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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,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。,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2/E,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,关于结构底部的嵌固部位的确定,(1),在二层以上地下室的多层建筑，宜将上部的嵌固部位设在地下室顶板，此时应满足以下条件：,地下室顶板标高与室外地坪高差不能太大，一般应小于地下一层层高的1/3。,地下室顶板结构应为梁板体系，且该层楼面不得留有大洞口，楼面框架梁的抗弯刚度要足够大。,地下室结构的布置应保证地下室顶板及地下室各楼层楼板有足够的平面内整体刚度和承载力，能将上部结构的地震作用传递到全部地下室抗侧力构件；为此地下室顶板板厚不宜小于180,mm，混凝土等级应不小于C30，且应双层双向布置钢筋。每层每个方向的钢筋配筋率不宜低于0.25%。,5.1.2,关于结构底部的嵌固部位的确定,(1),在二层以上地下室的多层建筑，宜将上部的嵌固部位设在地下室顶板，此时应满足以下条件：,地下室结构应能承受上部结构屈服超强及地下室本身的地震作用。为此地下室的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。,计算多塔大底盘地下室楼层侧向刚度比时，大底盘地下室的整体刚度应不小于相邻上部结构所有塔楼的总体刚度的2倍，每栋塔楼内范围内(塔楼周边向外扩展与地下室高度相等的水平长度)的地下室侧向刚度与相邻上部塔楼的侧向刚度比不宜小于1.5。,地下室柱截面每侧面的纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。,地下室顶板部位的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际承载力之和。,5.1.2,关于结构底部的嵌固部位的确定,(2),当由于地下室大部分顶板降板或地下一层为车库(墙体少)等使用要求，不满足地下室顶板作为结构嵌固部位的要求时，对于3层及3层以上的地下室，可将结构的嵌固部位置于地下一层底板，此时的底板应按上述第1款中有关“顶板”的要求处理，且应满足以下要求：,地下一层楼层抗侧刚度应大于地上一层楼层的抗侧刚度。,地下二层楼层抗侧刚度应大于地下一层的楼层抗侧刚度，并应大于地上一层楼层抗侧刚度的2倍。当地下室层数少于3层时，宜将嵌固部位设于基础顶面。,5.1.2,关于结构底部的嵌固部位的确定(3),对于单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构的嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基础“无限刚”的假定。对于首层楼面留有大孔洞，或选用无梁楼盖等各种结构形式，都不会影响计算结果的准确性。但当地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其地下室顶板通常具有作为结构嵌固端的抗侧刚度，此时可以取其作为结构的嵌固端。,5.1.3,计算简图的处理在多高层结构设计时，设计人员首先必须结合工程实际，与建筑设备专业协商，确定一个合理的结构设计形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷并力求平面和竖向规则。然后再应用力学概念对计算简图进行处理。,(1),高层建筑结构分析计算时宜对结构进行力学上的简化处理，使其既能反映结构的受力性能，又适应于所选用的计算分析软件的力学模型，从而从根本上保证分析结果的可靠性。(2),在内力与位移计算中，应考虑相邻层竖向构件的偏心影响。楼面梁与柱子的偏心一般按实际情况参与整体计算。,5.1.3,计算简图的处理(3),在内力与位移计算中，密肋板楼盖可按实际情况进行输入计算，当不能按实际情况计算时，可将密肋梁均匀等效为柱上框架梁进行计算，其截面宽度可取被等效的密肋梁截面宽度之和。平板无梁楼盖采用近似方法考虑时，其柱上板带可等效为框架梁计算，等效截面宽度可取等代框架方向板跨的3/4及垂直于等代框架方向板跨的1/2两者的较小值。(4),高层建筑结构中，梁、柱、剪力墙的初估截面尺寸可按第5章第46节中的有关规定进行取值。从大量的工程设计的结果的分析，钢筋混凝土高层建筑单位建筑面积的竖向总荷载大约在12,kN/m216,kN/m2之间。其中框架、框架剪力墙结构大约为12,kN/m214,kN/m2；剪力墙和筒体结构大约在14,kN/m216,kN/m2。