高层建筑设计基本概念.ppt

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1、高层建筑设计基本概念,一 概念设计是高层建筑结构设计的重要内容,1、高层建筑受力特点是水平作用占主导地位，结构内力、位移与高度之间的关系中，轴向力与高度成正比，弯矩与高度是两次方关系，位移与高度是四次方关系。随着高度的增加，水平荷载成为控制结构设计的主要因素。,一 概念设计是高层建筑结构设计的重要内容,多层到高层是水平荷载起的作用由小到大的量变过程，多层与高层建筑结构没有固定的界限，从结构的观点看，当水平作用起主导作用时就可认为进入高层建筑结构的范畴。我国规范将10层或28m以上的建筑规定为高层建筑，这也是世界多数国家习惯上的划分方法，便于划定规范的适用范围。,一 概念设计是高层建筑结构设计的

2、重要内容,对于高层建筑，水平作用起主导地位。水平作用有风荷载作用，有地震作用。在6度抗震设防设计中，很多情况是风作用为控制性工况，在7度以上抗震设防的结构设计中地震作用是控制性作用，地震作用对高层建筑危害的可能性也比较大，高层建筑结构设计抗震设计是重点。,一 概念设计是高层建筑结构设计的重要内容,地震作用影响因素极为复杂，是一种随机的，尚不能预见和准确计算的外部作用，目前规范给出的计算方法是一种半经验半理论的方法，结构抗震设计应该是概念设计、计算设计和构造设计组成的系统设计。由于地震的不可预见性及地震作用的不确定性，抗震设防的结构必须重视概念设计。,一 概念设计是高层建筑结构设计的重要内容,概

3、念设计涉及的面很广，从方案构思、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都存在概念设计的内容，概念设计是相对于量化的计算而言，通过力学规律、震害调研、实验研究、工程实践经验建立设计概念、设计对策和措施，它比量化计算更有效地从宏观上处理好结构的安全问题。概念设计与计算相辅相成，由于地震作用的不确定性，必须由概念设计作引导和判断，计算设计需要在概念设计指导下完成。,一 概念设计是高层建筑结构设计的重要内容,“结构概念设计不是某种具体的方法，它贯穿在结构设计的每一步骤，包括方案布置、结构计算、结构构造等，它是结构工程师的基本功”（方鄂华）,运用概念设计的典型案例。,马那瓜美洲银行。197

4、2年12月23 日尼加拉瓜首都马那瓜发生罕遇强烈地震，5000多人死亡，市区1万多栋楼房夷为平地，而马那瓜当时最高的建筑林同炎教授于1963年设计的18层、61m高的美洲银行一栋钢筋混凝土塔楼，虽位于震中，在楼前的街道上出现了13mm宽的地裂缝，承受着比当时设计规范（UBC，美国统一建筑规范）所要求的地面运动水平加速度0.06g大6倍的地震强度（0.35g，相当于里氏6.36.5级）而未倒塌，甚至未严重破坏，则引起世界结构同行的高度重视。,林同炎教授在马那瓜美洲银行的多道防线、刚柔结合的概念设计思想是由4个4.6m等边的L型柔性筒（H/b=13.37），通过每层的连梁组成一个11.6m11.6

5、m的正方形核心筒作为主要的抗震结构（见前图）。,在风荷载和抗震设防烈度的地震作用下具有很大的抗弯刚度（H/b5），为了预防未知的罕遇强烈地震，林同炎教授在连梁的中部开了较大的孔洞，一方面可以用来穿越通风管道，减少楼层的结构高度；另一方面是有意识地形成该结构总体系（第一道防线）中的预定薄弱环节，在未来遭遇强烈地震时，通过控制首先在连梁开洞处开裂、屈服、出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能力的结构体系（第二道防线），即各分体系（L型柔性筒）作为独立的抗震单元，则整体结构变柔，自振周期变长，阻力增加，地震动力反应将大大地减小，从而可以继续保持结构的稳定性和良好的受力性能。,即使在超出弹性极限的情况下

6、，仍具有塑性强度，可以做到较大幅度的摇摆而不倒塌。为确保每一个L型柔性筒都可以作为有效的独立抗震单元，林同炎教授在L型筒的每面墙内的配筋几乎都是一样。马那瓜的大地震充分证实了林炎同教授这种先进的概念设计思想的创造性和前瞻性。因为在上世纪60年代初，世界抗震设计的经验还很不丰富，工程师们的抗震知识普遍不足，正如美国ATC规程编制者Ronald Sharpe所言：“到目前为止，抗震设计尚不能称之为一门科学，而是一门艺术，很多问题的解决要靠工程判断”。,中央银行与美洲银行对比,中央银行与美洲银行对比,中央银行15层，框架结构，剪力墙较少，抗侧刚度小，质量中心与刚度中心偏离，在1972年尼加拉瓜地震中

