《设计基本原则》PPT课件

'第三章高层建筑结构设计原则 设计高层建筑结构与一般建筑结构相同，分别计算各种荷载作用下的内力和位移，然后从不同情况的荷载组合中找到最不利内力和位移，进行结构计算与设计。为了保证结构的安全和正常使用，结构在荷载作用下应有足够的承载力及刚度，较高的建筑结构抗风要考虑舒适度要求，抗震结构还要满足延性要求等。在高层建筑结构设计中，合理地选用计算分析方法、计算模型和相关参数；选用正确的计算分析软件；检验和判断计算结果的合理性和可靠性，是保证结构安全的重要环节。 第一节高层建筑结构分析一、结构弹性及弹塑性分析由于地震作用与风荷载的性质不同，结构设计的要求和方法也不同。风力作用时间较长，发生的机会也多，一般要求风荷载作用下结构处于弹性阶段，不允许出现大变形，装修材料和结构均不允许出现裂缝，人不应有不舒服感等。而地震发生的机会少，作用时间短，一般为几秒到几十秒，但地震作用强烈。如果要求结构在所有的地震作用下都处于弹性阶段，势必要使结构多用材料，很不经济。 我国《混凝土结构设计规范》GB50010－2002规定，在风荷载作用下，建筑结构的内力及位移分析采用弹性计算方法。抗震设计的两阶段设计计算方法不同，第一阶段内力及位移分析采用弹性计算方法；第二阶段采用弹塑性时程分析方法校核变形。为了实现三个烈度水准抗震设防目标“小震不坏，中震可修，大震不倒”，《抗震规范》提出了二阶段抗震设计方法： 第一阶段:小震作用下的结构设计阶段。内容包括：确定结构方案和结构布置，用小震(众值烈度地震)作用计算结构的弹性位移和构件内力，进行结构变形验算，极限状态方法设计截面配筋，进行截面承载力抗震验算，按延性和耗能要求，采取相应的抗震构造措施，做到“小震不坏，中震可修”。 第二阶段:罕遇地震作用下薄弱部位弹塑性变形验算阶段。如果层间变形超过允许值，应修改设计，直到满足变形要求为止。现行《抗震规范》并未要求对一般高层建筑结构进行第二阶段验算。但是，对于高度较大，或者是超过规程规定的最大适用高度的建筑，用弹塑性时程分析法进行第二阶段的变形验算是一种有效的校核设计的手段。 二、结构静力及动力分析建筑结构的力学分析，主要包括结构静力分析和动力分析。首先对结构进行静力计算，然后分析结构的动力特性，进而分析结构的变形及内力；需要时再对结构进行时程分析。静力分析是指在结构上加静力荷载，即用不变的荷载进行内力和位移的计算。因此，结构内力与位移当然也是不变的，所有内力符合平衡条件，所有位移符合变形协调条件。竖向恒载与活载，风荷载作用下的计算都是静力计算。 动力分析是指外力作用是随时间而变化的（如地震作用）。因此，位移与内力也是随时间而变化的。但是，目前的地震作用计算方法采用的反应谱方法，是指把结构动力问题简化成各个振型的静力分析，再把每个振型的计算结果按一定的法则(SRSS方法或CQC方法)组合起来，所以又称为拟静力方法。我国现在通用的说法是把动力特性的分析叫做“动力分析”，它包括周期(频率)与振型的计算。动力特性分析及振型组合的计算都是弹性计算，其计算基本假定、计算简图都与静力计算相同。 时程分析法就是动力分析方法，即通过动力分析求得结构的运动状态(位移、速度、加速度)，再由每个时刻的位移求出每个时刻构件的内力和变形。时程分析方法可分为弹性时程分析法与弹塑性时程分析法。它是用地震波作为地面运动输入，作用在结构底部固定端，通过逐步积分法求解动力方程，得到结构随时间变化的动力反应，包括构件内力、变形、层间位移等，还能得到屈服构件的位置，塑性铰的发展过程等。它既考虑了地震动的振幅、频率和持续时间三要素，又考虑了结构的动力特性，是一种先进的直接动力计算方法。 目前时程分析法还难以在建筑结构的抗震计算中普遍采用，主要原因是：①、对于弹性结构，不同构件的最大内力值不在同一时刻出现，弹性时程分析得到的构件内力难以用于承载力验算；②、输入不同的地震加速度时程，结构的反应不同；③、缺少便于工程应用的弹塑性时程分析程序。 三、结构水平荷载作用高层建筑和高耸结构上的作用包括竖向荷载和水平荷载与作用。