在初步设计阶段，这些数据可以用来对结构进行初步内力分析，从而可以初步确定柱、剪力墙的截面尺寸。,5.1.3,计算简图的处理(5),当构件截面尺寸相对其跨度较大时，构件交汇处会形成相对的刚性节点区域，所以在内力与位移计算时，可考虑框架或壁式框架梁柱节点区刚域的影响。刚域的长度(如图5.1所示)近似按下式计算：图5.1,框架节点刚域图,=a10.25hb,(5-1a),=a20.25hb,(5-1b),=c10.25bc(5-1c),=c20.25bc(5-1d),当计算刚域的总长度为负值时应取为零。1bl2bl1cl2cl,5.1.3,计算简图的处理(6),对于大底盘多塔结构，如果把裙房部分按塔楼的形式切开计算，则下部群房及基础的计算误差较大，且各塔之间的相互影响也无法考虑。因此，应先进行整体计算，按高层建筑混凝土结构技术规程取够振型数，并考虑塔楼与塔楼之间的相互影响。当各塔楼的质量、刚度等分布悬殊时，整体计算反映出的前若干个振型可能大部分均为某一塔楼所贡献。而由于耦连振型的存在，判断某一振型反映的是哪一塔楼的某一主振型比较困难。同时，由于高层建筑混凝土结构技术规程中第一扭转周期和第一平动周期比值的限制以及水平位移限值的限制，为了验证各独立单塔的正确性和合理性，还需将多塔结构分开进行计算分析。,5.1.3,计算简图的处理(7),对于超长或不规则等原因将建筑物结构分为两个或多个独立的结构单元时，最好是将各独立单元分开进行计算分析，如果一定要合在一起计算，也可按多塔结构模型进行计算，但需要注意的是，由于分缝处不是真正独立迎风面，其风荷载的计算与实际受力状态不符，对于那些对风荷载比较敏感或以风荷载为控制荷载的结构，必须修改风荷载数据，以计算出正确的风荷载数据文件。,5.1.4,总信息中几个重要参数的确定,结构总信息是控制全局的参数，在应用程序时应深刻理解程序中对有关参数选用的说明，且应在正确理解参数的物理概念的基础上，根据工程的实际情况及规范要求经分析后确定。1.,周期折减系数周期折减的目的是为了充分考虑框架结构和框架剪力墙结构的填充墙刚度对计算周期的影响，其大小由结构类型和填充墙数多少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0.60.70.70.8剪力墙结构0.91.01.0框剪结构0.70.80.80.9表5-2,周期折减系数,5.1.4,总信息中几个重要参数的确定,2.,框架剪力墙结构中，任一层框架承担地震力调整系数,框架剪力墙结构中，由于剪力墙刚度很大，承担了大部分的地震作用剪力，而框架分担的地震作用很少，则在剪力墙开裂后很不安全，所以高层建筑混凝土结构技术规程第8.1.4条规定框架部分承担的最小剪力应不小于基底剪力的20%和最大楼层总剪力值的1.5倍两者中的较小值。3.,计算振型个数,一般计算振型数应大于9。多塔结构振型数应不小于塔数的9倍。但也要注意一点，此处指定的振型数不能超过结构固有振型的总数。例如，一个规则的两层结构，采用刚性楼板假定，由于每块楼板只有三个有效动力自由度，整个结构只有6个有效动力自由度，这样系统自身只有6个特征对，这时候就不能指定9个振型，最多只能取6个，否则就会造成地震力计算异常。,5.1.4,总信息中几个重要参数的确定,4.,梁端弯矩调幅系数,考虑梁在竖向荷载作用下的塑性内力重分布，通过调整使梁端弯矩减少，相应增加跨中弯矩，使梁上下配筋均匀一些，达到节约材料，方便施工的目的。一般情况下，梁端弯矩调幅系数取值范围为0.81.0。5.,梁跨中弯矩放大系数,对于内力分析中未考虑活荷载不利分布，而仅按满布计算时，当活载较大或结构的层数不多时，可通过此系数来加大梁的跨中弯矩。弯矩放大系数可参照如下取值：(1),一般高层建筑：1.0。(2),活载较大的高层及一般多层建筑：1.11.2。(3),活载较大的多层建筑：1.21.3。,6.,地震力放大系数,为了提高结构抗震安全度，可通过此参数来放大地震力，其取值范围一般为1.01.5。,5.1.4,总信息中几个重要参数的确定,7.,连梁刚度折减系数,抗震设计的框架剪力墙或剪力墙结构的连梁，由于两端的变位差很大，故剪力很大，连梁截面设计困难，往往出现超筋现象。抗震设计时，在保证连梁具有足够的承受其所属面积竖向荷载能力的前提下，允许其适当开裂(降低刚度)而把内力转移到墙体等其他构件上。就是在内力和位移计算中，对连梁刚度进行折减。通常，设防烈度为6、7度时连梁刚度折减系数取0.7，8、9度时取0.50，最小不宜小于0.50。当结构位移由风荷载控制时，连梁刚度折减系数不宜小于0.8。当连梁跨高比大于5时，受力机理类似于框架梁，竖向荷载比水平荷载作用效应明显，此时应慎重考虑连梁刚度的折减问题，以保证连梁在正常使用阶段的裂缝及挠度满足使用要求。,5.1.4,总信息中几个重要参数的确定,8.,梁刚度增大系数,在一般程序输入中，梁是按矩形尺寸输入并计算刚度的。