7、严重破坏。,地震作用的特点,地震对建筑物作用的特点，可以归纳为下属三个方面。（1）不确定的、不可预知的作用（2）短时间的动力作用（3）有选择的破坏作用,不确定的、不可预知的作用,地震的不确定、不可预知有多方面的含义。其一是指地震发生的时间、地点、强度是不确定的、随机的。地震是在毫无警告的情况下发生的。预期不会发生大震的地方却发生毁灭性的地震，预期会发生地震的地方却没有地震。按6度抗震设防的唐山，1976年地震达7.8级，损失惨重。美国加州中部的Parkfield小镇，在20世纪90年代前的100年间，每22年发生一次中等强度以上的地震，当时估计下一次地震在1933年。80年代中，美国国家地质调

8、查局花费了大量财力、人力在Parkfield安装仪器设备，希望能观察到地震前的预兆、预报地震，但1993年过去了好多年，地震一直没有发生。,不确定的、不可预知的作用,1995年前，日本一直认为东海会发生大震，但1995年1月17日，毫无抗震防灾准备的大阪、神户附近的淡路岛却发生了强烈地震，死亡8000多人，经济损失近1000亿美元。地球上的任何一个地方都有可能发生地震。地震不确定性的另一个含义是指没有两次地震的特性是相同的，不同地点同一地震的特性不同，同一地点不同地震的特性也不同。地震的随机性，给建筑结构时程分析时选用地震加速度时程带来困难。,短时间的动力作用,持续时间最长的地震是1964年3

9、月发生的美国阿拉斯加地震，约7分钟。一般而言，一次地震的持续时间为一分钟左右，持续时间长的也就是3分钟左右，但造成的破坏却极大。20世纪地震造成的死亡超过200万人，振动时间的总和不到1小时。地震是在短时间内造成巨大灾害的一种自然力量。地震通过地基的摇晃，使建筑结构产生前后、左右、上下的振动，从而使结构产生加速度和惯性力，造成结构破坏甚至倒塌。地震对建筑结构产生的是动力作用。地震发生时，结构加速度的方向和惯性力的方向、大小不断变化。惯性力的大小与地震动的特性有关，与建筑结构本身的动力特性、承载能力等也有关。,有选择的破坏作用,地震动是由不同周期的振动组成的，地震动的传播过程非常复杂，但有下列主

10、要规律：短周期的振动衰减快，传播的距离短，长周期的振动衰减慢，传播的距离远；硬土中长周期的振动衰减快、短周期振动的成分多，软土中短周期的振动衰减快、长周期振动的成分多。如果建筑结构的基本频率与地震动振幅大的频率相同或接近，则结构的地震反应相对较大，有可能造成破坏或倒塌；反之，结构的反应小，破坏小，甚至没有破坏。震中附近，硬土上层数少的建筑结构破坏严重；在距离震中远、震级比较大的地震作用下，软土上层数多的建筑结构破坏严重。这就是所谓的地震有选择的破坏作用。,有选择的破坏作用,1923年如本关东地震，硬土上刚度大的结构破坏严重，而软土上刚度大的结构破坏不严重。原因是硬土上地震动频率高的成分的能量大

11、，软土上地震动相对低频成分的能量大。1985年墨西哥地震，7.2级，震中距墨西哥城180km，墨西哥城基岩上地震动的峰值加速度为0.035g左右，而原河床上地震动的峰值加速度为0.166g、主要周期为2-3s。峰值加速度增大，主要周期加长，引起层数为14层左右的建筑严重破坏或倒塌。另一个突出的例子是1967年7月29日委内瑞拉加拉加斯地震，6.3级，震中距63km，房层建筑破坏率与土层厚度关系如图6-6所示。土层厚度50m左右的场地，3-5层建筑的破坏率显著增大；一些地区地震动的主要周期为1.42s，基本周期为0.9-1.5s的建筑大量破坏。,建筑结构的震害,人们主要通过三条途径认识地震对建筑

12、结构的影响以及结构的抗震能力，即：试验研究、计算分析和地震灾害。地震是对建筑结构抗震能力的直接检验。在震害调查、科学研究、总结设计成功的经验和失败的教训的基础上，修订抗震设计规范，完善抗震概念设计和设计方法，提高结构抗震能力。可以相信，随着对地震影响认识的深入和抗震设计水平的提高，建筑结构的震害会越来越少。历史上钢筋混凝土房屋建筑结构的震害主要表现在下述几个方面：,建筑结构的震害,（1）扭转引起破坏。结构平面布置严重不对称，“刚度中心”严重偏离质量中心，地震中由于结构扭转造成破坏。例如，1972年尼加拉瓜地震，楼梯、电梯间和砌体填充墙集中布置在平面一端的15层中央银行严重破坏。,建筑结构的震害

13、,（2）“软弱层”或“薄弱层”破坏。结构某一层的抗侧刚度或层间水平承载力突然变小，形成所谓“软弱层”或“薄弱层”，地震时，这一层的塑性变形多大甚至超过结构的变形能力，或这一层的承载能力不足，引起结构构件严重破坏，或楼层塌落，或结构倒塌。典型的震害有：1972年美国圣菲南多地震使Olive-View医院主楼底层柱严重破坏，残余侧向位移达60cm；1995年日本阪神地震中，大量多层和高层建筑的空旷底层严重破坏或倒塌，中部某一楼层坍塌，其主要原因是钢骨混凝土柱变为钢筋混凝土柱，刚度和承载力都变小；1999年我国台湾集集地震，许多底层空旷的建筑严重破坏或倒塌。,建筑结构的震害,（3）建筑整体倾斜破坏。

