高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計韓小雷

高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

(廣東省注冊工程師培訓(xùn)講座)主講:韓小雷博士

華南理工大學(xué)土木工程系教授、博導(dǎo)華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院一級注冊結(jié)構(gòu)工程師英聯(lián)邦結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會會員、特許注冊結(jié)構(gòu)工程師香港工程師學(xué)會會員當(dāng)前第1頁\共有49頁\編于星期一\17點結(jié)構(gòu)工程是這樣一種藝術(shù):使用材料這些材料屬性只能估算建立真實的結(jié)構(gòu)這些真實的結(jié)構(gòu)只能近似分析來承受外力這些外力不能準(zhǔn)確得知以滿足我們對公眾安全職責(zé)的要求當(dāng)前第2頁\共有49頁\編于星期一\17點1.荷載豎向荷載

美國規(guī)范規(guī)定混凝土容重取24kN/m3，而常用的計算軟件沒有考慮扣除梁板重疊、豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件重疊引起的重復(fù)荷載，故為了考慮剪力墻結(jié)構(gòu)的墻面裝修荷載而取混凝土容重為27kN/m3是不合理的。水平荷載

風(fēng)荷載：10年一遇基本風(fēng)壓：舒適度驗算50年一遇基本風(fēng)壓：剛度驗算100年一遇基本風(fēng)壓：強度驗算

地震作用：

小震(重現(xiàn)期50年)：彈性

中震(重現(xiàn)期475年)：基本彈性

大震(重現(xiàn)期2475年)：彈塑性當(dāng)前第3頁\共有49頁\編于星期一\17點2.結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載組合與

荷載效應(yīng)組合當(dāng)前第4頁\共有49頁\編于星期一\17點3.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、傾覆與基礎(chǔ)埋深1）剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、

筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下式要求：2）框架結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下式要求：

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3—2002)要求高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定符合如下規(guī)定：

當(dāng)前第5頁\共有49頁\編于星期一\17點4.結(jié)構(gòu)抗扭風(fēng)荷載作用

合力中心為建筑物投影的幾何中心地震荷載作用

合力中心為質(zhì)量中心

當(dāng)前第6頁\共有49頁\編于星期一\17點5.框筒與筒中筒結(jié)構(gòu)框筒結(jié)構(gòu):筒中筒結(jié)構(gòu):當(dāng)前第7頁\共有49頁\編于星期一\17點剪力滯后現(xiàn)象:當(dāng)前第8頁\共有49頁\編于星期一\17點6.結(jié)構(gòu)抗彎剛度與抗扭剛度的關(guān)系結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和與抗扭剛度應(yīng)相匹配，基本原則是結(jié)構(gòu)振型為平平扭。若抗彎剛度太大，抗扭剛度相對較弱，可能產(chǎn)生第一振型就是扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)第一周期與平動周期之比以及平面最大位移與平均位移不能滿足規(guī)范要求，這時可采用以下兩個方法：1）增加抗扭剛度，有時很困難

最好采用：在不增加豎向構(gòu)件的前提下，增加連梁的作用2）在層間位移有富余的情況下，可減小抗彎剛度當(dāng)前第9頁\共有49頁\編于星期一\17點7.《高規(guī)》建議的高層建筑

結(jié)構(gòu)分析模型空間協(xié)同空間桿系空間桿—薄壁桿空間桿—墻板元有限元當(dāng)前第10頁\共有49頁\編于星期一\17點8.梁板結(jié)構(gòu)、寬扁梁結(jié)構(gòu)和