对于现浇楼板，在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的翼缘，是梁的一部分。在分析中可用此系数来考虑楼板对梁刚度的贡献，梁刚度增大系数取1.02.0。其中可将现浇楼面的边框梁1.5，中间框架梁取2.0。,5.1.4,总信息中几个重要参数的确定,9.,梁扭矩折减系数高层建筑楼面梁受楼板的约束，当结构计算未考虑这个约束作用时，梁的扭转变形和扭矩计算值偏大，与实际受力不符。故在截面设计时应对梁扭矩予以适当折减。计算分析表明，梁的扭矩折减系数与楼盖的约束作用和梁的位置密切相关。边梁和中梁有区别，有次梁和无次梁也不一样。因此，应根据具体情况确定楼面梁的扭矩折减系数。若电算程序中只有一个扭矩折减系数时，一般可取0.4。10.,活载折减系数活载折减系数参数均可按荷载规范规定进行取值。一般情况下不应对参数进行修改。,5.1.5,内力计算结果的分析、判断目前，采用计算机软件进行多高层建筑结构分析几乎已成为设计人员的一种必然选择，由于软件开发版本很多，这也给设计人员创造了多个可选择的设计平台，但是，计算机的辅助设计不是万能的，它提供的计算结果是否合理、可靠就需要设计人员来作出准确判断。1.,合理性判断(1),周期：周期大小与刚度的平方根成反比，与结构质量的平方根成正比，因此，计算出来的结构自振周期宏观地反映了结构的几何特性和刚度性质。周期的大小与结构在地震中的反应有密切的关系。最基本的是不能与场地上的卓越周期一致，否则会产生共振。在正常情况下，如果结构比较普通，截面尺寸选择符合常规要求，则结构基本周期大体在以下范围：,5.1.5,内力计算结果的分析、判断1.,合理性判断(1),周期：周期大小与刚度的平方根成反比，与结构质量的平方根成正比，因此，计算出来的结构自振周期宏观地反映了结构的几何特性和刚度性质。周期的大小与结构在地震中的反应有密切的关系。最基本的是不能与场地上的卓越周期一致，否则会产生共振。在正常情况下，如果结构比较普通，截面尺寸选择符合常规要求，则结构基本周期大体在以下范围：框架结构：,框-剪结构、框-筒结构：,剪力墙结构：,筒中筒结构：,式中：,基本自振周期，,、,第二、第三周期，N结构计算层数。1(0.12T0.15)N1(0.08T0.12)N1(0.04T0.08)N1(0.06T0.10)N2(1/5T 11/3)T3(1/7T 11/5)T1T2T3T,5.1.5,内力计算结果的分析、判断周期过长或过短，可能有以下四种原因：(1),结构方案本身很不合理，刚度过大或过小；二是可能输入数据有误，包括几何数据，荷载信息等。质量(荷载)偏大，周期偏长，质量过小，则周期偏短；三是可能选用程序不适合本工程的设计。(2),地震力：底部总剪力应在合理范围内。耦连计算时，底层的剪重比也应在合理的范围内。对第一周期小于3.5s的结构，一般为：7度、类上时/W=1.6%2.8%；8度、类上时/W=3.2%5%。底部剪力过小，除了首先检查结构布置和截面尺寸是否使刚度过小外，还应检查是否考虑周期折减系数。如果程序中没有进行周期折减，可使框架、框剪结构周期偏长，造成地震力偏小，偏于不安全。在地震力偏小的情况下，会出现结构位移满足要求，构件配筋为构造配筋的不合理情况。所以，只有底部剪力在合理范围内，检查内力，配筋才有意义。,5.1.5,内力计算结果的分析、判断周期过长或过短，可能有以下四种原因：(3),振型：一般情况下，正常计算结果的振型曲线应当是连续的、光滑的曲线，不应出现突然的转折点或不规则的凹凸。在有刚度大的突变处及顶部有高塔的特殊情况下，可能在转变处出现明显的突变点，如图5.2所示。,图5.2,振型曲线,5.1.5,内力计算结果的分析、判断2.,内力与位移的渐变规律判断,如果高层建筑结构沿竖向刚度与质量都很均匀、渐变，结构布置也没有大的改变的情况下，则结构的内力和位移计算结果沿竖向也应均匀变化，不应有大的突变。否则应检查几何数据及其他输入数据是否正确、合理。位移特征曲线如图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,5.1.5,内力计算结果的分析、判断3.,平衡条件的判断竖向平衡条件：在竖向荷载作用下产生的柱、墙肢轴向力代数和，应等于总的竖向荷载。总竖向荷载是指未经折减的，直接用于内力计算的数值，不应采用计算地震作用的重力荷载代表值。(2),水平方向平衡条件：对于风荷载作用，底层各柱、墙的剪力代数和应等于总的风荷载。对于地震作用，当需要进行平衡校核时，可利用第一振型的地震作用进行平衡分析，而且必须在修正之前进行。,5.1.5,内力计算结果的分析、判断4.,对称性的判断,对称结构在对称荷载作用下，对称点的内力与位移必然对称，如果不能满足对称条件，则计算结果显然有问题，就必须对几何数据和荷载数据进行核对，直到满足上述条件为止。