙图5.3水平位移特征曲线线●5.1.5内力计算结果的分分析、判断3.平衡条件的判断竖向平衡条件：在在竖向荷载作用下下产生的柱、墙肢肢轴向力代数和，，应等于总的竖向向荷载。总竖向荷荷载是指未经折减减的，直接用于内内力计算的数值，，不应采用计算地地震作用的重力荷荷载代表值。(2)水平方向平衡条件件：对于风荷载作作用，底层各柱、、墙的剪力代数和和应等于总的风荷荷载。对于地震作作用，当需要进行行平衡校核时，可可利用第一振型的的地震作用进行平平衡分析，而且必必须在修正之前进进行。●5.1.5内力计算结果的分分析、判断4.对称性的判断对称结构在对称荷荷载作用下，对称称点的内力与位移移必然对称，如果果不能满足对称条条件，则计算结果果显然有问题，就就必须对几何数据据和荷载数据进行行核对，直到满足足上述条件为止。。总之，通过上述关关于周期、位移、、振型、地震力、、平衡条件及对称称性等的判断，设设计人员就可以依依此基本判定其计计算结果可以用于于工程设计。●5.1.6根据计算结果对结结构进行调整(1)柱轴压比：柱轴压压比限值是为了满满足结构延性要求求，规范对各种结结构构件的轴压比比限值有明确规定定。根据计算机提提供的柱轴压比数数据，设计人员可可以直接获得超限限信息，并可依此此对竖向构件的截截面、混凝土等级级等进行适当调整整，使计算轴压比比在规范规定的限限值以内。(2)梁柱配筋：设计合合理的结构，一般般不应有太多的超超限截面。设计人人员可以对具体的的超限截面进行分分析。超限的原因因一般有以下几个个方面的原因：一一是截面尺寸不够够；二是构件的支支座处理不当，造造成扭矩偏大；三三是总信息有关调调整系数设置错误误；四是个别几何何数据输入有误等等。柱配筋超限的的原因还可能是柱柱计算长度取值有有误，这就要求设设计人员对特殊柱柱的计算长度进行行人工调整。(3)特殊构件(如转换梁、大悬臂臂梁、转换柱、跨跨层柱)应分析其内力、配配筋是否正常，必必要时应进一步分分析，包括手算以以及采用其他程序序进行复核。●5.2多高层建筑结构设设计算例5.2.1工程概况及计算简简图某七层办公楼，采采用内走道布置，，其柱网尺寸为6.6m×6.3m，走道宽为2.4m。结构平面布置图图如图5.4所示，其中走道板板厚120mm，其他板厚为160mm；地下基础顶面至至二层楼面的高度度为4.8m，二层以上层高3.6m。②轴平面框架计计算简图如图5.4所示；混凝土等级级为：一、二层为为C35，三层以上为C30；纵向受力钢筋均均为HRB400级，箍筋为HPB235级。图5.4结构平面图●5.2多高层建筑结构设设计算例5.2.2设计条件(1)建筑结构安全等级级：二级。(2)设计使用年限50年，r0=1.0。(3)建筑结构地上部分分为一类环境，地地下部分为二类环环境。(4)抗震设防烈度：7度。(5)设计地震分组：第第一组。(6)地基场地上类别：：Ⅲ类。(7)建筑抗震设防类别别：丙类。(8)建筑结构阻尼比：：=0.05。(9)框架抗震等级：抗抗震构造措施为二二级，内力调整及及其他为三级。●5.2多高层建筑结构设设计算例5.2.3荷载标准值1.屋面均布永久荷载载标准值120板处：q=25×0.12(自重)+3.15(防水及保温、找平平等)=6.15kN/m2160板处：q=25×0.16(板自重)+3.15(防水及保温、找平平等)=7.15kN/m22.楼面均布永久荷载载标准值120板处：q=25×0.12(板自重)+1.5(楼面及楼灰)=4.5kN/m2160板处：q=25×0.16(板自重)+1.5(楼面做法及抹灰)=5.5kN/m23.屋面均布活荷载载标准值(不上人屋面)q活=0.5kN/m2。4.楼面均布活荷载载标准值120板范围内：q活=2.5kN/m2160板范围内：q活=3.5kN/m2(包括非非固定定隔墙墙附加加荷载载)●5.2多高层层建筑筑结构构设计计算例例5.2.3荷载标标准值值5.雪荷载载标准准值基本雪雪压：：S0=0.3kN/m2；屋面面和雪雪分布布系数数r=1.0sk=r··S0=0.3kN/m26.