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Key Words: civil building structural design principle of the new situation
中图分类号:TB482.2文献标识码:A 文章编号:
民用建筑工程与人们的生产、生活紧密相连,对其结构的设计工作在整个民用建筑工程中有十分重要的作用。民用建筑的设计工作既繁重,又承担着巨大的责任,并直接影响着建筑物本身的经济性、安全性、舒适性和耐久性。民用建筑设计的对象是以居住为主要功能的建筑。民用建筑设计在当今社会中,秉承着“以人为本”的设计理念,同时还要求设计者能在设计方法上不断创新,在设计思路上拓展得更宽。
一、结构抗震的概念设计
结构抗震的概念设计是指通过地震对建筑结构的整体效应来有效地解决建筑结构设计中存在的基本问题,具体包括分析建筑结构的破坏机制和过程。在设计时,设计师要考虑到建筑结构的整体布局,更不能忽略那些关键部位的设计细节,这样,才能从根源上提高建筑结构的总体抗震能力。
二、民用建筑结构设计存在的问题――不容乐观的设计质量和设计审查
通过笔者对民用建筑结构设计文件审查工作的经验,总结数百个设计工程,诸如北京、上海等省市地区的设计单位(其中包括很多大型甲级设计单位),得出目前建筑结构设计在结构的布置、结构的体系、结构的计算、电算的总信息、地基的基础方案、荷载的取值、钢筋混凝土的构造等方面存在着诸多问题,构件或配筋经常少于计算值所得,从这个角度上来说,没有一个工程在进行电算总信息时是完全正确的。这对于施工设计来说,后果是不可估量的,很多建筑结构设计都需要整改才能够进行施工。
目前建筑结构设计的市场十分混乱,普遍出现大量行贿索贿、挂靠设计、业余设计、压价竞争等现象。设计周期严重短于国家明文规定更是司空见惯的现象。特别是20世纪80年代之后成立的中小型建筑结构设计单位以及县级的施工图的审查机构,因设计或审查的人员配备不充足、缺乏相应完善的管理制度、审查制度以及设计经验不足,在设计和审查方面存在很大的质量问题。很多大型的工程在进行施工图审查时,一次合格率相当低下,甚至低于20%,近乎违反一千多条强制性条文,存在重大的质量问题。
(一)结构设计不合理
结构设计不合理,存在较大安全隐患,不能按照按照建筑的抗震设计有关规定严格执行。不按照规定进行荷载的取值计算现象十分严重,很多结构设计与计算书之间存在明显的不符,计算结果超过结构强度本身,严重威胁建筑物的质量。
(二)设计深度不合规定
建筑结构设计图纸存在着偷工减料的现象,设计粗糙,缺少应有的配套系统图及大样图,细节模糊,忽视重要的参数或安全等级,责任推诿。这些都源于设计人员对于民用建筑结构设计的不重视,自身学识不够,生搬硬套,缺乏正确的运算和经验。
(三)结构计算不严谨
民用建筑结构设计在计算上存在的问题主要有以下三个方面:
荷载取值不当。
多层框架的民用建筑采用独立基础,如果地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层,当建筑物高度低于八层且在25米以下,尽管不用验算其地基的抗震承载能力,但是还是应该考虑风荷载的作用。
2.验算底框砌体不当。
3.结构周期的折减系数。
一般而言,实际的刚度比计算时大,实际的周期比计算时小,所以计算地震承载力一般要小,这是结构存在安全隐患的因素之一,计算周期时的折减就显得尤为重要。
(四)构造设计不恰当
地基基础设计问题和框架结构设计问题是民用建筑结构设计中时常出现的重要问题。不恰当的选用柱基类型,加上不当的施工操作,不仅会给施工质量的完成带来影响,还会对周围施工的环境造成损毁。
(五)材料选用和结构体系不合理
选用材料、结构体系对于工程技术人员是重要的工程要素。尤其体现在高层民用建筑上,根据我国建筑钢材的分类,民用高层建筑在选材上应尽量使用钢管混凝土结构或钢骨混凝土结构等,以减少柱基断面的尺寸、提高防震效果。
规则性差、抗震机构不合理、楼层错层是民用建筑工程中常出现的问题。根据我国民用建筑结构设计中关于抗震方面的设计要求,一般对于高层结构尽量不使用复杂结构。避免楼板开洞过大导致结构不规则,从而影响结构的抗震效果。
很多实际的建筑工程中都出现了规则性差以及抗震结构不利等现象,还有就是楼层出现错层的问题。如果在高层的建筑中出现大范围的错层,那么楼板的连续性则会出现问题,这种结构一旦形成对于抗震是非常不利的。此外,一些民用的高层建筑存在薄弱层可是又没有补救的抗震措施。按照我国对于高层建筑中抗震设计的相关要求,一般高层结构是不能采用两种或者两种以上的复杂结构。而楼板开洞过大也会造成结构的不规则,影响结构的抗震效果。
三、民用建筑结构设计基本原则
结构设计遵循的基本原则是:安全可靠、经济合理、符合规范、施工方便。
(一)安全可靠,规范施工
设计人员应尽量规范自己的行为,使民用建筑的结构设计达到行业标准。在对建筑进行结构体系、结构荷载、刚度、强度、结构、计算、布置等方面的设计工作时,设计人员不仅要做到不违反政府出台的相关强制性条文,还应该尊重细节,严格执行相关的规章制度。
(二)经济合理
民用建筑结构设计不仅要符合安全可靠的原则,还应该考虑到经济合理的原则,不能过度浪费,保证在正常的施工条件下,施工建筑按照我国规范设计,确保工程安全顺利开展。
(三)施工方便
进行民用建筑结构设计时要遵守方便施工的原则。例如:不可使混凝土强度和等级的种类过多,这样不仅影响施工造价,而且对工程质量产生一定影响。所以在一个构件内配筋不应太复杂,注意钢筋的根数和直径的种类不应太多。
四、建筑结构新技术的发展
(一)民用建筑中钢结构的推广
我国钢铁工业的蓬勃发展,为民用建筑行业的发展提供了极好的发展机遇。在民用建筑结构设计中的应用,钢结构与以往的混凝土结构和砖混结构相比较而言,具有以下三个特点:
1.钢材强度高
由于钢材的强度相对较高的特点,民用建筑设计方便于采用大开间的布置。但是混凝土结构以及砖混结构因材料性质的限制,影响了空间的自由布置。如果出现结构跨度过大的情况,就会导致构件尺寸的加大,不仅影响了美观,更加增大了结构自重,使造价相应增加。
2.综合经济效益好
由于考虑到钢结构体系能够对民用建筑产生极好的综合经济效益,在民用建筑工程中积极推广钢结构。民用建筑中的钢结构具有自重轻的特点(相对于砖混结构,是其自重的65%),减少了石土沙的使用量,更加适用于软弱地基。即使应用于其他的地基条件,同样有利于减少基础造价。
另外,在民用建筑中,钢结构的施工周期较短,可以加快资金周转,大大提高民用建筑投资方面的效益。
最后,基于钢结构建筑较高的性价比,不仅仅有利于环境和社会经济的可持续发展,还有利于建筑行业更快的适应产业化发展,具有发展前途,可以带动钢铁产业以及新型材料产业的迅猛发展。
(二)短肢剪力墙倍受青睐
短肢剪力墙结构吸收了传统框架结构的诸多优点,利用隔墙位置的灵活布置,提供较多的选择方案,有利于克服传统框架结构的一些缺点,得到广大设计师、开发商和用户的青睐。
(三)预应力大板结构的广泛应用
预应力混凝土的大板结构是指在柱和柱之间布明梁,楼板使用预应力大板,并在预应力大板上面直接布置隔墙的结构体系。随着这项技术的成熟,有利于施工成本的减少,平面设计更加灵活,便于二次装修改造,满足住户的个性要求。
总结:民用建筑的结构设计是一个十分复杂的系统,这不仅要求设计者在设计建筑结构时要严格计算每个构件,掌握每一个要点;还要求他们在对建筑物的整体结构进行宏观和细节上的设计时要严格按照国家制定的相关标准来操作,同时还应加强对建筑结构的抗震概念设计及性能设计,以提高我国民用建筑结构的设计水平,进而使我国建筑质量有质的飞跃。
参考文献:
[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001问答(5)至(8)索引[J].工程抗震,2004(01)
[2]混凝土结构设计规范修订动态[J].工程质量.,1999(01)
篇2
在建筑结构设计中,经常面临特殊问题需要特别处理,比如桩基先行的设计方法。“桩基先行”即是指在建筑结构设计中桩基先行设计,其他部分施工图再后续配合完善出图的情况。“桩基先行”的设计,在一定程度上不利于最大限度地控制成本,也可能导致各方面细节配合的不到位,出现设计不合理的情况,然而“桩基先行”又可以较大程度地节省工期,对于建设单位时间意味着经济效益。因此“桩基先行”在建筑结构设计中是确实存在的一个情况,本文将以项目实例(福州贵安某高层住宅)为分析对象,分析“桩基先行”的利与弊及其在实际施工操作中的可行性,对建筑结构设计中“桩基先行”的设计方法进行浅简的探讨与思考。
一、实例项目的简要工程概况
(一)实例项目概况
本项目位于福州市连江县潘渡乡,基地交通便利,该项目规划用地包括经营性房地产用地、商业金融用地、旅游文化服务用地以及其它用地。地块占地面积77701.01m2,由22栋住宅楼、13栋商业楼及纯地下车库组成,总建筑面积231643m2,其中住宅楼地下一层与纯地下车库相连通,商业楼沿小区规划道路而建。本文主要介绍20#楼的桩基设计。20#楼地上32层,其中一~三十二层均为住宅。地下一层为停车库、设备用房等。具体剖面见20#楼1-1剖图(如图1)。该楼属于A级高度的高层建筑。
(二)实例项目结构设计参数
1、地质概况。本工程地表下30米内的土层主要有5层(如图2),从上到下依次为残积土、全风化凝灰岩、砂土状强风化凝灰岩、碎块状强风化凝灰岩、中风化凝灰岩。本工程建设不受地下水影响,可不考虑地下水的腐蚀性。
