一位结构设计总工的总结

概念设计与超限工程一，关于概念设计1.什么是概念设计。在早期方案设计阶段，结构体系，结构体型的规则性以及结构的整体性需要满足有关规范的规定，以使结构能可靠地发挥非弹性延性变形能力。这一概念可以称作概念设计。概念设计规定了结构早期方案设计阶段中应考虑的准则。由徐培福，傅学怡等编著的复杂高层建筑结构设计一书中有一段话是值得结构设计人员思考：“早期方案设计阶段研究确定抗震结构体系时，必须考虑结构体型，规则性,整体性和质量分布等各方面的问题，同时还应对结构承载力，刚度和非弹性延性变形能力从地震反应角度作出比较正确的评价。结构设计者首先遇到的问题将是如何在建筑设计要求所规定的约束条件下选择一个令人比较满意的抗震结构体系， 只要有可能，建筑师和结构工程师就应该在形成建筑方案的最早阶段，讨论各种可供选用的结构体型和内部空间布置，以避免不合适的或严重不规则的结构体型在结构设计开始之前就已被“锁定”在建筑方案中。实际上不规则性常常是不可避免的。建筑师不可能完全按照结构概念设计的准则进行创作，相反往往是结构工程师要向业主，建筑师作些妥协和让步。结构工程师面临的难点往往就是如何保持住结构不规则的底线，使结构不致严重不规则”。严重不规则按高规第4.1.2条就是属于不应采用的结构体系即使是高度超过A级且水平和竖向均特别不规则的高层建筑工程不是不允许，而是只要由全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会进行抗震设防专项审查通过并且作了各种相应的超限措施则仍可通过。作为结构设计工程师，应按照概念设计所规定的范畴，建立以下所述的主导思想，这就是：结构设计是建筑构思，确定整体布局和建筑造型的核心环节，它需要结构工程师与建筑师相互理解，密切配合，以便共同创造建筑功能与内在结构和谐统一的作品。这就要求结构工程师熟悉并能灵活地运用各种结构设计规范，规程以及规范，规程中所规定的有关概念设计要求的准则，经过充分的试验研究从理论和计算上做周密的分析，构造上采取有效措施，解决各种各样的建筑与结构的矛盾，以求达到最大限度地与建筑设计相协调一致，共同创造一个实用，经济，合理和美观的作品。这样就要求结构工程师在设计中应胆大而心细。二，概念设计的准则主要有以下两个方面：1.对不规则性的控制：a.平面不规则性：1）平面凹凸不规则，见附录一，有关凹凸不规则条文。2）平面组合不规则：如结构平面角部重叠和结构平面的细腰型（这两条指的是建筑平面从上到下都是这样不规则）。3）由于平面布置不规则引起的扭转影响，比如考虑偶然偏心影响的地震作用下扭转位移比不大于1.2以及不含裙房的楼层位移比不应大于1.4.4）结构扭转刚度弱，扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T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，复杂高层建筑不应大于0.85这里要说明一点，扭转耦联振动的主方向，可通过计算振型方向因子来判断，在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0.5时，则该振型可认为是以扭转为主的振型。5）楼板不连续，包括对某层楼板有效宽度开洞面积的控制，亦即楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼板有效宽度的一半（50%,楼板开洞面积不宜超过楼层面积的30%且在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m（如下图所I_20.5LIai和a22m,a1+a25m（这条指的是某一层楼板出现的情形）6）错层大于梁高。b.竖向不规则1）竖向刚度突变：比如楼层侧向刚度不宜小于相邻上一层的70%或小于其上三层侧向刚度平均值的80%以及本层侧向刚度不应小于相邻上层的50%（抗规第6.1.9条第3款指的是对矩形平面而言，高规附录E对转换层及以上时要求不大于0.6,比此还严格，但对转换层在一，二层并无规定。）2）楼层层间抗侧力结构的受剪承载力对A级高度不宜小于其上一层受剪承载力的80%不应小于其上一层受剪承载力的65%对于B级高度高层建筑则其受剪承载力不应小于其上一层的75%3）竖向构件不连续，包括加强层。4）建筑立面尺寸的突变。2.对高层钢筋混凝土结构体系 （包括混合结构体系） 的抗震性能及实用高度的控制：a.对各种结构体系适用高度的控制，见附录一和附件一。b.对复杂结构的控制：1）高位转换：7度不超过5层，8度不超过3层2）79度不应采用厚板转换；3）塔楼偏移：即单塔或多塔与大底盘的质心偏心距不大于底盘相应边长的20%4）各部分层数，刚度，布置不同的错层或连体结构。5）不应采用同时具有转换层，加强层，错层，连体和多塔类型的2种以上的结构（包括在7度区和8度区）c.高度超过28米的单跨框架结构。d.对框架-剪力墙和剪力墙的错层结构的适用高度对于7度不大于50米，对于8度不大于60米。e.抗震设计时，B级高度高层建筑不宜采用连体结构。f.抗震设计时，B级高度高层建筑当底部带转换层时的筒中筒结构，且当外筒采用由剪力墙构成的壁式框架时，其最大适用高度比高规表4.2.2-1所示数值适当降低。g.对具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构适用高度宜比高规表4.2.2-1中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度分别不应大于100m和60m三.什么是超限高层建筑工程。1.房屋高度超过规定的高层建筑工程a.超过抗规第6章表6.1.1所规定高度的现浇钢筋混凝土结构，亦即超过高规表4.2.2-1中所示的A级高度的高层建筑工程。高规条文说明第4.2.2条明确指出“为保证B级高度高层建筑的设计质量，抗震设计的B级高度的高层建筑，需要按有关行政法规部门的规定进行超限高层建筑的抗震审查复核”。