14、砂土液化，使地基丧失承载力，上部结构整体倾斜、倒塌。最有名的例子是1964年日本新泻地震中，建筑结构整体倾倒。（4）鞭梢效应破坏。结构顶部收进过多，抗侧刚度急剧减小，地震中出现鞭梢效应，使结构局部破坏。（5）碰撞破坏。地震中相邻结构碰撞破坏，或一幢建筑倒塌，压在相邻建筑上，引起相邻建筑破坏甚至倒塌。（6）相邻建筑之间的连廊倒塌。1976年唐山地震、1995年阪神地震和1999年集集地震中，都有连廊塌落的震害。,建筑结构的震害,（7）框架柱破坏。框架柱的破坏形式比较多，例如：短柱剪切破坏梁-柱核心区剪切破坏；承载力不足、柱折断破坏；箍筋不足引起纵筋压屈成灯笼状、混凝土压碎；角柱破坏较中间柱的破坏

15、严重；框架内的刚性填充墙不到顶，使上部柱成为短柱，且增大了柱的刚度，承受比设计计算大得多的地震作用，柱由于承载能力不足而破坏甚至引起结构局部倒塌。（8）剪力墙破坏。主要震害有连梁剪切破坏，墙肢出现剪切裂缝或水平裂缝。,建筑结构的震害,框架梁的震害比较少，究其原因，主要是计算梁的受弯承载力时，不考虑现浇楼板钢筋对梁的承载力的增大作用，即使是按强柱弱梁设计的框架也可能成为强梁弱柱，地震中柱破坏，而梁不破坏。剪力墙结构或设置剪力墙（筒）的结构，其震害比框架结构轻的多，其原因是剪力墙的刚度大，地震作用下结构的侧移小。合理设置剪力墙、增大结构刚度，是避免钢筋混凝土房屋建筑震害的重要途径之一。虽然有大量的

16、震害可供研究，但人类对地震的认识、对于房屋建筑地震震害原因的认识还是很有限的，比如，同一地点、两幢完全相同的房屋建筑，地震时一幢倒塌、一幢没有倒塌，其原因就很难说得清楚。,结构设计应在正确的结构概念指导下，依据规范运用电算程序，分析问题解决问题。“规范计算程序”不能代替结构设计，如果结构概念不清又缺少工程经验，完全依赖电算，直接采用电算结果，或照搬那些系数套系数的繁琐公式，容易在实际工程中出现大错误。有的很保守，材料浪费很多，而设计人员并没感觉到他的设计强度富裕量有多大。电算结果必须进行检查判定后才能使用。,以下是一些对结构计算结果不进行分析直接运用于设计的事例：,实例1,实例1,上图工程弧形

17、阳台右端悬臂梁上出现宽达1.4mm的螺旋式受扭斜裂缝，阳台外弧梁跨中截面的底部有下宽上窄的弯曲受拉裂缝，原设计是1972年用TBSA程序设计，1993年投入使用。,实例2“某行政中心桩筏设计”,行政中心主楼地下1层，地上20层，总高97m，框架筒体结构。6度抗震设防，4类场地。基础采用钻孔桩，桩长50米，单桩承载力设计值3772KN，筏板1.7m，筒体下的筏板厚2.4m。采用JCCAD计算筏板配筋，筒下筏板底部钢筋每方向432150（=0.893%），筏板面钢筋132150。筒外筏板底钢筋332150（=0.946%），筏板面钢筋132150，及232150。,实例2“某市行政中心桩筏设计”,

18、该工程结构布置与基础构件的确定均属常规，钢筋配置远远超过一般做法。有限元计算结果仅个别点应力与配筋较大。设计不做分析，直接采用，并按最大值配筋，使得设计不合理,实例3“泰兴市人民医院综合楼”初步设计,主楼地上22层，地下1层，总高86.5米，框剪结构，设计说明基础按“桩筏设计”。钻孔灌注桩，直径800，桩长45m，按承台下集中布置，承台厚2400，沿轴线设地梁16002000，底板厚1200。,实例4“xx电信枢纽工程”桩基审查,该工程桩基先行审查，桩基础设计没有不符规范的问题，但提供的结构整体计算，第一振型是以扭转为主的振型。电算出现这样的结果，首先应对结构布置进行调整，待结构调整合理后再进

19、行基础与上部结构的设计。,主要振型周期,第一振型以扭转为主说明结构有平面不规则，质量与刚度存在偏心问题。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心的结构，在水平地震作用下，将产生扭转效应，而且不同振型的地震效应会严重藕连，导致严重震害，模拟地震振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。,结构进行抗震设计时，若计算出的第一振型为扭转为主的振型，或高层建筑结构以扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比大于0.9（A级高度高层建筑）或0.85（B级高度高层建筑）时，说明结构抗侧力构件布置不够合理，导致结构楼层的刚心与质心偏移过大；抗侧力构件（一般是剪力墙）数量不足，或尽管结构平面对

