設(shè)計(jì)基本原則課件

第三章高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)與一般建筑結(jié)構(gòu)相同，分別計(jì)算各種荷載作用下的內(nèi)力和位移，然后從不同情況的荷載組合中找到最不利內(nèi)力和位移，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)。為了保證結(jié)構(gòu)的安全和正常使用，結(jié)構(gòu)在荷載作用下應(yīng)有足夠的承載力及剛度，較高的建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)要考慮舒適度要求，抗震結(jié)構(gòu)還要滿足延性要求等。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理地選用計(jì)算分析方法、計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)；選用正確的計(jì)算分析軟件；檢驗(yàn)和判斷計(jì)算結(jié)果的合理性和可靠性，是保證結(jié)構(gòu)安全的重要環(huán)節(jié)。第一節(jié)高層建筑結(jié)構(gòu)分析一、結(jié)構(gòu)彈性及彈塑性分析

由于地震作用與風(fēng)荷載的性質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求和方法也不同。風(fēng)力作用時(shí)間較長，發(fā)生的機(jī)會(huì)也多，一般要求風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)處于彈性階段，不允許出現(xiàn)大變形，裝修材料和結(jié)構(gòu)均不允許出現(xiàn)裂縫，人不應(yīng)有不舒服感等。而地震發(fā)生的機(jī)會(huì)少，作用時(shí)間短，一般為幾秒到幾十秒，但地震作用強(qiáng)烈。如果要求結(jié)構(gòu)在所有的地震作用下都處于彈性階段，勢必要使結(jié)構(gòu)多用材料，很不經(jīng)濟(jì)。第一階段:小震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。內(nèi)容包括：確定結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)布置，用小震(眾值烈度地震)作用計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性位移和構(gòu)件內(nèi)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算，極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)截面配筋，進(jìn)行截面承載力抗震驗(yàn)算，按延性和耗能要求，采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，做到“小震不壞，中震可修”。第二階段:罕遇地震作用下薄弱部位彈塑性變形驗(yàn)算階段。如果層間變形超過允許值，應(yīng)修改設(shè)計(jì)，直到滿足變形要求為止?，F(xiàn)行《抗震規(guī)范》并未要求對一般高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二階段驗(yàn)算。但是，對于高度較大，或者是超過規(guī)程規(guī)定的最大適用高度的建筑，用彈塑性時(shí)程分析法進(jìn)行第二階段的變形驗(yàn)算是一種有效的校核設(shè)計(jì)的手段。

二、結(jié)構(gòu)靜力及動(dòng)力分析

建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，主要包括結(jié)構(gòu)靜力分析和動(dòng)力分析。首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算，然后分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力；需要時(shí)再對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析。靜力分析是指在結(jié)構(gòu)上加靜力荷載，即用不變的荷載進(jìn)行內(nèi)力和位移的計(jì)算。因此，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移當(dāng)然也是不變的，所有內(nèi)力符合平衡條件，所有位移符合變形協(xié)調(diào)條件。豎向恒載與活載，風(fēng)荷載作用下的計(jì)算都是靜力計(jì)算。

時(shí)程分析法就是動(dòng)力分析方法，即通過動(dòng)力分析求得結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(位移、速度、加速度)，再由每個(gè)時(shí)刻的位移求出每個(gè)時(shí)刻構(gòu)件的內(nèi)力和變形。時(shí)程分析方法可分為彈性時(shí)程分析法與彈塑性時(shí)程分析法。它是用地震波作為地面運(yùn)動(dòng)輸入，作用在結(jié)構(gòu)底部固定端，通過逐步積分法求解動(dòng)力方程，得到結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的動(dòng)力反應(yīng)，包括構(gòu)件內(nèi)力、變形、層間位移等，還能得到屈服構(gòu)件的位置，塑性鉸的發(fā)展過程等。它既考慮了地震動(dòng)的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間三要素，又考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，是一種先進(jìn)的直接動(dòng)力計(jì)算方法。

