新规范的计算问题及其处理办法0100802

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8月广东省建筑设计研究院作为《抗规》和《高规》的参编单位，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。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。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项主要内容:一、第1次以规范的形式确定基于性能的抗震设计方法;二、新规范如何真正实现强柱弱梁？三、取消楼面无限刚假定(全弹性是抗震计算基本假定);四、如何进行楼梯构件的抗震承载力验算？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。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.抗震性能目标；3.性能设计的计算方法；4.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;已经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；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）。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);c、动力弹塑性分析(GSNAP);d、结构弹性、弹塑性的静力、动力抗震试验。2)通用计算GSSAP如何实现7水准弹性计算？常规设计选择：多遇和性能1性能设计过程中内力的选择由大到小有：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;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：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。接力GSSAP自动读取钢筋，考虑全弹塑性模型。UNFVbVbUN顶点推覆曲线需求谱周期-影响系数曲线需求谱曲线周期-最大位移角曲线周期-加速度曲线能力曲线T影响系数1/105等效单自由度体系验算曲线层间位移角a)需求谱曲线（周期-影响系数曲线）——结构在静力推覆分析过程中，随着结构的破坏、结构阻尼的增加、结构自振周期的变化，反映出结构在设计烈度大震下的弹塑性最大水平地震影响系数曲线。该曲线综合反映了结构弹塑性变形过程中地震作用变化的情况。b)能力曲线（周期-加速度曲线）——基于等效单质点体系综合统计出的结构周期加速度曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点加速度反应也发生变化，当该曲线穿过需求普曲线时，说明结构能够抵抗设计烈度的大震，否则就认为不能抵抗设计烈度的大震情况。越早穿过需求普曲线，说明结构抵抗大震的能力越强，当曲线趋于水平时，说明结构接近破坏、倒塌；结构抗倒塌验算c)周期-最大层间位移角曲线——基于等效单质点体系综合统计出的结构周期顶点位移曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点位移反应也发生变化，竖向连接需求谱与能力谱曲线的交点，则该点的层间位移值可以理解为抵抗设计烈度大震时的结构弹塑性层间位移，也可以把该点的层间位移角与规范限值比较，比规范小则满足设计要求，反之则认为不满足设计要求。4)不同性能目标的计算对比a)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)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各阶段的位移和基底剪力比较二、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。新旧规范框架结构设计内力调整对比：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=1.327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)一般工程中弯矩增大了20%倍左右，配筋增大了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E.2.1]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梁截面200X500mm，C20混凝土,三级抗震等级负弯矩正弯矩-136.25175.82未考虑压筋的梁配筋面积(cm2)12.2717.14考虑压筋的梁配筋面积(cm2)11.3314.96减少比例7.7%12.7%1)配筋一般减少比例10%-20%左右；2)随配筋率增加，减少比例增加；3)计算时考虑的压筋承载力仍偏小，拉筋还是偏于保守。3、考虑板对梁承载力计算的贡献[新混5.2.4]对现浇楼板和装配整体式结构，宜考虑楼板作为翼缘对梁刚度和承载力的影响。如何考虑？1)梁配筋计算可考虑每侧3倍板厚的影响；2)当板为梁的上翼缘时，对于负弯矩，按板构造钢筋面积考虑对梁的影响，对于正弯矩，按板混凝土受压考虑对梁的影响；3)当板为梁的下翼缘时，对于负弯矩，按板混凝土受压考虑对梁的影响，对于正弯矩，按板构造钢筋面积考虑对梁的影响。在总信息中可选择：梁配筋计算考虑板的影响，建议考虑梁截面200X500mm，C20混凝土，板厚100mm，梁板顶面平齐板计算单元刚性板壳单元弯矩负正负正-136.25175.82-130.08158.51未考虑板贡献的梁配筋（cm2)11.3314.9610.7713.54考虑板贡献的梁配筋(cm2)10.3413.75结论：1)配筋一般减少比例10%左右；2)当板的面外刚度参与空间分析时，计算时板已承担了部分内力；当梁侧两边的板采用刚性板或膜元时，才能考虑板对梁承载力的贡献。4、新的梁挠度和裂缝计算旧规范梁计算挠度和裂缝偏大，人为增加了梁钢筋。ESSShAEB62.015.102'25.3162.015.10fESSShAEB1)梁裂缝计算[旧混7.1.2]钢筋混凝土构件受力特征系数为2.1。[新混7.1.2]钢筋混凝土构件受力特征系数为1.9。2)梁挠度计算[旧混7.2.2][新混7.2.2]γ’f——受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值；梁截面200X500mm，C20混凝土