多高层结构分析和设计(邵弘)1.ppt

多高层结构分析和设计 2002年新规范 TAT SATWE PMSAP 一 混凝土结构的新旧规范设计对比新规范在地震力 风力的计算中 做了较大调整 尤其是地震力的计算参数与旧规范有很大区别 所以在比较两者的配筋时 应尽量使设计参数一致 尽管这样 新旧规范在以下几方面是不同的 1 材料强度 混凝土 钢筋 2 保护层厚度 35改为30 12 5 3 柱长度系数对柱配筋的影响 4 剪力墙边缘构件对墙配筋的影响 5 梁剪扭配筋的改进对梁配筋的影响 6 柱双偏压计算配筋的改进和双剪配箍 7 地震力的内力调整 8 设计内力的调整 9 内力组合 如1 35恒 0 7 1 4活等 10 复杂高层结构的地震内力 设计内力调整等 另外一些新的条件和分析功能 如 1 P 效应 2 特征周期增加0 05 3 风力计算增加了D类粗糙度 4 偶然偏心和双向地震 5 多方向地震 6 最小楼层剪力系数和薄弱层的调整 新旧规范对结构的刚度 楼层质量并没有调整 所以新旧规范计算出的结构周期 振型是相同的 但新规范的地震力计算与旧规范不同 所以新旧规范版的地震 风产生楼层位移会有增加 1 17层框架结构风位移 1 57 地震位移 16 2 剪力系数 15 76 梁全楼配筋 4 6 柱全楼配筋 15 1 1 218层框架剪力墙结构风位移 1 77 地震位移 13 4 剪力系数 9 81 梁全楼配筋 14 4 柱全楼配筋 17 9 1 336层剪力墙结构风位移 0 37 地震位移 11 77 剪力系数 6 06 梁全楼配筋 5 3 1 417层框支剪力墙结构风位移 3 53 地震位移 10 34 剪力系数 8 28 梁全楼配筋 6 0 柱全楼配筋 2 3 二 新规范的地震控制和参数选择新规范对地震力计算改动较大 增加了楼层最小剪力系数的控制 2 15 偶然偏心对于高层建筑且是规则结构时选择 对不规则结构应选择 双向地震 两者选其一 不要都选 偶然偏心按结构长度的5 考虑 程序以增加各层的地震扭矩的方式来计算偶然偏心下的楼层位移和构件内力 2 2双向地震双向地震一般只对不规则结构采用 并注意不要与 偶然偏心 同时用 由于双向地震是把另一方向地震内力的85 同时作用在结构上 这样在组合配筋时可认为有两个方向的地震同时作用 结构的配筋会增加约20 30 当采用双偏压计算柱配筋时 柱配筋面积会大幅度提高 一般设计可以遵循以下规则 1 当为规则结构时 考虑偶然偏心 2 当为一般不规则结构时 考虑扭转耦连 3 当为很不规则结构时 考虑双向地震 2 3多方向地震对于有斜交榀时 按新规范要求要计算该斜方向的地震 一般选择斜交榀方向 再增加一最不利地震方向 多方向地震与总信息中的结构转角是不同的 多方向地震只是对偶联振型的不同方向的投影 得到各方向的地震力 而风力并没有改变方向 所以多方向地震与风不对应 这也反映了一种结构的受力情况 结构转角产生的地震力与风力方向是对应的 但每次只能计算一组方向 所以当结构设计以地震为主时 应选择多方向地震 2 4周期比 剪重比和位移比新规范对结构的周期 位移和楼层剪力有明确要求 即周期比 最大层间位移和位移比 以及楼层最小剪力系数 周期比 是控制结构在大震时 扭转振型不应靠前 以减少震害 最大层间位移 按规范要求取楼层竖向构件的最大杆间位移为楼层控制层间位移 位移比 取楼层最大杆间位移与楼层平均杆间位移的比值 位移比是控制结构的扭转效应 楼层最小剪力系数 按新规范要求 当地震力不满足楼层最小剪力系数时 应对结构方案的合理性进行判断 并调整方案 或由程序自动把基底剪力提高 当采用不同的刚度计算模型时 结构的周期比 位移比会有较大变化 这也是正常的 所以重要工程应用两种不同的计算模型进行分析 对比 对于复杂高层结构如 多塔结构 为了适应相应的周期比 剪重比和位移比 如没有方法分离各个塔的周期比 位移比和剪重比 一般需要切开独立分析 得到规范相应的控制比值 然后再用整体计算的方法分析 对于有空旷的 考虑楼板变形的 错层的结构 楼层位移和位移比规范没有规定 