高层建筑结构设计第三讲.ppt

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1、第三讲 结构概念设计,唐 兴 荣博 士 教 授苏州科技学院土木工程学院二 一二年二月,主要内容1、结构刚与软的选择2、结构平面布置宜刚度均匀，减少扭转3、结构沿竖向刚度宜均匀，避免软弱层，减少鞭梢效应4、预先估计结构的破坏形态，调整承载力以加强或削弱某些部位5、设计延性结构和延性构件（延性结构和延性构件、抗震框架的屈服机制、强柱弱梁框架、强墙弱梁的剪力墙）6、设计多道设防结构 超静定结构和双重抗侧力体系的概念7、重视构件承受竖向荷载的安全8、加强结构整体性 缝的设置9、关于填充墙布置和材料选用10、规范对结构平面及竖向布置的要求,建筑抗震概念设计（seismic concept design

2、of buildings）指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计涉及从方案、结构布置到计算简图的选取，从截面配筋到构件的配筋构造等都存在概念设计的内容。基本设计原则和设计思想可以通过力学规律、震害教训、试验研究、工程实践经验等多种渠道建立。高层建筑设计（尤其高层建筑抗震设计）中应非常重视概念设计。由于高层建筑结构的复杂性，发生地震时地震动的不确定性，人们对地震时结构响应认识的局限性与模糊性，高层结构计算尤其是抗震分析计算的精确性，材料性能与施工安装时的变异性以及其他不可预测的因素，致使设计计算结果可能和实际相差较大，甚至有

3、些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此在设计中，虽然分析计算是必须的，也是设计的重要依据，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标。从某种意义上说，概念设计甚至比分析计算更为重要。,一、结构刚与软的选择 刚度大的结构地震作用大，要求较大的构件尺寸和钢材用量，似乎不经济 较软的结构地震作用小，但变形较大，可节约材料 一般认为框架的变形性能好，剪力墙变形性能差，主张选用较软的框架结构，早期的设计对高层建筑应用剪力墙结构的限制较多。对于高层建筑抗震设计，能否作出“刚一些好”，还是“柔一些好”的结论？不能！结合结构的具体高度、体系和场地条件进行综合判断。无论如何，重要的是设计

4、时要进行变形限制，将变形限制在规范允许的范围内，要使结构具有足够的刚度，设置部分剪力墙的结构有利于减小结构变形和提高结构承载力 应根据场地条件来设计结构，硬土地基上的结构可软些，软土地基上的结构可刚些。（场地的卓越周期或自振周期T=4dov/vs1,即地震波的某个谐波的周期恰好为该波穿过表土层所需时间的4倍时，覆盖层地面振动最显著）（硬土地基剪切波速vs1大，卓越周期小，建筑物的自振周期应该大，即应软些，反之，软土地基剪切波速vs1小，卓越周期大，建筑物的自振周期应该小，即应硬些）,可通过改变高层建筑结构的刚度调整结构的自振周期，使其偏离场地的卓越周期（较理想的结构：自振周期比场地卓越周期更长

5、或自振周期比场地卓越周期短得多）（在结构出现少量裂缝后，周期会加长，要考虑结构进入开裂和弹塑性状态时，结构自振周期加长后与场地卓越周期的关系）,结构自振周期加长后与场地土的卓越周期关系,A-B段结构在地震作用下的特点：A-B段结构当进入弹塑性阶段，其刚度降低，自振周期加长，地震作用加大，对抗震很不利，结构物的自振周期不宜设计在该区域。,结构自振周期应尽可能位移C-D段（大于Tg，并小于5Tg），当结构进入弹塑性阶段，其刚度降低，自振周期加长，地震作用减小，对抗震有利。,二、结构平面布置刚度均匀，减少扭转 建筑物平面布置的基本原则 简单、规则，尽量减小突出、凹进等复杂平面，尽量使平面刚度均匀 平

6、面刚度均匀“刚心”与“质心”接近主要取决于剪力墙的布置（对称布置剪力墙或井筒、周边布置剪力墙或框筒）注意平面上的质量分布（质量偏心会引起扭转，质量集中在周边会加大扭转）应避免平面上有突出部分的建筑（L形、T形、H形平面）出现局部扭转在突出部分长度较大时可在其端部设置刚度较大的剪力墙或井筒 较高的高层建筑不宜做成长宽比很大的长条形平面做成折板形或圆弧形,扭转不规则 楼层最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍,凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸,大于相应投影方向总尺寸的30%,楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化 有效楼板宽度小于该层楼板典

7、型宽度的50%楼板开洞面积大于该楼层面积30%较大的楼层错层,三、结构沿竖向刚度宜均匀，避免软弱层，减少鞭梢效应 建筑物立面布置的基本原则 规则、对称、质量与刚度变化均匀 建筑结构的立面形状宜简单，抗侧力体系的刚度和承载力上、下变化连续、均匀 竖向刚度均匀 主要与剪力墙布置有关 GB50010-2010：建筑设计应符合抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑方案不应采用。（强制性条文）*形体建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化,侧向刚度不规则 该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%该