無梁樓蓋的傳力路徑當(dāng)前第11頁\共有49頁\編于星期一\17點9.對規(guī)范要求鋼筋混凝土框架

結(jié)構(gòu)“大震不倒”的思考當(dāng)前第12頁\共有49頁\編于星期一\17點當(dāng)前第13頁\共有49頁\編于星期一\17點當(dāng)前第14頁\共有49頁\編于星期一\17點當(dāng)前第15頁\共有49頁\編于星期一\17點當(dāng)前第16頁\共有49頁\編于星期一\17點10.中國高規(guī)的發(fā)展鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)定(JGJ3-79)1979高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建議(體選擇與構(gòu)造措施)上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)定(JGJ3-91)中國建筑工業(yè)出版社，1991高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3—2002)中國建筑工業(yè)出版社，2002當(dāng)前第17頁\共有49頁\編于星期一\17點11.結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性當(dāng)前第18頁\共有49頁\編于星期一\17點12.超高層建筑的風(fēng)洞試驗地形地貌模型試驗高頻動態(tài)天平剛體模型測力風(fēng)洞試驗剛體模型測壓風(fēng)洞試驗氣彈全模型風(fēng)致振動響應(yīng)風(fēng)洞試驗當(dāng)前第19頁\共有49頁\編于星期一\17點

廣州觀光塔效果圖(610m):當(dāng)前第20頁\共有49頁\編于星期一\17點廣州西塔效果圖(432m):當(dāng)前第21頁\共有49頁\編于星期一\17點13.結(jié)構(gòu)計算均假設(shè)結(jié)構(gòu)處于

彈性狀態(tài)，實際結(jié)構(gòu)是處于

彈塑性狀態(tài)

當(dāng)前第22頁\共有49頁\編于星期一\17點14.強柱弱梁、強剪弱彎、強墻弱連梁當(dāng)前第23頁\共有49頁\編于星期一\17點15.美國規(guī)范要求無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力

結(jié)構(gòu)中，非預(yù)應(yīng)力筋必須能

抵抗100﹪恒載及25﹪活載

當(dāng)前第24頁\共有49頁\編于星期一\17點16.帶地下室的結(jié)構(gòu)計算假設(shè)嵌

固在±0.000時，±0.000應(yīng)

設(shè)計成強梁弱柱當(dāng)前第25頁\共有49頁\編于星期一\17點17.帶地下室的結(jié)構(gòu)計算假設(shè)嵌固

在±0.000時，結(jié)構(gòu)剛度大為

增大，計算出的結(jié)構(gòu)剛度偏大，

位移偏小，地震作用偏大當(dāng)前第26頁\共有49頁\編于星期一\17點18.無地下室的結(jié)構(gòu)，計算模型

為首層嵌固，這是有條件

的，應(yīng)設(shè)計成強梁弱柱。

當(dāng)前第27頁\共有49頁\編于星期一\17點19.性能的設(shè)計方法：強度+延性當(dāng)前第28頁\共有49頁\編于星期一\17點20.彈性與彈塑性時程分析的選波

及其概率性定義1)現(xiàn)行規(guī)范的彈性反應(yīng)譜的來由——體現(xiàn)了概率的統(tǒng)計意義2)彈塑性反應(yīng)譜——可變參數(shù)多，無法用單一譜反應(yīng)當(dāng)前第29頁\共有49頁\編于星期一\17點3)用大量的涵蓋各種情況的地震波進行彈塑性時程分析，符合概率統(tǒng)計的思想，是“可靠”的，是解決問題的一個正確方法。4)如何選波，如何進行概率統(tǒng)計是下一步需要解決的問題。當(dāng)前第30頁\共有49頁\編于星期一\17點21.振動臺試驗介紹1)地震實測數(shù)據(jù)和振動臺試驗數(shù)據(jù)是檢驗彈塑性分析軟件的重要標(biāo)準(zhǔn)。2)振動臺試驗的模型設(shè)計及其重力相似比。當(dāng)前第31頁\共有49頁\編于星期一\17點3)存在的幾點問題：附加重量的滑動阻尼、臺面加速度與電腦輸入加速度的差異等4)振動臺試驗實例

a、華標(biāo)三期

b、日本阪神地震之一

之二

c、框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)

d、美國PEER振動臺試驗當(dāng)前第32頁\共有49頁\編于星期一\17點5)從振動臺試驗及彈塑性分析得到的啟示：

3～20層的較為剛性的結(jié)構(gòu)是比較敏感的，高柔結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)反應(yīng)不敏感。當(dāng)前第33頁\共有49頁\編于星期一\17點22.重要結(jié)構(gòu)的抗震加固方法1)強度+構(gòu)造（延性）→抗震性能