2、抗震设防标准。本工程建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类),结构设计使用年限为50年,上部结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级;工程抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第三组,结构阻尼比在多遇地震作用下的弹性分析时取0.05,地震影响系数最大值为0.04;场地类别为2类,场地特征周期为Tg=0.45s。本工程基本风压按照50年重现期取值,为0.80 kN/m2,地面粗糙度类别为B类。
二、“桩基先行”设计方法的利弊与可行性
(一)“桩基先行”设计方法的弊处
1、不利于最大限度地控制成本。建筑结构设计中,如果桩基先行设计,其他部分施工图再后续配合完善出图,如果单从最大限度节约成本的角度上,是不太可取的。因为桩基设计时,专业间配合尚处于不是非常完善的程度,后面伴随着或多或少的调整,从这个意义上,桩基设计时承载力适当富余是势在必行的,毕竟结构整体安全是结构设计的底线。所以说桩基先行设计在一定程度上不利于最大限度地控制成本。
2、不利于各专业配合,可能导致设计不合理。正常情况下,施工图设计是个各专业往返提资配合,最终协调到位并出图的过程。随着社会经济发展,建筑设计的门槛和要求也变得越来越高,大方向确定的前提下,建筑细节变得尤为重要。而建筑细节的合理设计,正是这么一个慢慢磨合、协调甚至妥协的过程。桩基先行设计这个环节里,通常只是结构专业打头阵,其他各专业很难介入较深,由此较容易造成各方面细节配合的不到位,造成设计的不合理情况的出现。
(二)“桩基先行”设计方法的益处
1、可以较大程度地节省工期。桩基先行设计最为突出的优势就是可以较大程度地节省工期。毕竟施工图设计的整个周期少则一两个月,多则三五个月甚至以上,而时间通常意味着经济效益,也往往是建设单位最为注重的方面。桩基施工通常是个冗长的过程,按照统筹方法,施工图设计深化的几个月时间,用来施工桩基,自然是较佳的选择。
(三)“桩基先行”设计方法的可行性
从上述利弊分析可以得知,在地质勘察报告通过施工图审查单位审查,建筑专业平立面达到初步设计(或以上)深度,设备专业基本配合完毕的情况下,桩基先行设计是可行的,对注重工期的建设单位而言,更是至关重要。
三、“桩基先行”设计方法的步骤
1.确定结构计算参数
根据地质报告及相关规范,确定科学可行的结构计算参数。
2.试算
确定好结构计算参数之后,接下来较为重要的环节就是试算,用以确定结构体系。唯有结构体系完全确定下来,桩基设计才能随之进行,有序展开。对于本工程这种普通住宅而言,很大程度上,剪力墙的合理布置(须基本做到不对建筑的使用功能产生不良影响、不影响建筑立面效果、墙柱面积与建筑面积的比值基本在合理经济的范围内等等)即意味着结构体系的初步确定。还有一些重要的细节,必须在这一个环节得以确认,否则很有可能引起后期的返工、修改,如梁、板、墙混凝土强度等级分层变化、各非标准层的计算层高、地下室周边覆土情况、屋面以及电梯机房屋面的大概布置情况等等。
3.深化配合
对于普通高层住宅而言,桩基先行设计阶段中的结构专业深化配合,一般是指标准层要完全细化到位。建筑方案达到扩初(或以上)深度的时候,标准层平面基本上已经确定。此时标准层的细化工作即可随之开展。荷载细化自然是至关重要的一方面,其他关键的细节在于剪力墙墙厚(影响使用空间),墙肢长度(影响门窗宽度或者地下车位使用),外圈梁高(影响立面造型以及结构电算位移)等等。
4.预留一定富余量
如前文所说,结构整体安全是结构设计的底线,所以在建筑专业图纸尚未完全完善的阶段,既要先行设计桩基,又要在大的结构体系确定、不动摇的情况下,将结构各方面荷载考虑周全,确保后期施工图设计的时候不出现大范围增加以至于影响桩基安全度,则是对结构设计师很大的考验和挑战。
以本工程为例,建筑提资图纸深度略有不足,立面线脚、屋面、机房屋面均未完全深化设计。故在桩基设计时,本人大概估算了并预留了整栋楼周圈线脚的总重量(约为30KN/m),考虑了大屋面、电梯机房屋面找坡荷载【1.5 KN/㎡(跨度≤3m);2.0 KN/㎡(3m<跨度≤5);2.5 KN/㎡(5m<跨度≤7m】、电梯吊钩荷载,充分考虑了地下室顶板周边结构布置情况(因建筑地下室无法提资到位,故暂按周边均为9m跨度的顶板代入结构参与计算)做到了不疏忽、不遗漏、不浪费,确保了施工图阶段的建筑调整不会影响结构桩基的安全储备,使后期设计保持了一定的弹性。事实证明,也唯有正确、周到地考虑好这一切,并严格地执行,才可能做好桩基设计工作。
四、“桩基先行”设计与常规设计的后期比较
本工程于2012年1月顺利通过桩基施工图审查,并于3月份通过全部施工图审查。相比之下,建设单位比正常流程(全套施工图设计——审查通过——桩基施工)多获得了两个月的宝贵时间,由此也收获了较为客观的经济效益。
为了确保前期桩基设计的安全,本工程在施工图设计阶段的末段,对之前已出图的桩基进行了复核,原桩基均满足设计要求,且最终的剪力墙墙下内力均与桩基设计时偏差较小(约2%~3%)。由此可知,桩基先行设计方案是可行的,设计也较为合理。
通过上述对项目实例(福州贵安某高层住宅)的具体分析,本文认为“桩基先行”的设计方案存在利与弊,但在现实施工操作中,只要按照严谨科学的设计步骤,将结构各方面荷载考虑周全,本着对工程负责的态度,积极协调各专业的配合设计,“桩基先行”设计方法是可行的,具有操作性的。
参考文献:
[1]王宝烨.桩基基础的发展及其应用[M].建材技术与应用,2002.
[2]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].中国建筑工业出版社,2009.
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1.引 言
剪力墙结构是高层建筑中常用的结构形式,可以根据建筑隔墙灵活布置,具有刚度大,能有效承受竖向和水平作用力,变形小等优点。在结构设计中,剪力墙端柱与框架-剪力墙结构中的边框柱是不同的。对于框架-剪力墙中的边框柱主要是与梁或暗梁形成闭合的边框,应按照框架柱进行计算,并符合框架柱的相关构造要求;剪力墙底部加强部位边框柱的箍筋宜沿全高加密。对于带端柱剪力墙结构中的端柱则是作为剪力墙的一部分,对剪力墙提供约束作用,并有利于提高剪力墙的平面外稳定性能。因此,对于带端柱的剪力墙结构中端柱应该满足剪力墙结构边缘构件的要求;但当端柱承受集中荷载时,其纵向钢筋、箍筋直径和间距还应满足框架柱的相关要求。
在PKPM建模中,结构设计人员通常对与剪力墙的端柱采用柱模型,以黄色显示,造成对同一结构构件采用不同的单元进行模拟,使结构竖向荷载往往主要集中在端柱上。在实际受力情况中,距离竖向作用点以下足够远处,由于混凝土结构对竖向荷载的应力扩散作用,其竖向荷载不完全由端柱自己承担,而由墙+柱全截面共同承担竖向荷载及由竖向荷载引起的弯矩。事实上,剪力墙端柱并非承担竖向荷载的主体。
图1竖向荷载应力扩散示意图
2.现有方法存在的主要问题
对于带端柱的剪力墙,结构设计人员为了能够很好地模拟有端柱剪力墙的平面外刚度,在建模时通常采用墙+柱模型进行结构计算。这种墙、柱分离式的等效处理方法,并不符合实际情况,主要存在以下几个方面的问题:
(1)造成实际模型中端柱+墙的总截面面积要大于带端柱剪力墙的全截面计算面积,存在面积
误差,这将直接影响带端柱剪力墙的抗剪承载力。另外,模型中剪力墙墙肢的长度要比实际的剪力墙墙肢长度小,加大了带端柱剪力墙的面内刚度计算误差,使计算结果偏于不安全。
(2)当采用墙、柱不同单元等效处理建模计算时,带端柱的剪力墙平面内侧向刚度由框架柱
的刚度和剪力墙的面内刚度共同组成;而剪力墙的面内刚度又与墙肢的有限元单元网格的划分有关,单元网格划分的越细,剪力墙的刚度越小,端柱所承担的内力值也就越大;反之,则剪力墙的刚度越大,端柱承担的内力值也就越少。另外,墙元和柱元之间的内力主要取决于剪力墙、端柱之间的变形协调。目前很难准确计算剪力墙与端之间的变形协调关系及混凝土对竖向荷载的应力扩散作用。这些因素都会造成实际模型与真实情况不相符的情况。
在结构设计中采用墙+柱分离的等效处理方法,常导致同一结构构件中端柱与剪力墙的计算压
应力水平差异很大。当不考虑结构构件的轴向变形时,往往会造成端柱承担绝大部分的竖向荷载,而剪力墙只承担很小一部分竖向荷载。在程序的计算结果文件中,出现端柱的配筋过大,计算不合理的情况。而当过多地考虑结构构件的轴向变形时,又会造成剪力墙所承担竖向荷载大于高于端柱所承担的竖向荷载,计算也不合理。
(3)当采用墙、柱分离的等效处理方法,容易使结构设计人员混淆端柱与框架柱的本质区别。
端柱作为剪力墙的一部分,只是形状像柱,但并不是柱。并且当建模时采用墙、柱分离的等效处理方法时,端柱的抗震等级是按照框架柱来确定的。而在框架-剪力墙结构中,框架柱的抗震等级一般不会高于剪力墙的抗震等级,会出现偏不安全的情况。因此,应该人工手动修改端柱的抗震等级,使其同剪力墙的抗震等级。
图2带端柱剪力墙示意图 图3程序计算模型示意图
如:某18剪力墙结构,层高H=3000mm,地处6度抗震设防区域,场地类别为2类,地震分组为第一组,基本风压为0.45,地面粗糙度类别为B类。选取其中一片带端柱的剪力墙(截面尺寸)。当采用分离式建模时与实际情况的参数比较见表1:
表1
3.建议及结论
综上所述,对于带端柱的剪力墙结构,建模时可以采用以下两种等效处理方法:1)可直接按墙长,墙厚为计算,端柱在构造设计中考虑(边缘构件的配筋计算及墙的平面外稳定验算时,可考虑端柱的影响)。2)采用等效截面法计算复核,可直接按墙的等效截面宽度进行有端柱剪力墙的平面外稳定验算。此时,由于对端柱的有利作用考虑不足,其结果是偏于安全的。这两种等效处理方法可以有效地避免分离建模所造成的模型化差异和墙、柱间的变形协调问题。
参考文献
篇4
1结构抗震性能化设计的涵义
抗震性能化设计就是根据工程的具体情况确定合理的抗震性能目标,再采取恰当的计算和相应的抗震措施使目标要求得以实现的过程。
抗震性能化设计是解决复杂结构问题的重要方法,常用于复杂结构及超限工程的结构设计中,它着重于通过现有手段(包括计算措施和构造措施等),采用包络设计的方法去解决工程设计中的复杂技术问题,是抗震概念设计的集中体现。
2结构抗震性能化设计的必要性
震害表明,由于城市的发展和人口密度的增加、城市设施的日趋复杂、生活节奏的日益加快,造成地震引起的经济损失急剧增加,因此,原本以保障生命安全为抗震设防唯一目标的单一设防标准显然已经不够全面,为了控制建筑物及相关设施在地震中的破坏程度,保证震时及震后人们正常的生产、生活功能,减少地震对社会经济生活所带来的危害及影响,结构设计师有必要采取高于(至少不低于)基本抗震设防标准的性能化设计以达到相应要求。
3结构抗震性能化设计的基本思路
抗震性能化设计是以现有的科学水平和建筑条件为前提的,需要综合考虑建筑使用功能、抗震设防烈度、结构的类型和不规则程度、结构发挥延性变形的能力、建筑工程造价、震后的各种损失及修复难易程度等因素。面对具体工程的需要和要求,既可以针对整个结构体系,也可以针对其中某些重要部位或关键构件,灵活运用各种结构措施以达到预期的性能目标。
提高结构(或构件)的抗震承载能力或变形能力,是提高结构抗震性能的有效途径,但提高抗震承载能力是建立在对地震作用的准确判断的基础上的,而限于目前对地震研究的现状,应以主要提高结构或构件的变形能力并同时辅以提高抗震承载能力作为抗震性能设计的首选。
4结构抗震性能化设计的主要过程
4.1分析结构方案
首先应分析结构方案的特殊性(如结构高度,结构类型及规则性,结构场地条件及抗震设防标准等),确定是否需要采取结构抗震性能化设计。震害经验告诉我们,抗震概念设计是决定结构抗震性能的最重要因素之一,因此,在进行结构方案特殊性分析时尤其要注意其不符合抗震概念设计的情况及违反程度。结构工程师应根据有关规范中的相关规定,与建筑师协商并改进结构方案,以达到尽量减少结构方案违反抗震概念设计的情况及程度的目的,为选用结构抗震性能目标提供重要依据。
4.2选择抗震性能目标
结构抗震性能目标分为A、B、C、D四级,结构抗震性能水准分为5个(1、2、3、4、5),地震地面运动分为三个水准,即多遇地震(小震)、设防烈度地震(中震)和预估的罕遇地震(大震)。在设定的地震地面运动下,与四级抗震性能目标对应的结构抗震性能水准的判别准则可以参考表1及表2。由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同,结构或结构部位及结构构件的抗震设防目标也不完全相同,应根据具体情况采取相应的抗震措施。
4.3计算分析并提出相应的抗震加强措施
在选定抗震性能目标后,就应对结构进行相应的计算分析,并提出相应的抗震加强措施。其重点在于:首先,需要进行深入的弹性和弹塑性计算分析(包括静力分析、时程分析、多模型及多程序的比较计算分析等),应注意对复杂结构应进行必要的补充计算分析(如对关键、复杂部位及构件采取包络设计计算)。其中尤应注意,现有计算分析软件的计算模型以及恢复力模型、结构阻尼、材料的本构关系、结构破损程度的衡量、有限元的划分等均存在较多的人为与经验因素,因此进行弹塑性分析计算必须先要了解所选分析软件的适用性,选用适合于所设计工程的软件才是根本。其次,判断计算结果的正确性与合理性。从本质上讲,弹塑性计算分析属于结构设计的补充和验证方法,弹塑性分析的根本目的在于比较其与弹性分析结果的异同,寻找两者规律性的差异,所以关注的重点应是找出弹塑性计算分析的规律性而不是纠结于某个具体的数值。最后,再根据计算分析的结果找出结构有可能出现的薄弱部位以及需要加强的关键部位,有针对性的采取相应的抗震加强措施。
5结语
结构抗震性能化设计仍存在一些有待研究和解决的地方,尤其是地震作用大小的不确定性以及计算模型和参数的准确性等问题,可以相信随着工程的不断应用和研究工作的深入,将会使它变得更加成熟与完善。
参考文献:
[1]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
篇5
1如何合理确定地下抗浮水位
地下水的设防水位应取建筑物使用年限内(包括施工期)可能产生的最高水位;结构底板承受的水压力应按全水头计算。关于建筑物使用年限内(包括施工期)可能产生的最高水位一般是由岩土工程勘察报告给出的,设计人员可从岩土工程勘察报告中直接选用。但现在有些岩土工程勘察报告给出的仅仅是测量期间的最高水位,并没有给出使用年限内(包括施工期)可能产生的最高水位,这两个水位对建筑物来说是不同的,有时甚至相差较大。如果岩土工程勘察报告中没有提供地下水的最高水位,地下水的设防水位可取建筑物的室外地坪标高。对于许多建于坡地上的建筑物来说,由于建筑物的室外地坪标高是随着地形变化的,如果取一个统一的地下水的设防水位可能就不太合适了。
某顺山而建的建筑,地下室连通,长度达500m。图1为拟建坡地上建筑物的地质剖面,查阅地质报告后发现,测量期间的地下水位是随坡地的升高而升高的,最高点水位为50.03m,最低点水位为41.55m,两者相差8.48m。因此,此处的地下室一侧在地下而另一侧则在地上。显然地下室所受的浮力是变化的。处理办法是将地下室按实际埋深的大小分成若干部分,每一部分取建筑物的室外地坪标高作为地下水的设防水位来计算地下室的水浮力。实践证明,这样分段来取地下水的设防水位与实际情况是比较相符的。
2遇到短桩应采取的措施
一般按照有效桩长(由承台底算起)的长短来判定长短桩。对于混凝土灌注桩而言,一般以6m的有效桩长为界限,大于6m有效桩长的桩认为是桩,小于6m有效桩长的桩认为是墩。对于预应力高强混凝土管桩而言,一般以8m有效桩长为界限,大于8m有效桩长的桩认为是中长桩,小于8m有效桩长的桩认为是短桩,小于6m有效桩长的桩认为是超短桩。笔者认为桩长并非判定短桩的唯一依据,还应按照桩的实际受力情况和所起的作用来判定短桩,并采取相应的措施。
与中长桩相比,短桩的受力较为不利:1)短桩的桩周土易发生隆起破坏;2)因桩长较短,桩周土对桩的约束较差,在水平力的作用下桩身易绕桩尖发生旋转;3)对于静压桩或锤击桩,短桩的后期承载力提高较少甚至因土层应力的释放承载力反而会有所下降;4)当相邻短桩较多时,施工期间桩基础易产生浮桩现象。工程实践证明,预钻孔沉桩对解决上述问题有一些作用,但预钻孔也常会带来一些不利因素:1)预钻孔时,转机控制不好会钻成倾斜孔,沉桩时桩身也会倾斜;2)桩定位会产生偏差;3)预钻孔沉桩后当桩尖位于较好岩层时,因桩径大于孔径,孔径大的岩石会卡住桩身使沉桩时桩底存在空隙,对桩基础质量会有一定的影响。
3 合理确定消防车荷载的取值
由于消防车荷载较大,其取值对构件的截面和配筋影响都比较大。由《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001) (2012年版)第3.1.1条条文说明可知:偶然荷载是在结构使用期间不一定出现,一旦出现,其值很大且持续时间很短的荷载。通常的设计中常遇到的偶然荷载有撞击、爆炸、火灾等。
在使用结构计算软件进行整体计算时,输入的消防车荷载应根据其荷载输入的类型进行折减后输入,否则,计算机进行整体计算时,程序将自动乘以荷载对应的分项系数,就会将消防车荷载放大。并且荷载规范中给出的消防车荷载是楼面荷载,计算梁、柱时应进行荷载折减。使用结构计算软件进行整体计算的过程同时也是梁柱的计算过程,如果直接将荷载规范中给出的消防车荷载输入程序进行计算,计算结果会比实际情况偏大。
4 悬臂基础板的处理
在一些桩筏、桩箱基础工程中,由于功能或其它原因,主体地下室周围一部分升至地面上1~2层(作裙房)或仅至地面即收掉。这些部分因荷载很轻,可直接由地基土来承受而不需打桩。这样,对整个带桩的筏板基础来讲,周围不打桩的这部分底板就成为悬臂基础板了。
图6所示为某工程地下室基础底板平面图。受场地及城市规划所限,轴①一②部分地下室升至地面后即收掉而成为主楼的室外场地。现对轴①一②这部分基础底板设计作如下分析处理。
(1)轴①一⑧是一块1800mm厚的整体桩基承台板,具有相当的整体刚度。随着上部荷载的作用,建筑物逐渐沉降,建筑物荷载通过基础底板分别传给桩基础和地基土。在桩及基底土反力作用下,基础(承台)板如同倒置于上部混凝土墙柱之上。显然,由于轴①处没有如同轴②一⑧上多、高层混凝土墙柱巨大刚度的竖向支撑,必然要沿着轴②产生弯曲,、因此,轴①一②底板即如同悬臂板一样受力。
(2)关于悬臂基础板下的地基反力问题,已如前述,将有部分荷载通过基础板传至地基。对于本工程这块具有相当整体刚度的基础板来讲,各部分地基反力可视为均匀一致,考虑本工程(W类场地土)地基软弱,将发生一定沉降,根据有关文献,取建筑物总荷载的10%作为地基的反力(不含水浮力),并与悬臂基础板范围内的恒活载所产生的地基反力进行比较,取大值。当然,这部分地基反力的取值也不能超过地基土的承载力。
