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纵论建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用

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5.其它构件地震力调整系数如果整个结构的抗震等级确定,则(除特殊要求构件外)各构件的设计内力调整均由程序自动完成,不需人工干预。

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五、结构整体性能的控制

对于一个建筑结构设计,主要需从以下几个方面对结构整体性能进行控制:1、水平位移限值(层间位移)

高规4.6.3条按弹性方法计算楼层层间最大位移与层高之比△μ/h宜符合以下规定:高度不大于150m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比△μ/h不宜大于表4.6.3的限值;高度等于或大于250m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比△μ/h的限值不宜大于 1/500;高度在150m~250m之间的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比△μ/h的限值按本条第一款和第二款的限值线性插入取用。

注意:a.楼层层间最大位移△μ以楼层最大的水平位移差计算,不扣除整体弯曲变形。

b.抗震设计时,本条规定的楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。

2.位移比控制《高规》4.3.5条规定,结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和结构层间位移,A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、混合结构最高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层的1.4倍。

注意: a、这条要求主要是限制结构平面布置的不规则性;b.若结构中有不与楼板相连的构件或定义了弹性楼板,那么,那么,程序输出结果与规范要求不同,此时,需要由设计者依据刚性楼板假定条件下的分析结果。

c.查看这个比值须是在考虑偶然偏心影响,并强制假设在刚性楼板下的情况下;d.这个不是硬性指标,是计算方法的问题。规范中的各种位移比实际上是来控制结构的扭转效应不能太大的,扭转效应只有在刚性楼板的假定下才有意义,可以想象,如果不考虑刚性楼板假定,那么楼板薄弱的地方位移就会偏大些,楼板强的地方位移就会小一些,这些都是局部的变化,用这样的位移算出来的位移比是毫无意义的,不能反映整个结构的扭转情况,所以计算位移比时应该在刚性楼板假定的条件下进行。

3.周期比控制《高规》4.3.5条规定,结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于0.9,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85.注意:a、这条要求主要是限制结构的抗扭刚度不能太弱。b、提醒大家解决扭转,要注意做好加减法。

4.层刚度比控制(1)。《高规》4.4.2条及《抗规》3.4.2条规定,抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%.如不满足则应按薄弱层对待。

(2)。转换层上、下结构侧向刚度的要求:《高规》附录E及《抗规》附录E规定:a.底部大空间为1层时,其转换层上、下层侧向刚度比宜为1,抗震设计时不应大于2,非抗震设计时不应大于3. b.底部大空间层楼大于1层时,其转换层上、下层侧向刚度比宜为1,抗震设计时不应大于1.3,非抗震设计时不应大于2. c.当转换层设置在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%.(3)。《高规》5.3.7条 高层建筑结构计算中,当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。


表4.6.3楼层层间最在位移与层高之比的限值结构类型△μ/h限值框架 1/550框架—剪力墙、框架—核力筒、板柱—剪力墙 1/800筒中筒、剪力墙 1/1000框支层 1/1000多(高)层钢结构 1/300(1/250)

注意:a.当地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定的,有条件的,可增加地下室的侧向刚度。

b.没有条件时,将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位,如筏形基础顶面或箱型基础顶面。

5.高层建筑结构的整体稳定的控制《高规》5.4.4(强规)高层建筑结构的稳定应符合下列规定:(1)剪力墙结构,框架—剪力墙结构,筒体结构应符合下式要求:EJd>1.4H2ΣGi(2)框架结构应符合下式要求:Dj>10ΣGi/hi注意:a.计算完后设计可查看SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUT”,查看是否满足要求。

b.大量的工程经验说明:只要高宽比在规范允许的范围内,其整体稳定性总是满足的。但设计时,对于高宽比超限的结构要特别注意。

6.框架—剪力墙结构中框架承担的倾覆力矩控制《高规》8.1.3条及《抗规》6.1.3条规定:抗震设计的框架—剪力墙结构,在基本振型地震作用下,框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构部倾覆力矩大于结构部倾覆力的50% 时,其框架部分的抗震等级应按框架结构采用;否则其框架部分的抗震等级应按框架—剪力墙结构中的框架采用,程序按《抗规》6.1.3条的条文说明给出了框架部分承担的的倾覆力矩的计算方法Mc=ΣΣVijhi设计者可查看SATWE文本文件“结构设计信息输出文件WMASS.OUTWMASS.OUT”,查看是否满足要坟。