与一般结构不同的是：在高层建筑结构设计中水平荷载与作用占据主导和控制地位。水平荷载与作用主要包括风荷载和地震作用，有时考虑风荷载的荷载组合起控制作用。 实际风荷载和地震作用的方向是任意不定的。在结构受力分析中，为了简化计算，仅对结构平面内有限的几个轴线方向进行分析。《混凝土结构设计规范》规定：结构计算只考虑x、y两个正交方向作用的水平力，各方向风荷载与水平地震作用全部由该方向抗侧力结构承担。 x、y方向通常是指建筑结构的主轴方向，水平力在主轴方向作用时，只产生主轴方向的位移，且位移最大。主轴是一对正交的轴，在大多数规则形状的结构中，主轴是很容易确定的（一个平面可能有多组主轴）。凡是具有对称轴的平面，其对称轴方向及其正交方向即主轴方向，在主轴方向结构抗侧刚度最小，变形最大。 因此，《混凝土结构设计规范》规定只作主轴方向计算，但对于一些斜向布置的构件，可能作用力沿这个斜方向会使它的内力最大，因而有时也需要用斜方向计算。当结构主轴不易判断时，则应根据经验判断取最接近主轴的x、y两个方向，或通过计算确定。 第二节结构计算的基本假定钢筋混凝土高层建筑工作行为并不体现为弹性均质性质，要对其进行精确的模型计算是十分困难。但是由于构件性能的复杂性及随机性，进行精确的模型计算和结构分析是十分必要的。因此，在进行内力和位移计算时，为了简化计算并又能充分反映实际结构的受力状况和满足设计要求，必须引入不同程度的计算假定进行计算模型的简化。作为结构工程师要做到：合理运用简化假定，善于抓住主要的，忽略次要的，正确选用恰当的计算方法。规程中对结构计算作了如下的一些基本简化假定（不同方法采用假定有所不同，应当根据设计要求选用符合实际的假定与方法）。 基本简化假定（1）：平面结构假定任何建筑物结构都是空间结构，都应该具有承受来自不同方向力的作用，因此每个构件都与不在同一平面内的其它构件相联系，形成三维传力体系。但是在结构分析时，经常将高层建筑这一空间结构简化成若干片平面结构结构进行分析。如下图平面结构模型：取计算简图为图（a）阴影部分，计算模型为图（b）: 平面结构是一种简化假定，假定结构只能在它自身平面内具有有限刚度。例如：平面框架、剪力墙结构，只能抵抗平面内的作用力；在平面外刚度为零，且不产生平面外的内力。因此杆件每一个结点都具有三个自由度(在二维平面中，以下简称基本简化假定(1))。多数结构符合该条件，但有一些结构必需考虑与平面外有相互传力关系，例如框筒的角柱、空间框架、空间桁架等，则必须按空间杆件计算，计算时每个结点具有六个自由度(在三维平面中)。 基本简化假定(2)：楼板平面内无限刚性假定高层建筑结构空间体能整体协同工作的原因是由于各抗力结构之间通过楼板联系。进行高层建筑结构内力与位移计算时，假定联系各抗力结构的楼板在其自身平面内有无限大的刚度且不能变形；而在平面外则刚度为零(以下简称基本简化假定(2))。因此，楼板经常作为若干个平面结构之间的联系，使这些平面结构在水平荷载作用下同一楼层处的侧移都相等(无扭转时)，或侧移分布成直线关系(有扭转时)。楼板的这种作用称为“水平位移协调”(注意：这些平面结构的竖向变形是独立的，互不相关的)。当结构无扭转时，刚性楼板只产生平移（图a）；有扭转时，刚性楼板还作刚体转动（图b）： 采用基本简化假定(1)及(2)，不考虑结构扭转时，称为平面协同计算(此时，正交方向的抗侧单元不参加工作)。考虑的扭转时称为空间协同计算(此时，正交方向的抗侧力结构结构参加抵抗扭矩)。 基本简化假定(3)：弹性变形协调假定高层建筑结构的内力与位移采用弹性方法计算。变形协调的假定用来计算竖向变形。当有两片相互交汇的平面结构(符合基本简化假定(1))，通过交汇处的柱竖向变形一致而传递内力，这种计算称为竖向变形协调的空间协同计算。比如：在框筒结构中，当楼板较薄，忽略腹板框架(或翼缘框架)与楼板大梁的传力关系时，往往采用这种方法。这种计算比仅有水平位移协调的计算更符合实际且又简化了计算。 