(3)在地基反力及水浮力作用下,悬臂板将沿以轴②柱下桩排为纵向嵌固条带向上翘曲,见图6b所示,并以桩排外皮至基础板外边沿的距离作为悬臂计算长度。
(4)纵向嵌固条带作为悬臂基础板的嵌固端,承受着悬臂基础板传来的弯矩和剪力。同时,嵌固条带还是整个基础板沿轴②上的一条柱上板带。也就是说,视整个基础板为倒置于混凝土墙柱之上的无梁楼盖。在桩群及地基反力作用下,按无梁楼盖理论,即纵向嵌固条带也是柱上板带,担负着桩及地基土传来的大量反向荷载。因此,嵌固条带的计算宽度可以按纵向桩排两桩外皮间的距离计,也可以按柱上板带的宽度计算方法进行计算,但悬臂一侧宜按桩外皮计算,见图6。
(5)在计算悬臂基础板上部荷载时,悬臂板端部混凝土外墙及顶板传下来的荷载为集中线荷载,且仅考虑恒载部分,可不计覆土重量。
5 总结
高层建筑地下室结构设计的深入研究涉及到诸多方面,不少问题尚待研究。本文从宏观控制而又力求深入探讨的角度阐述地下室结构设计中的一些问题。
参考文献
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本工程场地属新疆维吾尔自治区库车县牙哈乡,该场地地貌属天山南麓,南临塔克拉玛干沙漠,山前冲积平原,龅氐匦纹鸱较小,地层为第四系素填土和第四系全新统冲洪积堆积物。
该工程地质勘查报告给出地层结构由上至下分为7层:第①层杂填土;主要成分以粉砂为主,含少量建筑垃圾。第②层粉土;第③层粉砂;第④层为细砂;第⑤层为粉砂;第⑥层为粉土;第⑦层为粉砂。
拟建工程场地土为中软场地土,场地类别为Ⅲ类;可不考虑地基土的湿陷性及盐胀性、溶陷性。场地土冻胀等级为Ⅰ~Ⅲ级,冻胀类别为不冻胀-冻胀,该区为季节性冻土区,标准冻深为0.60m,最大冻深为1.00m。
厂区新建一座办公楼:钢筋混凝土框架结构,二层平屋面,建筑使用年限为50年,火灾危险性分类为戊类,耐火等级为二级,一层层高3.9m,二层层高3.6m,室内外高差0.6m。
2 SATWE中楼面活荷载折减系数定义
本工程一层平面布置图见下图1。作用在楼面上的活荷载,不可能以标准值的大小同时布满在所有楼面上,因此设计楼面梁时,还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况,允许楼面活荷载标准值乘以折减系数。本工程根据《建筑结构荷载规范》5.1.2规定,设计楼面梁时,民用建筑类别为办公楼,当楼面梁从属面积超过25m2,楼面活荷载标准值的折减系数为0.9。为了避免活荷载在PMCAD和SATWE中出现重复折减的情况,建议用户当使用SATWE进行结构计算时,不要在PMCAD中进行活荷载折减,而是统一在SATWE中进行梁、墙和基础设计时的活载折减。例如本工程可以在SATWE分析与设计参数补充定义菜单下的活荷信息中,勾选第二选项,从属面积超过25m2,折减0.9。根据楼面荷载导荷方式图3可知,C轴与D轴之间框架梁,从属面积为27.38m2,活载应折减0.9。这里一定要注意荷载从属面积定义,它是指所计算构件负荷的楼面面积,它应由楼板的剪力零线划分,在实际应用中可作适当简化。即向梁两侧各延伸1/2梁间距范围内的实际楼面面积。同一梁,不同跨度上从属面积不一样,其折减系数也不同。可以在后面SATWE子菜单中活荷载折减系数补充定义构件级活载折减系数,从而使定义更加方便灵活。同时可以使用“活荷载折减系数补充定义”这个菜单检查大空间楼面计算配筋偏大,是否与活载没有折减有关。
3 结束语
使用活荷载折减系数时,注意以下几点:(1)充分理解《荷规》5.1.2第1项和第2项,规范对于楼面梁和墙、柱和基础折减系数取值方法不同,在使用SATWE程序计算时,要注意参数设置,避免造成计算结果失真。(2)对于梁的荷载从属面积大结构,注意按照民用建筑类别来选择折减系数。一根梁上,根据每跨梁的从属面积不同,折减系数也不同,可以在折减系数补充定义上查看与修改,保证程序计算准确性。(3)现在结构计算程序,多数不具备活荷载分类功能,无法区分《荷载规范》表中5.1.1中第1(1)项与第1(2)~12项,不可能真正按照《荷载规范》实现对于不同活荷载的折减,需要设计人员自己判断,在SATWE中选出与实际工程情况符合的折减系数。(4)楼面活荷载折减只是针对楼面层,对于屋面层并不折减。设计楼面梁时折减系数只是影响梁,而不应该影响与其相连的竖向构件柱、墙或基础。
参考文献
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高层建筑;嵌固部位;大底盘地下室;多塔楼结构
对于高层建筑结构设计而言,嵌固部位的选取是一个极其重要的环节,关系到整个结构方案的合理性,影响到所有后续结构设计工作,有时候甚至造成全面返工。但是,各类现行国家规范以及地方标准对于结构嵌固端的规定不尽相同,有的更是只字片语,模棱两可。因此,对于结构嵌固部位的选取,工程界一直存在着各种各样的争论。众多工程设计人员一般只能按照单位总工或是社会上一些专家学者的个人见解进行设计。嵌固部位选取得不好,有时候会影响到结构安全性,存在安全隐患,不能通过图纸审查;有时候会影响到结构经济性,造成浪费,不能使业主满意。本文介绍了苏州某高层住宅小区的实际设计思路过程,并从不同角度简要分析了将结构嵌固部位选取在地下室顶面和基础顶面时的两种方案的优点和缺点;同时针对越来越常见的大底盘地下室多塔楼结构形式,介绍了相关的实用设计方法及注意点。
1工程概况
苏州某住宅项目共包括4幢高层(50#、51#、52#、53#),各分区位置如图1所示。各楼均为地上27层,地下1层,主体高度78.6m,标准层高2.9m。普通地下室与人防地下室之间采用联通走道相连,其余部位均不设缝;50#楼与普通地下室脱开,二者采用联通走道相连;51#、52#、53#楼与人防地下室连为整体,形成大底盘地下室多塔楼结构(该名词用以区别于常规的大底盘多塔楼结构,即未设缝分开的裙楼上部具有多塔楼的结构形式)。50#、51#和53#楼由于超长,均在地下室顶板以上设伸缩缝断开。伸缩缝需满足抗震缝要求,根据苏州当地抗震审查相关要求,经计算缝宽取为230mm,各单塔楼长宽比为2.6,高宽比为5.6。苏州市抗震设防烈度为6度(第一组),设计基本地震加速度值为0.05g。拟建建筑场地类别为III类,各楼均按插入法确定场地设计特征周期,根据岩土工程勘察报告(详细勘察)取值为0.53s,属建筑抗震一般地段。本工程建筑抗震设防类别为标准设防类,结构体系采用剪力墙结构。
2结构嵌固部位选取
2.150#楼方案设计50#楼本身的地下室连为整体,不设伸缩缝;上部结构在地下室顶板以上设缝断开,左右镜像对称。结构剖面示意详见图2所示。
2.1.1方案比选50#楼的结构形式较为常见,该楼的结构嵌固部位可以选取在地下室顶板处或基础顶面处,两种方案各有优缺点。方案一:将结构嵌固部位选取在地下室顶板处。优点是可将上部左右两个结构单元单独建模,以便简化计算;缺点是首先需要按照文献[1]第6.1.14条验算侧向刚度比,若需满足2倍的刚度比要求,则需要在地下室内增设较多剪力墙或增加剪力墙的截面厚度及混凝土强度等级。方案二:将结构嵌固部位下移至基础顶面处。优点是无需照文献[1]第6.1.14条验算侧向刚度比,即无需增设较多剪力墙或增加剪力墙的截面厚度及混凝土强度等级,相对于方案一比较经济;缺点是需要进行包络设计,增加了计算及构造的复杂性。如果采取方案一,即使满足了侧向刚度比要求,在进行地下室和基础设计时,审图中心往往还是会要求设计人员进行整体建模计算,设计还是没有像预期的那样简便;如果选择方案二,由于该楼仅为双塔,规模不大,完全可以进行整体建模计算,所增加的无非是包络设计。以前该包络过程需要手工复核,现在的软件已经增加此功能,大大节省了时间,加快了设计进度,且该方案由于其明显的经济效益,更加易于被建设单位接受。因此本工程选择了方案二,将结构嵌固部位选取在基础顶面处。
2.1.2设计方法由于地下室周围回填土的约束作用,地下室顶板处对上部结构的嵌固作用是客观存在的。因此无论地下室顶板是否作为上部结构的嵌固部位,结构设计中均应该考虑地下室顶板处实际存在的嵌固作用,采取相应的加强措施。根据参考文献[2]的建议,本工程将结构嵌固部位按地下室顶板和基础顶面计算两次,取不利值设计,并对地下室顶板按嵌固端的构造要求进行加强。
2.251#~53#楼方案设计51#~53#楼的地下室与人防地下室连为整体,不设伸缩缝;51#、53#楼上部结构在地下室顶板以上设缝断开,左右镜像对称。由于建筑功能要求,室外地面通常需要1.2~1.5m厚的覆土,因此主塔楼范围以外的地下室顶板面需要降至标高-1.500~-1.800;而主塔楼范围以内的地下室顶板面往往在标高-0.030处,二者高差较多,形成错层。
2.2.1方案比选51#~53#楼的结构形式近年来较多出现,其嵌固部位的选取大有讲究,笔者近年来接触的几个项目均按照具体情况采取了不同的处理方式:有的采用了增设夹层的方法,将结构嵌固部位选取在夹层底板处;有的通过降低主塔楼范围以内的地下室顶板面标高,依然将结构嵌固部位选取在地下室顶板处。通过上述处理方式,有效避免了包络设计的麻烦。本工程规模较小,上部结构仅有五个塔楼,完全可以进行包络设计。因此,笔者按照50#楼的设计思路,将该工程的嵌固部位选择在了基础顶面处,从而形成了大底盘地下室多塔楼结构。但是与50#楼不同的是,根据2012年江苏省建设工程施工图审查技术问答要求,需满足文献[3]第10.6节多塔楼结构设计的有关规定,该节规定仅第10.6.3条第1款需要特别注意一下,其它各条规定要满足并非难事。该款内容为:各塔楼的层数、平面和刚度宜接近;塔楼对底盘宜对称布置;上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%。
