高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

1、研究生課程考核試卷科 目： 高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 教 師： 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 結(jié)構(gòu)工程 類 別： 學(xué)術(shù) 上課時(shí)間： 2014 年3 月至2014 年 6 月 考 生 成 績(jī)：卷面成績(jī)平時(shí)成績(jī)課程綜合成績(jī)閱卷評(píng)語(yǔ)： 閱卷教師 (簽名) 某高層的結(jié)構(gòu)指標(biāo)驗(yàn)算【摘要】：此文是作者2014年7月到9月在某設(shè)計(jì)院實(shí)習(xí)期間所遇到的工程實(shí)例。通過(guò)PKPM軟件進(jìn)行建模，采用SATWE模塊計(jì)算，通過(guò)查找輸出文件的各種指標(biāo)如周期比、層間位移比、剛度比、剛重比、剪重比彈性層間最大位移限值和結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算等驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性能。通過(guò)對(duì)整個(gè)主樓的設(shè)計(jì)過(guò)程的研究總結(jié)出對(duì)于工程設(shè)計(jì)的若干條建議?！娟P(guān)鍵詞】：扭轉(zhuǎn)

2、位移比 層間位移比 位移角 傾覆彎矩 SATWE 1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介1.1 項(xiàng)目概述建設(shè)用地面積28971平方米，總建筑面積92921.11平方米，功能為：住宅及其配套商業(yè)、車庫(kù)。由3棟住宅樓以及1、2、3號(hào)商業(yè)和地下車庫(kù)與幼兒園組成。其中1、2號(hào)住宅樓為28層，3號(hào)住宅樓層為30層，1號(hào)商業(yè)為5層， 23號(hào)商業(yè)樓為4層，幼兒園為2層。文章挑選3號(hào)樓作為描述對(duì)象闡述高層住宅樓的設(shè)計(jì)過(guò)程，該工程地下1層，地上29層，結(jié)構(gòu)主屋面高度為87米；樓梯屋面高度90米。建筑效果圖見圖1.1。圖1.1 建筑效果圖2設(shè)計(jì)依據(jù)2.1主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：50年。2.2自然條件基本風(fēng)壓，0.4k

3、N/m2；抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組：第一組。2.3本工程采用的主要法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)：1工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB 50153-2008）；2建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）；3混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）；4砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50003-2011）；5建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）；6高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2010）；7建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)（GB 50223-2008）；8建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2011）；9建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-2008）；10.建筑邊坡工程技術(shù)

4、規(guī)范GB50330-2002；11建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度的規(guī)定(建設(shè)部2008年版)15、中國(guó)地震局關(guān)于學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場(chǎng)所建設(shè)工程抗震設(shè)防要求確定原則的通知（中震防發(fā)【2009】49號(hào)）。2.4設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)1）建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)2）地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：乙級(jí)。3）建筑抗震設(shè)防類別：丙類。4）建筑防火分類等級(jí)與耐火等級(jí)1、2、3號(hào)住宅樓，建筑耐火等級(jí)為一級(jí)；1、2、3號(hào)商業(yè)樓建筑的耐火等級(jí)為二級(jí)。汽車庫(kù)防火分類為類，耐火等級(jí)為二級(jí)。2.5場(chǎng)地分析和地勘報(bào)告分析1）場(chǎng)地基本情況擬建場(chǎng)地及周邊未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、危巖、斷層不良地質(zhì)作用。場(chǎng)區(qū)擬建地段開闊，土層下部為巖質(zhì)地基，巖體分布連續(xù)，巖層

5、產(chǎn)狀平緩，巖質(zhì)地基穩(wěn)定性好。土層與下伏基巖接觸面平緩。場(chǎng)地內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，抗震設(shè)防烈度為6度。場(chǎng)地按設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高及環(huán)境標(biāo)高平場(chǎng)后，場(chǎng)地與地基穩(wěn)定，適宜本工程建設(shè)。場(chǎng)地內(nèi)無(wú)高邊坡及不良地質(zhì)現(xiàn)象。2）工程地質(zhì)和水文地質(zhì)概況場(chǎng)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下為：第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土（Q4dl+el）及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組基巖(J2s)組成，基巖巖性主要為中厚層狀泥巖構(gòu)成。按風(fēng)化程度可劃分強(qiáng)風(fēng)化帶基巖和中風(fēng)化帶基巖?，F(xiàn)分述如下： 粉質(zhì)粘土（Q4dl+el）：紫紅色及褐黃色，主要由粘粒組成，手捻 有砂感，稍有光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，韌性中等，干強(qiáng)度中等，可塑。分布于整個(gè)場(chǎng)地，厚薄不均，厚度約2.01m3.86。