风荷载载标准准值其中kN/m2，地面面粗糙糙度为为C类。(迎风面面)，–0.5(背风面面)，：按《建筑结结构荷荷载规规范》采用。。7.建筑外外围护护墙永永久荷荷载标标准值值(按墙面面面积积计算算)kN/m28.建筑物物内部部隔墙墙永久久荷载载标准准值(按墙面面面积积计算算)kN/m2●5.2多高层层建筑筑结构构设计计算例例5.2.4框架荷荷载及及内力力计算算本算例例以结结构平平面第第②轴轴平面面框架架为例例，其其楼面面荷载载及风风荷载载的受受荷范范围为为6.6m。荷载载采用用中国国建科科院PMCAD及PK程序自自动生生成，，恒载载、活活荷载载及风风荷载载作用用简图图如图图5.6、图5.7及图5.8所示。。平面框框架的的内力力计算算采用用PK程序计算，，其恒载、、满布活载载作用下的的内力见表表5-3(以首层AB段为例)。图5.6恒载作用简简图(D-L.T)图5.7活载作用简简图(L-L.T)●5.2多高层建筑筑结构设计计算例5.2.5第②轴框架架梁的内力力组合及配配筋计算以首层框架架梁AB段为例，在在支座A、B及跨中的弯弯矩及剪力力标准值见见表5-3荷载类型支座A支座B跨中恒荷载MVMV59.0–84.9073.5–87.10–74.20满布活荷载–46.3036.0–47.40–36.031.60风荷载55.517.152.217.1——地震作用149.846.21141.3046.2——表5-3首层AB段框架梁梁弯矩剪剪力标准准值(kN·m)●5.2多高层建建筑结构构设计算算例5.2.5第②轴框框架梁的的内力组组合及配配筋计算算1.A截面组合合弯矩设设计值根据《建筑抗震震设计规规范》第5.4.1条及《建筑结构构荷载规规范》第3.2.3条进行弯弯矩组合合。经比比较最不不利的组组合情况况如下：：1)组合1：非抗震震设计MA=1.2××永久荷载载弯矩标标准值+1.4×满布活荷荷载弯矩矩标准+0.6×1.4×风荷载弯弯矩标准准值=–1.2××84.90––1.4×46.30–0.6×1.4××55.5=––213.32kN·m2)组合2：非抗震设计计MA=1.2×永久荷载弯矩矩标准值+1.4×风荷载弯矩标标准值+0.7×1.4×满布活荷载弯弯矩标准值=–1.2×84.90–1.4×55.5–0.7××1.4×46.30=–224.95kN·m3)组合3：抗震设计MA=1.2×永久荷载弯矩矩标准值+0.5×1.2×满布活荷载弯弯矩标准值+1.3×地震作用弯矩矩标准值=–1.2×84.90–0.5×1.2××46.30–1.3××149.8=–324.4kN·m●5.2多高层建筑结结构设计算例例5.2.5第②轴框架梁梁的内力组合合及配筋计算算2.支座B截面组合弯矩矩设计值按上述方法进进行最不利内内力组合，同同理可得：1)组合1：非抗震设计计MB=–214.7kN·m2)组合2：非抗震设计计MB=–224.0kN·m3)组合3：抗震设计MB=–313.65kN·m3.跨中组合弯矩矩设计值M跨中=1.2×永久荷载弯矩矩标准值+1.4×满布活荷载弯弯矩标准值+0.6×1.4×风荷载弯矩标标准值=1.2×59.0+1.4×31.6(忽略风荷载)=115.0kN·m●5.2多高层建筑结结构设计算例例5.2.5第②轴框架梁梁的内力组合合及配筋计算算4.梁正截面抗弯弯纵向钢筋配配筋计算框架梁AB段：mm，mm，mm，mm，混混凝土为C35，N/mm2，N/mm2，纵筋为HRB400级，其N/mm2。跨中：M=115.0kN·mmm2检查是否满满足抗震构构造要求，，抗震等级级为二级的的框架梁跨跨中纵向受受拉钢筋的的最小配筋筋量：mm2或mm2实配318，＞＞627mm2，满足要求求。●5.2多高层建筑筑结构设计计算例5.2.5第②轴框架架梁的内力力组合及配配筋计算2)支座A(1)按组合2计算：MA=－224.95kN·m(非抗震)(2)按组合3计算：并乘乘以承载力力抗震调整整系数，MA=––243.3kN·m(抗震)。取上述两两个值中的的较大值MA=––243.3kN·m进行配筋计计算(按单筋截面面)。