8、层的侧向刚度小于其相邻三个楼层侧向平均值的80%除顶层外,局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%,竖向抗侧力构件不连续 竖向抗侧力构件（柱、抗震墙等）的内力由水平转换构件(梁、桁架等)向下传递,楼层承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%,“不规则、特别不规则、严重不规则”不规则程度区分 不规则 指的是超过表1和表2中一项及以上的不规则指标 特别不规则 指具有较明显的抗震薄弱部位，可能引起不良后果者，其参考界限参见超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点，通常分三类：同时具有表1、表2所列六个主要不规则类型的三个或三个以上；具有表3所列一项不规则；具有表1、表2所列两

9、个方面的基本不规则且其中一项接近表3的不规则指标。严重不规则 指的是体型复杂，多项不规则指标超过表2上限值或某一项大大超过规定值，具有现有技术和经济条件不能克服的严重的抗震薄弱环节，可能导致地震破坏的严重后果者,四、预先估计结构的破坏形态，调整承载力以加强或削弱某些部位 结构各层的承载力宜自下而上均匀减小，减小的幅度应符合地震作用的内力包络图，避免出现承载力薄弱层。预期所设计结构的可能破坏部位，应通过必要的内力调整控制结构的破坏模式 有些部位适当地提早屈服，有些部位有意识地提高其承载力，推迟其屈服或破坏 框架结构设计原则：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件 梁铰机制（强柱弱梁型）塑性铰出现在梁端

10、，结构承受较大的变形，吸收较多的地震能量,“控制机构理论”基本原则 在地震作用下，按照不同地震烈度，将结构设计为中震（设计基本烈度）不破坏，大震（比设计基本烈度高1度）不倒塌，小震（比基本烈度小1.5度）不屈服，即小震抗，大震消，中震消抗结合；采用三阶段设计，即适用性校核（小震）、承载力设计（中震）和延性验算（大震）。机构控制对框架要保证节点最强、柱次之，梁较弱。在中震时，塑性铰仅出现在梁两端及柱根部，即形成梁式侧移机构，在任何情况下，框架节点永远处于弹性状态；实现机构控制条件，主要取决于恰当的构件强度比（RC框架结构，梁、柱强度比小于0.8）为保证机构控制得以实现且准确，在结构出铰部位或设计

11、出铰部位嵌入人工塑性铰。王崇昌、王宗哲，钢筋混凝土弹塑性抗震结构的机构控制理论，西安冶金建筑学院学报，1986，46（2）：1-12,GB50011-2010：一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合弯矩设计值应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3、1.2.,梁端hb及500mm范围内箍筋加密，使梁的塑性铰转移，梁筋不在柱面处屈服，改善锚固性能，避免在核心处滑动（图）,在塑性铰处钢筋弯折，形成交叉斜筋，以增强梁铰的受剪承载力及耗能能力（图）,为保证塑性铰的转移，梁端受弯承载力应比塑性铰处的受弯承载力提高25%。设有斜筋的塑性铰，计算受弯承载力时应考虑斜筋的作用,设计人工塑性铰时，需要注

12、意：为保证机构的准确性，需使M恰等于Mu，而塑性铰左右相邻面所能承受的弯矩大于M；为保证框架节点不发生剪切破坏，并处于弹性，应将人工铰设在离开柱表一个梁高处；为保证梁铰及柱铰不发生剪切破坏，应设置交叉钢筋或填入纤维混凝土；为防止纵筋屈曲，应增大横向约束箍筋；为增大塑性铰转动量，可在铰区填入塑性填料。,跨高比较小连系梁,跨高比较大连系梁,RC剪力墙连系梁人工塑性铰,带竖向缝槽低剪力墙(H/L1),唐兴荣,蒋永生,丁大钧,一种新型低剪力墙的试验研究,东南大学学报,1994,24(3):53-58,唐兴荣,蒋永生,丁大钧,软化桁架理论在钢纤维高强混凝土低剪力墙中的应用,建筑结构学报,1993,14(

13、2):2-11,柔性连接砌体填充墙框架结构/带缝砌体填充墙框架结构,五、设计延性结构和延性构件 抗震结构的构件需要延性，抗震的结构应该设计成延性结构1、延性结构和延性构件的概念 延性是指构件和结构屈服后，具有承载力不降低或基本不降低，且有足够塑性变形能力的一种性能。,屈服变形 钢筋屈服时的变形,极限变形 一般定义为承载力降低10%20%时的变形,结构延性比,延性结构的塑性变形可耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但作用于结构的惯性力不会很快上升，内力也不会再加大，因此可降低对延性结构的承载力要求。反之，结构的延性不好，则必须用足够的承载力抵抗地震，然后会多用材料。,延性结构用变形能力抵抗地震作用

