常见结构设计问题辨析(专题篇上部)

用M/Vh0计算剪跨比PKPM常见问题汇总深圳建研建筑科技有限公司V2.2版常见问题汇总(上部结构专题篇）专题篇1.跃层柱计算长度系数确定2.性能设计3.嵌固端和M值理解4.剪力滞后问题分析5.框支框架结构的倾覆力矩6.连梁超限问题处理7.位移角问题处理8.混合周期处理1.跃层柱计算长度系数确定跃层柱特点：•结构局部楼板开大洞，部分柱子周边没有楼层梁，柱子长度变长。跃层柱容易发生失稳，在一定条件下需考虑构件挠度对轴力作用的效应（p-δ效应），而这分析过程中，正确计算跃层柱的计算长度系数是关键点。1.跃层柱计算长度系数确定规范对混凝土柱计算长度系数条文楼盖类型柱的类别L0现浇楼盖底层柱1.0H其余各层柱1.25H装配式楼盖底层柱1.25H其余各层柱1.5H注：表中H为底层柱从基础顶面到一层楼盖顶层的高度；其余各层柱为上下两层楼盖顶层之间的高度。1.跃层柱计算长度系数确定目前规范提到的计算长度系数考虑到上下楼盖可以作为柱的有效侧向支撑情况，当跃层柱一侧或者两侧没有足够的支撑刚度时，该如何计算它的计算长度系数呢？有两种考虑方式：•一是将柱中间侧向支撑不足位置忽略，取侧向支撑较强的高度作为H考虑。1.跃层柱计算长度系数确定•二是考虑跃层柱在临界荷载状态下屈曲，由欧拉临界荷载公式反算该构件的计算长度计算式中Ncr——临界荷载E——材料弹性模量I——截面惯性矩L——杆件的实际长度1.跃层柱计算长度系数确定案例分析：某8度（0.1g）5层框架结构，首层有两根跃四层柱子（层高分别为6m、5m、5m、5.5m）,截面为1000mm×1000mm，柱砼强度等级为C40，通过分层建模（跃层柱分为四段），V2.2版SATWE及PMSAP软件分析其计算长度及相应的构件配筋，并了解跃层柱的屈曲模态。1.跃层柱计算长度系数确定跃层柱计算长度确定方法一：SATWE自动计算其跃层柱计算长度系数值•在刚性楼板假定的情况下，跃层柱子从下至上计算长度系数分别为1.0，1.25,1.25，1.25（该结果明显不对）。1.跃层柱计算长度系数确定跃层柱计算长度确定•在非刚性楼板假定的情况下，Z1、Z2的一到四层柱看作一根柱子，由于其为底层柱，所以，计算长度系数为1.0（即总计算长度为21.5m）每柱段从下至上计算长度系数分别为•底层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H1×C=（6+5+5+5.5）÷6=3.58•二层和三层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H2×C=（6+5+5+5.5）÷5=4.3•四层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H4×C=（6+5+5+5.5）÷5.5=3.911.跃层柱计算长度系数确定方法二：构件屈曲分析确定计算长度系数;V2.2版PMSAP软件可以各阶屈曲模态，进行Buckling分析，计算中选取恒载（D）+活载(L)作为屈曲分析每步加载值，对整体结构进行线性屈曲分析。分析步骤如下：对跃层柱进行线性屈曲分析得到结构的各阶屈曲模态，屈曲临界荷载系数；然后检查各阶段屈曲模态形状，确定该构件发生局部屈曲时的临界荷载系数，得到该构件的屈曲临界荷载Ncr；最后由欧拉临界荷载公式反算该构件的计算长度计算。1.跃层柱计算长度系数确定1.跃层柱计算长度系数确定1.跃层柱计算长度系数确定第八阶屈曲模态图1.跃层柱计算长度系数确定从屈曲分析的结果及屈曲模态图可以看出，在第八阶模态出现跃层柱局部屈曲，其屈曲因子Kcr=38.67。•D+L屈曲分析工况的初始Z1、Z2轴力分别为4941KN、4846KN（压力），则受力最小柱子屈曲时的临界荷载分别为Ncr1=38.67*4941=191068KN，Ncr2=38.67*4846=187395KN，将Ncr代入上式得到柱子的计算长度分别为L1=3.14×3.25×10000000÷12÷1910681/2=22.25m,L2=L1=3.14×3.25×10000000÷12÷1873851/2=22.69m。可统一取其总计算长度为22.7m，系数为22.7÷21.5=1.056。