6、強(qiáng)風(fēng)化帶基巖（J2s）：強(qiáng)風(fēng)化帶巖石：主要為泥巖，夾有砂巖薄層，泥巖主要為紫紅色，巖石裂隙發(fā)育，破碎，巖芯不完整，巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造已破壞，多呈塊狀、少量短柱狀。厚度2.584.17m。 中風(fēng)化帶基巖(J2s)：主要為泥巖：紫紅色，粘土礦物為主，部分含砂質(zhì)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。該帶巖體完整性指數(shù)0.64-0.73，巖體較完整。根據(jù)環(huán)境調(diào)查及地下水、土層組成成分室內(nèi)測(cè)試資料表明：場(chǎng)內(nèi)及附近周邊無(wú)工業(yè)污染，地下水及地基巖、土對(duì)砼物有微腐蝕性。總之：場(chǎng)地內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。3主要荷載取值3.1.永久外加荷載的容重圍護(hù)及填充墻體采用頁(yè)巖空心磚，外墻采用厚壁型頁(yè)巖空心磚容重14kN/m³，內(nèi)墻

7、采用頁(yè)巖空心磚容重8kN/m³，管井及有水房間（衛(wèi)生間、廚房）地面以上1500采用混凝土砌塊，容重19kN/m³；砂漿選用M5混合砂漿；車庫(kù)頂板以上覆土容重20KN/m3。 3.2.樓（屋）面活載、特殊設(shè)備荷載序號(hào)荷載類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)序號(hào)荷載類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)1不上人屋面0.52上人屋面2.03屋頂花園3.04樓梯間、電梯廳、通道3.55廚房、起居室、臥室、過(guò)道2.06衛(wèi)生間2.57公共通道、陽(yáng)臺(tái)、露臺(tái)2.58車道、車庫(kù)4.09商業(yè)3.5注：（1）30t消防車折算荷載取27kN/m3； （2）非固定隔墻的自重取每延米長(zhǎng)墻重的1/3作為樓面活荷載的附加值計(jì)入，附

8、加值不少于1.0kN/m3；（3）電梯吊鉤荷載：30kN/個(gè)；（4）特殊荷載：消防水箱18T3.3.風(fēng)荷載建筑基本風(fēng)壓根據(jù)荷載規(guī)范為0.40kN/，地面粗糙度為B類； 體型系數(shù)1.3；風(fēng)壓高度變化系數(shù)分別按照B類地面采用。采用0.25kN/的風(fēng)荷載作為風(fēng)壓舒適度驗(yàn)算的荷載取值，對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期為10年。3.4.地震作用抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組：第一組，場(chǎng)地類別：II類，場(chǎng)地特征周期0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比5%，地震影響系數(shù)0.04。注：對(duì)于雪荷載、基礎(chǔ)浮力、溫度作用等本設(shè)計(jì)中都不做考慮。4. 主要材料的選用1）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：柱、剪力墻：C30 C50；梁、板，

9、C30C40；基礎(chǔ)： C30。超長(zhǎng)部分單元采用微膨脹混凝土，添加6-8%ZY.2）鋼筋：梁、板、柱、基礎(chǔ)的縱向受力鋼筋均采用400MPa級(jí)的熱軋帶肋鋼筋；箍筋，和剪力墻分布筋采用HPB300鋼筋3）圍護(hù)及填充墻體：圍護(hù)及填充墻體采用頁(yè)巖空心磚，外墻采用厚壁型頁(yè)巖空心磚容重14kN/m³，內(nèi)墻采用頁(yè)巖空心磚容重8kN/m³，強(qiáng)度等級(jí)不小于MU5.0；管井及有水房間（衛(wèi)生間、廚房）地面以上1500采用混凝土砌塊，強(qiáng)度等級(jí)不小于MU10，容重19kN/m³；砂漿選用M5混合砂漿。4. 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)布置4.1.結(jié)構(gòu)選型住宅樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，建筑中部采用樓梯、電梯、管

