高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三講12-課件

1、第三講 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)唐 興 榮博 士 教 授蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院二 一二年二月第三講 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)唐 興 榮主要內(nèi)容1、結(jié)構(gòu)剛與軟的選擇2、結(jié)構(gòu)平面布置宜剛度均勻，減少扭轉(zhuǎn)3、結(jié)構(gòu)沿豎向剛度宜均勻，避免軟弱層，減少鞭梢效應(yīng)4、預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強(qiáng)或削弱某些部位5、設(shè)計(jì)延性結(jié)構(gòu)和延性構(gòu)件 （延性結(jié)構(gòu)和延性構(gòu)件、抗震框架的屈服機(jī)制、強(qiáng)柱弱梁框架、強(qiáng)墻弱梁的剪力墻）6、設(shè)計(jì)多道設(shè)防結(jié)構(gòu) 超靜定結(jié)構(gòu)和雙重抗側(cè)力體系的概念7、重視構(gòu)件承受豎向荷載的安全8、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性 縫的設(shè)置9、關(guān)于填充墻布置和材料選用10、規(guī)范對結(jié)構(gòu)平面及豎向布置的要求主要內(nèi)容 建筑抗震概念設(shè)計(jì)（seism

2、ic concept design of buildings） 指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。 概念設(shè)計(jì)涉及從方案、結(jié)構(gòu)布置到計(jì)算簡圖的選取，從截面配筋到構(gòu)件的配筋構(gòu)造等都存在概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容。基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想可以通過力學(xué)規(guī)律、震害教訓(xùn)、試驗(yàn)研究、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等多種渠道建立。 高層建筑設(shè)計(jì)（尤其高層建筑抗震設(shè)計(jì)）中應(yīng)非常重視概念設(shè)計(jì)。 由于高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，發(fā)生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)識的局限性與模糊性，高層結(jié)構(gòu)計(jì)算尤其是抗震分析計(jì)算的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性以及其他不可預(yù)測的因素

3、，致使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可能和實(shí)際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無法定量計(jì)算出來。因此在設(shè)計(jì)中，雖然分析計(jì)算是必須的，也是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。從某種意義上說，概念設(shè)計(jì)甚至比分析計(jì)算更為重要。 建筑抗震概念設(shè)計(jì)（seismic concept d一、結(jié)構(gòu)剛與軟的選擇 剛度大的結(jié)構(gòu)地震作用大，要求較大的構(gòu)件尺寸和鋼材用量，似乎不經(jīng)濟(jì) 較軟的結(jié)構(gòu)地震作用小，但變形較大，可節(jié)約材料 一般認(rèn)為框架的變形性能好，剪力墻變形性能差，主張選用較軟的框架結(jié)構(gòu)，早期的設(shè)計(jì)對高層建筑應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)的限制較多。 對于高層建筑抗震設(shè)計(jì)，能否作出“剛一些好”，還

4、是“柔一些好”的結(jié)論？ 不能！ 結(jié)合結(jié)構(gòu)的具體高度、體系和場地條件進(jìn)行綜合判斷。 無論如何，重要的是設(shè)計(jì)時要進(jìn)行變形限制，將變形限制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，要使結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，設(shè)置部分剪力墻的結(jié)構(gòu)有利于減小結(jié)構(gòu)變形和提高結(jié)構(gòu)承載力 應(yīng)根據(jù)場地條件來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，硬土地基上的結(jié)構(gòu)可軟些，軟土地基上的結(jié)構(gòu)可剛些。 （場地的卓越周期或自振周期T=4dov/vs1,即地震波的某個諧波的周期恰好為該波穿過表土層所需時間的4倍時，覆蓋層地面振動最顯著） （硬土地基剪切波速vs1大，卓越周期小，建筑物的自振周期應(yīng)該大，即應(yīng)軟些，反之，軟土地基剪切波速vs1小，卓越周期大，建筑物的自振周期應(yīng)該小，即應(yīng)硬些）一、結(jié)

5、構(gòu)剛與軟的選擇 可通過改變高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，使其偏離場地的卓越周期（較理想的結(jié)構(gòu)：自振周期比場地卓越周期更長或自振周期比場地卓越周期短得多） （在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少量裂縫后，周期會加長，要考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入開裂和彈塑性狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)自振周期加長后與場地卓越周期的關(guān)系）結(jié)構(gòu)自振周期加長后與場地土的卓越周期關(guān)系 可通過改變高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，使其偏A-B段結(jié)構(gòu)在地震作用下的特點(diǎn)： A-B段結(jié)構(gòu)當(dāng)進(jìn)入彈塑性階段，其剛度降低，自振周期加長，地震作用加大，對抗震很不利，結(jié)構(gòu)物的自振周期不宜設(shè)計(jì)在該區(qū)域。 結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)盡可能位移C-D段（大于Tg，并小于5Tg），當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階

