新规范的计算问题及其处理办法

2010新规范的计算问题及处理办法吴文勇焦柯广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司2010年9月广东省建筑设计研究院作为《抗规》和《高规》的参编单位，05年来积极参与了新规范的编制工作。特别是一年来，对新规范的可操作性做了大量的工作，并对新规范应用过程中可能遇到的问题及其处理办法做了详细的总结。1)规范的情况：今天讲座内容涉及《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》3本新规范。其中《抗规》《混规》为正式稿(目前书店已有购买),《高规》为报批稿(正式稿目前正在印刷)。新旧规范计算不同的108项内容2/3来自《抗规》，另外1/3来自《高规》和《混规》。10月27日建设部举行了新抗规的全国贯宣会议，田司长明确了：1)12月1日正式执行新抗规，没有过渡期；2)以设计合同签订日为准，12月1日以后的设计合同按新抗规计。2)广厦的情况：作为国内两大结构CAD之一的广厦结构CAD,15.0新规范版已通过内部4轮测试和用户测试，8月15日开始在网上发布了用户正式版和非用户学习版。15.0针对新旧规范的不同，修改了108项内容,做了大量测试，一如继往地同前14个版本一样能够保持高度的稳定性，用户正式版和非用户学习版可用于实际工程设计。今天上午的讲座与其它培训的区别是：不再讲规范为何修改,而是关注如何执行，详细介绍对执行中所遇到问题的思考。希望通过今天的讲座，帮助大家完成旧规范计算到新规范计算的转换。讲座包括7方面的主要内容:一、第1次以规范的形式确定基于性能的抗震设计方法;(基于性能的设计是设计的最高原则,设计和规范将围绕性能要求进行,规范具有了更高的理论高度)二、新规范如何真正实现强柱弱梁？(梁柱承载力差要达到1.4倍才能实现90%工程的强柱弱梁,但不能把柱内力提高1.4倍,否则钢筋将增加60%,这是开发商受不了的,本次规范如何实现这1.4倍)三、取消楼面无限刚假定(全弹性是抗震计算基本假定);(随着建筑方案越来越复杂,有一半的结构方案局部或整体不满足无限刚假定,抗规声明了以前高规的误解,要按实际模型计算各项送审指标)四、如何进行楼梯构件的抗震承载力验算？(楼梯不能先于整个结构破坏,楼梯构件不是次要构件,10抗规第一次以规范的形式明确除墙柱梁外,楼梯构件是第4类抗震构件)五、新规范设计中一些概念的变化;六、新规范新增的计算内容;七、新旧规范设计含钢量的变化。(有些地方钢筋增加了40%,如何向开发商解释)在讲主要内容前,提醒审图特别要注意如下8点:1.给定水平力下的位移比控制；2.给定水平力下的框剪调整系数；3.给定水平力下的墙柱倾覆力矩;4.柱墙组合弯矩和剪力调整有较大增大；5.三级抗震墙轴压比和约束边缘构件的新要求;6.增加了三级抗震柱节点核心区的验算;7.框架结构楼梯的抗震计算;8.钢构件按抗震等级进行截面计算。一、第1次以规范的形式确定基于性能的抗震设计方法1.基于性能设计的国内外应用现状；2.《抗规》如何规定抗震性能目标?3.介绍性能设计的计算方法；4.工程实例中进行不同性能目标的计算对比。美国加州结构工程师协会（SEAOC）1995年提出;一直受到美国、日本、欧洲、新西兰、中国等国重视;已经被美国和日本以规范的形式确认;正被我国以规范的形式确认。1.基于性能设计的国内外应用现状2.抗震性能目标1）旧规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒”也是一种性能目标，新规范更加完善、系统、定量和可操作性；2）[新抗附录M]提出了A-D4个性能目标等级、3个地震水准、7个性能水准（7种计算方法或7个计算过程）。