14、，是一种经济、合理、安全的设计对策。,骨架曲线屈服特征点,能量等效面积法,通用屈服弯矩法,2、抗震框架的屈服机制 钢筋混凝土构件可通过调整配置钢筋的数量，控制其屈服承载力和极限承载，调整结构中各个构件屈服的先后次序，实现最优的屈服机制。框架结构可能的屈服机制：梁铰机制、柱铰机制、混合机制,梁铰机制优于柱铰机制 梁铰分散在各层，梁出现塑性铰不至于形成“机构”而倒塌，而柱铰集中在某一层时，塑性变形集中在该层，成为薄弱层，易形成倒塌“机构”；梁铰机制中铰的数量远多于柱铰机制中的数量，因而梁铰机制耗散的能量更多。梁是受弯构件，易实现大的延性和耗能能力，柱是压弯构件，尤其轴压比大的柱，要求大的延性和耗能

15、能力是很困难的。,3、强柱弱梁框架,美国教授1966年20层强柱弱梁框架结构研究,框架梁的屈服强度和计算内力比为1.5、2、4三种；柱的屈服强度和计算内力比为6情况,框架梁的屈服强度和计算内力比为2；柱的屈服强度和计算内力比为2、6、10三种情况,结论：强柱弱梁设计所达到的效果：降低梁的强度可以降低对柱延性比的要求，可以减小柱的轴力，虽对梁的延性比要求增大了，但梁是延性构件，易实现。,4、强墙弱梁的剪力墙,剪力墙的破坏类型：,（a）悬臂墙;（b）整体小开口墙；（c）强墙弱梁联肢墙；（d）连梁剪破联肢墙,c、d两类剪力墙符合超静定结构和多道设防原理;a、b两类破坏形态不利于抗震（关键的问题是连梁

16、设计）;剪力墙应设计为“强墙弱梁”的联肢剪力墙,5、设计延性构件 钢筋混凝土构件（梁、柱、连梁、墙肢等）的剪切破坏 脆性破坏 钢筋混凝土构件（梁、柱、连梁、墙肢等）的弯曲破坏 延性破坏 应按“强剪弱弯”设计 梁-柱节点核心区的破坏为剪切破坏，在地震反复作用下，伸入核心区的纵向钢筋会发生锚固破坏 强核心区、强锚固的节点区 柱、墙为压弯剪构件，轴力过大会减小构件延性 限制柱和墙肢的轴压比 短柱易发生剪切破坏 避免设计成短柱 提高角柱、框支柱等受力不利部位构件的承载力，并采取构造措施，改善延性,六、设计多道设防结构 超静定结构和双重抗侧力体系的概念1、多道抗震防线 一个抗震结构体系，应由若干个延性较

17、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 框架-抗震墙体系=延性框架+抗震墙二个系统组成 双肢或多肢抗震墙体系=若干个单肢抗震墙+延性连梁系统组成 抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立起一系列分布的屈服区，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易以修复 抗震设计中，可利用多种手段实现设置抗震多道防线的目的 采用超静定结构、设置人工塑性铰、设置耗能元件或耗能装置等 设置多道抗震防线的原则 不同的设防阶段应使结构周期有明显的差别，以避免共振 最后一道防线要求具备一定的强度和足够的变形潜力,2、双重抗侧力体系的概念 由两种受力和变形性能不同的抗侧力结构组

18、成，每个抗侧力体系都具有足够的刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接协同工作，共同抵抗外力，当其中一部分有所损伤时，另一部分应有足够的刚度和承载力能够担当共同抵抗后期地震的任务。框架-剪力墙(筒体)结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构应该设计成双重抗侧力结构 规范：钢筋混凝土框架-剪力墙结构，框架承担的剪力至少为基底剪力的20%、或最大框架层剪力1.5倍（取二者的较小值）,七、重视构件承受竖向荷载的安全 结构倒塌往往是由于竖向构件破坏造成的，既抵抗竖向荷载，又抗侧力的竖向构件 重要构件 竖向构件的设计不仅应考虑抵抗水平力时的安全，更要考虑在水平力作用下出现裂缝或塑性铰后，其是否

19、仍能安全地承受竖向荷载。短肢剪力墙、异形柱 在弹塑性阶段是否能安全承受竖向荷载 在高层建筑中一般不采用异型柱，而短肢剪力墙（hw/bw=5 8的单肢剪力墙）是常用的构件。自学：有关异型柱框架结构、短肢剪力墙结构设计和构造要求*混凝土异形柱结构技术规程（JGJ149-2006）,八、加强结构整体性 缝的设置1、防震缝 体型复杂、平立面不规则的建筑，应该根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝，并分别符合下列要求：当不设置防震缝时，应采取符合实际的计算模型，分析判明其应力集中、变形集中或地震扭转效应等导致的易损部位，采取相应的加强措施。当在适当部位设置防震缝时，宜