,总之，通过上述关于周期、位移、振型、地震力、平衡条件及对称性等的判断，设计人员就可以依此基本判定其计算结果可以用于工程设计。,5.1.6,根据计算结果对结构进行调整,(1),柱轴压比：柱轴压比限值是为了满足结构延性要求，规范对各种结构构件的轴压比限值有明确规定。根据计算机提供的柱轴压比数据，设计人员可以直接获得超限信息，并可依此对竖向构件的截面、混凝土等级等进行适当调整，使计算轴压比在规范规定的限值以内。(2),梁柱配筋：设计合理的结构，一般不应有太多的超限截面。设计人员可以对具体的超限截面进行分析。超限的原因一般有以下几个方面的原因：一是截面尺寸不够；二是构件的支座处理不当，造成扭矩偏大；三是总信息有关调整系数设置错误；四是个别几何数据输入有误等。柱配筋超限的原因还可能是柱计算长度取值有误，这就要求设计人员对特殊柱的计算长度进行人工调整。(3),特殊构件(如转换梁、大悬臂梁、转换柱、跨层柱)应分析其内力、配筋是否正常，必要时应进一步分析，包括手算以及采用其他程序进行复核。,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,某七层办公楼，采用内走道布置，其柱网尺寸为6.6,m6.3,m，走道宽为2.4,m。结构平面布置图如图5.4所示，其中走道板厚120,mm，其他板厚为160,mm；地下基础顶面至二层楼面的高度为4.8,m，二层以上层高3.6,m。轴平面框架计算简图如图5.4所示；混凝土等级为：一、二层为C35，三层以上为C30；纵向受力钢筋均为HRB400级，箍筋为HPB235级。图5.4,结构平面图,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.2,设计条件(1),建筑结构安全等级：二级。(2),设计使用年限50年，r0=1.0。(3),建筑结构地上部分为一类环境，地下部分为二类环境。(4),抗震设防烈度：7度。(5),设计地震分组：第一组。(6),地基场地上类别：类。(7),建筑抗震设防类别：丙类。(8),建筑结构阻尼比：=0.05。(9),框架抗震等级：抗震构造措施为二级，内力调整及其他为三级。,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.3,荷载标准值1.,屋面均布永久荷载标准值120板处：q=250.12(自重)+3.15(防水及保温、找平等)=6.15,kN/m2160板处：q=250.16(板自重)+3.15(防水及保温、找平等)=7.15,kN/m22.,楼面均布永久荷载标准值120板处：q=250.12(板自重)+1.5(楼面及楼灰)=4.5,kN/m2160板处：q=250.16(板自重)+1.5(楼面做法及抹灰)=5.5,kN/m23.,屋面均布活荷载标准值(不上人屋面)q活=0.5,kN/m2。4.,楼面均布活荷载标准值120板范围内：q活=2.5,kN/m2160板范围内：q活=3.5,kN/m2,(包括非固定隔墙附加荷载),5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.3,荷载标准值5.,雪荷载标准值基本雪压：S0=0.3,kN/m2；屋面和雪分布系数r=1.0sk=rS0=0.3,kN/m26.,风荷载标准值,其中,kN/m2，地面粗糙度为C类。,(迎风面)，0.5(背风面)，,：按建筑结构荷载规范采用。7.,建筑外围护墙永久荷载标准值(按墙面面积计算),kN/m28.,建筑物内部隔墙永久荷载标准值(按墙面面积计算),kN/m20kzszww 00.45w0.8s1.0zz11.2wq20.63wq,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.4,框架荷载及内力计算,本算例以结构平面第轴平面框架为例，其楼面荷载及风荷载的受荷范围为6.6,m。荷载采用中国建科院PMCAD及PK程序自动生成，恒载、活荷载及风荷载作用简图如图5.6、图5.7及图5.8所示。,平面框架的内力计算采用PK程序计算，其恒载、满布活载作用下的内力见表5-3(以首层AB段为例)。图5.6,恒载作用简图(D-L.T),图5.7,活载作用简图(L-L.T),5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算,以首层框架梁AB段为例，在支座A、B及跨中的弯矩及剪力标准值见表5-3,荷载类型支 座 A支 座 B跨 中恒荷载MVMV59.084.9073.587.1074.20满布活荷载46.3036.047.4036.031.60风荷载55.517.152.217.1地震作用149.846.21141.3046.2表5-3,首层AB段框架梁弯矩剪力标准值(kNm),5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算1.,A截面组合弯矩设计值根据建筑抗震设计规范第5.4.1条及建筑结构荷载规范第3.2.3条进行弯矩组合。