2.2.2设计要点本工程各塔楼的层数、平面和刚度均接近;塔楼对底盘对称布置,因此只需验算上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离是否满足规范规定即可。上部塔楼结构的综合质心坐标可按式(1)、(2)计算。另外,大底盘形状不规则时,其边长应按一定规则进行等效。对于一些复杂平面,其边长可按计算软件输出的等效尺寸取。笔者对该大底盘的边长进行了各个方向的等效,其结果均满足规范要求。虽然本工程已将嵌固部位选择在基础顶面处,但是根据苏州当地抗震审查相关要求,应将主塔楼范围以内的地下室顶板面标高与主塔楼范围以外的地下室顶板面标高控制在1m范围内,笔者将主塔楼范围以内的地下室顶板降低至标高-0.700处,二者高差为900mm,满足该要求。主塔楼范围内降板后可采用轻质混凝土回填。结构剖面示意图详见图4所示。措施,以有效传递水平力。同时加强地下室顶板构造,按嵌固端构造设计(板厚180mm,双层双向配筋率0.25%)。
3结语
关于结构嵌固部位的选取,很多结构工程师,包括一些施工图审查人员,对于设计规范的理解和计算软件的应用等问题,都经历了一个由抽象到具体、从模糊到清晰的过程。通过本文分析,可以得到如下结论。1)将结构嵌固部位选取在地下室顶板处时,为满足规范侧向刚度比要求需在地下室内增设较多剪力墙或增加剪力墙的截面厚度,既不经济又影响建筑使用,但是计算相对比较简单,在工程项目复杂时应优先选用。2)将结构嵌固部位下移至基础顶面处,比较经济,但是需要进行单塔和整体包络设计,并且还需将结构嵌固部位按地下室顶板和基础顶面计算两次,取不利值设计,并应对地下室顶板按嵌固端的构造要求进行加强。3)将嵌固部位选择在基础顶面处,形成大底盘地下室多塔楼结构时,需按规范要求验算上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离。4)将嵌固部位选择在基础顶面处时,需注意控制主塔楼范围内外的地下室顶板面高差(该高差值应符合地方审查规定),且应在错层处采取加腋等有效措施传递水平力。本工程已通过当地抗震审查和施工图审查,类似工程如需采用本法应提前与该地区的审图部门及专家们沟通。
参考文献
[1]中国地震局工程力学研究所,中国建筑设计研究院,中国建筑标准设计研究院,等.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
篇8
剪力墙是钢筋混凝土多高层建筑中不可缺少的基本构件,由于它是截面高度达而厚度相对很小的“片”状构件,虽然它有承载力大和平面内刚度大等优点,但也具有剪切变形相对较大、平面外较薄弱的不利性能;此外开洞后的剪力墙形式变化多,受力状况比较复杂,因而了解剪力墙的特性,发挥其所长,克服其所短,是正确设计剪力墙的关键。
1、剪力墙的合理布置
剪力墙结构应双向布置,抗震设计时双方向的抗侧刚度宜接近,避免悬殊。衡量双方向抗侧刚度是否接近可检查电算结果中两个方向的第一振型的周期和楼层层间最大位移与层高之比u/h是否接近。
在框架结构中适当的布置剪力墙可弥补框架抗侧刚度不足,扭转刚度不足的缺点。算例1中,有一10层的框剪结构,由于业主的要求往往要求设置砼电梯筒,砼筒体偏置导致结构第一周期为扭转,这时只需在合适的地方布置剪力墙就能实现结构扭转刚度的增大。以下用四种方式布剪力墙来说明这一点。前两种为纵向布墙见图1.1,发现Y向刚度调整过度,扭转仍为第一周期。后两种为横向布墙见图1.2,刚心与质心的坐标已较为接近,第一周期为平动。具体模型结果参数比较详见表1.1图1.3,框架及框剪结构中,由于剪力墙的数量较少,通过改变剪力墙的数量可使结构刚心的位置产生明显的变化,但是在剪力墙结构中,墙体的数量已经很多,增加或减少墙体已经很困难了,则可以通过改变墙体的厚度或开洞的大小来实现刚心位置和质心位置的尽量靠近。
因建筑功能要求剪力墙偏置的结构,应通过剪力墙墙厚的变化、洞口的设置等措施,确保结构刚度中心与质量中心基本重合,以减小结构的扭转。在另一方向远离楼层刚心处设置足够数量的剪力墙,也可有效的限制一方向抗侧力构件偏置引起的结构扭转。
α——整体性系数;I——剪力墙对组合截面形心的惯性矩; ——扣除墙肢惯性矩后的剪力墙惯性矩; ——第j列连梁的折算惯性矩; ——第j列连梁的截面惯性矩。 ——梁截面形状系数,矩形截面时 =1.2; ——第j墙肢的惯性矩;m——洞口列数;h——层高; ——第j列洞口两侧墙肢形心间距离;H——剪力墙总高度; ——第j列洞口连梁计算跨度,取洞口宽度加连梁高度的一半; ——系数,
当3~4个墙肢时取0.8;5~7个墙肢时取0.85;8个以上墙肢时取0.9。弹性阶段,剪力墙的性能与整体系数α有关。整体系数为连梁刚度与墙肢刚度的比值。弹性分析表明:连梁刚度小、α≤1时,连梁对墙肢的约束弯矩很小,可以忽略连梁对墙肢的约束,把连梁看成是铰接连杆,只传递水平力,墙肢各自承担水平力,剪力墙的刚度、承载力为各墙肢刚度、承载力之和;连梁刚度大、α≥10时,连梁对墙肢的约束大,在水平力作用下,剪力墙的截面应力分布接近直线,剪力墙接近整体墙,剪力墙的刚度,承载力大;1≤α≤10时,为联肢剪力墙,工程中的剪力墙大部分为联肢剪力墙;剪力墙洞口加宽,墙肢截面长度减小,而连梁与墙肢的刚度比增大,α>>10时,剪力墙逐步变化为框架两端与剪力墙在平面内相连的梁为连梁。如果连梁以水平荷载作用下产生的弯矩和剪力为主,竖向荷载下的弯矩对连梁的影响不大(两端弯矩仍然反号),那么该连梁对剪切变形十分敏感,容易出现剪切裂缝,则应按规范有关连梁设计的规定进行设计,一般是跨度较小的连梁;反之,则宜按框架梁进行设计,其抗震等级与所连接的剪力墙的抗震等级相同。
对于剪力墙连梁应根据连梁的强弱采用不同的计算模型,当为较强连梁(连梁的净跨度ln与连梁截面高度h的比值ln/h5)时采用梁元模型计算。这样更接近于真实情况。
高层建筑结构在水平力作用下几乎都会产生扭转,最大的位移角一般在结构单元的尽端处,所以提高结构本身的抗扭刚度,对满足规范对位移角的限值有重大的意义。加大刚度的措施有:尽量在边缘位置布置剪力墙;将周边剪力墙加厚或加长;利用窗台空间将框架梁或弱连梁加高变成强连梁等当梁的一端(或两端)与剪力墙相连,且梁跨高比小于5的非悬臂梁称为连梁。抗震设计的连梁由于其跨高比小,刚度大,常作为主要的抗震耗能构件,在地震作用下(有时甚至在多遇地震作用下)连梁产生很大的塑性变形,刚度退化严重,而连梁的刚度退化加大了剪力墙的负担,因此,在结构分析中应适当考虑连梁刚度过早退化的工作特点,加大墙肢的设计内力,对连梁的刚度折减是考虑连梁梁端出现的塑性变形,但不是连梁的失效。
剪力墙结构是以剪力墙及因剪力墙开洞形成的连梁组成的结构,其变形特点是弯曲型变形,目前有些项目采用了大部分由跨高比较大的框架梁联系的剪力墙形成的结构体系,这样的结构虽然剪力墙较多,但受力和变形特性接近框架结构,当层数较多时对抗震是不利的,宜避免。
3、实例分析:
某住宅33层,层高2.9米,主要屋面标高95.650,带一层地下车库,采用钢筋混凝土剪力墙结构。平面长约43米,宽约16.65米。建筑功能布置详见图3.1,北面中部集中设置了一部楼梯和四个电梯筒,是剪力墙布置比较集中的地方。南面由于设置了阳台,布置了大量的门连窗,需要剪力墙开大洞,因此形成了许多小墙肢。初算之后,结构的刚心质心偏离较大,结构的第二周期为扭转。设计总体思路削弱北面的墙,加强南面的墙,加厚东西两侧山墙,尽量使刚心质心靠近。方案一:为避免北面小墙肢C,将墙肢C取消,开大洞口。北面由于墙体比较集中,将A墙肢取消。同时将南面墙厚及东西山墙加厚至300且延伸高度至26层。计算后周期较好,第二周期平动系数0.76,Y向风载位移1/1017,接近规范限值。详见图3.2,但笔者认为该方案,多处开大洞,连梁跨高比均大于5,形成框架梁。在地震作用下,连梁失去耗能意义,对抗震不利。方案二:根据“弱化中间,加强周边”的原则,将AC处墙肢补上,开小洞,减少洞口宽度,形成ln/h
4、结论
剪力墙结构布置原则首先结合建筑功能布局将剪力墙均匀布置于平面,使刚心坐标与质心坐标尽量靠近;其次根据“弱化中间,加强周边”原则,加强周边剪力墙,特别是离结构刚心最远的剪力墙刚度以加大结构的抗扭刚度;然后根据位移等参数对墙体开必要的结构洞口,但是不宜形成过多的框架梁,保证结构的耗能特性。以上原则不分先后,也可同时进行。依据这些原则使结构设计变得有目的性和有规律可循。
参考文献:
[1]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)Techinical specification for concrete structures of tall building
[2]建筑结构设计问答及分析/朱炳寅编著。—北京:中国建筑工业出版社,2009 questions and analysis of building structure design—beijing: China Architecture & Building Press ,2009.
