44楼
高层建筑结构抗震分析综述会对100个涉及抗震分析的问题给出评估及意见。希望与大家分享及讨论!!
1、《高规》JGJ3-2002的主要修改内容是什么?
相对原《高规》JGJ3-91的主要修改内容列举如下:
⒈适应范围提高为10层及10层以上或房屋高度超过28M的混凝土结构高层民用建筑(原为8层,24M)
⒉按标准编写要求,增加了术语和符号一章;
⒊风荷载基本值的重现期由30年一遇改为50年一遇,重要的或对风荷载比较敏感的高层建筑采用100年重现期的基本风压值;增加了直升机平台的活载取值;
⒋地震作用增加了长周期反应谱.不同阻尼比的调整¸双向地震作用计算以及楼层地震剪力系数(剪重比)最小值的规定;地震作用计算的底部剪力法移入了附录;增加了结构在计算单向地震作用时,考虑偶然偏心的规定;
⒌调整了A级高度高层建筑的最大适用高度,增加了B级高度高层建筑的最大适用高度及高宽比限值,对B级高度高层建筑结构的规则性,作用效应计算及构造措施提出了比A级高度更严的规定;
⒍补充了结构平面和竖向布置的规则性界限,以及扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期比值的规定,强调概念设计的重要性;
⒎改进了结构层间位移角的限制条件,取消了结构顶点位移的限制条件,增加了150M以上高层民用建筑的舒适度要求;
⒏调整了构件抗震等级的划分标准,适应B级高度高层建筑的需要,增加了特一级抗震等级及相应的计算和构造措施;
⒐增加了结构计算分析的有关规定,主要包括:计算模型简化,叁数取值,计算方法,计算软件选用,计算结果应用,重力二阶效应计算等的规定,改进了结构整体稳定计算和倾覆验算;
⒑增加和修改了框架,剪力墙,框-剪以及筒体结构体系中结构布置的有关规定;
⒒抗震设计时,调整了强柱弱梁,强剪弱弯,剪力墙底部加强部位,框支柱等内力增大系数,以及梁,柱节点,剪力墙的受剪承载力验算公式
⒓调整了柱轴压比限制条件及加密区箍筋的构造措施;
⒔调整了构件最小配筋率等构造措施,增加了柱,剪力墙箍筋配箍特征值要求;
⒕调整了钢筋混凝土构件受力钢筋锚固和连接的有关规定;
⒖增加了剪力墙轴压比限制条件以及约束边缘构件的规定,调整了构造边缘构件的有关要求;增加了具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构的有关设计规定;
⒗抗震设计时,改进了框—剪结构中框架柱地震剪力的调整方法;增加了板柱—剪力墙结构的有关设计要求;
⒘增加了复杂高层建筑结构的有关设计规定,包括带转换层的结构,带加强层的结构,错层结构,多塔结构,连体结构等;
⒙增加了钢和混凝土混合结构高层建筑的有关设计规定;
总体来看:经过上述方面的调整,本规程较原规程设计可靠度水准提高7.8~14.2%(其余新规范、新规程亦然),按新规范进行设计的各类房屋结构的抗震设防水平略有提高,结构造价增加幅度约为3-5%。钢筋混凝土结构的用钢量大约比原规程增15 %左右 ,为了降低用钢量建议大家尽量用新III(HRB400)级钢,这样以来用钢量大约比原规程只增 4%左右。
目前一些工程中普遍推广使用二级(HRB335)、新三级(HRB400)钢筋,其中板中使用二级钢,梁、柱使用三级钢,由于新三级钢有小直径(从6~50mm),也可用在大跨度板及梁中作箍筋。
所谓新III级钢是因为历史上曾有过III级钢,当时的牌号是25MnSi,因其碳当量偏高且可焊性较差,其屈服强度也由原来的400Mpa降为370Mpa.因此没有被广范应用。
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2、什么是概念设计?