•则每柱段从下至上计算长度系数分别为•底层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H1×C=（6+5+5+5.5）÷6×1.056=3.78•二层和三层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H2×C=（6+5+5+5.5）÷5×1.056=4.54•四层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H4×C=（6+5+5+5.5）÷5.5×1.056=4.131.跃层柱计算长度系数确定1.跃层柱计算长度系数确定计算长度系数条件来源计算长度系数X向单侧配筋（cm2）Y向单侧配筋（cm2）X向差异Y向差异刚性楼板假定1.033330%0%非刚性楼板假定3.585849176%148%屈曲分析3.785954179%163%对Z1底端考虑三种情况柱计算长度系数值修正后，进行双偏压承载力配筋计算1.跃层柱计算长度系数确定1、从上表可以看出，根据屈曲分析反算计算长度系数得到的配筋最大，非刚性楼板假定条件下柱配筋次之。2、在跃层柱刚性楼板假定条件下，得到的计算长度系数值与非跃层柱的是一致的（考虑楼板的侧向支撑影响），该种条件下得到的计算长度系数是失真的，配筋结果很可能偏小。3、可以采用将跃层柱看做一根柱子，再按照规范方法去确定其计算长度系数。在有条件或者对构件计算长度系数值没有把握的情况下，可以采用Buckling分析构件失稳的结果反算其计算长度系数值。1.跃层柱计算长度系数确定•延伸：•Buckling分析除了可以通过失稳模态反推构件计算系数之外，还可以确定建筑结构整体稳定性，通过查阅特征值算法得到屈曲因子来判断结构整体稳定性情况。稳定特征值大于10，可以认为通过稳定验算稳定特征值大于20，可以认为无须考虑二阶效应2.性能设计•抗震性能化设计，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新发展•不同地震力（小震、中震、大震）•不同构件（普通构件、关键构件、耗能构件）•同一构件的不同内力（弯矩、剪力、轴力）•指定不同的性能目标（或性能水准）进行设计，保证结构在地震作用下的安全性能（承载能力，继续承载的能力）及使用性能2.性能设计•新高规3.11.1条将结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，并给出了各性能目标在各地震动（小震、中震、大震）作用下的性能水准要求，性能水准分为1、2、3、4、5个等级，对应构件破坏程度为为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”。每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。2.性能设计2.性能设计•关于构件损坏程度2.性能设计•SAUSAGE计算结果和构件损坏程度的对应关系结构构件损坏程度无损坏轻微损坏轻度损坏中度损坏比较严重损坏梁、柱完好混凝土开裂或钢材塑性应变0-0.004钢材塑性应变0.004-0.008钢材塑性应变0.008-0.012或混凝土受压刚度退化0.1钢材塑性应变0.012或混凝土受压刚度退化0.1剪力墙，壳单元模拟的连梁完好混凝土开裂或钢材塑性应变0-0.004混凝土受压损伤0.1且损坏宽度50%横截面宽度，或钢材塑性应变0.04-0.008混凝土受压损伤0.1且损坏宽度50%横截面宽度，混凝土受压损伤0.1-0.5且损坏宽度50%横截面宽度或钢材塑性应变0.008-0.012混凝土受压损伤0.5，或混凝土受压损伤0.1-0.5且损伤宽度50%横截面宽度，或钢材塑性应变0.012混凝土楼板同剪力墙，损伤面积50%横截面变为损伤面积50%单跨楼板的宽度2.性能设计采用FEMA标准，设钢材的塑性应变分别为屈服应变2,4,6倍时，分别对应轻微损坏，轻度损坏，中度损坏三种程度。常用Q345钢对应的屈服应变为0.002，则三种状态下的应变为0.004，0.008,0.012。