篇9
前言
全国各地对建筑工程施工图设计进行了认真审查,特别是对结构设计施工图审查更为严格。工程结构设计施工图审查的重点是结构安全和强制性标准执行情况。由于目前的工程设计越来越复杂,且设计周期普遍偏短,结构施工图设计文件中存在某些质量问题,本文通过一些施工图审查结果的经验总结,并结合同行的讨论,把这些经常出现的问题整理列举出来,供结构专业设计和审查时参考。
一、结构设计总说明
1、建筑抗震设防分类概念不清
建筑抗震设防类别的划分是关系到国计民生的政策性很强的技术规定,应严格按《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223—2008)的规定执行,设计者应深刻领会“分类标准”的内涵,分析设计任务的性质、规模、特点、对社会影响的大小等因素,合理地进行建筑抗震设防分类。
2、建筑抗震设防分类正确,但结构计算是否需要提高一度判断有误
如对定为重点设防类建筑的工程,将其地震作用也提高一度进行抗震计算,就不符合《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223—2008)第3.0.3 条的要求。正确的做法是:对于重点设防类建筑,地震作用应按本地区的抗震设防烈度计算;其抗震措施,当抗震设防烈度为6°~8°时,应按提高一度的要求进行加强。
3、图纸上只注明抗震设防烈度,而不注明设计基本地震加速度值和设计地震分组。设计基本地震加速度值除决定地震作用计算外,还根据建筑场地类别的情况,决定各类建筑所采取的抗震构造措施。设计地震分组根据建筑场地类别的情况,决定抗震设计的“设计特征周期”。
4. 非结构构件的抗震设计不够重视
有的工程建筑因为造型需要,在屋面上用砖砌筑较高的女儿墙,仅在墙体内设置钢筋混凝土构造柱与压顶梁,也不进行抗风与抗震的验算,在大风或地震作用下,有倒塌砸人或砸坏屋面板的可能,虽然是非结构构件,但是结构设计未采取可靠措施,将给工程留下安全隐患。屋顶高大女儿墙采用钢筋砼结构按悬臂结构设计时,作为嵌固端的边梁未考虑女儿墙传来的扭矩作用,相邻的屋面板也未加强,同样存在安全隐患。
二、结构计算或设计方法
1、结构自振周期未折减
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ-2010 第4.3.16条规定,计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减。此条为强制性条文。但有些设计人员往往忽略了此折减系数,造成违反强制性条文。多、高层建筑结构内力、位移计算分析时,只考虑了主要结构构件(梁、剪力墙、柱、支撑等)的刚度,而没有考虑非承重构件的结构刚度,因而计算的自振周期较实际的长,按这一周期计算的地震力偏小。因此,《高规》规定应考虑非承重墙体的刚度对结构的影响,对计算的自振周期予以折减。不同结构体系周期折减系数可按《高规》4.3.17条取值。
2、 连梁刚度折减系数取值不合理
抗震设计的连梁由于其跨高比小,刚度大,常作为主要的抗震耗能构件。在地震作用下(有时甚至在多遇地震作用下),连梁两端的变位差较大,使连梁产生很大的塑性变形,刚度退化严重,而连梁刚度的退化加大了剪力墙的负担,因此,《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ-2010 第5.2.1条条文说明规定,可考虑在不影响承受竖向荷载能力的前提下,允许其适当开裂(降低连梁刚度)而把内力转移到剪力墙上。通常,设防烈度低时可少折减一些(6、7度时可取0.7),设防烈度高时可多折减一些(8、9度时可取0.5)。有些设计人员不考虑非抗震区还是抗震区,也不考虑设防烈度高低,为了连梁设计不超筋,不区别对待,均取用小值,如0.5,这样取值是不合理的。规范条文明确指出,如果连梁的跨高比较大,重力作用效应比水平风或地震作用效应更为明显时,此时应慎重考虑连梁的刚度折减问题,必要时可不进行连梁刚度折减,以控制正常使用阶段梁裂缝的发生和发展。并且新规范进一步明确了仅在计算地震作用效应可对连梁刚度进行折减,对如重力荷载、风荷载作用效应计算不宜考虑连梁刚度折减。
3、楼板计算假定应用范围不清楚
有些设计人员对“强制刚性楼板假”和“非强制刚性楼板假”的应用范围不是很清楚,现归纳如下;
1)对整体结构进行规则性判别、结构体系判别等其他整体指标判别时,应采用强制刚性楼板假定。主要计算项目有:层间位移角计算()、扭转位移比计算、周期比()计算、结构底部倾覆力矩比计算、结构的剪重比计算、结构的刚重比计算等。
2)对结构构件进行设计计算时,应采用弹性楼板假定(符合刚性楼板假定的结构除外,程序计算时,取消强制刚性楼板假定的勾选)。主要计算的项目是:梁、板、柱、剪力墙等构件的设计计算。
4、 框架—剪力墙结构中,各层框架总剪力的调整不合理
框架—剪力墙结构在水平地震作用下,框架部分计算所得剪力一般都较小,为保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧力能力,需要对框架承担的剪力予以适当调整,因此,《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ-2010 第8.1.4条规定,抗震设计时,框架—剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力应符合下列规定:满足式(8.1.4) 要求的楼层,其框架总剪力不必调整;不满足式(8.1.4)要求的楼层,其框架总剪力均按和二者的较小值采用。但有些设计人员不区分结构竖向布置情况,各层框架总剪力均按和二者的较小值调整。在实际工程中,由于建筑立面体型变化多样,框剪结构在上部收进或沿高度分段收进是常见的现象(例如,主裙楼连成一体的建筑裙楼屋面处),此时框架楼层剪力的调整应按《高规》8.1.4条所规定进行分段调整,不能均按和二者的较小值调整,否则会使上部框架楼层剪力取值过大,甚至达到难以承受的程度。
三、结构构造方面
1. 梁箍筋肢距不满足要求
梁宽300 mm 的框架梁在梁端加密区内的箍筋肢距往往不满足《建筑抗震设计规范》(GB50011- 2010) 第6.3.4 条的要求。宽300 mm 的框架梁一般配成双肢箍,混凝土的环境类别为一类, 采用C30 混凝土, 箍筋直径Φ10, 则箍筋肢距为260 mm, 当抗震等级为一~三级时,不满足规范的肢距要求。解决的办法是在梁端加密区内增设一根拉筋。
2、框架梁通长钢筋面积不满足。当框架梁抗震等级为一、二级,且梁支座配筋较大时,梁通长钢筋面积常不满足要求, 这是因为忽视了《高规》JGJ 3- 2010 第6.3.3条的规定。
3、短柱箍筋未全高加密。有时忽视了由于楼梯平台梁支承在框架柱上或雨篷梁支承在框架柱上, 使相邻的框架柱形成短柱, 该柱应沿柱全高加密箍筋。
4、 梁下部钢筋间距不足
当梁下部配筋较大(如大跨度梁、转换梁等)时,下部钢筋层数大于2层时,2层以上钢筋水平方向的中距不满足比下面2层的中距增大一倍的要求,这是忽视了《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第9.2.1条规定
结束语
以上只是结构设计中常见问题的一部分,出现该问题主要是设计人员一方面对新规范不熟悉、不完全理解所致;另一方面是由于计算机程序现在运用越来越普遍,很多人不重视中间计算和手算过程,只重视程序计算结果。
设计质量是安全的保证,任何质量问题都可能危及到建筑、人身的安全,甚至造成国家或个人财产的损失,因此设计人员一定要把确保设计质量放在工作的首位,杜绝因设计质量而引发工程事故。
参考文献
[1] 李国胜 混凝土结构设计禁忌及实例(第二版)中国建筑工业出版社/ 2012-08-01
篇10
《建筑结构荷载规范》5.1.2作为强制性条文,明确规定设计楼面梁、墙、柱及基础时的楼面均布活荷载的折减系数,作为设计必须遵守的最低标准。作用在楼面上的活荷载,不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上,因此设计梁、柱、墙和基础时,还有考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况,也即在确定梁、墙、柱和基础的荷载标准值时,允许按楼面活荷载标准值乘以折减系数。
折减系数的确定实际上比较复杂,采用简化的概率统计模型来解决这个问题还不够成熟。规范通过从属面积来考虑荷载折减系数。对于支撑单向板的梁,其从属面积为梁两侧各延伸二分之一的梁间距范围内的面积;对于支撑双向板的梁,其从属面积由板面的剪力零线围成。对于支撑梁的柱,其从属面积为所支撑梁的从属面积的总和;对于多层房屋,柱的从属面积为其上部所有柱从属面积的总和。
2 SATWE中如何进行柱、墙活荷载折p设置
用PMCAD拟建一办公楼,共五层,各层平面布置图相同,见下图1。根据《建筑结构荷载规范》5.1.2第2项规定,设计墙、柱和基础时,房屋类别为规范表5.1.1第1(1)项时,活荷载按楼层折减系数见图5。这里考虑的是在多层或高层建筑中,上、下楼层同时达到活荷载设计值的可能性,也就是活荷载同时出现的概率的大小问题,一般情况下,楼层数量越多,各层活荷载同时出现的可能性就越小。从规范表5.1.2可以看出,计算截面以上的楼层数越多,相应的折减系数的数值就越小。查找系数注意是指墙、柱计算截面以上的楼层数,屋面层不计入在内。在SATWE分析与设计参数补充定义菜单下的活荷信息中,勾选墙、柱设计时勾选“折减”选项,折减系数定义正确与否,可以在后面SATWE子菜单中活荷载折减系数补充定义中查看。例如此办公楼,一层柱计算截面以上楼层数为4,按照5.1.2表,折减系数为0.70,见图2。二、三层柱计算截面以上楼层数为3,2,折减系数为0.85,见图3。而四层柱计算截面以上楼层数为1,折减系数取1.00,见图4。五层柱计算截面以上是屋面层,不参与折减。设计时一定要注意房屋类别,如果是表5.1.1中第1(2)~7项应采用与其楼板梁相同的折减系数。特别需要注意的是SATWE对于柱、墙的活荷载折减,只是在混凝土构件配筋、钢构件验算考虑,标准内力文件没有考虑。
3 如何在构件计算结果中查看折减系数
在SATWE分析与设计参数补充定义中定义墙、柱活荷载折减系数,最后在哪里查看此参数定义是否参与构件计算中呢?各荷载工况下构件标准内力简图是不考虑折减系数的,是否设置折减系数,其内力简图是一样的。我们可以点击“混凝土构件配筋及钢构件验算简图”进入界面,在构件信息中点击柱信息,打开TXT文本,可以看到某个柱构件设计信息,在构件验算设计信息中RLIVEC就是此柱的折减系数。
折减系数会影响计算轴压比的控制轴力,还有柱纵筋与箍筋的配置。
4 结束语
使用柱、墙活荷载折减系数时,注意以下几点:(1)使用折减系数一定要注意房屋类别,程序不具备判断功能,需要设计人员人为判断,在SATWE中选出与实际工程情况符合的折减系数。(2)注意按楼层折减,墙、柱计算截面以上的层数,是指楼面层,不包括屋面层。(3)对于底盘、裙房部分的柱、墙截面都直接按照最高的楼层数取用折减系数是不合理的,可能造成对活荷载的折减过多。对于各层的柱、墙和基础应该按照它上方实际的楼层数来确定活荷载的折减系数,对各层平面上的每根构件应该分别取值。为此SATWE提供“活荷载折减系数补充定义”菜单,可以对每一层的每个柱,单独定义下折减系数。方便用户灵活设置参数。
篇11
Keywords: Engineer; Structural principle; Conceptual design
1.关于梁扭矩的折减系数
高规5.2.4条高层建筑结构楼面梁受扭计算时应考虑现浇楼板对梁的约束作用(有时候还有次梁的约束)。当计算中未考虑现浇楼盖对梁扭转的约束作用时,对梁的计算扭矩予以折减。折减系数的取值应根据梁周围楼改的约束情况确定。常规设计中梁两侧都有现浇楼板时,可取0.4,当为独立梁(两侧均无楼板)时,应取1.0计算。设计中有时候恰恰就容易忽略独立梁的情况,对结构所有的梁扭矩统一进行了0.4的折减。需要特别注意:梁扭矩折减系数和弯矩折减调幅系数不同,程序对扭矩折减后一般都没有进行节点扭矩和弯矩的平衡验算,也就是说,被折减下来的扭矩实际上就缺失了(如果确实周边没有楼板的约束),这样的话对独立梁来说就存在风险。必须采取措施,一是调整结构布置,避免这种情况,二是取扭矩折减系数为1.0,不考虑扭矩折减进行复核验算,并包络设计。
2.对框架梁跨高比的认识