这时可仍以刚性楼板假定的方法来计算结构的位移 并求出位移比 以此作为结构变形控制 规则性控制的参考值 设计仍按原来有空旷的 考虑楼板变形的 错层的结构进行设计 2 5层刚度计算和层刚度比新规范要求结构各层之间的刚度比 并根据刚度比对地震力进行放大 所以刚度比的合理计算较为重要 新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 地下室是否能作为嵌固端 转换层刚度是否满足要求等等 都要求有层刚度作为依据 所以层刚度计算的准确性就比较重要 程序提供了三种计算方法 1 楼层剪切刚度 2 单层加单位力的楼层剪弯刚度 3 楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度 这三种计算方法有差异是正常的 可以根据需要选择 对于大多数一般的结构应选择第3种层刚度算法 对于多层结构可以选择第1种层刚度算法 对于有斜支撑的钢结构可以选择第2种层刚度算法 转换层结构按照 高规 要求计算转换层上下几层的层刚度比 一般取转换层上下等高的层数计算 层刚度作为该层是否为薄弱层的重要指标之一 对结构的薄弱层 规范要求其地震剪力放大1 15 这里程序将由用户自行控制 三 考虑P 效应与柱长度系数新规范对重力二阶效应做了明确的要求 程序采用精确的弹性分析法 以解决二阶效应问题 由于二阶效应计算较为复杂 新规范又给出了两种不同的简化算法 因此对柱的计算长度系数就有三套 分别得到不同的计算长度系数 这对柱的配筋也有影响 1 考虑P 效应 柱长度系数仍按要求计算 2 按现浇楼板施工 考虑柱长度系数为1 1 25 3 按新规范梁柱刚度比 计算柱长度系数 1 1 25 第三种方法在结构复杂且又斜交梁时 采用简化的投影方法 并没有考虑斜支撑的作用 3 1考虑P 效应的原则对于混凝土结构一般不需要考虑P 效应 但对于高层特别是超高层结构 钢结构应考虑P 效应 P 效应的计算原则是考虑竖向力在水平力作用下产生的附加弯矩影响 或者说是一种特殊的几何非线性问题 3 2柱长度系数的取值柱长度系数是反应柱整体稳定性的参数 就是柱的P 效应 它对柱的配筋有较大影响 软件提供三种长度系数取值 1 底层为1 其它层1 25 2 各层采用混凝土规范第7 3 11之3条的梁柱刚度比计算的长度系数 3 考虑P 效应 此时各层长度系数取1 3 3柱长度系数讨论1 考虑P 效应而柱长度系数仍按要求计算 不考虑P 效应而取计算的长度系数 两者对钢柱影响较大 对混凝土结构一般影响不大 2 柱长度系数按梁柱线刚度比计算 计算公式有局限 它不能准确地反映任意情况 如 斜交 越层 带支撑等 所以对计算的柱长度系数应分析 修正 3 对与剪力墙相连的边框柱 取长度系数为0 75 4 当选择了P 效应 柱配筋仍然考虑偏心矩放大系数 四 调整系数新规范有三类调整系数 1 地震力调整系数 2 设计内力调整系数 3 其它调整系数 调整系数大多为放大系数 4 1地震力放大系数1 对于层刚度比不满足规范要求的 即薄弱层的地震内力需乘以1 15的放大系数 2 对于楼层剪力不满足规范要求的 需把地震力调整到规范要求的值 即需乘以一放大系数 3 对框架剪力墙结构 需做0 2Qo的层剪力比较 然后再调整各层框架的地震内力 4 对于顶部小塔楼 程序设置了地震力放大系数 5 对于框支托梁 规范规定了相应的放大系数1 8 1 5 1 25等 6 对框支柱 地震轴力需乘以放大系数1 8 1 5 1 2 4 2设计内力调整系数1 对不同抗震等级的梁 连梁 按规范乘以相应的剪力放大系数 2 不同抗震等级的柱 角柱 框支柱 按规范乘以相应的剪力放大系数 弯矩放大系数 3 对不同抗震等级的剪力墙 按规范乘以相应的剪力放大系数 弯矩放大系数 对短肢剪力墙结构 还应再乘以相应的剪力放大系数 4 梁设计弯矩放大系数 5 梁设计扭矩折减系数 6 结构重要性系数 4 3其它调整系数1 梁活荷载折减系数 在PM导荷载中 2 柱墙活荷载折减系数 3 传基础的活荷载折减系数 4 梁恒 活负弯矩调幅系数 5 