目前時(shí)程分析法還難以在建筑結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中普遍采用，主要原因是：①、對于彈性結(jié)構(gòu)，不同構(gòu)件的最大內(nèi)力值不在同一時(shí)刻出現(xiàn)，彈性時(shí)程分析得到的構(gòu)件內(nèi)力難以用于承載力驗(yàn)算；②、輸入不同的地震加速度時(shí)程，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)不同；③、缺少便于工程應(yīng)用的彈塑性時(shí)程分析程序。三、結(jié)構(gòu)水平荷載作用高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)上的作用包括豎向荷載和水平荷載與作用。與一般結(jié)構(gòu)不同的是：在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平荷載與作用占據(jù)主導(dǎo)和控制地位。水平荷載與作用主要包括風(fēng)荷載和地震作用，有時(shí)考慮風(fēng)荷載的荷載組合起控制作用。

x、y方向通常是指建筑結(jié)構(gòu)的主軸方向，水平力在主軸方向作用時(shí)，只產(chǎn)生主軸方向的位移，且位移最大。主軸是一對正交的軸，在大多數(shù)規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)中，主軸是很容易確定的（一個(gè)平面可能有多組主軸）。凡是具有對稱軸的平面，其對稱軸方向及其正交方向即主軸方向，在主軸方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度最小，變形最大。

因此，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定只作主軸方向計(jì)算，但對于一些斜向布置的構(gòu)件，可能作用力沿這個(gè)斜方向會(huì)使它的內(nèi)力最大，因而有時(shí)也需要用斜方向計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)主軸不易判斷時(shí)，則應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷取最接近主軸的x、y兩個(gè)方向，或通過計(jì)算確定。

第二節(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本假定

鋼筋混凝土高層建筑工作行為并不體現(xiàn)為彈性均質(zhì)性質(zhì)，要對其進(jìn)行精確的模型計(jì)算是十分困難。但是由于構(gòu)件性能的復(fù)雜性及隨機(jī)性，進(jìn)行精確的模型計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析是十分必要的。因此，在進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算時(shí)，為了簡化計(jì)算并又能充分反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀況和滿足設(shè)計(jì)要求，必須引入不同程度的計(jì)算假定進(jìn)行計(jì)算模型的簡化。作為結(jié)構(gòu)工程師要做到：合理運(yùn)用簡化假定，善于抓住主要的，忽略次要的，正確選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法。規(guī)程中對結(jié)構(gòu)計(jì)算作了如下的一些基本簡化假定（不同方法采用假定有所不同，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用符合實(shí)際的假定與方法）。

平面結(jié)構(gòu)是一種簡化假定，假定結(jié)構(gòu)只能在它自身平面內(nèi)具有有限剛度。例如：平面框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，只能抵抗平面內(nèi)的作用力；在平面外剛度為零，且不產(chǎn)生平面外的內(nèi)力。因此桿件每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都具有三個(gè)自由度(在二維平面中，以下簡稱基本簡化假定(1))。多數(shù)結(jié)構(gòu)符合該條件，但有一些結(jié)構(gòu)必需考慮與平面外有相互傳力關(guān)系，例如框筒的角柱、空間框架、空間桁架等，則必須按空間桿件計(jì)算，計(jì)算時(shí)每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度(在三維平面中)。基本簡化假定(2)：樓板平面內(nèi)無限剛性假定高層建筑結(jié)構(gòu)空間體能整體協(xié)同工作的原因是由于各抗力結(jié)構(gòu)之間通過樓板聯(lián)系。進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算時(shí)，假定聯(lián)系各抗力結(jié)構(gòu)的樓板在其自身平面內(nèi)有無限大的剛度且不能變形；而在平面外則剛度為零(以下簡稱基本簡化假定(2))。因此，樓板經(jīng)常作為若干個(gè)平面結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，使這些平面結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下同一樓層處的側(cè)移都相等(無扭轉(zhuǎn)時(shí))，或側(cè)移分布成直線關(guān)系(有扭轉(zhuǎn)時(shí))。樓板的這種作用稱為“水平位移協(xié)調(diào)”(注意：這些平面結(jié)構(gòu)的豎向變形是獨(dú)立的，互不相關(guān)的)。當(dāng)結(jié)構(gòu)無扭轉(zhuǎn)時(shí)，剛性樓板只產(chǎn)生平移（圖a）；有扭轉(zhuǎn)時(shí)，剛性樓板還作剛體轉(zhuǎn)動(dòng)（圖b）：

采用基本簡化假定(1)及(2)，不考慮結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)時(shí)，稱為平面協(xié)同計(jì)算(此時(shí)，正交方向的抗側(cè)單元不參加工作)?？紤]的扭轉(zhuǎn)時(shí)稱為空間協(xié)同計(jì)算(此時(shí)，正交方向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參加抵抗扭矩)?；竞喕俣?3)：彈性變形協(xié)調(diào)假定