实配4Φ22，＞＞，，满足要求求。●5.2多高层建筑结构构设计算例5.2.5第②轴框架梁的的内力组合及配配筋计算(3)检查是否满足抗抗震构造要求。。①梁端混凝土土受压区高度x(《混凝土结构设计计规范》第11.3.1条)。根据以上计算结结果,＞②梁端纵向受受拉钢筋配筋率率：(《混凝土结构设计计规范》第11.3.1，11.3.6条)。其值小于2.5%，大于0.3%及③梁端截面底底部和顶部纵向向受力钢筋截面面面积比值(《混凝土结构设计计规范》第11.3.6条)。＞0.3(符合要求)④通长钢筋设设置(《混凝土结构设计计规范》第11.3.7条)。梁顶面设置222，底面设置318(符合要求)。●5.2多高层建筑结构构设计算例5.2.5第②轴框架梁的的内力组合及配配筋计算3)支座B按支座A的计算方法进行行计算可得：。。实配422(1520mm2)满足要求，取组组合3进行配筋计算：：M=0.75××(–313.65)=––235.2kN·m。5.梁斜截面面剪力及及箍筋计计算由于支座座A、B截面在不不同荷载载作用下下的剪力力值接近近，而支支座B处剪力稍稍大，故故仅以支支座B截面进行行最不利利剪力组组合。1)组合1：非抗震震设计VB=1.2××恒载剪力力标准值值+1.4×满布活载载剪力标标准值+0.6×1.4×风荷载剪剪力标准准值=1.2×(––74.2)+1.4×(––36.0)+0.6×1.4×(–17.1)=––153.80kN2)组合2：非抗震震设计VB=1.2××恒载剪力力标准值值+1.4×风荷载剪剪力标准准值+0.7×1.4×满布活载载剪力标标准值=1.2×(––74.2)+1.4×(–17.1)+0.7×1.4××(–36.0)=––148.3kN●5.2多高层建建筑结构构设计算算例5.2.5第②轴框框架梁的的内力组组合及配配筋计算算4)梁箍筋计计算(1)组合1：VB=––153.80验算受剪剪截面跨跨高比＞＞2.5＜4截面应符符合≤≤要要求：＞150.4kN(满足要要求)箍筋：：●5.2多高层层建筑筑结构构设计计算例例5.2.5第②轴轴框架架梁的的内力力组合合及配配筋计计算(2)组合3：抗震震设计计。VB=––153.3kN截面应应符合合≤≤kN＞153.3kN(符合要要求)箍筋：：(3)选用箍箍筋，，按8双肢箍箍考虑虑：S=ASV/0.339=101/0.339=300mm。实际际选用用：加密区8@100，非加加密区中8@200。●5.3剪力墙墙结构构算例例1.基本条条件墙肢Q1的平面位置置如图5.9所示。底部部加强区及及其上一层层(1～4层)的墙体厚度度为，非底底部加强区区(5层及其上各各层)的墙体厚度度为为，墙墙肢长度为为。墙体的的混凝土强强度等级：：7层楼板面以以下为C35，7层楼板面以以上为C30。墙体的竖向、、水平分布钢筋筋以及墙肢边缘缘构件的箍筋采采用HRB335级热轧钢筋，墙墙肢边缘构件的的纵向受力钢筋筋采用HRB400级热轧钢筋。●5.3剪力墙结构算例例2.墙体稳定验算墙肢Q1无端柱和翼墙，，在底部加强部部位的截面厚度度为220mm，约为首层层高高的1/15。下面以首层为为例，根据《高层建筑混凝土土结构技术规程程》第7.2.2条的要求，对墙墙肢Q1进行稳定验算。。墙肢Q4为两边支承的单片片独立墙肢，根据据《高层建筑混凝土结结构技术规程》附录D公式(D.0.3-1)，其计算长度系数数=1.0，首层墙肢的计算算长度按《高层建筑混凝土结结构技术规程》公式(D.0.2)计算如下：剪力墙底部加强部部位的混凝土弹性性模量EC为3.15×104N/mm2，根据《高规》公式(D.0.1)可以得到：作用于首层墙顶组组合的等效竖向均均布荷载设计值，，算得：因此，首层墙肢Q1的稳定性符合《高层建筑混凝土结结构技术规程》附录D的要求●5.3剪力墙结构算例3.首层墙肢Q1(底部加强区)截面设计首层墙肢Q1的内力标准值及部部分内力组合值参参见表5-4。从表5-4中可以看出，水平平地震作用产生的的内力远大于风荷荷载产生的内力。。