如果结构平面布置较复杂，无法分成单片抗侧力结构，或当筒中筒结构的框筒与内筒之间有较大的梁时，需要考虑这些大梁与框筒柱的刚性连接(传递弯矩)，每一根柱都需要考虑框架平面内与平面外的变形与受力，则此时结构必须采用完全的三维构件计算，此时可称为(真正的)空间计算。 楼板是保证协同工作的重要构件，当采用基本简化假定(2)时，应确定楼板在其自身平面内确有足够大的刚度，当楼板长宽比较大，或者局部楼板长宽比较大，局部外伸的楼板较细长或楼板开大孔，在水平荷载下楼板会有较大变形时，则按无限刚性假定计算所得结果与实际情况不符。这种情况下《混凝土结构设计规范》规定：要考虑楼板的有限刚性结构分析。这种分析会增加计算自由度，目前只有很少的程序可做这种计算，一般情况下是避免设计这种结构；在框架-剪力墙结构中要限制剪力墙的间距，就是为了减少楼板的水平变形。当楼板有变形情况不严重时可在按刚性楼板计算的基础上对内力进行适当调整，并采取相应构造措施。 第三节构件的刚度与变形我国《混凝土结构设计规范》规定：在风荷载及地震（小震）作用下，结构处于弹性状态，因而除少量情况外，构件均采用弹性刚度。构件变形包括三种（轴向、弯曲、剪切），相应有三种刚度（轴向刚度EA、抗弯刚度EI、抗剪刚度GA）。在进行结构分析时，计入哪些刚度取决于对构件变形所做的计算假定。 一般情况下，梁、柱构件的弯曲变形都是基本变形，因此抗弯刚度EI必须考虑。在高度较小的多层结构中，柱的轴向变形较小（可忽略），视其抗压刚度EA为无限大，在计算中不予考虑；在高度较大的结构中，则不可忽略其轴向变形，否则会造成较大的误差。在弹性计算中，都采用材料模量E及剪切模量G(混凝土G=0.42E)，I为截面的惯性矩。注意：轴向刚度EA中的A是取构件全截面面积。剪切刚度GA中的A则只取腹板面积（在I形或T形截面中，翼缘的剪应变很小而被忽略了），只计算腹板的剪切变形。 基本简化假定(2)的实质：在同一层楼板上的所有节点间水平距离不变,即梁没有轴向变形。实际上因为有楼板共同传递轴向力，梁的轴向力很小,设计时被忽略而作为受弯构件设计足够精确。另外,支撑构件只考虑轴向变形（只有轴向刚度EA），其他变形一般都忽略。《混凝土结构设计规范》规定：在高度超过50m、以及高宽双大于4的结构中，宜考虑柱轴向变形影响；长细比L／h大于4的构件中剪切变形可忽略，抗剪刚度GA为无限大。 在程序计算中，除了忽略梁轴向变形外，构件的其它变形均考虑，计算精度较高。在手算中，为了简化计算，经常忽略某一项或两项。在以后的各种结构计算方法中再分别介绍。 第四节结构塑性内力重分配在超静定结构中，结构的内力与构件的刚度有关。在一些情况下，构件很容易开裂(或出现塑性铰)，开裂后构件刚度降低，该构件的内力分配比例将减小，另一些构件内力分配比例随之增大，这种现象称为塑性内力重分配。考虑塑性内力重分配，结构设计时进行内力调整有以下两种： 一、调幅为了使计算较为符合实际；另外，也利用这种性质，使某个部位降低内力，减少配筋。可采用“调幅”方法调整结构的内力，一些构件内力降低，另一些构件内力增大。降低内力的部位就会早出裂缝（或早进入屈服），调幅愈大，裂缝出得愈早。如框架梁在竖向荷载作用下的弯矩调幅如下图所示： —————弹性计算结果（M）－－－－－调幅后结果（M"） 二、调整内力考虑到在地震作用下，某些部位先屈服，则未屈服部位必然内力增大，为了后者的安全，有意加大其内力，但前者内力并不减少。调幅(调整)的多少可由设计人员根据需要确定和控制，但是《混凝土结构设计规范》对各种调幅都有限制，即规定了内力的最低值。两类调幅(调整)方法：(1)、用弹性计算所得到的内力乘以系数(大于1或小于1)。(2)、在计算时降低杆件刚度，计算时构件刚度降低愈多，内力愈小。 在《高层建筑混凝土结构技术规程》中，规定的调幅有下列几处：框架梁(连续梁)在竖向荷载下的调幅，采用方法(1)进行：框架-剪力墙结构中框架的内力调整，采用方法(1)进行：框架-剪力墙结构中框架与剪力墙之间的联系梁的调幅，采用方法(2)进行：联肢剪力墙中连梁的调幅，采用方法(1)或方法(2)进行。 