10、井組成的筒體布置剪力墻、樓梯，布置剪力墻，其余部分采用建筑外墻與內(nèi)隔墻布置剪力墻。梁板式樓蓋結(jié)構(gòu)，全部采用現(xiàn)澆鋼筋砼。垂直荷載主要通過(guò)樓板傳遞到框架梁、墻；水平荷載（地震力、風(fēng)力）由框架柱及抗震墻承擔(dān)。屋蓋及樓蓋結(jié)構(gòu)采用主次梁樓蓋體系，控制梁截面高度，滿足其他專業(yè)及使用的凈空要求。4.2.結(jié)構(gòu)平面布置建筑平面圖標(biāo)準(zhǔn)層平面圖4.2.2結(jié)構(gòu)平面圖標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖結(jié)構(gòu)樓層組裝模型4.3.結(jié)構(gòu)構(gòu)件墻、梁和板的設(shè)計(jì)思路4.3.1.墻構(gòu)件 住宅樓對(duì)建筑格局的要求比較嚴(yán)格，對(duì)于大開間的房屋，如客廳、臥室等不能中間過(guò)梁，墻的布置更不能隨心所欲，需要嚴(yán)格遵守建筑的格局布置，剪力墻的厚度也因此固定為200mm

11、。剪力墻的布置特點(diǎn)一般為:1）角部布?jí)Γ航ㄖ课莸慕遣咳绻麤](méi)有特殊的要求，如：開角窗等，需要在建筑的四個(gè)甚至以上的角部布置墻體，這樣能有效的提高剪力墻抗側(cè)剛度和結(jié)構(gòu)的整體抗扭轉(zhuǎn)的性能。2）樓梯、電梯處必布?jí)Γ簶翘蓦娞萏帉?duì)于建筑結(jié)構(gòu)的要求不高，而且從底到頂是拉通了的，因此是最合適布置剪力墻的部位，因此一定要布置剪力墻，但是由于中部的剪力墻剛度太大，造成結(jié)構(gòu)整體的抗扭轉(zhuǎn)性能變?nèi)?，此時(shí)需要降低剪力墻在此處的剛度，一般就是在剪力墻上面開洞口降低中間部位的強(qiáng)度。3）剪力墻的布置長(zhǎng)度：剪力墻盡量多布置成L形、T形剪力墻L型，長(zhǎng)肢部分的長(zhǎng)度為1700mm，短肢部分為600mm，這樣取值的原因是根據(jù)規(guī)范來(lái)的，

12、對(duì)于200mm厚的墻如果墻長(zhǎng)小于1600，軟件和規(guī)范都會(huì)認(rèn)為是短肢剪力墻，對(duì)墻體的要求會(huì)提高，而短肢部分，如果小于600mm時(shí)，墻的翼緣部分的貢獻(xiàn)作用就會(huì)不能考慮，同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)也要求盡量少的用短肢剪力墻，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)最經(jīng)濟(jì)的墻體布置方式就是以上的結(jié)構(gòu)尺寸。 4）剪力墻盡量對(duì)直成線，當(dāng)剪力墻長(zhǎng)度大于5米時(shí)，在剛度有富裕時(shí)可設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口；建立墻的洞口上的梁到底是普通梁還是連梁的區(qū)別為看看梁的剪切位移是否可以忽略不計(jì)。不可以忽略的時(shí)候就要按連梁計(jì)算，可以忽略不計(jì)的時(shí)候就可以按普通梁來(lái)計(jì)算。連梁一般后于剪力墻損毀，為了使連梁作為剪力墻之前的抗震防線一般對(duì)建立墻的剛度進(jìn)行折減，但是折減系數(shù)不可以小于

13、0.5。4.3.2.梁構(gòu)件 對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)就要將墻體當(dāng)做梁的傳力構(gòu)件，墻體的布置要充分考慮建筑要求和結(jié)構(gòu)布置梁的需要，梁在住宅建筑中應(yīng)盡量的布置在墻體內(nèi)，考慮到美觀梁的寬度一般不大于隔墻的寬度，因此一般梁的寬度取為200mm。在縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜部位，最好的處理方法就是將梁的截面處理成一樣的。對(duì)于錯(cuò)層的結(jié)構(gòu)，考慮將梁的高度提高，施工過(guò)程中是分層施工的，并不是一次現(xiàn)澆完成。4.3.3.板構(gòu)件對(duì)于板構(gòu)件與一般的結(jié)構(gòu)房屋也有不同之處，最主要的是板的下面不允許放置梁，因此對(duì)于客廳，主臥等開間比較大的房屋，板厚一般取為200mm，比一般的板要厚些。設(shè)計(jì)時(shí)還要注意陽(yáng)臺(tái)，衛(wèi)生間等部位需要降板的標(biāo)高。4.3.4.