6、段，其剛度降低，自振周期加長，地震作用減小，對抗震有利。A-B段結(jié)構(gòu)在地震作用下的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)盡可能位移二、結(jié)構(gòu)平面布置剛度均勻，減少扭轉(zhuǎn) 建筑物平面布置的基本原則 簡單、規(guī)則，盡量減小突出、凹進(jìn)等復(fù)雜平面，盡量使平面剛度均勻 平面剛度均勻“剛心”與“質(zhì)心”接近主要取決于剪力墻的布置（對稱布置剪力墻或井筒、周邊布置剪力墻或框筒） 注意平面上的質(zhì)量分布（質(zhì)量偏心會引起扭轉(zhuǎn)，質(zhì)量集中在周邊會加大扭轉(zhuǎn)） 應(yīng)避免平面上有突出部分的建筑（L形、T形、H形平面）出現(xiàn)局部扭轉(zhuǎn)在突出部分長度較大時可在其端部設(shè)置剛度較大的剪力墻或井筒 較高的高層建筑不宜做成長寬比很大的長條形平面做成折板形或圓弧形二、

7、結(jié)構(gòu)平面布置剛度均勻，減少扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則 樓層最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移），大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則 凹凸不規(guī)則： 結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)的一側(cè)尺寸,大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30% 凹凸不規(guī)則： 樓板局部不連續(xù)：樓板的尺寸和平面剛度急劇變化 有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50% 樓板開洞面積大于該樓層面積30% 較大的樓層錯層 樓板局部不連續(xù)：樓板的尺寸和平面剛度急劇變化三、結(jié)構(gòu)沿豎向剛度宜均勻，避免軟弱層，減少鞭梢效應(yīng) 建筑物立面布置的基本原則 規(guī)則、對稱、質(zhì)量與剛度變化均勻 建筑結(jié)構(gòu)的立面形狀宜簡單，抗側(cè)力體系的剛度和承載力上、下變化連續(xù)、均勻 豎

8、向剛度均勻 主要與剪力墻布置有關(guān) GB50010-2010： 3.4.1 建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求明確建筑形體的規(guī)則性。不規(guī)則的建筑方案應(yīng)按規(guī)定采取加強(qiáng)措施；特別不規(guī)則的建筑方案應(yīng)進(jìn)行專門研究和論證，采取特別的加強(qiáng)措施；嚴(yán)重不規(guī)則的建筑方案不應(yīng)采用。（強(qiáng)制性條文） * 形體建筑平面形狀和立面、豎向剖面的變化三、結(jié)構(gòu)沿豎向剛度宜均勻，避免軟弱層，減少鞭梢效應(yīng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三講12-課件 側(cè)向剛度不規(guī)則 該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70% 該層的側(cè)向剛度小于其相鄰三個樓層側(cè)向平均值的80% 除頂層外,局部收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25% 側(cè)向剛度不規(guī)則 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù) 豎

9、向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、抗震墻等）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件(梁、桁架等)向下傳遞 樓層承載力突變 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80% 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù) 樓層承載力突變 “不規(guī)則、特別不規(guī)則、嚴(yán)重不規(guī)則”不規(guī)則程度區(qū)分 不規(guī)則 指的是超過表1和表2中一項(xiàng)及以上的不規(guī)則指標(biāo) 特別不規(guī)則 指具有較明顯的抗震薄弱部位，可能引起不良后果者，其參考界限參見超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)，通常分三類： 同時具有表1、表2所列六個主要不規(guī)則類型的三個或三個以上； 具有表3所列一項(xiàng)不規(guī)則； 具有表1、表2所列兩個方面的基本不規(guī)則且其中一項(xiàng)接近表3的不規(guī)則指標(biāo)。 嚴(yán)重不規(guī)則 指的是體型復(fù)雜，多

10、項(xiàng)不規(guī)則指標(biāo)超過表2上限值或某一項(xiàng)大大超過規(guī)定值，具有現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件不能克服的嚴(yán)重的抗震薄弱環(huán)節(jié)，可能導(dǎo)致地震破壞的嚴(yán)重后果者 “不規(guī)則、特別不規(guī)則、嚴(yán)重不規(guī)則”不規(guī)則程度區(qū)分高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三講12-課件四、預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強(qiáng)或削弱某些部位 結(jié)構(gòu)各層的承載力宜自下而上均勻減小，減小的幅度應(yīng)符合地震作用的內(nèi)力包絡(luò)圖，避免出現(xiàn)承載力薄弱層。 預(yù)期所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可能破壞部位，應(yīng)通過必要的內(nèi)力調(diào)整控制結(jié)構(gòu)的破壞模式 有些部位適當(dāng)?shù)靥嵩缜?，有些部位有意識地提高其承載力，推遲其屈服或破壞 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件 梁鉸機(jī)制（強(qiáng)柱弱梁型）塑性鉸出現(xiàn)在梁