高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移采用彈性方法計(jì)算。變形協(xié)調(diào)的假定用來計(jì)算豎向變形。當(dāng)有兩片相互交匯的平面結(jié)構(gòu)(符合基本簡化假定(1))，通過交匯處的柱豎向變形一致而傳遞內(nèi)力，這種計(jì)算稱為豎向變形協(xié)調(diào)的空間協(xié)同計(jì)算。比如：在框筒結(jié)構(gòu)中，當(dāng)樓板較薄，忽略腹板框架(或翼緣框架)與樓板大梁的傳力關(guān)系時(shí)，往往采用這種方法。這種計(jì)算比僅有水平位移協(xié)調(diào)的計(jì)算更符合實(shí)際且又簡化了計(jì)算。

如果結(jié)構(gòu)平面布置較復(fù)雜，無法分成單片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，或當(dāng)筒中筒結(jié)構(gòu)的框筒與內(nèi)筒之間有較大的梁時(shí)，需要考慮這些大梁與框筒柱的剛性連接(傳遞彎矩)，每一根柱都需要考慮框架平面內(nèi)與平面外的變形與受力，則此時(shí)結(jié)構(gòu)必須采用完全的三維構(gòu)件計(jì)算，此時(shí)可稱為(真正的)空間計(jì)算。第三節(jié)構(gòu)件的剛度與變形

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：在風(fēng)荷載及地震（小震）作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，因而除少量情況外，構(gòu)件均采用彈性剛度。構(gòu)件變形包括三種（軸向、彎曲、剪切），相應(yīng)有三種剛度（軸向剛度EA、抗彎剛度EI、抗剪剛度GA）。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，計(jì)入哪些剛度取決于對構(gòu)件變形所做的計(jì)算假定。

一般情況下，梁、柱構(gòu)件的彎曲變形都是基本變形，因此抗彎剛度EI必須考慮。在高度較小的多層結(jié)構(gòu)中，柱的軸向變形較小（可忽略），視其抗壓剛度EA為無限大，在計(jì)算中不予考慮；在高度較大的結(jié)構(gòu)中，則不可忽略其軸向變形，否則會(huì)造成較大的誤差。在彈性計(jì)算中，都采用材料模量E及剪切模量G(混凝土G=0.42E)，I為截面的慣性矩。注意：軸向剛度EA中的A是取構(gòu)件全截面面積。剪切剛度GA中的A則只取腹板面積（在I形或T形截面中，翼緣的剪應(yīng)變很小而被忽略了），只計(jì)算腹板的剪切變形。第四節(jié)結(jié)構(gòu)塑性內(nèi)力重分配

在超靜定結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與構(gòu)件的剛度有關(guān)。在一些情況下，構(gòu)件很容易開裂(或出現(xiàn)塑性鉸)，開裂后構(gòu)件剛度降低，該構(gòu)件的內(nèi)力分配比例將減小，另一些構(gòu)件內(nèi)力分配比例隨之增大，這種現(xiàn)象稱為塑性內(nèi)力重分配。考慮塑性內(nèi)力重分配，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整有以下兩種：

一、調(diào)幅

為了使計(jì)算較為符合實(shí)際；另外，也利用這種性質(zhì)，使某個(gè)部位降低內(nèi)力，減少配筋?？刹捎谩罢{(diào)幅”方法調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，一些構(gòu)件內(nèi)力降低，另一些構(gòu)件內(nèi)力增大。降低內(nèi)力的部位就會(huì)早出裂縫（或早進(jìn)入屈服），調(diào)幅愈大，裂縫出得愈早。如框架梁在豎向荷載作用下的彎矩調(diào)幅如下圖所示：

—————彈性計(jì)算結(jié)果（M）－－－－－調(diào)幅后結(jié)果（M'）

二、調(diào)整內(nèi)力

考慮到在地震作用下，某些部位先屈服，則未屈服部位必然內(nèi)力增大，為了后者的安全，有意加大其內(nèi)力，但前者內(nèi)力并不減少。調(diào)幅(調(diào)整)的多少可由設(shè)計(jì)人員根據(jù)需要確定和控制，但是《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對各種調(diào)幅都有限制，即規(guī)定了內(nèi)力的最低值。兩類調(diào)幅(調(diào)整)方法：(1)、用彈性計(jì)算所得到的內(nèi)力乘以系數(shù)(大于1或小于1)。(2)、在計(jì)算時(shí)降低桿件剛度，計(jì)算時(shí)構(gòu)件剛度降低愈多，內(nèi)力愈小。