经比较最不利的组合情况如下：1),组合1：非抗震设计MA=1.2永久荷载弯矩标准值+1.4满布活荷载弯矩标准+0.61.4风荷载弯矩标准值=,1.284.901.446.300.61.455.5=,213.32,kNm2),组合2：非抗震设计MA=1.2永久荷载弯矩标准值+1.4风荷载弯矩标准值+0.71.4满布活荷载弯矩标准值=,1.284.901.455.50.71.446.30=,224.95,kNm3),组合3：抗震设计MA=1.2永久荷载弯矩标准值+0.51.2满布活荷载弯矩标准值+1.3地震作用弯矩标准值,=,1.284.900.51.246.301.3149.8=,324.4,kNm ,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算2.,支座B截面组合弯矩设计值按上述方法进行最不利内力组合，同理可得：1),组合1：非抗震设计MB=,214.7,kNm2),组合2：非抗震设计MB=,224.0,kNm3),组合3：抗震设计MB=,313.65,kNm3.,跨中组合弯矩设计值M跨中=1.2永久荷载弯矩标准值+1.4满布活荷载弯矩标准值+0.61.4风荷载弯矩标准值=1.259.0+1.431.6(忽略风荷载)=115.0,kNm ,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算4.,梁正截面抗弯纵向钢筋配筋计算,框架梁AB段：,mm，,mm，,mm，,mm，,混凝土为C35，,N/mm2，,N/mm2，纵筋为HRB400级，其,N/mm2。跨中：M=115.0,kNm 250b 0f6300210033eb f160h 550hc16.7f t1.57f y360f 6s220cf115.0 100.012316.72100 515Mh f b0.50.5ss0.51(12)0.5 1(12 0.0123)0.99 6ss0y115.0 106270.99515 360MAh fmm2检查是否满足抗震构造要求，抗震等级为二级的框架梁跨中纵向受拉钢筋的最小配筋量：,smin0.250%0.250%250550344Abhmm2或,smin0.550.55 1.57()()250 550330360tyfAbhfmm2,实配318，,627,mm2，满足要求。s763A,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算2),支座A(1),按组合2计算：MA=224.95,kNm(非抗震)(2),按组合3计算：并乘以承载力抗震调整系数，MA=,243.3,kNm,(抗震)。取上述两个值中的较大值MA=,243.3,kNm进行配筋计算(按单筋截面)。6s2243.3 100.21916.7250 5150.50.5ss0.51(12)0.51(12 0.219)0.875 62REMss0y243.3 10 1499 mm0.875 515 360Ah f实配422，,，满足要求。s1520A 21499 mm,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算(3),检查是否满足抗震构造要求。,梁端混凝土受压区高度x,(混凝土结构设计规范第11.3.1条)。根据以上计算结果,620.520.500c22243.3 10()515(515)129.4 mm16.7260Mxhhf b,00.35180 mmh,梁端纵向受拉钢筋配筋率：(混凝土结构设计规范第11.3.1，11.3.6条)。s015201.18%250515Abh其值小于2.5%，大于0.3%及,ty0.65ff,梁端截面底部和顶部纵向受力钢筋截面面积比值(混凝土结构设计规范第11.3.6条)。ss7630.501520AA0.3,(符合要求),通长钢筋设置(混凝土结构设计规范第11.3.7条)。梁顶面设置222，底面设置318(符合要求)。,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算3),支座B按支座A的计算方法进行计算可得：。实配422(1520,mm2)满足要求，取组合3进行配筋计算：M=0.75(313.65)=,235.2,kNm。5.,梁斜截面剪力及箍筋计算由于支座A、B截面在不同荷载作用下的剪力值接近，而支座B处剪力稍大，故仅以支座B截面进行最不利剪力组合。