高层建筑结构设计若干要点课件.ppt
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1、高层建筑结构设计若干要点高层建筑结构设计若干要点l结构抗震验算要求的特点结构抗震验算要求的特点l高层结构布置原则高层结构布置原则l设计地震动参数设计地震动参数l设计反应谱特征周期插值法设计反应谱特征周期插值法l周期、振型分析周期、振型分析l弹性时程分析法弹性时程分析法l楼层最小剪重比要求楼层最小剪重比要求l框架核心筒结构框架核心筒结构 -外框剪力要求外框剪力要求 -不同楼板体系的比较不同楼板体系的比较2l重视条文注释和条文说明重视条文注释和条文说明l注意注意抗规抗规高规高规不一致的规定不一致的规定l重视对规范、规程不明确的一些问题处理重视对规范、规程不明确的一些问题处理3结构抗震验算要求的特点
2、结构抗震验算要求的特点 结结构构遭遭受受的的地地震震作作用用,不不仅仅有有加加速速度度产产生生的的惯惯性性力力,还还有有地地面面运运动动速速度度和和位位移移产产生生的的结结构构内内力力和变形。和变形。目目前前,只只有有加加速速度度反反应应谱谱作作为为地地震震动动输输入入进进行行抗震验算。抗震验算。所所以以,迄迄今今为为止止,依依据据所所规规定定的的地地震震动动进进行行结结构构抗抗震震验验算算,不不论论计计算算理理论论和和工工具具如如何何发发展展,计计算算怎怎样样严严格格,计计算算的的结结果果总总还还是是一一种种比比较较粗粗略略的的估计,过分地追求数值上的精确是不必要的。估计,过分地追求数值上的
3、精确是不必要的。4结构抗震验算要求的特点结构抗震验算要求的特点 抗抗震震计计算算分分析析着着重重于于把把计计算算方方法法放放在在比比较较合合理理的的基基础础上上,不不拘拘泥泥于于细细节节,从从工工程程判判断断的的角角度度,力力求求简简单单易易行行,以以线线性性的的计计算算分分析析方方法法为为基基本本方方法,并强调按法,并强调按概念设计概念设计进行各种调整。进行各种调整。利利用用计计算算机机进进行行结结构构抗抗震震分分析析时时,计计算算模模型型的的建建立立、必必要要的的简简化化计计算算与与处处理理,应应依依据据计计算算软软件件的的技技术术条条件件确确定定,以以符符合合结结构构的的实实际际工工作作
4、状状况况。所所有有计计算算机机计计算算结结果果,应应经经分分析析判判断断确确认认其其合合理理、有效后方可用于工程设计。有效后方可用于工程设计。实实际际工工程程结结构构分分析析软软件件计计算算结结果果,由由于于各各种种原原因因出出现现不不正正常常现现象象是是常常见见的的,需需要要设设计计人人根根据据自自己己的的知知识识和和经经验验进进行行分分析析、判判断断,做做出出相相应应处处理理是必要的,否则可能造成设计不合理或安全隐患。是必要的,否则可能造成设计不合理或安全隐患。5高层建筑结构布置原则高层建筑结构布置原则满足多道防线的要求满足多道防线的要求。满足各种体系的最大适用高度。满足各种体系的最大适用
5、高度。有明确的水平及竖向荷载传力途径,传力途径越有明确的水平及竖向荷载传力途径,传力途径越短短、越直接、越直接越好。越好。用于抵抗侧力而引起倾覆弯矩的竖向构件之间的用于抵抗侧力而引起倾覆弯矩的竖向构件之间的距离尽可能大一些。距离尽可能大一些。将竖向荷载尽可能多地传递至这些用于抵抗侧向将竖向荷载尽可能多地传递至这些用于抵抗侧向力的竖向构件。力的竖向构件。尽可能使这些抵抗侧向力的竖向构件承受轴向压尽可能使这些抵抗侧向力的竖向构件承受轴向压力,减少承受拉力或弯矩。力,减少承受拉力或弯矩。位移最大处并不一定是最危险的部位。位移最大处并不一定是最危险的部位。6设计地震动参数设计地震动参数 当有安评时,小