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六、计算结果正确性的判断

〈高规〉5.1.16条及〈抗规〉3.6.5条均有要求:对结构分析软件的计算结果,应进行分析判断,确认其合理,有效后方可作为工程设计依据。如何判断?当然只能依靠概念设计来判断:概念设计是一种设计的思路,可以认为是定性的设计,概念设计不以精确的力学分析、生搬硬套的规范条文为依据,而是由我们对工程进行概括的分析,制定设计目标,采取相应措施,概念设计概念包括安全度的概念、力学的概念、材料的概念、荷载的概念、地震的概念、施工的概念、使用的概念等等。概念设计要求我们融合这些概念,并贯彻到结构方案设计、结构构件布置、计算简图抽象、计算结果处理中。对理论无法明确的部位,要有定义的认识。建议大家对计算结果从以下方面检查:1、检查原始数据是否有误,特别是是否遗漏荷载;2、计算简图是否与实际相符,计算程序是选得正确;3、对计算结果分析:检查设计参数是否选择合适;检查“七种比值”即:(1)柱及剪力墙轴压比是否满足要求,主要为控制结构延性;(2)剪重比:主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性;(3)刚度比:主要为控制结构竖向规则性,以免竖向刚度突形,形成薄弱层;(4)位移比:主要为控制结构竖向规则性,以免形成扭转,对结构产生不利影响;(5)周期:主要为控制结构的扭转效应,减少扭转对结构带来不利影响(此时要注意:第一、二震型在高层建筑中不能发扭转为主第二振震型不能以`扭转为主);(6)刚重比:主要为控制结构的稳定性,以免结构产生滑移和倾覆;(7)有效质量比:主要为控制结构的地震力是否全计算出来。

以上这七种比值规范中均有明确要求。

4.另外大家也要注意超配筋信息文件,对超配筋的处理。

七、结束语

高层建筑结构设计中应注重概念设计,重视结构的选型和平、立面布置的规则性,择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系,加强构造措施。在抗震设计中,应保证结构的整体抗震性能,使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性。应该来讲概念设计在初步设计阶段特别重要,设计中不能陷入只凭计算的误区,不要盲目的依赖计算结果。

结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位,地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位,导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用,在此前题下,才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施,或采用动力时程分析进行验算,试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。对一个结构并非设计得越刚强越好,一个好的设计应该是“结构刚度、承载力、延性、经济性完美的匹配”。

参考文献1.建筑抗震设计规定(GB50011-2001)

2.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)

3.高层建筑混凝土技术规程(JGJ3-2002)

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4.中国建筑科学研究院编制的PKPM系软件2003年5版杂志编者按语在2005年第4期《PKPM新天地》中的“纵论建筑结构设计新规范与软件SATWE的合理应用(上)”一文中提到“注意:a、弹性楼板仅适用于高层钢筋混凝土结构;b、不适用于多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑;c、对于多层钢筋混凝土结构及钢结构建筑中存在有弹性楼板时,可以近似按洞口处理,但要注意人工将荷载分配到四周的梁上。这段文字是不正确的。

弹性楼板假定的应用,并不是针对结构的高度来设置,主要是针对楼板的布置,结构的类型等情况选择不同的楼板假定,来反映各种结构的受力特性和传力途径,满足各种结构的设计要求。对于各种楼板的应用范围可采用如下方法确定:弹性楼板6假定是采用壳单元真实地计算楼板平面内和平面外的刚度。从理论上讲,弹性楼板6最符合楼板的实际情况,可用于任何工程。但部分竖向楼面荷载将通过楼板面外刚度直接传递给竖向构件,导致梁的弯矩减小。相应的配筋也会减小,造成梁的安全储备减小。困此,我们建议弹性楼板6一般用于板柱结构和板柱抗震墙结构的计算。

弹性楼板3假定楼板平面内无限刚,程序仅真实地计算楼板平面外刚度,是针对厚板转换层结构的转换厚板提出的。考虑厚板转换层的板厚一般在1m以上,面内刚度很大,面外刚度是结构传力的关键,程序采用中厚板弯曲单元计算楼板的平面外刚度。

弹性膜假定采有平面应力膜单元真实计算楼板的平面内刚度,忽略楼板的平面外刚度。主要针对空旷的工业厂房地产体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或在较大凹入以及平面弱连接结构等。

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