20、形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差以及可能的地震扭转效应的情况，留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。,防震缝的最小宽度要求 框架结构（包括设置少量抗震墙的框架结构）房屋 高度15m，防震缝最小宽度取100mm；当高度 15m，6度、7度、8 度和9度相应每增加5m、4m、3m、2m，宜分别加宽20mm 框架-抗震墙结构房屋 框架-抗震墙结构房屋的防震缝最小宽度可采用框架结构规定限值的70%，且不宜小于100mm 抗震墙结构房屋 抗震墙结构房屋的防震缝最小宽度可采用框架结

21、构规定数值的50%，且不宜小于100mm,体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝。总的趋势：可设缝，可不设缝时，不设缝。设置防震缝可使结构抗震分析模型较为简单，容易估计其地震作用和采取抗震措施，但需考虑扭转地震效应，并按规范规定确定缝宽，使防震缝两侧在预期的地震下不发生碰撞或减轻碰撞引起的局部损害。当不设置防震缝时，结构分析模型复杂，连接处局部应力集中需要加强，且需仔细估计地震扭转效应等可能导致的不利影响。,防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽,按规范规定的防震缝宽度的最小值，在强震下相邻结构仍有可能局部碰撞而损毁，但宽度过大会给立面处理造成困难,2、抗撞

22、墙 在大震作用下，防震缝处发生碰撞时的不利部位（图示）。,不利部位产生的后果：地震剪力增大、产生扭转、位移增大、部分主要承重构件撞坏等 框架结构对抗撞不利，特别是防震缝两侧，房屋高度相差较大或两侧层高不一致的情况,GB50011：8、9度的框架结构房屋防震缝两侧结构高度相差较大时，防震缝两侧框架柱的箍筋应沿房屋全高加密，并可根据需要在缝两侧沿房屋高度各设置不少于两道垂直于防震缝的抗撞墙。抗撞墙的布置宜避免加大扭转效应，其长度可不大于1/2层高，抗震等级可同框架结构；框架结构的内力应按设置和不设置抗撞墙两种计算模型的不利情况取值。,九、关于填充墙布置和材料选用 框架结构体系中填充墙的选用和布置

23、应选择轻质、大块、能与主体结构形成柔性连接的填充墙 不利于抗震的填充墙布置情况：填充墙布置不当形成上刚下柔的结构 填充墙布置不当形成房屋两端一端刚、一端柔的平面 框架柱中填充了部分墙（开窗洞形成）会使柱中部出现支点而形成短柱或由于砖墙对柱的附加推力使柱破坏 框架-剪力墙结构体系中，应注意填充墙在平面中的位置对结构平面刚度的均匀性的影响 JGJ3-2002（强制性条文）：计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减 高层建筑结构内力和位移分析时，只考虑了主要结构构件的刚度，没有考虑非承重墙的刚度，计算的自振周期较实际长，按这一周期计算的地震力偏小。当非承重墙体为填

24、充砖墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数取值：框架结构取 0.6 0.7 框架剪力墙结构 0.7 0.8 剪力墙结构 0.9 1.0 其他结构体系或采用其他非承重墙体时，可根据工程情况确定周期折减系数,砌体填充墙钢筋混凝土框架结构抗震设计方法的研究Reserch on the Seismic Design Method of RC Frame Structure with New Type Masonry Infill Panels申报2011年国家自然科学基金项目,项目研究的基本思路：在系统地进行新型砌体填充墙框架结构抗震机理试验研究的基础上，通过试验研究、理论分析和数值模拟，系统研究新

25、型砌体填充墙对钢筋混凝土框架结构的刚度效应和约束效应、协同工作性能、刚度和强度退化规律等抗震性能，建立砌体填充墙结构功能目标，进行不同性能水平的损伤状态描述和变形限值的研究，建立基于性能的砌体填充墙框架结构的抗震设计方法。,新型砌体填充墙RC框架结构抗震设计方法研究江苏省企业院士工作站科研项目（YG-2011-06-06）,第一批试验：具有不同构造措施的砌体填充墙框架结构抗震性能的试验研究,第二批试验：带竖缝砌体填充墙钢筋混凝土框架结构抗震性能的试验研究,各试件示意图（a）试件GPF-0；（b）试件GPF-1；（c）试件FPF-1；（d）试件FPF-2；（e）试件FPF-3,第三批试验：多层砌体填充墙框架结构抗震性能的试验研究,第四批试验：砌体填充墙抗震性能试验研究,第五批试验：开洞砌体填充墙框架抗震性能的试验研究,