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，規(guī)定的調(diào)幅有下列幾處：框架梁(連續(xù)梁)在豎向荷載下的調(diào)幅，采用方法(1)進(jìn)行：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架的內(nèi)力調(diào)整，采用方法(1)進(jìn)行：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架與剪力墻之間的聯(lián)系梁的調(diào)幅，采用方法(2)進(jìn)行：聯(lián)肢剪力墻中連梁的調(diào)幅，采用方法(1)或方法(2)進(jìn)行。第五節(jié)結(jié)構(gòu)程序分析方法一、常見程序分析方法

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移分析時(shí)，可以采用較為精確的程序計(jì)算方法，也可以采用近似的簡化計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)的普及，采用程序計(jì)算方法也逐漸增多。對多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)而言，均可利用程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。但在采用計(jì)算軟件時(shí)，須特別注意軟件的使用范圍及通用性，輸入數(shù)據(jù)間的相互協(xié)調(diào)。

目前，高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算程序很多。比如：PKPM、ETABS、廣廈、SAP2000、ANSYS等等。其中，國內(nèi)計(jì)算程序主要包括下列幾個(gè)部分：前處理：圖形輸入原始數(shù)據(jù)及選擇參數(shù)。計(jì)算部分：動(dòng)力特性及內(nèi)力分析、內(nèi)力組合及截面計(jì)算、彈性時(shí)程分析。后處理：輸出計(jì)算結(jié)果，截面配筋及超筋、超軸壓比等信息。國外計(jì)算程序在很多設(shè)計(jì)中也逐漸被引用。但是由于規(guī)范不同，國外程序主要進(jìn)行動(dòng)力特性、位移及內(nèi)力計(jì)算，作為一種復(fù)核手段。

二、桿件有限元分析方法

大多數(shù)計(jì)算程序的結(jié)構(gòu)分析基本都采用桿件有限元方法（少數(shù)采用有限條方法或線法）；并且采用基本簡化假定(2)，即把樓板看成平面內(nèi)剛性無限大。

桿件有限元分析方法的原理：

建立單元?jiǎng)偠染仃嚕郏耄荩晌灰品ǖ玫降趇個(gè)桿件的單元?jiǎng)偠染仃?。即可建立桿端內(nèi)力｛ｆ｝與桿端位移｛δ｝之間的關(guān)系:

(3－1)

將所有桿件的單元?jiǎng)偠染仃嚰煽倓偠染兀郏耄?，即可建立全部結(jié)點(diǎn)位移｛△｝與結(jié)構(gòu)力｛Ｆ｝之間的關(guān)系：[K]·[△]={F}(3－2)

(3－2)式是聯(lián)立方程，可解得結(jié)點(diǎn)位移｛△｝，其中包括了第i個(gè)桿件的端位移｛δ｝，就可利用式(7-6)的關(guān)系，求出第i個(gè)桿件的端內(nèi)力

(3－3)

由以上可見，在采用桿件有限元分析方法時(shí)，需要知道桿件的單元?jiǎng)偠染仃嚕ㄅc桿件的受力變形特性，程序所采用的力學(xué)模型有關(guān)）?？蚣芰?、柱都是典型的桿件，在各種程序中幾乎沒有區(qū)別；另外，梁、柱桿件都可考慮桿端有剛域，即帶剛域桿件。

三、墻體有限元分析方法

在采用桿件有限元方法的程序中，剪力墻有幾種力學(xué)模型，下面介紹一些最常用的模型：（1）、帶剛域框架方法計(jì)算聯(lián)肢剪力墻聯(lián)肢剪力墻可以簡化為帶剛域框架。在所有的計(jì)算程序中，都可以用這種方法計(jì)算剪力墻。（2）、薄壁桿件計(jì)算方法計(jì)算剪力墻

剪力墻或?qū)嵏雇仓?，墻厚與截面寬度和高度相比是很小的，因而可視為薄壁，其應(yīng)力都作用在薄壁平面內(nèi)，作為一個(gè)桿件(空間桿件)。將結(jié)構(gòu)中的樓板視為平面內(nèi)無限剛性，則可保證剪力墻(筒體)的截面形狀不變，符合薄壁桿件的基本假定。薄壁桿件計(jì)算方法最初是由蘇聯(lián)的伏拉索夫教授建立的，它可以計(jì)算薄壁桿的彎曲與約束扭轉(zhuǎn)。

由于在水平荷載作用下截面不再保持為平面,產(chǎn)生翹曲位移。當(dāng)支座約束時(shí)，翹曲變形受到阻礙,截面內(nèi)將產(chǎn)生不均勻的正應(yīng)力,正應(yīng)力構(gòu)成力矩稱為雙力矩。因此薄壁桿除了空間桿件所具有的6個(gè)自由度外，還有一個(gè)翹曲自由度(