高层建筑电算结果工程判断若干问题(戴国莹2012.10)

高层建筑电算结果工程判断若干问题中国建筑科学研究院戴国莹电话：[phone]年10月主要内容1.地面运动的特性2.设计参数3.周期、振型和变形分析4.多道防线分析5.多塔与连体分析6.弹塑性分析（一）地震地面运动和结构反应●结构遭受的地震作用，不仅有加速度产生的惯性力，还有地面运动速度和位移产生的结构内力和变形。地表的水平加速度、速度和位移的相对关系(引自Newmark,Hall4WCEE1969)地震大小加速度(gal)速度(cm/s)位移(cm)典型5006146El-CentroNS3304143El-CentroUD2202820最小NS1001310最小UD7088非常强烈地震7509169地震地面运动的加速度、速度和位移●地震动的不确定性和结构响应的复杂性，迄今为止，依据所规定的地震动进行结构抗震验算，不论计算理论和工具如何发展，计算怎样严格，计算的结果总还是一种比较粗略的估计，过分地追求数值上的精确是不必要的。◆抗震计算分析着重于把计算方法放在比较合理的基础上，不拘泥于细节，从工程判断的角度，力求简单易行，以线性的计算分析方法为基本方法，并反复强调按概念设计进行各种调整。结构抗震验算要求的特点利用计算机进行结构抗震分析时，计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应依据计算软件的技术条件确定，以符合结构的实际工作状况。复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个的不同力学模型，并对其计算结果进行分析比较。所有计算机计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。（二）抗震设计的计算参数计算参数注意事项1.1混凝土容重和单位面积平均重力混凝土的容重，需包括装饰层重力。但宜扣除梁、柱、墙、板重叠计算的部分，予以调整。注意，楼层单位面积的平均重力不应超过18kN/m2(相当于混凝土占70cm高度)1.2连梁和框架梁的刚度调整——连梁，静载下刚度不应折减，抗风设计可不折减小震不宜小于0.70且调整周期保持不折减的剪力。——框架梁，两侧楼板的有效翼缘各不大于3倍板厚，使刚度和承载力计算所取的翼缘一致。计算参数注意事项1.3斜向地震输入和框架柱双偏压配筋K1x=K1cosαF1=F1xcosα▲转动坐标轴与增加斜向角度的区别▲单向作用与双向作用的区别▲斜轴上框架柱发生垂直于斜轴的侧移，配筋需考虑双偏压▲斜轴上墙肢发生垂直于斜轴的变形，也需考虑平面外配筋仔细复核沿抗侧力构件局部坐标方向的内力和配筋计算参数注意事项1.4设计地震动参数▲依据《防震减灾法》，“地震安全性评价单位应当对地震安全性评价报告的质量负责”。小震应全部采用安评参数或全部用规范参数，对二者的基底剪力加以比较，按不利情况采用。不得部分采用安评参数，部分采用规范参数！▲当按安评参数设计时，需满足对应于安评加速度Ag的最小地震剪力。λmin=0.2(0.15)×2.25Ag▲采用规范参数时，需注意在不同类别场地分界附近的设计特征周期内插。山区局部地形地震作用的调整。150Vs=288m/sVs=220m/sVs=172m/sVs=127m/sdov=42mdov=56mdov=70mTg=0.40s/0.100.47s/0.120.55s/0.15Tg=0.55s/0.150.65s/0.180.77s/0.22Tg=0.30s0.35s0.40sVs≥800m/s划为I0类dov指该土层及以下各土层波速500m/s的土层顶面的埋深不同分组的场地类别分界的设计参数规范图中分界线的△Tg，一组0.01s，二组0.012s，三组0.015s1.5时程分析波主要周期的反应谱值计算的有效峰值加速度012345600.050.10.150.20.25T(sec)计算参数注意事项T1(一阶)T2(二阶)对弹性时程计算结果的评估是:▲多条波取平均值结构基底剪力不小于振型分解反应谱法的80%▲其中单条波满足结构基底剪力不小于振型分解反应谱法的65%▲各层地震剪力取时程法和振型分解反应谱法的较大值，并相应调整配筋▲各层层间位移(或顶点位移)以时程法和振型分解反应谱法的较大值控制▲发现薄弱层时程法的层地震剪力、层间位移突变的楼层计算参数注意事项1.6嵌固部位基础埋深、钢筋锚固长度的确定，应与嵌固部位一致。▲嵌固部位是地震动输入的位置，采用反应谱法、时程法、推覆计算的模型嵌固部位需一致。▲一般应采取措施满足地下室顶板嵌固，刚度比可按有效数字控制。▲可在不影响停车位处设置地下墙体，▲应利用地下室的隔墙减少地下的偏心。▲上部结构设计应只取地上模型；地下室和基础设计可取上下联合模型，相当于按GB50011-5.2.7条考虑共同工作。（三）周期、振型变形分析1控制沿两个主轴方向的基本周期比两个主轴方向基本周期相差不大于0.8.2通过高低阶的振动频率判断结构的变形特征：弯曲变形的高阶频率比1:4:9剪切变形的高阶频率比1:2:33扭转振型与平动振型的分离程度。