6、震应全部采用安评参数或全部当有安评时,小震应全部采用安评参数或全部用规范参数,对二者的基底剪力加以比较,用规范参数,对二者的基底剪力加以比较,按不按不利情况采用。不得部分采用安评参数,部分采用利情况采用。不得部分采用安评参数,部分采用规范参数!规范参数!当按安评参数设计时,当按安评参数设计时,需满足对应于安评反应需满足对应于安评反应谱水平地震影响系数最大值谱水平地震影响系数最大值max的楼层最小地的楼层最小地震剪力:震剪力:min=0.2(0.15)max 采用规范参数时,采用规范参数时,需注意在不同类别场地分界需注意在不同类别场地分界附近的设计特征周期内插。附近的设计特征周期内插。注意山区局
7、部地形地震作用的调整注意山区局部地形地震作用的调整(山顶建筑山顶建筑水平地震力放大水平地震力放大1.11.11.61.6)。)。7设计反应谱特征周期插值法设计反应谱特征周期插值法 特征周期特征周期TgTg是反应谱动参数之一,又称为反应是反应谱动参数之一,又称为反应谱平台拐点,特征周期越长,地震作用越大。谱平台拐点,特征周期越长,地震作用越大。特征周期根据场地类别和设计地震分组确定。特征周期根据场地类别和设计地震分组确定。类类类类类类一一组组0.35s0.45s0.65s二二组组0.40s0.55s0.75s三三组组0.45s0.65s0.90s8特征周期插值法的规定特征周期插值法的规定 抗规抗
8、规4.1.6规定:当有可靠的剪切波速和覆盖规定:当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于表层厚度且其值处于表4.1.6所列场地类别的分界线所列场地类别的分界线附近时,附近时,应允许按插值方法确定地震作用计算所应允许按插值方法确定地震作用计算所用的特征周期。用的特征周期。9边界线附近(相差边界线附近(相差15%15%的范围)的范围)l岩石的剪切波速或土的等效剪切波速(计算深度岩石的剪切波速或土的等效剪切波速(计算深度取覆盖层厚度和取覆盖层厚度和20m20m的较小值)的较小值)150m/s150m/s:127.5m/s 127.5m/s 172.5m/s172.5m/s250m/s250m/s:2
9、12.5m/s 212.5m/s 287.5m/s287.5m/s500m/s500m/s:425.0m/s 425.0m/s 575.0m/s575.0m/sl覆盖层厚度覆盖层厚度15m15m:12.75m12.75m17.25m17.25m50m50m:42.5m 42.5m 58.5m58.5m80m80m:68.0m 68.0m 92.0m92.0m10虚线范围内为边界线附近(相差虚线范围内为边界线附近(相差15%15%的范围)的的范围)的TgTg值。值。相邻等值线差值:一组相邻等值线差值:一组0.01s 0.01s 二组二组0.012s 0.012s 三组三组0.015s0.015s