高层建筑结构设计中应注重概念设计,重视结构的选型和平,立面布置的规则性,择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系,加强构造措施。在抗震设计中,应保证结构的整体抗震性能,使整个结构具有必要的承载力,刚度和延性。应该来讲概念设计在初步设计阶段特别重要,设计中不能陷入只凭计算的误区。不要忙目的依赖计算结果,规范第5.1.16条明确要求对结构分析软件的计算结果,应进行分析判断,确认其合理,有效后方可作为工程设计的依据。
结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位,地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位,导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用,在此前题下,才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施,或采用动力时程分析进行验算,试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。对一个结构并非设计的越刚强越好,一个好的设计应该是“结构刚度、承载力、延性,经济性批配”具体体现在以下方面:
1结构的简单性
结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径,结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握,对结构抗震性能的估计也比较可靠。
2结构的规则和均匀性
⑴沿建筑物竖向,建筑造型和结构布置比较均匀,避免刚度、承载能力和传力途径的突变,以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。这些部位将产生过大的应力集中或过大的变形,容易导致结构过早地倒塌。
⑵建筑平面比较规则,平面内结构比较均匀,使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递,并使质量分布传递,并使质量分布与结构的刚度分布协调,限制质量与刚度之间的偏心。建筑平面规则,结构布置均匀,才有利于防止薄弱的子结构过早破坏,倒塌,使地震作用能在各子结构之间重分布,增加结构的赘余度数量。发挥整个结构耗散地震能量的作用。
3结构的刚度和抗震能力
⑴水平地震作用是双向的,结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常,可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力,结构的抗震能力则是结构强度及延性的综合反映。
⑵结构刚度选择时,虽可考虑场地特征,选择结构刚度,以减少地震作用效应,但也要注意控制结构变形的增大,过大的变形将会因Ρ-Δ效应过大而导致结构破坏。
(3)结构除需要满足水平方向的刚度和抗震能力外,还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。因现有抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量,所以在概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。
(4)在设计上和构造上要考虑多道设防。如框架结构采用强柱弱梁设计,使梁屈服后柱仍能保持稳定;框架---剪力墙结构设计使连梁首先屈服,然后使墙肢,框架作为第三道防线;剪力墙结构通过构造措施保证连梁先屈服,并通过空间整体性形成高次超静定等。
4结构的整体性
⑴高层建筑结构中,楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖就相当水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构,而且要使这些子结构能协同承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时,整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和抗力,并与竖向各子结构有效连接,当结构空旷,平面狭长或平面凹凸不规则或楼盖开大洞时,要特别注意。
⑵高层建筑基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。
总之:概念设计是一种设计的思路,可以认为是定性的设计 ,概念设计不以精确的力学分析,生搬硬套的规范条文为依据,而是由我们对工程进行概括的分析,制定设计目标,采取相应措施。 概念设计概念包括安全度的概念、力学的概念、材料的概念、荷载的概念、地震的概念,施工的概念、使用的概念等等。概念设计要求我们融合这些概念,并贯彻到结构方案设计、结构构件布置、计算简图抽象、计算结果处理中。对理论无法明确的部位,要有定性的认识。
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概念设计反映的具体的设计工作中大体有以下内容:
1.明确设计目标(三个水准设防),即大震不倒,中震可修,小震不坏等就是抗震设计的基本目标。为了实现这一目标,就要进行二阶段抗震设计。即第一阶段应满足“小震不坏、中震可修”的抗震要求,为此,应按多遇地震(即比设防烈度低1.55度)的地震动参数计算地震作用,进行内力组合、截面配筋计算,并相应采取构造措施保证结构的延性,使之具有与第二水准(设防烈度)相应的变形能力,从而实现“小震不坏、中震可修”。第二阶段设计:对地震时抗震能力低、容易倒塌的高层建筑结构,要进行薄弱层的塑性变形验算,并采取措施提高薄弱层的承载力及变形能力,使薄弱层的塑性水平变位不超过允许的变位。
2. 结合建筑、设备、地质等形成一个结构模型,包括:结构体系,基础形式,三缝,构件尺寸,计算简图等。
3对结构计算书结果进行评估,确定各结构构件的安全度。
4 对理论分析结果进行补充,如加强,调幅等。
5.设计好保证结构能发挥作用的构造措施。
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《混凝土高规》适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的非抗震设计和抗震设计烈度为6~9度的高层民用建筑结构。
对于不超过10层或房屋高度不超过28m但接近10层或28m(如8层或24m)的混凝土民用建筑科参照《混凝土高规》的相关规定执行。对于层数较少、房屋高度较矮的混凝土房屋,《混凝土高规》的某些规定可根据具体情况适当放松;《混凝土结构设计规范》GB50010-2002、《建筑抗震设计规范》GB50011-2002(以下分别简称《混凝土规范》、《抗震规范》)有关多层建筑也有一些规定。