荷载工况NW(kN)MW(kN·m)VW(kN)永久荷载–1920.01.6–3.0活荷载–320.7–0.4–0.7风荷载280.7–59.827.21.2永久+1.4活–2753.01.4–4.61.35永久+0.7×1.4活–2906.31.8–4.71.2永久+1.4活+0.6×1.4风–2517.2–48.918.31.2永久+1.4活–0.6×1.4风–2988.851.6–27.41.2永久+0.7×1.4活+1.4风–2225.3–82.233.81.2永久+0.7×1.4活–1.4风–3011.385.2–42.41.0永久+1.4活+0.6×1.4风–2133.2–49.218.91.0永久+1.4活–0.6×1.4风–2604.851.3–26.81.0永久+0.7×1.4活+1.4风–1841.3–82.534.41.0永久+0.7×1.4活–1.4风–2627.384.9–41.8表5-4墙肢Q1(首层)内力情况(非抗震)●5.3剪力墙结构算例3.首层墙肢Q1(底部加强区)截面设计根据《高层建筑混凝土结结构技术规程》第7.2.15条和7.2.16条的规定，底部加加强区及其上一层层(1～4层)的墙肢应设置约束束边缘构件，其长长度为：，，，，，暗柱长度为：，，，，，。。由于与非常接近，，故取。。此时，约约束边缘构件的纵纵向受力钢筋合力力作用点到截面边边缘的距离为：，首层墙肢Q1截面的有效高度为为：。●5.3剪力墙结构算例1)墙肢的受剪截面限限制条件验算取首层墙肢Q1的组合剪力设计值值为Vw=42.4kN。因此，当无地震作作用组合时，首层层墙肢Q1的截面符合剪压比比限值要求。2)偏心受压正截面承承载力计算这里取首层墙肢Q1的组合内力设计值值。Nw=1841.3kN，Mw=82.5kN·m。当混凝土强度等等级不超过C50时，。。墙肢截面的相对对界限受压区高度度为：在底部加强区及其其上一层(1～4层)，墙肢Q1配置竖向分布钢筋筋φ10@200(双排)，此时墙肢的竖向向分布钢筋配筋率率为●5.3剪力墙结构算例大于《混凝土结构设计规规范》第10.5.9条非抗震设计时最最小配筋率0.20%和第11.7.11条二级抗震等级最最小配筋率0.25%的要求。当墙肢两端约束边边缘构件的纵向受受力钢筋对称配置置时，界限破坏情情况下的Nb为：由于＜＜，，因因此首层墙肢Q1处于大偏心受压状状态，此时截面的的受压区高度为：：＜因此，首层墙肢Q1确实处于大偏心受受压状态。此时●5.3剪力墙结构算例首层墙肢Q1端部约束边缘构件件的纵向受力钢筋筋面积为：＜0这表明当无地震作作用组合时，首层层墙肢Q1端部的约束边缘构构件仅需按构造要要求配置纵向受力力钢筋。●5.3剪力墙结构算例4)平面外轴心受压正正截面承载力验算算这里取首层墙肢Q1的轴向压力设计值值为NW=3011.3kN。根据《混凝土结构设计规规范》第7.3.11条，首层墙肢Q1的计算高度为：计算高度与墙体厚厚度比值为：由《混凝土结构设计规规范》表7.3.1，可以得到首层墙墙肢Q1的稳定系数为。。根据《混凝土结构设计计规范》公式(7.3.1)，可以得到：因此，当无地震震作用组合时，，首层墙肢Q1的平面外轴心受受压正截面承载载力符合要求。。●5.3剪力墙墙结构构算例例4.层墙肢肢Q1(非底部部加强强区)截面设设计5层墙肢肢Q1的内力力标准准值及及部分分内力力组合合值参参见表表5-5。从表表5-5中可以以看出出，水水平地地震作作用产产生的的内力力远大大于风风荷载载产生生的内内力。。荷载工况NW(kN)MW(kN·m)VW(kN)永久荷载–1479.30.64.9活荷载–254.4–0.21.8风荷载198.6–5.3–25.51.2永久+1.4活–2131.30.48.41.35永久+0.7×1.4活–2246.40.68.41.2永久+1.4活+0.6×1.4风–1964.5–4.0–13.01.2永久+1.4活–0.6×1.4风–2298.14.929.81.2永久+0.7×1.4活+1.4风–1746.4–6.9–28.11.2永久+0.7×1.4活–1.4风–2302.57.943.31.0