10、。三条边界线:三条边界线:一组一组0.5(0.25+0.35)=0.300.5(0.35+0.45)=0.400.5(0.45+0.65)=0.55二组二组0.5(0.30+0.40)=0.350.5(0.40+0.55)=0.470.5(0.55+0.75)=0.65三组三组0.5(0.35+0.45)=0.400.5(0.45+0.65)=0.550.5(0.65+0.90)=0.7711582136812周期、振型分析周期、振型分析控制沿两个主轴方向的基本周期比:控制沿两个主轴方向的基本周期比:两个主轴方向基本周期应为平动为主的第一自两个主轴方向基本周期应为平动为主的第一自振周期振周期T
11、 T1 1(TxTx1 1或或TyTy1 1)与平动为主的第二自振周)与平动为主的第二自振周期期T T2 2(TyTy1 1或或TxTx1 1),且),且T T2 2/T/T1 1宜宜0.80.8。控制第一阶平动振型与扭转振型的分离程度控制第一阶平动振型与扭转振型的分离程度(宜(宜70%70%)。)。通过高低阶的振动频率判断结构的变形特征:通过高低阶的振动频率判断结构的变形特征:弯曲变形的低高阶频率比弯曲变形的低高阶频率比1:4:91:4:9 剪切变形的低高阶频率比剪切变形的低高阶频率比1:2:31:2:3不同软件计算结果相差不大于不同软件计算结果相差不大于10%10%。13沿主轴两个方向分别
12、有沿主轴两个方向分别有“第第N”阶振型阶振型何为何为“第一第一”、“第二第二”,“第第N N”阶振型?阶振型?有几个有几个“振幅零点振幅零点”就是第几阶振型就是第几阶振型 第一阶振型第一阶振型第二阶振型第二阶振型第三阶振型第三阶振型14注意平动振型与扭转振型的分离程度:注意平动振型与扭转振型的分离程度:在结构的刚度、质量均匀性未调整至足够好,以在结构的刚度、质量均匀性未调整至足够好,以至于结构的第一阶振型中不存在至于结构的第一阶振型中不存在足够纯粹足够纯粹的侧振的侧振振型和扭振振型时,此时的周期比满足或者不满振型和扭振振型时,此时的周期比满足或者不满足要求,都不能说明任何问题。足要求,都不能说
13、明任何问题。先调刚度和质量的均匀性,再采取措施(加强外先调刚度和质量的均匀性,再采取措施(加强外圈)提高抗扭能力,最后验算周期比、位移比,圈)提高抗扭能力,最后验算周期比、位移比,这个顺序不能颠倒或遗漏。这个顺序不能颠倒或遗漏。15横向:横向:1/2.37:1/0.61:1/0.28=1:3.9:8.51/2.37:1/0.61:1/0.28=1:3.9:8.5纵向:纵向:1/2.23:1/0.72:1/0.38=1:3.1:5.91/2.23:1/0.72:1/0.38=1:3.1:5.916弹性时程分析法弹性时程分析法 输输入入的的地地震震加加速速度度时时程程曲曲线线应应满满足足地地震震动
14、动三三要要素素要要求求,即即有有效效加加速速度度峰峰值值、频频谱谱特特性性和和持持时时的的要求。要求。多多条条波波计计算算的的结结构构基基底底剪剪力力平平均均值值不不小小于于振振型型分分解解反反应应谱谱法法的的80%80%。其其中中单单条条波波计计算算的的结结构构基基底底剪剪力力不不小小于于振振型型分分解解反反应应谱谱法法的的65%65%。实实际际地地震记录(天然波)不少于总数的震记录(天然波)不少于总数的2/32/3。每每一一组组波波形形的的有有效效持持续续时时间间一一般般不不少少于于结结构构基基本本周周期期的的5 51010倍倍和和15s15s,地地震震波波的的时时间间间间距距可可取取0.