20、称，但核心筒断面太小，导致整体抗扭刚度过小。此时应对结构方案进行调整，减小结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心，或加强结构抗扭刚度，必要时可设置防震缝，将不规则的平面划分为若干相对规则的平面，尽可能避免扭转成为第一振型。,从以上实例可看到，计算软件的缺陷和设计人员盲从软件会导致设计失误，在计算建模、数据录入过程中的错误也是产生设计失误的原因之一。（总信息中0.2Q0的调整，基本周期的折减系数。计算筒图与结构平面是否对应，设计弯矩放大系数，边界条件的确定）教材作者提出“我国目前全面使用一体化计算机结构设计程序的现状几乎是暗箱操作，则问题就更为严重，致使问题屡屡发生。”,美国的设计管理方法,

21、在林同炎公司，只能用计算机进行分项荷载的内力分析，不允许用计算机直接进行最不利荷载组合的内力分析。分项荷载内力分析的结果必须由上机的工程师自校，并汇总整理成表格后交给该项目设计主持人（即项目工程师）校审、认可后，工程师再用手算进行最不利荷载组合的内力计算和构件的截面配筋计算。最后将所有的输入数据、计算机分析资料和手算计算书整理成册，交项目工程师终审和判断调整后，再用cad出施工图。,美国的设计管理方法,在将图纸和设计文件交给业主所委托的工程顾问公司备案后，工程顾问公司通常会找一个其所信任的资深结构工程师（必须不是本结构设计公司人员）进行审定、质疑。只有审定通过后才能交付施工。此时，公司负责人会

22、要求项目工程师写一份总结报告，说明该工程的概念设计思想、所要解决的主要问题、解决方法及其相应的比较方案和自我评估等。这一方面对项目工程师来讲是一种总结、反思和提高；另一方面公司负责人也能从中发现一些未曾考虑或考虑不周的问题，以便及时纠正。,美国的设计管理方法,在美国，即使在工程竣工后，业主仍有权请人复审计算书和图纸。一旦发现荷载组合的不现实性或边界条件的假定不确切等错误，而项目工程师又未凭正确的判断力进行合理的调整，以致造成材料用量过大，都有权上诉法院。,上面所讲的主要强调应预防由于设计人员对程序的基本理论假定、应用范围、限制条件等了解不透彻，再加上输入数据或边界条件假定有误等而造成的错误。而

23、对于我国目前全面使用一体化计算机结构设计程序的现状，几乎是暗箱操作，则问题就更为严重，致使工程问题屡屡发生。追其原因，设计方面的因素占了很大的比例。归纳起来有六方面的原因：,盲目信赖和依靠一体化计算机结构设计程序；一次性图形输入而无复校是失误的多发点；所谓“高效率”的副作用，只要能满足规范限制的要求，一“RUN”就交卷，以为结构设计没什么难的；设计软件自身固有的缺陷或错误；设计人员缺乏专业教育和工程判断的训练；在无正规的相关法律制度约束下，自然形成无严格配套的设计管理与校审制度，让各方面的失误钻了漏洞。,我们的一些设计人员完全依赖电算程序，有一些很大的项目，提交审查的结构计算书几乎没有手算工作

24、量。（电算荷载简图中的荷载计算。没有桩基设计只有基础内力简图，桩顶竖向作用计算没有），对于缺少工程经验，结构概念不清楚的设计人员，完全依靠电算软件进行设计确实存在很大的责任风险。,对于具体工程项目结构专业承担终身责任的是结构工程师自己，不是规范，也不是电算程序。2000年底中国土木工程学会第九届年会上，关于规范和工程师职责这一主题，与会者达成共识：,共识,工程师在进行结构安全控制时，应遵循规范的指导。但规范不可能取代设计人员所必需的理论知识、经验和判断力。设计人员必须自己承担设计的全部责任，针对不同的设计对象、环境和使用条件，创造性地选用规范中的数据。因为规范再详细也不可能包罗本应由设计人员自

25、己去解决的问题。,请再注意，英美两国规范的重要声明。在英国的规范和标准中都有唯一用黑体字标志的告示：“遵守英国规范本身，并不意味给予豁免法律责任”。并都统一写在规范前言的最后一行，以强调其重要性。也就是说，即使你完全按规范来做设计，出了事你也逃脱不了法律责任。这充分说明，规范的条文只是建筑物和构筑物所需要的最低标准，而且是滞后的。设计人员必须根据业主的要求和结构行业技术的新发展去创造性地解决设计中的问题。,美国的混凝土结构设计规范（ACI318）第1章的第1条就明确写道：,“1.1.1本规范提供钢筋混凝土结构构件设计与施工的最低要求”。而且，美国ASSHTO桥梁设计规程也在第1章的第1节中明确