第五节结构程序分析方法一、常见程序分析方法《混凝土结构设计规范》规定在进行结构内力及位移分析时，可以采用较为精确的程序计算方法，也可以采用近似的简化计算方法。随着计算机的普及，采用程序计算方法也逐渐增多。对多数建筑结构而言，均可利用程序进行结构计算。但在采用计算软件时，须特别注意软件的使用范围及通用性，输入数据间的相互协调。 目前，高层建筑结构的计算程序很多。比如：PKPM、ETABS、广厦、SAP2000、ANSYS等等。其中，国内计算程序主要包括下列几个部分：前处理：图形输入原始数据及选择参数。计算部分：动力特性及内力分析、内力组合及截面计算、弹性时程分析。后处理：输出计算结果，截面配筋及超筋、超轴压比等信息。国外计算程序在很多设计中也逐渐被引用。但是由于规范不同，国外程序主要进行动力特性、位移及内力计算，作为一种复核手段。 二、杆件有限元分析方法大多数计算程序的结构分析基本都采用杆件有限元方法（少数采用有限条方法或线法）；并且采用基本简化假定(2)，即把楼板看成平面内刚性无限大。杆件有限元分析方法的原理： 建立单元刚度矩阵［ｋ］，由位移法得到第i个杆件的单元刚度矩阵。即可建立杆端内力｛ｆ｝与杆端位移｛δ｝之间的关系:(3－1)将所有杆件的单元刚度矩阵集成总刚度矩［ｋ］，即可建立全部结点位移｛△｝与结构力｛Ｆ｝之间的关系：[K]·[△]={F}(3－2) (3－2)式是联立方程，可解得结点位移｛△｝，其中包括了第i个杆件的端位移｛δ｝，就可利用式(7-6)的关系，求出第i个杆件的端内力(3－3)由以上可见，在采用杆件有限元分析方法时，需要知道杆件的单元刚度矩阵（与杆件的受力变形特性，程序所采用的力学模型有关）。框架梁、柱都是典型的杆件，在各种程序中几乎没有区别；另外，梁、柱杆件都可考虑杆端有刚域，即带刚域杆件。 三、墙体有限元分析方法在采用杆件有限元方法的程序中，剪力墙有几种力学模型，下面介绍一些最常用的模型：（1）、带刚域框架方法计算联肢剪力墙联肢剪力墙可以简化为带刚域框架。在所有的计算程序中，都可以用这种方法计算剪力墙。 （2）、薄壁杆件计算方法计算剪力墙剪力墙或实腹筒中，墙厚与截面宽度和高度相比是很小的，因而可视为薄壁，其应力都作用在薄壁平面内，作为一个杆件(空间杆件)。将结构中的楼板视为平面内无限刚性，则可保证剪力墙(筒体)的截面形状不变，符合薄壁杆件的基本假定。薄壁杆件计算方法最初是由苏联的伏拉索夫教授建立的，它可以计算薄壁杆的弯曲与约束扭转。 由于在水平荷载作用下截面不再保持为平面,产生翘曲位移。当支座约束时，翘曲变形受到阻碍,截面内将产生不均匀的正应力,正应力构成力矩称为双力矩。因此薄壁杆除了空间杆件所具有的6个自由度外，还有一个翘曲自由度(双力矩)，总共有7个自由度。 在结构分析中，将一个剪力墙看成截面为『、Z、［、口等形状的薄壁杆件，它以楼板为支承点,可以与楼板平面内的梁连接，形成杆系体系。在空间计算时，计算省时。由于薄壁杆件的剪切中心随截面形状改变而变化，薄壁杆件抗弯刚度又很大，与梁连接时会使梁端的约束刚度失真，还由于薄壁杆件不能考虑杆件的剪切变形等等原因，在某些情况下用薄壁杆件计算会造成内力误差较大。 （3）、墙板模型计算剪力墙这种模型是把墙板作为一块平板(板的四周为梁柱，在无边框剪力墙中在墙四周设置虚梁、虚柱)，该墙板单元平面内有轴向、弯曲与剪切刚度，但平面外刚度为零，板的角部与梁柱节点相连。每个节点6个自由度中只有2个u、v位移对墙板起作用。假设墙板截面保持平截面，那么4个角节点的u、v位移会使墙板产生轴向、弯曲与剪切变形。虽然墙板只在平面内有刚度，并产生内力，但是通过在梁柱节点处位移协调，在水平荷载作用下，垂直于受力方向的墙板(翼缘)也会受拉或受压，因此墙板模型可得到筒的空间受力状态。 板单元在国外及近来的国内计算程序中得到重视与应用，它比薄壁杆件单元自由度多，但大大少于采用平面有限元方法的自由度，由于划分的单元大，精度当然不如平面有限元，但是具有平面有限元的节点位移协调的特点，而且可直接得到内力，便于设计截面，目前应用墙板单元的各种程序中，都加入了一些各自的特殊考虑和处理方法，使精度有所提高。'