性能目标性能水准地震水准ABCD多遇地震1111设防烈度地震2345预估的罕遇地震3567图示：1-4个性能目标等级、3地震水准、7个性能水准(计算方法)17性能水准性能目标增高罕遇设防多遇性能4性能3性能2性能1结构性能增加地震作用增加11123453567罕遇地震、性能1、方法3目标最高7性能水准(计算方法)结构预期的震后性能状况抗震性能水准宏观损坏程度承载力要求第1水准小震完好按常规设计第2水准中震完好承载力按抗震等级调整地震效应的设计值复核，不计入风荷载效应第3水准基本完好承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核，不计入风荷载效应第4水准轻微损坏承载力按标准值复核，不计入风荷载效应第5水准轻~中等破坏承载力按极限值复核，不计入风荷载效应第6水准中等破坏承载力达到极限值后能维持稳定，降低少于5%，不计入风荷载效应第7水准不严重破坏承载力达到极限值后基本维持稳定，降低少于10%，不计入风荷载效应1)详细定义了每种计算对应的宏观损坏程度、内力组合和材料强度的取值;2)如第3水准:不计设计内力调整和风荷载效应，取设计内力和设计材料强度。3.性能设计的计算方法计算目标有两个：基于荷载和基于位移。1)4种基于性能的抗震设计方法a、振型分解方法7水准弹性分析和设计(GSSAP):i、弹性反应谱分析ii、弹性动力时程分析iii、竖向地震计算b、静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法(GSNAP);（方法简单，位移荷载曲线这目标可控，所有设计单位可做到静力弹塑性）c、动力弹塑性分析(GSNAP);（计算不成熟，对错难以判定，大型设计单位的电算部门可做到动力弹塑性）d、结构弹性、弹塑性的静力、动力抗震试验。(节点算不清，做实验为主)2)通用计算GSSAP如何实现7水准弹性计算？地震信息中增加两参数：地震水准和性能要求，实现《抗规》附录M的性能计算。常规设计选择：多遇和性能1对应宏观损坏形成承载力阶梯，有3种内力选择(由大到小)：a、调整后的设计内力b、未调整的设计内力c、标准内力。材料强度的选择(由小到大)有：设计强度、标准强度和极限强度。性能水准宏观损坏程度承载力计算第1水准小震完好按常规设计第2水准中震完好承载力按抗震等级调整地震效应的设计值复核，不计入风荷载效应第3水准基本完好承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核，不计入风荷载效应第4水准轻微损坏承载力按标准值复核，不计入风荷载效应第5水准轻~中等破坏承载力按极限值复核，不计入风荷载效应第6水准中等破坏承载力按极限值的1.05倍复核，不计入风荷载效应第7水准不严重破坏承载力按极限值的1.1倍复核，不计入风荷载效应[新抗5.5.2]应进行弹塑性变形验算的结构：a)8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架;b)7-9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构;c)高度大于150m的结构(此条为新增内容);d)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;e)采用隔震和消能减震设计的结构。3)弹塑性计算GSNAP的静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法实现第二阶段弹塑性变形验算平时计算常碰到的情况弹塑性计算GSNAP的静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法单元模型：高规中可采用塑性铰模型和纤维束弹塑性壳模型塑性铰模型:使用复杂,没有很好的延性主流发展是:a)梁、杆、柱、撑采用纤维束模型;b)剪力墙、楼板采用弹塑性壳单元。使用简单,有很好的延性接力GSSAP自动读取钢筋，考虑全弹塑性模型。UNFVbVbUN顶点推覆曲线1)对水平力《高规》要求采用：地震剪力换算的水平力；2)得到弹塑性下的顶点位移荷载曲线；3)根据位移荷载曲线转换为加速度-位移曲线（能力谱）需求谱1)将反应谱的加速度-周期曲线转换为加速度-位移曲线；2)实际我们习惯看反应谱的加速度-周期曲线；3)所以位移荷载曲线进一步转换为加速度-周期曲线，进行如下抗倒塌验算。