梁扭转刚度折减系数 6 温度应力折减系数 注意 1中的梁活荷载调整系数 不要与2中的柱墙活荷载调整系数同时用 五 地下室 人防的设计分析使用SATWE对地下室 人防的正确分析和设计 5 1地下室的刚度和分析1 地下室一般与上部结构共同分析 2 地下室能否与上部结构分开独立计算 取决于地下室的层刚度 当地下室层刚度大于上部层刚度的2倍时 地下室与上部结构可以分开计算 否则应共同计算 3 当地下室与上部结构共同分析时 地下室回填土的约束作用用增加地下室层刚度的方法模拟 即程序中所提到的相对刚度 一般取3 4 当定义了地下室后 侧向不论有无约束 风力的计算都按有地下室考虑 即在计算高度系数时 扣除地下室的高度 5 相对约束刚度如果选择 A 取0 则表示外围对地下室没有约束 此时地震的计算与没有设地下室一样 B 取小于0 如 3 则表示地下室的侧向位移被完全嵌固 C 取有限值 如3 则表示侧向约束产生的刚度是地下室层刚度的3倍 6 地下室与上部结构共同分析是一种更合理的分析方法 共同分析使上部结构的轴力 弯矩可以传给地下室结构 而剪力可以根据需要传递 5 2地下室和人防的设计1 设计参数分第1层和其他层 对最下一层的地下室其设计调整系数按第1层的系数取用 其他层地下室按其他层系数取用 0层按第1层系数取用 0以上层按其他层系数取用 2 地下室考虑侧向土压力和水压力 此时土 水压力按 qs hsws qw hw三角形作用形式其中 hs hw 为土 水的深度 ws 为土的容重 为土的侧压力系数当土 水同时作用时 还要减去水的浮力 3 对有人防的内外临空墙 还有侧向人防荷载 人防侧向荷载与侧向土 水压力综合为一个侧向均布力 对外墙和临空墙作剪力墙平面外的水平 竖向分布筋的配筋 4 人防的竖向力按活荷载分布规律分布 并作用在梁墙上 所以结构必须计算活荷载 5 人防设计只考虑人防层及以下层 人防以上层不考虑 六 剪力墙结构与边缘构件新规范对剪力墙的配筋方式做了重大改进 剪力墙的配筋是根据墙的轴压比 先确定配箍特征值 再确定边缘构件的尺寸 在计算剪力墙的主筋时 采用一字形剪力墙的墙肢 进行配筋 然后再与边缘构件的节点叠加 产生边缘构件的配筋面积 并与边缘构件的构造相比取大 所以 新规范剪力墙的配筋与旧规范有很大差别 对一级 特一级的剪力墙 配筋采用的弯矩是底层墙底的设计弯矩 所以当剪力墙是一级 特一级时 配筋要比旧规范大的多 6 1加强区与边缘构件1 在加强区及以上一层为约束边缘构件 2 加强区的设计调整系数与非加强区不同 3 地下室程序自动认为是加强区 4 有地下室时 程序自动扣除地下室的高度计算加强区 5 高规 规定加强区都为约束边缘构件 抗震规范 在加强区是否为约束边缘构件由轴压比控制 程序由参数控制 6 剪力墙单肢轴压比 按1 2倍重力荷载代表值计算 7 加强区的确定有局限 应按需要定义 8 短肢剪力墙需特殊定义 9 短肢剪力墙仍需符合框剪结构50 倾覆弯矩的要求 10 短肢墙的抗震等级需提高一级 并乘以相应的剪力设计调整系数 6 2剪力墙边缘构件的设计1 剪力墙按单肢墙端部计算配筋 按边缘构件设计配筋 2 当墙肢长度小于3倍的厚度时 按柱配筋 此时水平筋可以理解为箍筋 但注意轴压比仍按墙计算 3 边缘构件的合并原则与 2 类似 4 边框柱作为剪力墙的一部分与墙共同工作 边框柱按柱配筋作为参考 轴压比也仅为参考 视具体情况而定 5 边缘构件的配筋 尤其是L形端部 有时配筋过大 可以考虑钢筋的共用 如考虑翼缘的作用 两个方向的配筋可以取大值 至少可以减去中间部分的钢筋面积 6 边缘构件中的箍筋按构造要求配置 尤其是一 二级抗震等级的边缘构件 7 边缘构件的配筋应参考边缘构件配筋简图 而在单肢墙配筋简图中输出实际需要的配筋面积 小于0取0 水平分布筋仍在单肢墙配筋简图中输出 参考 七 框架结构分析1 注意柱长度系数的计算方法和选取 2 注意柱配筋单 双偏压的选取 一般以单偏压配筋 双偏压验算为好 因为双偏压是多解 即配筋量 配筋形式不唯一 3 梁 柱保护层厚度按规范取用 程序内部加12 5 4 