1),组合1：非抗震设计VB=1.2恒载剪力标准值+1.4满布活载剪力标准值+0.61.4风荷载剪力标准值=1.2(74.2)+1.4(36.0)+0.61.4(17.1)=,153.80,kN2),组合2：非抗震设计VB=1.2恒载剪力标准值+1.4风荷载剪力标准值+0.71.4满布活载剪力标准值=1.2(74.2)+,1.4(17.1)+0.71.4(36.0)=,148.3,kN ,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算4),梁箍筋计算(1),组合1：VB=,153.80验算受剪截面跨高比,2.5,4截面应符合,要求：,150.4,kN,(满足要求)箍筋：aa0630011.5550eh3901.56250whb00.25ccf bhBV00.250.25 1 16.7250515/1000537.53 kN ccf bh00(0.7)(1538000.7 1.57250 515)0.0910 mm1.251.25 210 515svAtyvAVf bhSf h,5.2,多高层建筑结构设计算例5.2.5,第轴框架梁的内力组合及配筋计算(2),组合3：抗震设计。VB=,153.3,kN截面应符合,kN153.3,kN,(符合要求)箍筋：(3),选用箍筋，按,8双肢箍考虑：S=ASV/0.339=101/0.339=300,mm。实际选用：加密区,8100，非加密区中,8200。AV00.2/ccREf bh00.20.2 1 16.7250515505.90.85 1000 ccREf bh00(0.42)1.25(1533000.850.42 1.57250515)0.339 mm1.25210515svREAtyvAVf bhsf h,5.3,剪力墙结构算例1.,基本条件墙肢Q1的平面位置如图5.9所示。底部加强区及其上一层(14层)的墙体厚度为，非底部加强区(5层及其上各层)的墙体厚度为为，墙肢长度为。墙体的混凝土强度等级：7层楼板面以下为C35，7层楼板面以上为C30。墙体的竖向、水平分布钢筋以及墙肢边缘构件的箍筋采用HRB335级热轧钢筋，墙肢边缘构件的纵向受力钢筋采用HRB400级热轧钢筋。aa,5.3,剪力墙结构算例2.,墙体稳定验算,墙肢Q1无端柱和翼墙，在底部加强部位的截面厚度为220mm，约为首层层高的1/15。下面以首层为例，根据高层建筑混凝土结构技术规程第7.2.2条的要求，对墙肢Q1进行稳定验算。,墙肢Q4为两边支承的单片独立墙肢，根据高层建筑混凝土结构技术规程附录D公式(D.0.3-1)，其计算长度系数=1.0，首层墙肢的计算长度按高层建筑混凝土结构技术规程公式(D.0.2)计算如下：剪力墙底部加强部位的混凝土弹性模量EC为3.15104,N/mm2，根据高规公式(D.0.1)可以得到：作用于首层墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值，算得：因此，首层墙肢Q1的稳定性符合高层建筑混凝土结构技术规程附录D的要求,aa01.0032503250 mmeh3432203.15 10220 3175.5 N/mm10103250cE tqe30110001368.6 N/mm 3175.5 N/mm2200qq,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的内力标准值及部分内力组合值参见表5-4。从表5-4中可以看出，水平地震作用产生的内力远大于风荷载产生的内力。荷载工况NW(kN)MW(kNm)VW(kN)永久荷载1920.01.6 3.0 活荷载320.70.4 0.7 风荷载280.759.8 27.2 1.2永久+1.4活2753.01.4 4.6 1.35永久+0.71.4活2906.31.8 4.7 1.2永久+1.4活+0.61.4风2517.248.9 18.3 1.2永久+1.4活0.61.4风2988.851.6 27.4 1.2永久+0.71.4活+1.4风2225.382.2 33.8 1.2永久+0.71.4活1.4风3011.385.2 42.4 1.0永久+1.4活+0.61.4风2133.249.2 18.9 1.0永久+1.4活0.61.4风2604.851.3 26.8 1.0永久+0.71.4活+1.4风1841.382.5 34.4 1.0永久+0.71.4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构技术规程第7.2.15条和7.2.16条的规定，底部加强区及其上一层(14层)的墙肢应设置约束边缘构件，其长度为：,，,，,，,，,暗柱长度为：,，,，,，,。由于与非常接近，故取,。此时，约束边缘构件的纵向受力钢筋合力作用点到截面边缘的距离为：,，首层墙肢Q1截面的有效高度为：,。,max(0.20cweh1.5wb450)max(0.2022001.5220450)450 mm,max(/2cwchb e400)max(220450/2400)400 mm0450 mmche450/2225 mmssaa022002251975 mmwwshha,5.3,剪力墙结构算例1),墙肢的受剪截面限制条件验算取首层墙肢Q1的组合剪力设计值为Vw=42.4,kN。