混凝土受压损伤因子DC，表示刚度的退化率，DC为0.3时，表示抗压弹性模量已退化30%，小于0.1时，为中度损坏；大于0.1时，认为损坏严重。剪力墙主要以受压损伤面积作为损坏的主要判断标准。2.性能设计•不同抗震性能水准可按下列规定进行设计：•计算公式：2.性能设计•不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求结构抗震性能水准结构构件部位关键构件普通竖向构件耗能构件1设计值复核设计值复核设计值复核2设计值复核设计值复核正截面按标准值复核；受剪承载力按设计值复核3正截面按标准值复核；受剪承载力按设计值复核正截面按标准值复核；受剪承载力按设计值复核正截面按标准值复核，部分耗能构件进入屈服阶段；受剪承载力按标准值复核4标准值复核标准值复核，部分耗能构件进入屈服阶段；受剪截面满足截面限制条件标准值复核，大部分耗能构件进入屈服阶段；受剪截面满足截面限制条件；5标准值复核，部分耗能构件进入屈服阶段；受剪截面满足截面限制条件标准值复核，较多的竖向构件进入屈服阶段；受剪截面满足截面限制条件标准值复核，允许部分耗能构件发生比较严重破坏；受剪截面满足截面限制条件；2.性能设计•性能A对应：小震、中震、大震性能水准为1、1、2•性能B对应：小震、中震、大震性能水准为1、2、3•性能C对应：小震、中震、大震性能水准为1、3、4•性能D对应：小震、中震、大震性能水准为1、4、52.性能设计•性能C要求设计小震中震大震性能水准134关键构件无损坏（弹性）轻微损坏（抗剪弹性，抗弯不屈服）轻度损坏（满足最小截面要求）普通竖向构件无损坏（弹性）轻微损坏（抗剪、抗弯不屈服）部分构件中度损坏（满足最小截面要求）耗能构件无损坏（弹性）轻度损坏，部分中度损坏（抗剪不屈服）中度损坏，部分构件比较严重损坏（满足最小截面要求）继续使用可能性不需继续修理即可继续使用一般修理后继续使用修复或加固后可继续使用计算手段弹性等效弹性等效弹性+弹塑性2.性能设计•以某框支转换结构为例的性能C要求设计小震中震大震框支柱、框支梁弹性抗弯不屈服，抗剪弹性不屈服框架柱弹性抗弯不屈服，抗剪弹性部分屈服，满足抗剪截面验算框架梁弹性部分屈服，满足抗剪截面验算大部分屈服，满足抗剪截面验算底部加强区剪力墙弹性抗弯不屈服，抗剪弹性不屈服普通剪力墙弹性抗弯不屈服，抗剪弹性部分屈服，满足抗剪截面验算剪力墙连梁弹性部分屈服，满足抗剪截面验算大部分屈服，满足抗剪截面验算2、性能设计2.性能设计性能设计时承载力计算的构件状态判断弹性或拟弹性计算时一般通过构件是否超筋来判断构件是否满足计算要求；弹塑性计算时一般通过构件是否出现塑性假定标示来判断构件是否满足计算要求。（1）多遇地震构件承载力计算时，如果构件没有出现超筋的情况则表示构件处于弹性状态。（2）设防烈度地震构件承载力计算时，按中震弹性计算的构件如果没有出现超筋的情况则表示构件处于弹性状态，按中震不屈服计算的构件如果没有出现超筋的情况，则表示构件处于不屈服状态。注意:分为抗弯，抗剪情况。（直观法）对于框架柱截面可以通过N-M曲线更深入了解2.性能设计框架柱正截面偏心受压/受拉计算相关公式，可得出其受压/受拉承载力承载力Nu和受弯承载力Mu之间的相关曲线方程，Nu-Mu曲线包络区域即为框架柱的正截面承载力包络区域。2.性能设计性能设计——中震不屈服（做法）将SATWE或者PMSAP计算出中震作用下，框架柱正截面配筋控制组合（N,M）代入承载力包络图中验算。如控制值在承载力相关曲线范围值内时，可认为抗弯不屈服满足要求。2.性能设计目前常用分析制作N-M相关曲线软件有XTRACT、SAP2000截面编辑器。2.性能设计（3）罕遇地震下构件承载力计算时，如果构件出现塑性铰或者损伤等则表示构件已进入屈服阶段，否则表示构件处于不屈服状态(弹塑性状态)；抗剪验算满足要求为等效弹性。某剪力墙对应混凝土损伤状态2.性能设计大震分析目的：1.进行大震下的弹塑性变形验算（主要为层间位移角），确保结构大震不倒2.了解结构在地震作用下构件出现塑性铰的位置和次序；判断薄弱层位置；从而有针对性地对结构进行加强、调整以及采取相应的构造措施2.性能设计•PKPM程序实现：•1、选择中/大震弹性设计时自动实现2.性能设计•2、选择中/大震不屈服设计时自动实现2.性能设计