如果抗震性能的目標(biāo)是正確的，則強度與構(gòu)造間是可以互相補充的。當(dāng)前第34頁\共有49頁\編于星期一\17點2)以上思想為不符合現(xiàn)行規(guī)范構(gòu)造的結(jié)構(gòu)抗震加固提供了出路：不是不符合構(gòu)造要求的結(jié)構(gòu)都需要加固。當(dāng)前第35頁\共有49頁\編于星期一\17點3)選用符合概率統(tǒng)計意義的一批地震波，對反映結(jié)構(gòu)真實幾何尺寸、真實材料性能和真實截面配筋的結(jié)構(gòu)模型進行彈塑性時程分析，對其性能作出評價。當(dāng)前第36頁\共有49頁\編于星期一\17點4)增加耗能支撐阻尼是框架結(jié)構(gòu)加固的一個有效的方法當(dāng)前第37頁\共有49頁\編于星期一\17點23.

基于能力的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介當(dāng)前第38頁\共有49頁\編于星期一\17點24.《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》簡介

90%的內(nèi)容以美國FEMA規(guī)范條文為藍(lán)本當(dāng)前第39頁\共有49頁\編于星期一\17點25.

關(guān)于最小配筋率的討論對于懸挑長度小于500，厚度大于100的裝飾性線條，若其僅承受自重和表面裝修荷載，可不按最小配筋率設(shè)置，僅需滿足強度和使用性要求。當(dāng)前第40頁\共有49頁\編于星期一\17點ACI318-2002關(guān)于最小配筋率的補充規(guī)定：——Therequirementsof10.5.1and10.5.2neednotbeappliedifateverysectionASprovidedisatleastone-thirdgreaterthanthatrequiredbyanalysis.當(dāng)前第41頁\共有49頁\編于星期一\17點

26.關(guān)于彈塑性分析的若干討論當(dāng)前第42頁\共有49頁\編于星期一\17點精確——從理論上考慮各種因素，從微觀出發(fā)，數(shù)值處理困難，不易收斂。粗糙——以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，從宏觀出發(fā)，數(shù)值處理較為簡單，較易收斂。當(dāng)前第43頁\共有49頁\編于星期一\17點1)在目前(或可見的未來3～8年)“精確”的彈塑性分析的精度與“粗糙”的結(jié)果的可靠性對比2)兩者結(jié)果應(yīng)相互校核，如果“精確”算法與“粗糙”算法有本質(zhì)的偏離，則“精確”的方法的結(jié)果是不可靠的。當(dāng)前第44頁\共有49頁\編于星期一\17點3)美國、日本的研究、工程應(yīng)用現(xiàn)狀美國——單片剪力墻模型通過試驗數(shù)據(jù)得出，復(fù)雜的剪力墻等效為桿件。（OPENSEES,DRAIN2D,IDARC2D，SAP2000）

日本——高層建筑基本不采用剪力墻結(jié)構(gòu)，均為桿系。（CANNY）當(dāng)前第45頁\共有49頁\編于星期一\17點4)地震實測數(shù)據(jù)及實驗室試驗數(shù)據(jù)是檢驗彈塑性分析是否合理的重要標(biāo)準(zhǔn)。5)可靠的符合統(tǒng)計意義的彈塑性分析是判別結(jié)構(gòu)“大震不倒”的重要標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前第46頁\共有49頁\編于星期一\17點27.結(jié)束語

國際結(jié)構(gòu)設(shè)計名人的忠告：混凝土并非彈性均質(zhì)材料，其受力理論并不十分明確。試圖尋求“百分之百的計算精確度”，無疑是在浪費時間和金錢。應(yīng)用現(xiàn)代高效能計算機，是能對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)做出可靠的分析，但更需要運用正確的判斷力。尤其是當(dāng)我們把結(jié)構(gòu)開拓成綜合型、新材料和更大跨度的時候?！猍美國]林同炎結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門藝術(shù)，沒有唯一解。只有不斷地探索去尋求相對的最佳，而無絕對的最佳最優(yōu)。