规范对框架梁的截面剪应力及截面尺寸及跨高比都有所规定,但总感觉还不是很透彻。实际上与长短柱混杂的概念一样(一般设计上对短柱都有充分的认识)。长、短梁在同一榀框架中并存,也是极为不利的,短跨梁在水平力的作用下,剪力很大,梁端正、负弯矩也很大,其配筋全部由水平力控制,竖向荷载基本上不起作用。同时,由于梁的剪力增大,也会使支撑柱的轴力大幅增大,这显然不符合协同工作原则,结构造价也会提高。在一些公寓楼、办公楼、教学楼中容易出现这样在同一榀框架中出现长短梁的情况,需要引起足够的重视。
3.强柱弱梁的实现
强柱弱梁概念作为抗震设计中的一个重要概念,实现框架抗震性能实现的重要措施。在结构设计中是必须要重视的,并要保证他的顺利实现。汶川地震表明:强柱弱梁是框架实现梁铰机制的重要结构措施。高规6.2.1条明确规定:抗震设计时,除顶层、柱轴压比小于0.15者及框支柱节点(框支梁与框支柱的节点一般难以实现强柱弱梁,故可不验算,而通过规定相应的抗震措施得以保证)外,框架的梁、柱节点处考虑地震作用M合的柱端弯矩设计值应符合下列要求:
(1)一级框架结构及9度时的框架:
ΣMc=1.2ΣMbua
(2)其他情况:
ΣMc=ηcΣMb
《抗规》6.2.2条及《混凝土规范》(第11.4.1条)均有类似规定。
梁端的正弯矩与其相邻跨的梁端负弯矩组成强柱弱梁验算中的梁端总弯矩,同样梁端(梁端的顶部和底部)实配钢筋直接影响梁端的实际受弯承载力,对强柱弱梁的实现意义重大。而设计中不合理的构造往往会影响强柱弱梁的实现,甚至与带来灾难。如不合理的构件裂缝宽度验算加大了梁端实际配筋,验算梁端截面的裂缝宽度时,内力取值与实际截面位置不统一(内力取自柱截面范围内的梁计算端部,不是真正的梁端,应取柱边缘处梁的真实截面),这种内力与计算截面的不一致,导致梁端计算弯矩过大,梁端裂缝宽度计算值大于实际值。同时,加大梁端配筋,对强柱弱梁的实现极为不利。二是人为的对梁端钢筋的超配,加大了梁端实际受弯承载力与计算受弯承载力的差距,亦使强柱弱梁的实现困难。鉴于柱钢筋在整个结构造价中的比重比较低,为保证强柱弱梁的顺利实现,建议对柱子配筋做1.1~1.25的放大。而严格控制梁端的实配钢筋,对梁端钢筋不宜进行超配,甚至可以适当考虑现浇楼板中的钢筋对框架梁端部实际的正截面抗震受弯承载力的影响。
4.对角柱要有足够的重视
多高层结构设计的主要目的是为了抵抗水平力的作用,防止扭转。为有效的抵抗水平力作用,平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近,目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等,防止一个方向强度(刚度)储备太大,而另一个方向偏弱。因此,抗侧力结构(墙、柱)宜四周布置,以增大整体的抗侧刚度及抗扭刚度。防止扭转的目的是因为在扭转发生时,各柱节点水平位移不等,距扭矩中心较远的角柱剪力很大,而中柱的剪力较小。破坏由外向里,先外后里。为了防止扭转,抗侧力结构应对称布置,宜设在结构的两端,紧靠四周设置,以增大抗扭惯性矩。因此高层建筑中,尽管角柱轴压比较小,但其在抗扭过程中作用却很大(弱角柱先坏,整个结构的扭转刚度或强度下降,中柱必定依次破坏)。此外在水平力作用下,角柱轴力的变化幅度也会很大,这样势必要求角柱有较大的变形能力,足够的强度储备。像《高规》6.2.4条,抗震设计框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力验算,一、二、三、四级框架角柱弯矩、剪力设计值应乘以不小于1.1的增大系数。以及6.4.4条边柱、角柱以及剪力墙端柱考虑地震作用组合产生小偏心受拉时,柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25%,可见角柱的重要性。因此,角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑,如加大箍筋、纵筋,包括截面尺寸,以控制轴压比限制,保证柱子的变形能力。
5.如何把握剪力墙结构的适宜刚度
在剪力墙结构中,一般结构侧向刚度较大,而延性较差,有条件可以通过调整剪力墙的连梁刚度,并通过连梁的变形耗能,改善剪力墙结构的延性。但正如《高规》7.1.1条的条文说明叙述:本规程所指的剪力墙结构是以剪力墙及因剪力墙开洞形成的连梁组成的结构,其变形特点为弯曲型变形,目前有些项目采用了大部分由跨高比较大的框架梁联系的剪力墙形成的结构体系,这样的结构虽然剪力墙较多,但受力和变形特性接近框架结构,当层数较多时对抗震是不利的,宜避免。可见连梁的刚度也不是越小越好,过小的连梁刚度,减弱了连梁的耗能能力,使剪力墙结构成为全部为独立墙肢加弱连梁的壁式框架结构,对抗震不利。因此,度的拿捏很重要。
6.框架-剪力墙结构的基础设计
在框架-剪力墙结构中,剪力墙作为第一道防线吸收了很大部分的地震作用,同时当剪力墙布置相对集中时,考虑地震作用组合的基础面积较大,而框架柱下的则基础面积较小。这样会带来两个问题,一是剪力墙下基础面积过大,基础设计很困难;二是在正常使用条件下框架柱与剪力墙基础的差异沉降较大,影响结构的安全及正常使用。框架-核心筒、板柱-剪力墙等结构体系都有类似问题。因此当按地震作用标准组合效应确定基础面积或桩数量时,必须对改问题有足够的重视,可以充分考虑剪力墙下基础的各种有利因素,如桩同作用等,以适当减少剪力墙下的基础面积,并使剪力墙下基础面积与正常使用状态下需要的面积相差不要太多。
结语:
在一w化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机的依赖越来越严重,甚至与计算机结果明细的不合理,甚至错误而不能及时发现。尤其是现行的结构设计理论与计算理论存在许多的缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。为此,结构工程师只有加强结构概念的培养,不断的学习,深入、深刻的了解给类结构的性能,不断丰富自己的结构概念,并能有意识的运用他们,方能使设计成果越来越创新、完善。
参考文献
[1] 高程建筑混凝土结构技术规程,JGJ 3-2010
[2] 建筑抗震设计规程,GB 50011-2010
[3] 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析.第二版.
篇12
框架结构的设计计算中,通常的做法是不考虑填充墙的抗侧力作用,在PKPM建模时只建纯框架不建入填充墙,只将墙体重量用线荷载的形式加载到框架梁上,在抗震计算时,根据填充墙的数量,对框架结构的自振周期进行适当折减,以此放大计算得到的地震作用,这是目前普遍采用的计算处理方法。实际上这是纯框架的计算方法。但是,这种周期折减系数的做法是对填充墙作用的大致估计,不能真实反映填充墙不均匀布置下结构刚度的变化。有关试验研究表明,当结构发生较大水平位移时,即使采用轻质砌块填充墙,带填充墙的框架结构的刚度也比纯框架结构的刚度大数倍。因此在遭遇地震,尤其是强震时,如果不考虑填充墙的刚度影响,会造成结构实际受到的地震作用大于计算值,这对结构来说是不安全的。
二.填充墙在竖向不均匀布置对框架结构的不利影响
(1)上下楼层墙体数量相差过大,导致下柔上刚,相邻层侧向刚度急剧变化,形成薄弱层,在地震作用下,底层的弹性位移远大于上层,且结构倾覆力矩几乎全由底层承担。(附图1)
(2)填充墙由于门、窗洞口的要求,在柱高范围内不完全布置,使柱独立部分长度缩短形成短柱,造成在地震作用下形成脆性弯压和剪压破坏。(附图2)
实例一:新疆沙雅县某小学食宿楼,抗震设防烈度为7度,建筑场地类别为Ⅲ类,一层层高4.2米,二~三层层高3.6米, X方向9跨共65.8米,Y方向2跨共16.8米,一层为餐厅,二、三层为学生宿舍,首层平面布置如附图3。现将本工程采用两种计算模型对比分析。
模型一:所有填充墙均以线荷载的形式加载到框架梁上。
模型二:所有填充墙均以实墙形式加载到框架梁上。墙体材料为混凝土砌块,砌体容重取12KN/。
部分数据对比如下:
参数名称 楼层号 模型编号 备注
模型一 模型二
X Y X Y
最大层间位移角 3 1/1780 1/1519 1/9999 1/9999 《抗规》5.5.1
2 1/1021 1/870 1/9999 1/7756
1 1/1194 1/966 1/8665 1/4327
最大层间位移与平均层间位移比 3 1.02 1.22 1.03 1.20 《高规》3.4.5
2 1.03 1.19 1.02 1.20
1 1.03 1.19 1.02 1.20
本层与上一层侧移刚度70%或上三层平均侧移刚度80%的比 3 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 (根据《高规》3.5.2)规定,此值不应小于1,若小于1则为薄弱层
2 1.5745 1.5109 1.4504 1.6895
1 1.4158 1.4357 0.7247 0.7248
地震作用下楼层剪力 3 1236.17 1258.59 1504.99 1519.79
2 2320.77 2370.22 2650.44 2646.15
1 3515.55 3076.11 3515.45 3492.11
周期比 (Tt/T1) 0.87 0.78 《高规》3.4.5
通过以上数据对比可知:1.模型二的周期比及最大层间位移角减小,说明填充墙的存在使整个结构的抗侧移刚度增大;2.由第二层由于填充墙布置较多,其刚度比首层明显增大很多,这使得结构竖向刚度出现突变,填充墙较少的首层成为了薄弱层。
附图3:
三. 填充墙在平面内不均匀布置对框架结构的不利影响
建筑结构的概念设计告诉我们,结构的平面布置宜尽量均匀对称。实际的设计过程中,我们往往可以做到主体结构的梁柱布置对称,却忽视了填充墙平面布置的对称性,有时又因为甲方在后期使用过程中的盲目改造导致填充墙的严重不均匀布置。这就造成了结构平面刚度不均匀,平面刚心和质心不重合,引起在地震作用下结构的扭转破坏。
实例二:新疆巴里坤县某宾馆,抗震设防烈度为8度,建筑场地类别为Ⅱ类,地上四层,层高均为3.6米,计算嵌固端为基础顶, X方向5跨共39米,Y方向2跨共14米。应甲方要求,前后做了两种方案。方案一:一~三层均为客房,四层右侧两跨为大会议室。方案二:将一~二层左半侧改为餐厅。现将两种方案的计算模型对比分析。所有填充墙均以线荷载的形式加载到框架梁上;方案二所有填充墙均以实墙形式加载到框架梁上。墙体材料为混凝土砌块,砌体容重取12KN/。
部分数据对比如下:
参数名称 楼层号 方案编号 备注
方案一 方案二
X Y X Y
最大层间位移角 4 1/1118 1/1114 1/8987 1/5111 《抗规》5.5.1
3 1/779 1/726 1/5976 1/3488
2 1/661 1/629 1/3890 1/1820
1 1/856 1/863 1/3687 1/1901
最大层间位移与平均层间位移比 4 1.06 1.13 1.05 1.06 《高规》3.4.5
3 1.07 1.21 1.12 1.17
2 1.07 1.19 1.03 1.35
1 1.06 1.15 1.04 1.35
地震作用下楼层剪力 4 1472.68 1481.50 1882.18 1829.75
3 2583.99 2616.42 3289.69 3135.52
2 3398.97 3441.76 4307.38 4058.93
1 3839.66 3878.59 4900.33 4579.02
通过以上数据对比可知:方案一的模型因填充墙布置左右比较对称,质心刚心偏移较小,没有发生较大扭转,层间位移变化较小;方案二模型计算数据中最大层间位移与平均层间位移比在y方向从上到下增大很多,这是由于填充墙布置不均匀导致各层质心刚心偏移较大,结构发生扭转。
四.结论及建议
通过以上分析可以看出填充墙无论是在竖向还是平面内的不均匀布置都对结构产生了很不利的影响。对于底部放空这类“头重脚轻”的填充墙竖向不均匀布置的情况,必须慎重处理结构计算模型,考虑填充墙对结构刚度的影响,避免薄弱层及短柱的出现,可采取以下办法:(1)加大底层侧向刚度,增强柱子延性,柱箍筋全高加密;(2)尽量减少上部填充墙数量及重量。(3)SATWE软件框架结构计算中不能根据剪切刚度自动定义薄弱层,对于竖向填充墙数量相差非常大的情况,可根据对计算结果的分析人为指定薄弱层。对于填充墙平面内不均匀布置的情况,可从以下方面考虑:(1)在设计初期应该与建筑专业密切配合,合理调整房间布置,尽量使填充墙布置左右、上下对称均匀。(2)严格控制框架结构后期使用过程中的不合理改、扩建,避免填充墙的数量及位置变化过大。
参考文献:
[1] 陈雨蒙,彭伟.填充墙在框架结构抗震性能方面的影响研究[J].四川建筑,2009.29:189-191.