14、混凝土強(qiáng)度對(duì)于高層建筑混凝土的強(qiáng)度不是一成不變的，我所經(jīng)歷的這個(gè)住宅的混凝土強(qiáng)度1-5層的強(qiáng)度取值為C50,6-10層的混凝土強(qiáng)度取值為C45，10層以上的結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度取值為C40。5. 結(jié)構(gòu)運(yùn)算及指標(biāo)調(diào)整5.1特殊構(gòu)件定義混凝土強(qiáng)度變化示意 底部加強(qiáng)區(qū) 剪力墻約束邊緣構(gòu)件5.2平面規(guī)則指標(biāo)結(jié)構(gòu)周期比上圖中兩個(gè)圓圈的圖標(biāo)代表整個(gè)模型的剛度中心，圓圈中帶十字的圖標(biāo)代表模型的質(zhì)量中心，通過(guò)這個(gè)圖形我們可以定性的判斷結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是否明顯。對(duì)應(yīng)高規(guī)中結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑、超過(guò)A級(jí)高度的

15、混合結(jié)構(gòu)及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。本工程對(duì)應(yīng)A級(jí)高度，結(jié)構(gòu)計(jì)算的周期為：第一自振周期13.0639s第二自振周期22.9742 s第三自振周期32.5661 s結(jié)構(gòu)平動(dòng)第一自振周期與扭轉(zhuǎn)第一自振周期之比為0.83<0.9滿足規(guī)范對(duì)于平面不規(guī)則的要求。結(jié)構(gòu)位移比 對(duì)應(yīng)高規(guī)中在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和岑建位移，A級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍。不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級(jí)高度高層建筑、超過(guò)A級(jí)高度的混合結(jié)構(gòu)及股砸高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。結(jié)構(gòu)水平地震力作用下X、Y方向的最大位

16、移結(jié)果如下：樓層數(shù)層間位移平均層間位移最大層間位移角本層與上層位移角的1.3倍及上三層平均位移角的1.2倍的比值的大者300.890.731/3355.5.80%290.950.771/3161.6.50%281.010.821/2956.6.50%271.080.881/2766.6.10%261.150.931/2601.5.50%251.220.981/2462.4.90%241.281.031/2343.4.40%231.341.081/2242.4.00%221.391.131/2155.3.60%211.441.171/2080.3.20%201.491.21/2016.2.80%

17、191.531.241/1961.2.40%181.571.271/1915.2.00%171.61.31/1877.1.60%161.621.321/1847.0.90%151.641.331/1831.0.80%141.651.341/1816.0.50%131.661.351/1807.0.10%121.661.351/1804.0.30%111.661.351/1809.0.90%101.641.341/1825.1.40%91.621.321/1849.2.10%81.591.291/1886.3.00%71.551.251/1941.4.40%61.481.21/2024.6.30

18、%51.391.121/2153.9.00%41.271.021/2358.14.10%31.10.871/2736.24.40%20.830.651/3629.52.30%10.380.31/7872.96.10%由上表可知每一層的層位移角都滿足規(guī)范要求的1/1000的要求。5.3豎向規(guī)則指標(biāo)剛度比對(duì)應(yīng)于高規(guī)條對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層與其相鄰上一層的側(cè)向剛度比可以按照式計(jì)算。且本層與相鄰上層的比值不宜小于0.9;當(dāng)本層層高大于小林上層層高的1.5倍時(shí)，該比值不宜小于1.1；對(duì)結(jié)構(gòu)底部嵌固層，該比值不宜小于1.5。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)每層的構(gòu)件布置相同，豎向剛度基本沒(méi)有變化，通過(guò)軟件計(jì)算給出的結(jié)果與預(yù)想的相同，此處不再做論述。樓層受剪承載力之比樓層受剪承載力之比對(duì)應(yīng)高規(guī)條，A級(jí)高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其相鄰下一層受剪承載力