还应注意的是所谓超高是从A级高度算起。b.超过抗规第8章表8.1.1所示的钢结构适用的最大高度。c.超过高规第7.1.2条规定的“具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构，其最大适用高度应比本规程表4.2.2-1中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100mffi60m”的规定。d.超过高规第10.1.3条关于“7度和8度抗震设计时，剪力墙结构错层高层建筑的房屋高度分别不宜大于80m和60m框架-剪力墙结构错层高层建筑的房屋高度不应大于80m和60m的规定。”e.超过高规表11.1.2所示高度的高层建筑，亦即混合结构的最大适用高度。2 .房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于抗规，高规规定的特别不规则的高层建筑。可以看一下超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（以下简称技术要点）附录一和关于进一步加强我市超限高层建筑工程抗震设防专项审查管理工作的通知附件一。深圳的附件一是针对深圳7度区对附录一内容的具体化和形象化，更容易理解和接受。从两个表中可以看出，有些只要超过一项就属于特别不规则，有些具有三项及以上时才定为特别不规则。3.高度大于28米，且屋盖结构超出网架结构设计与施工规程和网壳结构技术规程规定的常用形式的大型公共建筑工程（暂不含膜结构）。这种结构本不属于高层建筑范畴，但由于目前我国在此范畴没有具体部门去管理，所以暂时并入超限高层建筑工程范畴。四，超限高层建筑工程抗震设防专项审查方法：1 .一般超限高层建筑工程可由各省市抗震办组织超限高层建筑工程抗震设防专家委员会成员进行审查。2 .属于下列情况的，技术要点建议委托全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会进行抗震设防专项审查：a.超过高规B级高度的混凝土结构和高规表11.1.2所示最大适用高度的混合结构的高层建筑工程；b.超过规定的错层结构，塔体显著不同或跨度大于28m的连体结构，同时具有带转换层，带加强层，错层，连体四种类型中两种以上（即三种及以上）的复杂结构；高度超过A级且水平和竖向均特别不规则的高层建筑工程。c.超过抗规第8章适用范围的钢结构高层建筑工程；d.按技术要点第八条需要进行模型试验的高层建筑工程；e.各省，自治区，直辖市建设行政主管部门认为需要委托全国专家委员会审查的其他超限高层建筑工程，包括各种特殊类型的高层建筑工程。五.超限高层建筑工程的处理方法：1 .采用两个或两个以上不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力和位移计算 。 国 内 目 前 可 以 应 用 的 经 建 设 部 批 准 的 计 算 程 序 不 少 ， 比 如SATWESAP2000,MIDAS/GEN.ETABS.ABAQUS2.考虑平扭耦联计算振型数不应小于15,对多塔结构的振型数不应少于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%这主要是考虑高振型影响。3、质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响。4、当在水平作用下不满足高规第5.4.1条规定时，应考虑重力二阶效应的不利影响，也就是：-P的不利影响；5、 采用弹性动力时程分析法作补充计算， 注意弹性动力时程分析应符合下面要求：a、 应按建筑物场地类别和设计地震分组选择用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响曲线应与振型分解反应谱法的所用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%,多条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。b、地震波的连续时间不宜小于建筑结构基本周期的5倍，也不宜少于12s。地震波的时间间距可取0.015或0.025。c、输入地震加速度的最大值。d、弹性时程分析结果，一般采用多条波的平均值，超高较多或体型复杂时，宜取多条波的包络。并用于结构构件的承载力分析计算。6、必要时，应采用静力弹塑性分析或动力弹塑性分析方法确定薄弱层位置。7、对框支层、转换层、错层楼盖等受力复杂的结构，应在整体分析的基础上进行局部的内力或应力分析，并作为截面强度设计的依据。8、软弱层地震剪力和不落地构件传给水平转换构件的地震内力的调整系数取值，超高时宜大于规范的规定值。9、当楼板凹凸不规则或局部不连续，或当楼板过于狭长，平面内变形明显时，应采用弹性板和局部弹性板模型进行分析。必要时采用有限元方法分析不规则楼板的应力，并根据分析结果进行板的配筋。10、对个别特殊的构件，比如超长的角柱等应单独作专门分析。11、连续体的竖向地震应参照竖向时程分析结果采用。12、必要时应作重力荷载作用下的结构施工模拟分析。13、对超高很多或结构体系特别复杂、结构类型特别特殊的工程，当没有可借鉴的设计依据时，应选择整体结构模型，结构构件、部件或节点模型进行必要的抗震性能试验。14、 必要时宜作基于性能的抗震设计， 对整个结构或薄弱部位制定预期的性能目标进行分析：a、明确结构整体或局部达到预期性能目标（承载力、位移）的地震水准，如小震、中震和大震（或地震重现期为50年、100年、475年、950年、1600年、2000年等等）b、针对实际工程情况，承载力可选择极限（安全）、不屈服、微裂和保持弹性等设计目标。c、 按性能目标论证抗震措施 （如内力增大系数， 配筋率和配箍率） 的合理可行性。15、体型复杂和场地复杂时风载体型系数应通过风洞试验确定。16、要采用比规范更严的各种抗震构造措施。