15、01s0.01s或或0.02s0.02s;对对于于有有效效持持续续时时间间,以以波波形形在在首首次次出出现现0.10.1倍倍峰峰值值为为起起点点,以以最最后后出出现现0.10.1倍倍为为终终止点,选择所对应的区间作为有效持时的范围。止点,选择所对应的区间作为有效持时的范围。17 输输入入地地震震加加速速度度记记录录的的地地震震影影响响系系数数与与振振型型反反应应谱谱法法主主要要周周期期点点采采用用的的地地震震影影响响系系数数相相比比,在在各各周周期期点点上上相相差差不不宜宜大大于于20%20%。地地震震加加速速度度时时程程曲线曲线可可通过傅里叶变换与反应谱进行比较通过傅里叶变换与反应谱进行比较
16、。小震弹性时程对应的地震小震弹性时程对应的地震影响系数曲线与规范对比影响系数曲线与规范对比(主要周期点比较)(主要周期点比较)maxmax-18弹性时程计算结果应用弹性时程计算结果应用:各层地震剪力各层地震剪力 取时程法和振型分解反应谱法的较大值,并相应取时程法和振型分解反应谱法的较大值,并相应调整配筋调整配筋。各层层间位移各层层间位移(或顶点位移或顶点位移)以时程法和振型分解反应谱法的较大值控制以时程法和振型分解反应谱法的较大值控制。发现薄弱层发现薄弱层 时程法的层地震剪力、层间位移突变的楼层时程法的层地震剪力、层间位移突变的楼层。19抗震设计楼层最小地震剪力要求抗震设计楼层最小地震剪力要求
17、 抗规抗规第第5.2.55.2.5条规定了楼层最小地震剪力条规定了楼层最小地震剪力要求,这是由于地震影响系数在长周期段下降较要求,这是由于地震影响系数在长周期段下降较快,由此计算所得的结构地震效应可能太小;而快,由此计算所得的结构地震效应可能太小;而对于长周期结构,地震作用中的地面运动速度和对于长周期结构,地震作用中的地面运动速度和位移可能对结构破坏具有更大影响。位移可能对结构破坏具有更大影响。不满足要求时,应调整抗侧力刚度或对楼层不满足要求时,应调整抗侧力刚度或对楼层剪力进行调整(应整体调整)。剪力进行调整(应整体调整)。重点是剪力调整后,各项指标(如位移、强重点是剪力调整后,各项指标(如位
18、移、强度等)应满足要求。度等)应满足要求。20加速度控制段加速度控制段 速度控制段速度控制段 位移控制段位移控制段GB50011-2010中国中国TJ11-74,78中国中国GBJ11-89 74、89规范均规范均规定地震影响系规定地震影响系数下限不应小于数下限不应小于最大值的最大值的20%;01、10规范改规范改为规定为规定“楼层最楼层最小地震剪力系数小地震剪力系数”。最小地震剪力系数 min类 别6度7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于3.5s 的结构0.0080.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5s 的结构0.0060.012(0.018)0.024(
19、0.032)0.048min=0.2(0.15)max22 对对min质疑质疑 同一幢高同一幢高层层建筑,建于建筑,建于IVIV类场类场地地时时,剪重比可,剪重比可以以满满足足规规范要求,建于范要求,建于IIII类场类场地地时时,反而不,反而不满满足。足。对质疑的解释对质疑的解释 问题问题的关的关键键是建于是建于IVIV类场类场地、剪重比地、剪重比满满足足规规范范要求要求时时,高,高层层建筑建筑各项指标(如位移、强度等)各项指标(如位移、强度等)是否满足规范要求。如满足要求,是否满足规范要求。如满足要求,同一幢高同一幢高层层建建筑建于筑建于IIII类场类场地地时时,抗震安全度是有保证的。抗震安