对大截面柱 可以考虑梁柱重叠部分为刚域 5 一般均可以考虑梁刚度放大 梁扭矩折减 以考虑楼板的影响 6 对常规的框架结构可以选用简化的薄弱层分析 即 十二层以下框架的薄弱层计算 控制结构的塑性位移 对于有错层 多塔 大面积开洞 斜柱斜梁 异形柱 钢结构 带剪力墙等等结构 均不能计算薄弱层和塑性位移 7 对不同层嵌固柱 不等高嵌固柱 程序提供了 与基础相连的最高层号 和修改柱计算长度两种方法 8 梁调幅按一完整的柱梁进行 次梁只能在本跨内调幅 负弯矩向下调幅后 跨中正弯矩自动增加 9 梁跨中正弯矩的设计内力 不小于简支梁跨中正弯矩的1 2 此时设计弯矩组合号为0 10 梁的弹性挠度一般以主梁为准 次梁挠度仅为参考 11 对异形柱自动按双偏压计算配筋 按双剪计算箍筋 12 双偏压验算柱配筋 需先做柱钢筋归并 13 恒载计算一般应选择 模拟施工1 也可以选择 一次性加载 14 对于短柱 轴压比从严0 5 0 1 15 当结构分析不考虑地震时 柱轴压比按1 05限值 八 框剪结构分析1 一般框剪结构恒载计算应选择 模拟施工1 2 按 高规 有0 2Qo的调整 此时程序自动放大梁柱的地震弯矩和剪力 3 框架部分底层倾覆弯矩 应满足大于50 的规范要求 否则应按框架结构分析 4 对框剪结构 程序自动把轴压比放松0 05 5 对一端与柱一端与墙相连的梁 也可以按连梁设计 6 可以选择 模拟施工2 用于传基础力 7 一些内筒外框 筒中筒等结构 程序也认为是框架剪力墙结构 所以也要符合框剪结构的要求 8 对框筒结构 由于结构的扭转刚度都集中在内筒 所以结构扭转周期往往靠前 不满足 高规 周期比的要求 9 对周期比不满足要求的结构 应增加结构外部的刚度如 在角部加剪力墙等 10 对于0 2Qo调整 一般在底部几层进行 尤其对有内收的结构 一般只调整到内收层为止 或按 高规 分别调整 11 对框架支撑体系的钢结构 可以认为属于框剪结构 所以按 高钢规 有25 Qo的调整要求 九 复杂高层结构分析对各种多塔 错层 转换层等结构 高规 专门定义为复杂高层结构 9 1转换层结构并对框支柱 托梁的地震内力定义了明确的调整系数 而且设计内力也做了相应的调整 影响框支柱 托梁的主要因素有以下几方面 1 0 2Qo的基底剪力调整 2 对2层或3层以上转换的框支柱的调整 分别为10根框支柱按每根2 Qo 3 Qo 10根以上按框支柱总和的20 3 薄弱层地震内力的调整 如需要内力方大1 15 4 框支托梁地震内力的无条件放大 有 1 8 1 5 1 25 5 框支柱设计内力调整 转换层结构有多种形式 如 行架转换 厚板转换 最常见的是框支转换 转换层最大的问题是 1 受力 传力不是很明确 2 分析 设计手段不太多 3 规范的构造 参数等不能含盖所有的转换层结构 所以转换层结构应用多个程序 多种手段分析 9 2多塔 错层结构1 为了明确控制结构的周期比 剪重比和位移比 对多塔结构最好分开计算 保证设计的安全 2 对多塔 错层结构应取足够多的振型数 并应特别注意相关参数 如 有效质量系数 剪重比等 3 对大面积错层结构 错层部位应按两层输入 如层错只是小部分 则可用层间梁或不考虑等方法 4 关注错层柱 墙的局部加强 十 多 高层钢结构分析新的抗震规范第8章 对多高层钢结构及设计有明确要求 10 1钢结构的分析与设计原则1 除了特殊的 平面作用明显的结构外 一般钢结构应采用空间分析 2 钢柱的长度系数按梁柱刚度比确定 但有局限性 所以程序设定了人工调整 考虑P 效应后长度系数仍应按要求计算 3 一般钢结构应取有侧移设计 对层间位移小于1 1000的结构 可以按无侧移设计 4 抗震规范第8章 对柱 支撑 梁其长细比 高厚比 宽厚比是强制性规定 所以必须满足 5 材料强度与截面的厚度 但极限强度fay与厚度无关 6 设计应满足基本的强度应力 稳定应力要求 7 一些特殊的验算 目前程序已暂时关闭 10 2特殊情况的处理1 越层柱 支撑的输入 需节点对位 支撑应注意铰接的修正 2 交叉支撑的输入 计算时支撑的计算长度 长细比等 程序没有