4)不同性能目标的计算对比a)性能水平1-4的计算算例：20层框剪结构，设防烈度8度，抗震等级3级层2柱21各性能目标下最大轴力、配筋和轴压比比较N(kN)B边(mm²)轴压比多遇地震1399.661703.810.27设防地震性能11734.453230.830.34设防地震性能21734.452420.140.34设防地震性能31408.961936.210.19设防地震性能41408.961465.550.15罕遇地震性能12383.634950.180.46罕遇地震性能21908.333005.540.20罕遇地震性能31908.332839.310.19罕遇地震性能41908.332690.190.18表中可见，该柱按照规范多遇地震设计的配筋（1703）满足中震性能4（1465）要求，但不满足大震性能4（2690）要求。b)静力推覆算例：框架结构实际工程•材料参数：梁、柱主筋采用300Mpa，梁、柱箍筋和板钢筋采用210Mpa，钢筋蜕化系数0.015；梁板混凝土强度等级为C25，柱混凝土强度等级为C30。•模型参数：柱有两种截面400*600(mm)和600*500(mm)，梁的截面为200*600(mm)，层高3米，总层数为11层，柱底嵌固。梁、柱单元剖分尺寸小于2米。计算模型xyPushover分析•荷载定义：沿X向作用倒三角形水平荷载；1、5个计算软件比较:荷载—顶层位移和最大层间位移角；2、纤维束模型的结构极限承载力明显比塑性铰模型要大，原因在于塑性铰模型在C点会马上失去承载力，而纤维束模型由于钢筋的延性不会突然失去承载力；0100020003000400050006000700080000.0100.0200.0300.0400.0500.0位移(mm)剪力(kN)ABAQUSETABSMIDASEPDAGSNAP02468100.0000.0050.010位移角层号ABAQUSETABSMIDASEPDAGSNAP荷载—柱顶位移曲线层间位移角得到弹塑性位移角性能设计并不复杂,每个工程师都可完成二、新规范如何真正实现强柱弱梁？1.提高框架结构柱的设计内力调整；2.考虑压筋对梁抗弯承载力的贡献；3.考虑板对梁承载力计算的贡献；4.新的梁挠度和裂缝计算。1、提高框架结构柱的设计内力调整[旧抗6.2.2]柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。[新抗6.2.2]框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一级取1.7，二级取1.5，三级取1.3，四级取1.2；其他结构类型中的框架，一级取1.4，二级取1.2，三、四级取1.1。1)分为框架和非框架调整;2)框架增大了20-25%;3)其它增加了四级调整。新旧规范框架结构柱的设计内力调整对比：（增大系数的推导过程）抗震等级旧规范弯矩新规范弯矩旧规范剪力新规范剪力特一1.4×1.2=1.681.7×1.2=2.041.68×1.4×1.2=2.8222.04×1.5×1.2=3.6729度一1.2×1.1×1.1=1.4521.7×1.1=1.871.452×1.452=2.1082.55×1.1=2.805一1.41.71.4×1.4=1.961.7×1.5=2.55二1.21.51.2×1.2=1.441.5×1.3=1.95三1.11.31.1×1.1=1.211.3×1.2=1.56四1.21.2×1.1=1.32实际工程看内力和钢筋增大多少：7层框架结构，设防烈度7度，抗震等级2级1)算例中弯矩增大了25%（1.5/1.2=1.25）,配筋增大了38%；2)结论：一般工程中弯矩增大20%左右，配筋增大30%。N（kN）Mx（kN.m）B边配筋面积（mm2）旧规范-485-189929新规范-485-2371285增大比例25%38%2、考虑梁压筋对梁抗弯承载力的贡献[新混6.2.10]梁受弯承载力计算包含压筋项，可以考虑压筋的贡献。如何考虑？1)实配压筋一般情况下并未达到承载力极限，采用f’yAs不成立；2)不考虑受压筋计算的受拉筋配筋率2%，压筋达到承载力极限；3)在0%-2%之间按线性插值考虑受压筋比例；4)按构造要求设定受压和受拉钢筋比例。pppypssycahAfahAfxhbxfM000012ppypppysysycAfAfAfAfbxf01实际工程算例：梁截面200X500mm