4注意正交构件出现斜向平动的状态。。●不同软件计算结果相差不大于10%周期、振型和变形分析某门式结构振型特征T1=5.97sY向T2=5.31s扭转T3=5.04sX向T4=2.27s塔身扭转T5=2.18s塔身扭转周期、振型和变形分析例000000000.00040.00080000000000.00040.0008周期、振型和变形分析例某剪力墙结构层间变形特征横向呈弯曲型T1=2.37sT2=0.61sT3=0.28s纵向呈剪切型T1=2.23sT2=0.72sT3=0.38s纵向横向纵向不属于规范中的剪力墙结构范畴！●混凝土剪力墙结构由墙肢和连梁两种构件组成的承受竖向和侧向作用的结构。剪力墙计算模型的注意事项◆墙肢剪力墙中较大洞口左右两侧的墙体。一般按偏心受力构件计算。采用墙元仅有面内刚度和内力；采用壳元还有面外刚度和内力。网格划分的粗细，对刚度还有一定影响◆连梁剪力墙中较大洞口上下两边的墙体。(美国ACI称为横放的墙)。当跨高比较大时，按受弯构件计算。◆框架梁由框架柱支承的直线形(或曲线形)水平构件，主要承受各种作用产生的弯矩和剪力，有时也承受扭矩。短墙较多时抗震计算的注意事项总高H=52.3m，地下一层地上17层，出屋面机房层高5.8m。底层层高3.2m，其余层高2.9m墙厚200mm，多数墙长达到1600mm以上。层间变形接近剪切型。周期，Tx=1.22，0.38；Ty=1.32，0.40；Tt=0.97，0.31。由墙肢和框架梁(不是连梁)组成的结构。能否称为剪力墙结构？●腹板和翼墙的共同工作按受力方向划分墙肢的腹板和翼墙短、薄腹板的有效翼墙？墙肢配筋计算的注意事项◆对可不考虑扭转耦联的结构，按壳元计算时需复核单向、双向地震作用下墙肢的配筋◆复核边缘构件的配筋：分布筋与端部钢筋的比例关系，暗柱与同样大小“端柱”的配筋比较（四）多道防线分析●多道防线的概念第一，整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。第二，抗震结构体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的较易于修复的塑性屈服区，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量。按照多道防线的概念，设计计算时，需考虑部分构件出现塑性变形后的内力重分布，使各个分体系所承担的地震作用的总和大于不考虑塑性内力重分布时的数值。抗震结构体系多道防线的判断F1/FF2/FF3/FF4/F0.50.30.10.50.30.11234结构多道防线举例V0=18300kNV0=17000kN此时，取较小值时框架的二道防线不足！可按折减连梁刚度来确定多道防线。对于斜柱框架，应扣除斜柱地震轴向力的水平分量。（五）多塔和连体结构分析●底盘总重较大时，底盘的地震剪力需要修正◆将底盘的地震作用F按从属面积分解为裙房部分F1和塔楼部分F2，裙房顶层的地震作用F1直接叠加到该楼层的剪力V中。大底盘、连体结构抗震计算的注意事项◆增加裙房模型和塔楼模型的计算分析，三种模型包络设计。◆增加各塔楼(计入连体所传递重力)模型的计算分析，并包络设计。●连体的地震作用F和剪力V，按两个支座在支承高度处的总侧向刚度(不是层刚度)分配，并向下传递。◆连体自身在满足静载挠度和舒适度的基础上，侧向刚度不宜过大，避免按计算分配过多的地震剪力。（六）结构弹塑性分析1)小震弹性设计，大震下不存在承载力的安全储备。2)楼层(部位)实际承载力与假想弹性受力之比突变，塑性内力重分布导致薄弱部位出现塑性变形的集中。3)要防止局部加强而忽视整个结构各部位刚度、强度的协调。4)有意识、有目的地控制薄弱层(部位),采取措施如采用约束砌体、约束混凝土、约束边缘构件、消能梁段等使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，是提高结构总体抗震性能的有效手段。弹性1)2)抗震结构体系的塑性变形集中弹塑性推覆工程判断1检查适用条件：第一振型剪力占总剪力70%以上2检查周期和等效刚度变化:Te→Tp(Te应与反应谱法接近)Keq=(Te/Tp)2Ko3判断总剪力比较和实际承载力:Ve→Vp大震与小震加速度的比值4判断最大层间位移比:同一位置处的Δup与小震ΔueΔup/Δue=ηp●连梁初始刚度不折减，取规定水平力分布●非线性时程分析，由于对结构构件力-变形非线性特征的模拟的困难，包括恢复力模型(F-X)、屈服关系模型(N-M,N-Q)、弹塑性位移和位移角的算法、阻尼系数的确定和在数值运算中的处理、数值积分方法的优劣等一系列问题。●从工程实用角度考虑，把握一个“度”就可以使问题简化:逐条波进行弹性与弹塑性的对比，包括总剪力、顶点位移曲线、层间位移分布等，发现薄弱层，了解塑性铰位置判断设计的合理性。弹塑性时程分析的工程判断谢谢