26、写道：“本规程无法取代设计人员所应具有的专业教育和工程判断的训练，所以仅在规程中规定了为保证公共安全的最低要求”。这进一步说明，规范只是最低要求，它根本无法替代一个设计人员所必须具有的，并在工程实践中不断充实结构设计概念、经验、悟性、判断力和创造力。,二、高层建筑结构设计的一些基本概念,1、结构平面布置宜形状规则，刚度均匀，减少扭转效应（1）结构平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂、不规则平面，有些平面上有突出部分的建筑，例如L型、T型、H型平面，即使总体平面对称，还会出现局部扭转。L型平面具有一种高振型，它会使突出的部分出现侧向振动的地震反应，突出过长的部分形成局部扭转。较高的高层

27、建筑不宜长宽比很大，因为它不符合楼板在平面内无限刚性的假定。这两种类型的平面位移比一般都较大，不易满足抗震规范规定。,（2）抗侧力构件的布置宜“均匀分散，对称周边”，抗侧力构件均匀分散布置，避免刚度集中，造成局部构件先行破坏，引起连锁反应。对称周边是提高结构抗扭转刚度的重要措施，在平面突出部分的端头布置剪力墙或角筒可有效控制局部扭转变形。,平面形状不理想或较高的高层建筑，容易因扭转效应产生震害，从概念设计出发，规范规定了“位移比”（楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移平均值的比重），“周期比”（结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比）限值，当结构计算超过限值，结构可考虑

28、采用的调整措施：,a、调整平面尺寸；b、调整抗侧力构件的数量；c、将剪力墙布置在周边与平面突出部为的端头；d、两个主轴方向上的抗侧刚度要接近；e、提高纵向边梁的刚度；f、当周期比Tt/T1不满足规范规定，一般应调整抗侧构件的布置增大抗扭刚度，若抗侧刚度较大也可采用“减法”，减小对抗扭刚度影响较小的抗侧构件的刚度，放大平动为主的第一周期T1。,考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数 振型号 周 期 转 角 平动系数(X+Y)扭转系数 1 3.0491 0.01 1.00(1.00+0.00)0.00 2 2.6078 90.00 1.00(0.00+1.00)0.00

29、3 2.4122 119.75 0.00(0.00+0.00)1.00 4 1.0417 0.01 1.00(1.00+0.00)0.00 5 0.7166 90.02 1.00(0.00+1.00)0.00 6 0.6897 18.00 0.00(0.00+0.00)1.00,（1）当层间位移值小于规范限值的1/2时，位移比值可适当放松。（2）平面为长条形布置的建筑、钢筋混凝土多层框架、带有大底盘裙房的塔式高层建筑，由于建筑平面端部的相对位移较大或按建筑长度的5%偏心距取值时，计算的位移比经常不能满足有关规定。此时对位移比的限可适当放松。但是当筒体结构的核心筒较小或开洞过大导致结构整体抗扭刚

30、度偏低，使计算的扭转位移比不满足要求时，则应加强结构抗扭刚度，而不能放松要求。,需要说明的：（以下摘自建筑抗震设计规范疑问解答）,2、结构沿竖向刚度宜均匀，避免软弱层，减少鞭梢效应,（1）侧向刚度突变 当该层侧向刚度小于相邻上一层的0.7，或小于其上相邻三层楼层侧向刚度平均值的0.8，则属竖向刚度不规则。（2）上部楼层收进或外挑过大（3）竖向抗侧构件不连续（4）楼层抗剪承载力突变,需要注意的是：（摘自抗规疑问解答）,当高层建筑结构带有大底盘裙房，计算裙房与塔楼的楼层刚度比，不可取裙房的所有抗侧构件的刚度总和，可取有效范围内的竖向构件，所谓有效影响范围，可由塔楼与裙房交界处做45向外斜线，取斜线

31、范围内的竖向构件参与计算。对地下室部分也可照此处理，而不能将所有竖向构件特别是地下室外墙参与计算。,3、结构的延性设计,在中震作用下，允许部分结构构件屈服进入弹塑性，大震作用下结构不能倒塌，因此抗震结构应设计成延性结构，结构构件应设计成延性构件，有关理论分析请参阅高层建筑高筋混凝土结构概念设计方鄂华著，,具体要实现延性设计需做到：,（1）将抗震框架设计成梁铰机制或梁柱铰混合机制。（2）“强柱弱梁”框架（3）“强墙弱（连）梁”剪力墙（4）梁柱、连梁、墙肢等构件都应按“强剪弱弯”设计（5）“强节点弱构件”,在以上概念设计的指导下，规范在计算设计与构造设计方面都有具体的规定，例如“高规”6.2.1-

32、1公式中c柱端弯矩增大系数就是体现了“强柱弱梁”的设计概念，6.2.3-1公式中vc柱端剪力放大系数就是体现“强剪弱弯”的设计概念。新规范对构件体积配箍率的提高也是落实概念设计的措施。,4、多道设防超静定结构和双重抗侧力体系的概念,静定结构，是只有一个自由度的机构，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。抗震结构必须设计成超静定结构。超静定结构允许有多个屈服点。将此概念延伸，不仅是设计成超静定结构，抗震结构还应设计成具有多道设防的结构。多道防线中有些部位允许屈服甚至允许破坏，有些部位则只允许屈服不允许破坏，有些部位甚至不允许屈服。,4、多道设防超静定结构和双重抗侧力体系的概念