因此，当无地震作用组合时，首层墙肢Q1的截面符合剪压比限值要求。2),偏心受压正截面承载力计算这里取首层墙肢Q1的组合内力设计值。Nw=1841.3,kN，Mw=82.5,kNm。当混凝土强度等级不超过C50时，,。墙肢截面的相对界限受压区高度为：,000.250.25 1.0 16.7220 19751814 kN1.042.442.4 kNwccwwwVf b hV0.0033cu150.80.518360112.0 100.0033byscufE278.50.357%220200svwwAb s在底部加强区及其上一层(14层)，墙肢Q1配置竖向分布钢筋10200(双排)，此时墙肢的竖向分布钢筋配筋率为,5.3,剪力墙结构算例大于混凝土结构设计规范第10.5.9条非抗震设计时最小配筋率0.20%和第11.7.11条二级抗震等级最小配筋率0.25%的要求。当墙肢两端约束边缘构件的纵向受力钢筋对称配置时，界限破坏情况下的Nb为：100(1 1.5)1.0 16.7220 19750.518(1 1.50.518)19752203000.357%3654.9 kNbcwwbbwwywwNf b hh b f由于,，因此首层墙肢Q1处于大偏心受压状态，此时截面的受压区高度为：01.0 1841.31841.3 kNwN3654.9 kNbN30011.0 1841.3 103000.357%220 19751.51.0 16.72201.53000.357%220wywwwwcwywwwNfb hxf bfb 572.7 mm00.5 1 81 9 7 51 0 2 3 m mbwh,因此，首层墙肢Q1确实处于大偏心受压状态。此时,2200.5(1.5)0.5(19751.5572.7)3000.357%220146.7swwywwwMhxfb10(/2)1.0 16.7220572.7(1975572.7/2)3553ccwwMf b x hx,5.3,剪力墙结构算例首层墙肢Q1端部约束边缘构件的纵向受力钢筋面积为：ss0006366(/2)/()1.082.5 101841.3 10(19752200/2)146.7103553 10 /360(1975225)wwwwswcywsAAMNhhMMfha66 1712.8 10/(0.630 10)0这表明当无地震作用组合时，首层墙肢Q1端部的约束边缘构件仅需按构造要求配置纵向受力钢筋。,5.3,剪力墙结构算例4),平面外轴心受压正截面承载力验算,这里取首层墙肢Q1的轴向压力设计值为NW=3011.3,kN。根据混凝土结构设计规范第7.3.11条，首层墙肢Q1的计算高度为：计算高度与墙体厚度比值为：由混凝土结构设计规范表7.3.1，可以得到首层墙肢Q1的稳定系数为。根据混凝土结构设计规范公式(7.3.1)，可以得到：因此，当无地震作用组合时，首层墙肢Q1的平面外轴心受压正截面承载力符合要求。01.01.03.2503.250 meH0325014.8220web00.9()0.90.90(16.72202200360 11122300 127 8.5)74251.030113011 kN wcyswNf Af AKNN,5.3,剪力墙结构算例4.,层墙肢Q1(非底部加强区)截面设计,5层墙肢Q1的内力标准值及部分内力组合值参见表5-5。从表5-5中可以看出，水平地震作用产生的内力远大于风荷载产生的内力。荷载工况NW(kN)MW(kNm)VW(kN)永久荷载1479.30.64.9活荷载254.40.21.8风荷载198.65.325.51.2永久+1.4活2131.30.48.41.35永久+0.71.4活2246.40.68.41.2永久+1.4活+0.61.4风1964.54.013.01.2永久+1.4活0.61.4风2298.14.929.81.2永久+0.71.4活+1.4风1746.46.928.11.2永久+0.71.4活1.4风2302.57.943.31.0永久+1.4活+0.61.4风1668.64.114.01.0永久+1.4活0.61.4风2002.34.828.81.0永久+0.71.4活+1.4风1450.67.029.01.0永久+0.71.4活1.4风2006.77.842.4表5-5,墙肢Q1(5层)内力情况(非抗震设计),5.3,剪力墙结构算例4.,层墙肢Q1(非底部加强区)截面设计根据高层建筑混凝土结构技术规程第7.2.15条和7.2.17条的规定，非底部加强区(5层及其上各层)的墙肢应设置构造边缘构件(暗柱)，其长度为：,构造边缘构件的纵向受力钢筋合力作用点到截面边缘的距离为：5层墙肢Q1截面的有效高度为：max(,400)max(200,400)400 mmcwhb400/2200 mmssaa022002002000 mmwwshha,5.3,剪力墙结构算例无地震作用组合的情况如下所述：墙肢的受剪截面限制条件验算：取5层墙肢Q1的组合剪力设计值,。