11、端，結(jié)構(gòu)承受較大的變形，吸收較多的地震能量四、預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強(qiáng)或削弱某些部位高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三講12-課件 “控制機(jī)構(gòu)理論”基本原則 在地震作用下，按照不同地震烈度，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中震（設(shè)計(jì)基本烈度）不破壞，大震（比設(shè)計(jì)基本烈度高1度）不倒塌，小震（比基本烈度小1.5度）不屈服，即小震抗，大震消，中震消抗結(jié)合； 采用三階段設(shè)計(jì)，即適用性校核（小震）、承載力設(shè)計(jì)（中震）和延性驗(yàn)算（大震）。 機(jī)構(gòu)控制對框架要保證節(jié)點(diǎn)最強(qiáng)、柱次之，梁較弱。在中震時，塑性鉸僅出現(xiàn)在梁兩端及柱根部，即形成梁式側(cè)移機(jī)構(gòu)，在任何情況下，框架節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)處于彈性狀態(tài)； 實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)控制條件，主要取決于恰當(dāng)?shù)臉?gòu)

12、件強(qiáng)度比（RC框架結(jié)構(gòu)，梁、柱強(qiáng)度比小于0.8） 為保證機(jī)構(gòu)控制得以實(shí)現(xiàn)且準(zhǔn)確，在結(jié)構(gòu)出鉸部位或設(shè)計(jì)出鉸部位嵌入人工塑性鉸。 王崇昌、王宗哲，鋼筋混凝土彈塑性抗震結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)控制理論，西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào)，1986，46（2）：1-12GB50011-2010：一、二、三、四級框架結(jié)構(gòu)的底層，柱下端截面組合彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.7、1.5、1.3、1.2. “控制機(jī)構(gòu)理論”基本原則GB50011-2010：一、二 梁端hb及500mm范圍內(nèi)箍筋加密，使梁的塑性鉸轉(zhuǎn)移，梁筋不在柱面處屈服，改善錨固性能，避免在核心處滑動（圖） 在塑性鉸處鋼筋彎折，形成交叉斜筋，以增強(qiáng)梁鉸的受剪承載力及耗能

13、能力（圖） 為保證塑性鉸的轉(zhuǎn)移，梁端受彎承載力應(yīng)比塑性鉸處的受彎承載力提高25%。設(shè)有斜筋的塑性鉸，計(jì)算受彎承載力時應(yīng)考慮斜筋的作用 設(shè)計(jì)人工塑性鉸時，需要注意： 為保證機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性，需使M恰等于Mu，而塑性鉸左右相鄰面所能承受的彎矩大于M； 為保證框架節(jié)點(diǎn)不發(fā)生剪切破壞，并處于彈性，應(yīng)將人工鉸設(shè)在離開柱表一個梁高處； 為保證梁鉸及柱鉸不發(fā)生剪切破壞，應(yīng)設(shè)置交叉鋼筋或填入纖維混凝土； 為防止縱筋屈曲，應(yīng)增大橫向約束箍筋； 為增大塑性鉸轉(zhuǎn)動量，可在鉸區(qū)填入塑性填料。 梁端hb及500mm范圍內(nèi)箍筋加密，使梁的塑性鉸轉(zhuǎn)移跨高比較小連系梁跨高比較大連系梁RC剪力墻連系梁人工塑性鉸跨高比較小連系梁跨高

14、比較大連系梁RC剪力墻連系梁人工塑性鉸帶豎向縫槽低剪力墻(H/L1) 唐興榮,蔣永生,丁大鈞,一種新型低剪力墻的試驗(yàn)研究,東南大學(xué)學(xué)報(bào),1994,24(3):53-58 唐興榮,蔣永生,丁大鈞, 軟化桁架理論在鋼纖維高強(qiáng)混凝土低剪力墻中的應(yīng)用,建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1993,14(2):2-11帶豎向縫槽低剪力墻(H/L 15m，6度、7度、8 度和9度相應(yīng)每增加5m、4m、3m、2m，宜分別加寬20mm 框架-抗震墻結(jié)構(gòu)房屋 框架-抗震墻結(jié)構(gòu)房屋的防震縫最小寬度可采用框架結(jié)構(gòu)規(guī)定限值的70%，且不宜小于100mm 抗震墻結(jié)構(gòu)房屋 抗震墻結(jié)構(gòu)房屋的防震縫最小寬度可采用框架結(jié)構(gòu)規(guī)定數(shù)值的50%，且不宜小