33、,框架剪力墙结构中，因为剪力墙刚度大，吸收的地震剪力大允许的变形小，通常是剪力墙中的连梁或墙肢先屈服，连梁可以破坏，而墙肢是只能屈服不能破坏，剪力墙的刚度降低，但不应完全退出工作，只是框架将承担更多地震力，如果框架屈服，也只允许框架梁先屈服，柱子不允许屈服，那么第二道防线仍然是框架和剪力墙共同工作。,4、多道设防超静定结构和双重抗侧力体系的概念,双重抗侧力体系的特点是：有两种受力和变形性能不同的抗侧力构件组成，每个抗侧力构件都具有足够的刚度和承载力，可以分别承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接协同工作。在抗震结构中设计成双重抗侧力体系便于实现多道设防是安全可靠的结构体系。框架剪力墙、框架核心

34、筒，筒中筒都应设计成双重抗侧力体系，实现多道设防。,4、多道设防超静定结构和双重抗侧力体系的概念,为了实现多道设防目的规范规定框架承担的剪力至少为基底剪力的20%或最大框架层剪力的1.5倍（取两者中的较小者），对混合结构的框架核心筒，规范规定框架至少承担25%的基底剪力或框架最大层剪力的1.8倍（取两者的较小值）。结构电算程序总信息中0.2Q0。就是执行规范规定而设定的计算参数，不少工程结构计算0.2Q0取0，计算就不作调整，不符概念设计要求，违反“高规”JGJ3-2002第8.1.4条规定。,4、多道设防超静定结构和双重抗侧力体系的概念,板柱抗震墙体系是典型的非双重结构体系，规范对板柱抗震墙

35、结构有严格的限制，要求板柱抗震墙结构中的抗震墙承受100地震剪力，板柱为弱框架业务要求至少承受20的地震剪力。双重结构体系总共最常见的是框架剪力墙结构，根据框架与剪力墙在结构中所占的比例，可以分为下列四种情况：,（1）、当框架与剪力墙的比例适中，即框架的剪力至少为基底剪力的20，或框架最大剪力的1.5倍（取二者中的较小值）时，则可以按框架剪力墙结构设计。当框架实际的剪力分配的比例达不到该值时，应当按规范规定的比例调整增大框架内力，或调整框架柱的数量或截面刚度。,（2）、当剪力墙承担的倾覆力距小于总倾覆力矩的50时，虽然可以归入框架剪力墙结构，但是，框架部分应当按纯框架结构确定其设计抗震等级。（

36、3）、当框架很少，很弱时，其内力分配所占比例很小，达不到规范要求的比例时，按剪力墙结构设计。(4)、当剪力墙数量很少时，则应当按照框架结构设计，其适用高度可比规程规定的框架结构限值高度略有提高。,三、有关设计问题的讨论,1、关于“短肢剪力墙”设计高层建筑钢筋砼结构技术规程对短肢剪力墙的设计做了八项规定，有关条文说明指出：“短肢剪力墙抗震性能差，地震区应用经验不多。”实际指的是缺少地震检验。有的学者对端肢墙力墙在弹塑性阶段是否能持续、安全地承受竖向荷载有疑虑。,较为一致的看法是：,（1）高层建筑结构不应采用全部是短肢剪力墙的剪力墙结构。（2）高层规范提出，短肢剪力墙较多的剪力墙结构中，端肢剪力墙

37、承受的地震倾覆力矩可占总倾覆力矩的4050%。北京市建筑设计技术细则（结构专业）：短肢剪力墙较多结构的定义，可按结构中短肢剪力墙承受的竖向荷载与总竖向荷载的比例未确定，当由短肢墙负荷的楼面面积与全楼面面积比超过50%时，应定义为短肢剪力墙较多的结构。,较为一致的看法是：,（3）短肢剪力墙较多的剪力墙结构抗震等级提高一级，对于存在少量短肢剪力墙，则不执行高规7.1.2条规定。（4）当剪力墙开洞后，洞口连梁跨高比不大于2.5，开洞后墙肢截面高厚比虽为58，可不作为短肢剪力墙，若墙肢高厚比小于5，则按高规7.2.5条执行。（5）L型、T型墙肢，当有一翼高厚比为58，则可仅将该翼墙肢按短肢剪力墙构造要

38、求进行设计。,较为一致的看法是：,（6）框架剪力墙结构中的剪力墙，若有短肢剪力墙同样应控制筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不小于总底部地震倾覆力矩的50%。（7）北京市技术细则规定：短肢剪力墙较多的结构，其短肢剪力墙的抗震等级应比一般剪力墙结构的抗震等级提高一级，并按提高一级后满足相应抗震等级的轴压比与内力放大要求。,较为一致的看法是：,（8）短肢剪力墙的判定：图A,墙肢通过跨高比很大的梁相连，每个墙肢基本是独立工作，因而属于短肢剪力墙。图B,虽然墙肢很短，但连梁刚度很大，墙体开洞相对较小，属于联肢剪力墙。图C,不属于短肢剪力墙，因为虽然有一个方向的剪力墙h/b5-8,但是另一方