根据公式,可以得到：,因此，当无地震作用组合时，5层墙肢Q1的截面符合剪压比限值要求。2),偏心受压正截面承载力计算这里取5层墙肢Q1的组合内力设计值为，,kNm。在非底部加强区(5层及其上各层)，墙肢Q1配置竖向分布钢筋8200(双排)，此时墙肢的竖向分布钢筋配筋率为：43.3 kNwV0wV00.25ccwwf b h00.250.25 1.0 16.72002000wccwwVf b h1670 kN01.043.343.3 kNwV1451 kNwN7.0wM/()250.3/(200200)0.251%wsvwAb s,5.3,剪力墙结构算例,大于混凝土结构设计规范第10.5.9条非抗震设计时最小配筋率0.20%和第11.7.11条二级抗震等级最小配筋率0.25%的要求。,当墙肢两端构造边缘构件的纵向受力钢筋对称配置时，界限破坏情况下的为：100(1 1.5)1.0 16.720020000.518(1 1.50.518)20002003000.251%3393.1 kNbcwwbbwwywwNf b hh b f由于,，因此5层墙肢Q1处于大偏心受压状态，此时截面的受压区高度为：01.0 14511451 kNwN3393.1 kNbN00130()/(1.5)(1.0 1451 103000.251%2002000)/(1.0 16.72001.5 3000.251%200)491.3 mm0.51820001036 mmwywwwwcwywwwbwxNfb hf bfbh因此，5层墙肢Q1确实处于大偏心受压状态。此时，2200.5(1.5)0.5(20001.5491.3)3000.251%200120.1swwywwwMhxfb10(/2)1.0 16.7200491.3(2000491.3/2)2878.8ccwwMf b x hx,5.3,剪力墙结构算例,5层墙肢Q1端部构造边缘构件的纵向受力钢筋面积为：,ss000636666(/2)/()1.0 7.0 101451 10(20002200/2)120.1 10 2879 10/360(2000200)1446 10/(1.648 10)0wwwwswcywsAAMNhhMMfha,这表明当无地震作用组合时，5层墙肢Q1端部的构造边缘构件仅需按构造要求配置纵向受力钢筋。3),斜截面受剪承载力计算取5层墙肢Q1的组合内力设计值，,kNm，,。无地震作用组合时，墙肢Q1截面的剪跨比为：所以取,。由于,，因此取墙肢Q1的水平分布钢筋面积为：2302.5 kNwN7.9wM43.3 kNwV 063/()7.9 10/(43.3 102000)0.0911.5wwwMV h1.50.20.2 16.720022001470 kN2303 kNcwwwf b hN1470 kNN0003333/(0.50.13/)/(0.5)/()1.043.3 10(0.5 1.5720020000.13 147 0 101.0)/(1.50.5)/(3002000)461.7 10/(600.0 10)0shwtwwwyhwAsVf b hNAAf h,5.3,剪力墙结构算例4),平面外轴心受压正截面承载力验算无地震作用组合的情况。这里取5层墙肢Q1的轴向压力设计值。根据混凝土结构设计规范第7.3.11条，5层墙肢Q1的计算高度为：01.251.252.7503.438 meH计算高度与墙体厚度的比值为：0/3438/20017.2web由混凝土结构设计规范表7.3.1，可以得到5层墙肢Q1的稳定系数为。根据混凝土结构设计规范公式(7.3.1)，可以得到：s00.9()0.90.834(16.72002200360678.62300 1250.3)6018 kN1.02302.52302.5 kNwcywNf Af AN 因此，当无地震作用组合时，5层墙肢Q1的平面外轴心受压正截面承载力符合要求。,5.4,思考题与作业(1),简述对计算机计算结果进行分析判断的要点。(2),框架结构在哪些情况下采用？现浇框架结构设计的主要内容和步骤是什么？(3),某六层框架结构办公楼，平面为矩形，其典型计算单元框架有三跨，第四层梁跨中控制截面内力如表5-6所示，表5-6中的数据均为标准值，试求控制截面处的最不利内力设计值。要求写出组合项和对应的数据。表5-6,框表架内力分析结果梁截 面内 力恒荷载活荷载风荷载荷载组合方式123BC梁左M/(kNm)15.122.6311.65V/kN7.673.0314.52跨中M/(kNm)17.871.410.0
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