15、于100mm 防震縫的最小寬度要求 體型復(fù)雜的建筑并不一概提倡設(shè)置防震縫。總的趨勢： 可設(shè)縫，可不設(shè)縫時，不設(shè)縫。設(shè)置防震縫可使結(jié)構(gòu)抗震分析模型較為簡單，容易估計(jì)其地震作用和采取抗震措施，但需考慮扭轉(zhuǎn)地震效應(yīng)，并按規(guī)范規(guī)定確定縫寬，使防震縫兩側(cè)在預(yù)期的地震下不發(fā)生碰撞或減輕碰撞引起的局部損害。 當(dāng)不設(shè)置防震縫時，結(jié)構(gòu)分析模型復(fù)雜，連接處局部應(yīng)力集中需要加強(qiáng)，且需仔細(xì)估計(jì)地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等可能導(dǎo)致的不利影響。 防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)類型不同時，宜按需要較寬防震縫的結(jié)構(gòu)類型和較低房屋高度確定縫寬 體型復(fù)雜的建筑并不一概提倡設(shè)置防震縫?？偟内厔荩?防震 按規(guī)范規(guī)定的防震縫寬度的最小值，在強(qiáng)震下相鄰結(jié)構(gòu)仍有可能局

16、部碰撞而損毀，但寬度過大會給立面處理造成困難 按規(guī)范規(guī)定的防震縫寬度的最小值，在強(qiáng)震下相鄰結(jié)構(gòu)仍有2、抗撞墻 在大震作用下，防震縫處發(fā)生碰撞時的不利部位（圖示）。 不利部位產(chǎn)生的后果：地震剪力增大、產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、位移增大、部分主要承重構(gòu)件撞壞等 框架結(jié)構(gòu)對抗撞不利，特別是防震縫兩側(cè)，房屋高度相差較大或兩側(cè)層高不一致的情況2、抗撞墻 不利部位產(chǎn)生的后果：地震剪力增大、產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、位 GB50011：8、9度的框架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)高度相差較大時，防震縫兩側(cè)框架柱的箍筋應(yīng)沿房屋全高加密，并可根據(jù)需要在縫兩側(cè)沿房屋高度各設(shè)置不少于兩道垂直于防震縫的抗撞墻?？棺矇Φ牟贾靡吮苊饧哟笈まD(zhuǎn)效應(yīng)，其長度可不大于

17、1/2層高，抗震等級可同框架結(jié)構(gòu)；框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力應(yīng)按設(shè)置和不設(shè)置抗撞墻兩種計(jì)算模型的不利情況取值。 GB50011：8、9度的框架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)高度九、關(guān)于填充墻布置和材料選用 框架結(jié)構(gòu)體系中填充墻的選用和布置 應(yīng)選擇輕質(zhì)、大塊、能與主體結(jié)構(gòu)形成柔性連接的填充墻 不利于抗震的填充墻布置情況： 填充墻布置不當(dāng)形成上剛下柔的結(jié)構(gòu) 填充墻布置不當(dāng)形成房屋兩端一端剛、一端柔的平面 框架柱中填充了部分墻（開窗洞形成） 會使柱中部出現(xiàn)支點(diǎn)而形成短柱或由于磚墻對柱的附加推力使柱破壞 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，應(yīng)注意填充墻在平面中的位置對結(jié)構(gòu)平面剛度的均勻性的影響 JGJ3-2002（強(qiáng)制性條文）：計(jì)算

18、各振型地震影響系數(shù)所采用的結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)考慮非承重墻體的剛度影響予以折減 高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移分析時，只考慮了主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，沒有考慮非承重墻的剛度，計(jì)算的自振周期較實(shí)際長，按這一周期計(jì)算的地震力偏小。 當(dāng)非承重墻體為填充磚墻時，高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算自振周期折減系數(shù)取值： 框架結(jié)構(gòu)取 0.6 0.7 框架剪力墻結(jié)構(gòu) 0.7 0.8 剪力墻結(jié)構(gòu) 0.9 1.0 其他結(jié)構(gòu)體系或采用其他非承重墻體時，可根據(jù)工程情況確定周期折減系數(shù)九、關(guān)于填充墻布置和材料選用砌體填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究Reserch on the Seismic Design Method of RC Frame Structure with New Type Masonry Infill Panels申報(bào)2011年國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三講12-課件 項(xiàng)目研究的基本思路： 在系統(tǒng)地進(jìn)行新型砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)抗震機(jī)理試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究新型砌體填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)、協(xié)同工作性能、剛度和強(qiáng)