[2] 朱丙寅.框架结构用砌体墙不均匀填充时带来的问题[J].建筑结构,2006. B03:31-33.
[3] 王春武.填充墙框架结构的抗震分析[J].工业建筑,2007.37(2):14-16.
[4] 陈岱林,赵兵,刘民易.PKPM结构CAD软件问题解惑及工程应用实例解析[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:25-27.
篇13
本文只介绍主塔楼结构设计,由于裙房与主塔楼在0.00m以上采用伸缩缝分开,故主塔楼上部结构采取单独的计算模型进行分析,以下为主楼底层结构平面图和三维计算模型示意图。
1. 主体结构选型
本工程核心筒呈圆形,其高宽比为6.9,主外框柱绕其环形布置,整体结构基本均匀对称。中央核心筒内径14.1m,主外框柱距核心筒壁约9.2m。采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构形式,核心筒结合建筑中央楼电梯间布置贯通落地,于楼梯、电梯分隔处布置内隔剪力墙,这样既有利于建筑防火分隔要求,又提高了建筑平面使用系数,且易于发挥核心筒承重、抗侧力的核心作用。外框柱距也较好地满足建筑对景观视野的要求,保证灵活的室内使用空间,提高建筑使用质量。
在这里先说明一下框架-核心筒的定义,《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称《抗规》)表6.1.1注2:“框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构”,即筒体-稀柱结构。它要求核心筒必须能作为一个独立的悬臂筒体结构体系,可以承担绝大部分的剪力(一般可>85%)和大部分的倾覆弯矩(一般可>60%),同时外框架必须是稀柱框架(柱距一般8~12m),只需承担很小一部分的剪力和相当部分的倾覆弯矩。根据这个内力分担特性,核心筒就显得非常之关键,因为一旦发生破坏,后果会比较严重,所以框架-核心筒结构的核心筒抗震要求比框剪结构中剪力墙更加严格。
而在抗震设计中为了能让稀柱框架有足够的承载力潜力起到二道防线的作用,通常要求稀柱框架承担的地震剪力不宜过小,比如大于15%(超高层也可能放松至5-10%)。这其实也就相当于要求柱截面的面积率不宜过小,因此可以得出一个很重要的概念:稀柱框架并不意味着减小柱的面积和线刚度,而是可以相对减小了梁的线刚度。
我们来看一下本工程底层柱承担的倾覆弯矩(KN・m)及地震剪力(KN):
方向 柱倾覆弯矩 墙倾覆弯矩 柱倾覆弯矩百分比
X 171856 1039245 14.19%
Y 180658 972162 15.67%
方向 柱剪力 墙剪力 柱剪力百分比
X 758 13077 5.48%
Y 898 13124 6.4%
可以看出,结构底部核心筒承担了大部分的地震剪力和倾覆力矩,计算结果符合框架及核心筒的内力分担要求,是一个合理的结构选型,此时外框柱剪力尚需做进一步内力调整以满足二道防线的承载力要求。
2.结构的抗侧刚度
本工程采用整体现浇结构,属于刚接筒体-稀柱框架结构体系,楼屋面梁与中央核心筒及周边稀柱框架的连接为连续性刚接,连接节点不仅要承受和传递重力荷载及水平荷载作用下梁端剪力和弯矩,而且为了保证中央核心筒承载能力和整体结构抗震延性,通常会将重力荷载下核心筒应力水平比框架柱压应力水平控制低些,这样楼屋面梁就还要协调中央核心筒和框架柱之间轴向变形差异,使自身在重力荷载下已处于较为不利的较高应力状态。
楼屋面梁将中央核心筒和框架边柱层层相连,各层梁的抗弯刚度都发挥了作用,整体结构空间抗侧性能发挥极佳,周边稀柱框架不但没有剪力滞后效应,反而“剪力提前”――水平荷载方向上与楼屋面梁直接相连的框架边柱轴力、剪力反而比非荷载方向上柱大。由此可见,楼屋面梁非常有效地参与了整体结构抗侧工作,整个周边框架受力比较均匀合理。
为了有效发挥周边框架柱的抗侧作用,减小中央核心筒承受的倾覆力矩,缩小核心筒与周边框架柱重力荷载作用下压应力水平差异,本工程并没有采用[参考文献]4提到的减小梁高的设计手法,而是直接采用常规梁截面350x700,跨高比约13.5。
从层间位移角曲线图可以看出,由于楼屋面梁剪力对相连接竖向构件弯曲变形的抑制,结构层间位移角从下往上先逐渐增大,至一定高度后,则逐渐减小。整体曲线光滑无突变,结构刚度沿竖向变化均匀,计算所得最大层间位移角比规范要求略有富余。
3. 构件截面强度延性控制
对高层建筑竖向构件在重力荷载、水平荷载共同作用下轴压比的控制,是保证高层建筑结构延性、安全度的重要措施。震害调查及实验研究表明,轴压比较低的竖向构件延性较好,反之延性较差。
由于本工程为妇女儿童活动中心,框架及核心筒抗震构造措施均按一级考虑。外框架柱轴压比均控制在0.7以内,每层取相同截面。1~7层为900X1000mm, 8~16层为800X900mm,16以上层为700X800mm,柱长边顺筒体径向布置。中央核心筒轴压比控制在0.5以内,核心筒连梁设置交叉暗撑以提高延性。为确保核心筒刚度,外筒壁厚1~7层取为500mm,8~16层为450mm,16以上层为400mm,由于内隔墙对筒体抗弯刚度贡献较小,主要帮助外筒承受重力荷载,取其墙厚200~250mm。柱墙混凝土等级各层相同,随结构高度由C50逐渐减小至C35。
在实际的钢筋混凝土结构中,其刚度构成、荷载形成是一个随施工方法变化而变化的复杂过程,且混凝土本身又是一种弹塑性材料,其弹塑性性能随施工工艺方法不同而有所不同,即使在低应力、小应变的情况下,混凝土仍有其固有的弹塑性性能。再加上非结构构件对刚度、地震力的影响,使得真实结构分析变得极其复杂。尽管结构计算软件技术不断发展,计算精度不断提高,但是计算的结构内力与实际内力不可避免地总存在着一定的差距,故从严控制竖向构件轴压比有利于弥补此差异带来的结构隐患,有利于保证结构安全工作。
4. 楼梯影响
汶川地震后,让大家注意到楼梯对整体结构的影响,《抗规》6.1.15指出:“楼梯构件与主体结构整浇时,应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响”。
楼梯对结构的影响主要体现在其斜撑作用,通过将楼梯作为斜杆(斜板)模拟计算可知,其弹性侧向刚度相对框架结构是不可忽略的,对结构计算指标影响也很大。但是在楼梯间四周有钢筋混凝土剪力墙围合的结构(如框架-核心筒)计算中,其弹性侧刚度的影响是可以忽略的。但实际地震时,楼梯的弹塑性性能究竟如何,尚没有明确的结论,还需要不断研究。
5.结语
对于结构工程师而言,一个优秀的作品并不仅仅是在正常使用状况下的结构安全,更重要的是如何做到让结构“大震不倒”,这才是我们应该追求的最高境界。关于这一点,很多前辈给我们做了示范,比较典型的如林同炎大师设计的美洲银行,在马那瓜罕遇强震中,昂然不倒,楼立墟群,这也可以说是概念设计的胜利。因为地震从本质上讲并非一个力,而是一个能量概念,也就是说要求结构必须具备足够的耗散地震能量的能力。
对于框架-核心筒结构,我们要认清结构的受力特性,着手做好核心筒剪力墙、外框架柱的布置方案,设置多道抗震防线,分配好周边框架和核心筒之间的刚度,从整体上保证力流的简洁、顺畅。不能一开始就只是看到配筋,看计算结果的红不红,若如此,即使配筋做的再精细,实则本末倒置。
参考文献:
[1] 建筑抗震设计规范GB50011-2010. 中国建筑工业出版社,2010 .
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002. 中国建筑工业出版社.