20、全度是有保证的。23不满足最小剪重比要求时:不满足最小剪重比要求时:剪力调整剪力调整(应全部楼层整体调整)(应全部楼层整体调整)刚度调整刚度调整(剪力整体调整后,位移等指标不满足(剪力整体调整后,位移等指标不满足要求时)要求时)剪力调整要求:剪力调整要求:基本周期处于加速度控制段基本周期处于加速度控制段 各楼层乘以同样大小的增大系数。各楼层乘以同样大小的增大系数。基本周期处于位移控制段基本周期处于位移控制段 按底部剪力系数的差值增加各层的地震剪力。按底部剪力系数的差值增加各层的地震剪力。基本周期处于速度控制段基本周期处于速度控制段 顶部增加值取动位移作用与加速度作用的平均值,顶部增加值取动位移
21、作用与加速度作用的平均值,中间各层按线性分布。中间各层按线性分布。24系列系列1-1-计算的剪重比曲线计算的剪重比曲线 系列系列2-2-计算结果计算结果1.61.6的剪重比曲线的剪重比曲线 (基本周期位于加速度控制段)(基本周期位于加速度控制段)系列系列3-3-计算结果计算结果+0.6+0.6的剪重比曲线的剪重比曲线 (基本周期位于位移控制段)(基本周期位于位移控制段)系列系列4-4-底部底部+0.6+0.6、顶部取系列、顶部取系列2 2、系列、系列3 3的平均值、中间层线性分布的平均值、中间层线性分布 (基(基本周期位于速度控制段)本周期位于速度控制段)系列系列5-5-按旧规范要求,不满足部
22、分放大后的曲线按旧规范要求,不满足部分放大后的曲线0.01框架核心筒结构的外框剪力要求框架核心筒结构的外框剪力要求 规规范范规规定定:框框架架部部分分按按侧侧向向刚刚度度分分配配的的楼楼层层地地震震剪剪力力标标准准值值的的最最大大值值不不宜宜小小于于底底部部总总地地震震剪剪力力标准值的标准值的10%10%。疑疑问问:到到底底是是最最大大值值还还是是最最小小值值?如如果果是是最最大大值,为什么?值,为什么?26框剪结构与框筒结构的不同要求:框剪结构与框筒结构的不同要求:框剪结构框剪结构框架按二道防线设计(剪力调整)框架按二道防线设计(剪力调整)框架至少承担框架至少承担min0.2Vo,1.5Vf
23、,max框筒结构框筒结构比框剪结构比框剪结构更严(避免外框刚度过弱)更严(避免外框刚度过弱)同样满足上式要求:同样满足上式要求:按刚度分配的按刚度分配的Vf,max0.1Vo,框架承担,框架承担 0.15Vo 尚需满足:尚需满足:按刚度分配的按刚度分配的Vf,max0.1Vo,框架承担,框架承担 0.15Vo,各层核心筒墙体地震剪力各层核心筒墙体地震剪力1.1,提高核心筒抗震等级。提高核心筒抗震等级。注:框筒结构按刚度分配的框架楼层地震剪力较为均匀注:框筒结构按刚度分配的框架楼层地震剪力较为均匀(加强层除外)。(加强层除外)。27 框架、核心筒的层地震剪力分配框架、核心筒的层地震剪力分配 方向
24、方向X XY Y 基底总地震剪力(基底总地震剪力(kNkN)18974189741724517245X向地震Y向地震28 X X向向 Y Y向向29 对于框架核心筒结构,规定外框架承担一定比对于框架核心筒结构,规定外框架承担一定比例地震剪力的目的,是为了保证外框架的抗侧力例地震剪力的目的,是为了保证外框架的抗侧力刚度,与核心筒形成双重抗侧力体系。刚度,与核心筒形成双重抗侧力体系。由于框筒结构按刚度分配的框架楼层地震剪力由于框筒结构按刚度分配的框架楼层地震剪力较为均匀(加强层除外),满足较为均匀(加强层除外),满足“除加强层外,除加强层外,楼层楼层地震剪力标准值的地震剪力标准值的最大值最大值不宜
25、小于底部总地不宜小于底部总地震剪力标准值的震剪力标准值的10%10%”的要求,可达到上述目的。的要求,可达到上述目的。对于超对于超B B级高度工程,要求框架部分按侧向刚级高度工程,要求框架部分按侧向刚度分配的度分配的大部分大部分楼层地震剪力标准值,一般不宜楼层地震剪力标准值,一般不宜小于底部总地震剪力标准值的小于底部总地震剪力标准值的7 710%10%。30框架核心筒结构不同楼板体系的比较框架核心筒结构不同楼板体系的比较 有梁楼板框架核心筒有梁楼板框架核心筒 平板框架核心筒平板框架核心筒框架核心筒结构中,除周边框架外,内部带有部框架核心筒结构中,除周边框架外,内部带有部分仅承受竖向荷载的柱与无
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