39、向的墙h/b5-8,是普通剪力墙。,较为一致的看法是：,（9）关于“短肢剪力墙较多”的界定，短肢剪力墙承受竖向荷载面积较大，达到楼层面积的40%50%以上，（较高的建筑允许的受荷面积应取更小的数值）而且，短肢剪力墙的布置比较集中，偏于平面的一边或建筑的周边。在这种情况下，短肢剪力墙一旦破坏极易导致楼层倒塌。（北京市建筑设计技术细则：对于多层剪力墙，可定义为当负荷的楼面面积超过全楼楼面面积的60%时，属于短肢剪力墙较多的结构;对于高层剪力墙结构,当负荷的楼面面积超过全楼楼面面积的50%时,应定义为短肢剪力墙较多的结构。）,2、关于结构的薄弱层、软弱层、转换层、框支层概念,薄弱层：该楼层的层间受剪

40、承载力小于相邻上一楼层的80，结构强度判断 软弱层：该楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70，或小于其上相邻三个楼侧向刚度的80%;除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25；结构刚度判断。,2、关于结构的薄弱层、软弱层、转换层、框支层概念,转换层：（高规）定义，转换层是结构转换构件所在的楼层；而转换构件包括转换梁，转换桁架，转换板等。在正常使用情况和地震作用下，转换构件将其上一层的竖向抗侧力构件（柱，墙，抗震支撑等）的内力向下传。框支层：如果一个结构单元的转换层以上为剪力墙，转换层以下为框架，那么转换层以下的楼层为框支层,抗震P205图3.4.2-5，6,3、关于抗震设防分类,（1）面积

41、较大的商业建筑和商住楼。（2）人数较多的幼儿园、小学的低层教学楼，抗震设防类别应划为乙类。当这类房屋层数很少且改用抗震型能较好的结构类型时，可仍按本地区抗震设防烈度要求采取抗震措施。这类建筑划为乙类是考虑到小学生、幼儿在地震中自救能力差。筒力，对敬老院、福利院、残疾人学院等人群的砌体房屋，可比照幼儿园的原则相应提高抗震设防类别。,3、关于抗震设防分类,（3）高层住宅和高层办公楼建筑，当结构单元内经常使用人数超过10000人时，抗震设防类别宜划为乙类，其抗震措施应专门研究。（4）对于带大地盘的高层建筑，下部群房为商场，上部为住宅，若设置抗震缝，可按每个结构单元划分抗震设防类别。当下部属于大型零售

42、商场的乙类建筑范围是，可将其及与之相邻的上部高层建筑二层定为加强部位，按乙类建筑进行抗震设计，其余各层可按丙类进行设计。当上部为乙类时，下部结构不论是什么类型，均为乙类。,4、关于多层砌体与底部框架房屋的设计（引自北京市建筑设计技术细则）,（1）承重窗间墙最小宽度不能满足要求，可以适当加大构造柱的截面及配筋。但墙垛最小截面不得小于800240（厚度），构造柱截面不得大于300240mm。如构造柱上搁置梁时，构造柱所在窗间垛应当考虑对墙垛的不利影响以及对梁的嵌固作用。门窗洞边至山墙尽端的局部尺寸若不能满足规范局部尺寸要求，也应至少大于1/4层高与800的较小值，同时转角构造柱的截面需加大，但任一

43、方面的构造柱截面长度不宜大于300。,4、关于多层砌体与底部框架房屋的设计（引自北京市建筑设计技术细则）,（2）横墙较少房屋内外纵墙上的构造柱设置分两种情况：一是横墙间距大，楼盖为现浇板或预制板，直接支承在墙垛上。此时外纵墙上的构造柱可按一般要求设置，及在每开间部位的纵墙上设构造柱，或仅在洞口两侧设置，不需要加强。二是当横墙间矩较大，楼盖为有梁的现浇板或预制板，纵墙上支承有集中荷载的梁时，此时纵墙上的构造柱不能按一般做法设置，应当按受力的组合砖柱进行设计，并应考虑梁与组合柱的相互影响。,4、关于多层砌体与底部框架房屋的设计（引自北京市建筑设计技术细则）,（3）单面走廊建筑A、封闭的单面走廊。由

44、于横墙与外廊一侧的外纵墙没有联系，因此对外廊一侧的外纵墙应通过楼板及一定间距的走廊拉梁相连接。此时，外纵墙的构造柱设置应与拉梁相结合，有拉梁的部位应当设置构造柱，单面走廊的内侧纵墙应与另一侧的外纵墙对应设置构造柱。B、开敞的外廊。一般在开敞外廊一侧均设有柱。以往采用砖柱，现建议尽量采用钢筋混凝土柱，并有拉梁与纵墙相接。,4、关于多层砌体与底部框架房屋的设计（引自北京市建筑设计技术细则）,（4）洞口两侧构造柱的设置一般门窗洞口两侧可以不设构造柱。当洞口较大，如超过2.1m，且高度超过层高的2/3以上时，则应在洞口两侧设置构造柱，应尽量避免在一个不大的墙段内设置三根构造柱。,4、关于多层砌体与底部