今后,随着规范的不断完善,对于多层混凝土结构房屋的结构设计,宜有更详细的专门规定。
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基本风压按《混凝土高规》第3.2.2条的规定采用,但不得小于0.3N/ 。
对于特别重要的高层建筑,目前尚无统一、明确的定义,一般可根据《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001规定的设计使用年限和安全等级确定。设计使用年限为100年的或安全等级为一级的高层建筑可认为是特别重要的高层建筑。
对风荷载是否比较敏感,主要与高层建筑的自振特性有关,如结构的自振频率和振型等。对于前几阶振型频率比较密集、振型比较复杂的高层建筑结构,高振型影响不可忽视,仅采用考虑第一振型影响的风振系数来估计风荷载的动力作用,有时不能全面反映建筑物对风荷载的动力影响,可能偏于不安全,因此适当地提高风压取值。为了便于条文的执行,《混凝土高规》条文说明指出,一般情况下,房屋高度大于60m的高层建筑可取100年一遇的风压值;对于房屋高度不超过60m的高层建筑,其风压取值是否提高,可由设计人员根据实际情况确定。对于侧向刚度较大的高层建筑结构,房屋高度大于60m时也可按50年一遇的基本风压计算风荷载。
对房屋相互间距较近的建筑群,由于旋涡的相互干扰,房屋的某些部位的局部风压会显著增大,设计时宜考虑其不利影响。群体效应一般与建筑物的相对高度、距离、方位、体型等有关,情况比较复杂,我国现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009-2001尚未给出具体计算方法,一般可将风荷载体型系数进行放大,如《混凝土高规》第3.2.7条的要求。
风洞试验表明,风对群集建筑物的荷载增大效应往往是局部的,表现为局部风压的增大。对于有参考经验的情况,可采用已有的放大系数;对比较重要的或体型、环境非常复杂的高层建筑,建议通过边界风洞试验考虑风荷载作用。
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鉴于高层建筑的重要性且结构计算软件应用已十分普遍,因此规定所有6度抗震设计的高层建筑也进行地震作用和作用效应计算,而不仅仅限于四类场地上的较高房屋。通过计算,可与无地震作用效应组合工况进行比较,并可采用有地震作用组合的柱轴压力设计计算柱的轴力等,方便抗震设计。
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50楼
国外多数抗震设计规范认为,需要考虑由于施工、使用等因素所引起的质量偶然偏心或地震地面运动的扭转分量的不利影响。现行国家标准《抗震规范》中,对平面规则的结构,采用增大边榀结构地震作用效应的简化方法考虑偶然偏心的影响。
对于高层建筑而言,规定直接取垂直于地震作用方向的建筑物每层投影长度的5%作为该层质量偶然偏心来计算单向水平地震作用,是和国外有关标准的规定一致的。
实际计算时,可将每层质心沿参考坐标系的同一方向(正向或负向)偏移,分别计算地震作用和作用效应;也可近似按照原始质量分别情况计算地震作用,再按规定的质量偶然偏心位置分别施加计算的地震作用,分别计算结构的地震作用效应。
对于连体结构、多塔楼结构,相对分离的塔块可按自身的边长确定相应楼层的质量偶然偏心值。
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51楼
强震观测表明,几乎所有地震作用都是多向性的,尤其时沿水平方向和竖向的振动作用。《混凝土高规》第3.3.2条规定了考虑计算双向地震作用的情况,即质量与刚度分布明显不均匀、不对称的结构。“质量与刚度分布明显不均匀不对称”,主要看结构刚度和质量的分布情况以及结构扭转效应的大小,总体上是一种宏观判断,不同设计者的认识有一些差异是正常的,但不应该产生质的差别。一般而言,可根据楼层最大位移与平均位移之比值判断,若该值超过扭转位移比下限1.2较多(比如A级高度高层建筑大于1.4、B级高度或复杂高层建筑等大于1.3),则可认为扭转明显,需考虑双向地震作用下的扭转效应计算,此时,判断楼层内扭转位移比值时,可不考虑质量偶然偏心的影响。、8
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质量偶然偏心和双向地震作用都时客观存在的事实,是两个完全不同的概念。在地震作用计算时,无论考虑单向地震作用还是双向地震作用,都有结构质量偶然偏心的问题;反之,不论是否考虑质量偶然偏心的影响,地震作用的多维性本来都应考虑。显然,同时考虑二者的影响计算地震作用原则上是合理的。但是,鉴于目前考虑二者影响的计算方法并不能完全反映实际地震作用情况,而是近似的计算方法,因此,二者何时分布考虑以及是否同时考虑,取决于现行规范的要求。
按照《混凝土高规》的规定,单向地震作用计算时,应考虑质量偶然偏心的影响;质量与刚度分布不均匀、不对称的结构,应考虑双向地震作用计算。因此,质量偶然偏心和双向地震作用的影响可不同时考虑。如此规定,主要是考虑目前计算方法的近似性以及经济方面的因素。
至于考虑质量偶然偏心和考虑双向地震作用计算的地震作用效应谁更为不利,会随着具体工程的不同,或同一工程的不同部位(不同构件)而不同,不能一概而论。因此,考虑二者的不利情况进行结构设计,显然是不可取的。
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对水平地震作用而言,只要结构的刚度中心和质量中心不重合,则必定有地震扭转效应。按《混凝土高规》第3.3.2条第2款的规定,无论单向还是双向地震作用,均应考虑地震扭转效应。
单向地震作用是指每次仅考虑一个方向地震输入,其作用和作用效应可采用非耦联或耦联的振型分解反映谱方法计算,前者主要适用于简单规则的结构。单向地震作用的非耦联计算,也应考虑扭转效应(质心与刚心不重合时),但忽略了平动与扭转振型的耦联作用;单向地震作用的耦联计算,按《混凝土高规》(3.3.11-1)和(3.3.11-6)式进行,已包含了平扭耦联效应。
目前,双向地震作用是考虑两个垂直的水平方向同时有地震输入时的作用和作用效应计算,每个方向的地震作用和作用效应均按《混凝土高规》(3.3.11-1)~(3.3.11-6)式计算,然后按(3.3.11-7)和(3.3.11-8)式计算双向地震作用效应,并取二者的较大值。因此,在需要考虑双向水平地震作用计算的情况下,双向地震作用效应应一定大于不考虑质量偶然偏心的单向地震作用效应。
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