45、框架房屋的设计（引自北京市建筑设计技术细则）,(5)底部框架抗震墙房屋的结构布置上部多层砌体抗震墙与底部的框架梁或抗震墙应对齐或基本对齐，由于上下层的功能不同不能完全对齐时，允许有1/3道墙体可以不同下部框架梁或抗震墙对齐。同时，不对齐得墙不能连续超过两道。与底部框架或抗震墙不能重合的上部砌体墙，应在过渡层砌体墙的水平灰缝内配置水平钢筋，其数量为按墙体体积配筋率的0.1%，小型砌块应每皮设置水平钢筋。,5、关于住宅建筑设置转角窗的问题,（1）砌体结构房屋，抗震设计不允许设转角窗。建设部施工图审查要点已有明文规定。北京市技术细则：“除底层房屋外，一般应当禁止采用转交窗的做法。设置转角窗破坏了砌体

46、墙的连续性和整体性，使地震作用无法传递，给结构抗震安全造成隐患。”对于一、二层砌体房屋，若一定要设转角窗，至少应按约束砌体要求予以构造加强。,5、关于住宅建筑设置转角窗的问题,（2）钢筋砼结构房屋抗震设防烈度为7度、60米以上的高层剪力墙结构与抗震设防烈度8度及8度以上的高层剪力墙结构不宜在外墙角部开设转角窗。必须设置时应加强其抗震措施。,5、关于住宅建筑设置转角窗的问题,抗震措施：A、宜提高角窗两侧肢的抗震等级，并按提高后的抗震等级满足轴压比限值要求。B、角窗两侧的墙肢应沿全高设置约束边缘构件。C、抗震计算时考虑扭转耦联影响。D、转角窗房间的楼板适当加厚，配筋适当加强。E、加强转角窗窗台连梁

47、的配筋与构造。,6、关于抗震验算最小地震剪力系数的调整问题,建筑抗震设计规范GB50011-2001第5.2.5条对楼层最小地震剪力系数的规定是强制性条文规定，必须满足：（1）如果个别楼层计算结果地震剪力系数与“抗规”5.2.5条规定相差不大，可采用地震作用系数或调整结构总信息中的周期折减系数的办法进行调整（2）如果地震总剪力与规定相差很多，则表明结构整体刚度偏小，需调整结构总体布置，增强结构抗侧刚度。不应只用调整计算的方法来调整剪力系数。,6、关于抗震验算最小地震剪力系数的调整问题,（3）如果部分楼层的地震剪力系数小于规定值较多，说明结构存在明显的软弱层，于抗震不利，也应对结构体系进行调整，

48、需要调整有关软弱层的抗侧刚度，不能简单地采用地震作用增大系数或修改周期折减系数的办法。（4）对高层建筑的地下室，当嵌固部位在地下室顶板位置时，因为地下室的地震作用是明显衰减的，故一般不要求单独核算地下室部分的楼板最小剪力系数。,7、剪力墙连梁,7.1当连梁计算超限时可作如下处理：A、减小连梁截面高度（或在连梁中加水平缝）B、当连梁的破坏对于承受竖向荷载无明显影响时，可对连梁弯矩进行再调幅，当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部分的连梁和墙肢的弯矩设计值相应提高。（可按减小后的连梁进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析，墙肢应该按两次计算所得的较大内力进行配筋）7.2剪力墙若承受较大跨度（Lo6m）

49、楼面梁，宜设置壁柱或暗柱承受梁的端部弯矩，暗柱宽度可取梁宽+2倍墙厚，大梁与剪力墙的连梁可采用半刚接计算，墙平面外弯矩宜与梁端弯矩对应。大梁在剪力墙支座处其纵向钢筋宜用较小直径的钢筋，并满足锚固要求。7.3剪力墙连梁不宜承受较大跨度的楼面梁，不可避免时应采取可靠措施，保证大震时连梁不发生脆性破坏：如在梁内设型钢等。,8、对于复杂高层建筑的中震弹性验算 9、高宽比高层建筑高宽比规定是对结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定以及经济合理性的宏观控制指标，是工程经验的总结，当高宽比较大时，应满足高规条稳定验算要求：1）对剪力墙、框剪结构、筒体结构 EJd1.4H2Gi对框架结构 DiGJHi2）结构计算

50、出了满足承载力侧向位移验算外，应按高规5.4.3考虑重力二阶效应时结构构件弯矩、剪力的增大系数。3)高宽比超过4,底部不应出现零应力区.采取以上措施后，可适当放宽高规比控制值。10、剧场、体育馆等大跨建筑，整体刚度差不宜采用框架结构，宜设抗震墙，结构计算对看台斜向框架宜单独验算。,11、短柱的结构措施1）设剪力墙，减少框架柱分担的地震作用2）采用高强混凝土减小柱截面尺寸3）设连续的螺旋箍筋4）控制轴压比、剪跨比5）全高加密柱箍筋6）减小框架梁对短柱的约束：梁与短柱的连接采用铰接或半刚接，减小梁的高度。12、框-剪结构是否可设短肢剪力墙的问题。13、短肢剪力墙当连梁跨度高比大于5时，不应折减刚度