第4高层建筑结构计算分析.ppt

第 4 章 高层建筑结构计算分析,（1）随着高层的快速发展，层数多，高度大，平面布置和立面体形复杂，结构计算分析越来越重要，采用计算机进行计算分析已成为不可或缺的手段。 （2）计算机技术和结构分析软件的普及，一方面使精度提高，另一方面为准确地了解结构的性能提供了技术手段。 因此，合理地选择计算分析方法，确定计算模型和相关参数，正确使用计算机分析软件，检验和判断计算结果的可靠性等对高层建筑结构至关重要。,4.1 计算分析方法和模型,4.1计算分析方法和模型,第 4 章 高层建筑结构计算分析,高层建筑结构应根据不同材料的结构、不同的受力形式和受力阶段，采用相应的计算方法。 主要有： （1）线弹性分析方法； （2）考虑塑性内力重分布的分析方法； （3）非线性分析方法； （4）模型试验分析方法。,4.1.1 结构计算分析方法,4.1计算分析方法和模型,对复杂的不规则结构或重要的结构，可考虑非线性分析方法和模型实验方法。 框架梁及连梁等构件可考虑局部塑性引起的内力重分布，如在竖向荷载作用下，对框架梁端负弯矩乘以调幅系数，装配整体式框架取0.70.8，现浇式框架取0.80.9；抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于0.5。,4.1.1 结构计算分析方法,（一）计算模型 高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系，应根据实际选取能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型。可选择： （1）平面协同工作模型：平面和立面布置简单规则的框架结构、框架-剪力墙结构； （2）空间协同工作模型,4.1.2 结构计算模型,back,（3）空间杆系模型：剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结构、框架-剪力墙结构应采用空间分析模型 （4）空间杆-薄壁杆系模型 （5）空间杆-墙板元模型 （6）有限元计算模型。 针对这些力学模型，目前我国均有相应的结构分析软件。,4.1.2 结构计算模型,1、连梁刚度的折减 2、楼盖平面内刚度为无限大 为简化计算，可视楼（屋）面为水平放置的深梁，具有很大的平面内刚度，可近似认为其平面内为无限刚性。可使自由度数减小，计算大为简化。实践证明，对很多高层建筑结构可满足工程精度的要求。,4 . 2 计算参数的选取,采用了刚性楼（屋）面板假定，设计上应采取措施保证楼（屋）面的整体刚度。如结构平面宜简单、规则、对称，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；宜采用现浇钢筋混凝土楼板；对局部削弱的楼面，可采取楼板局部加厚、设置边梁、加大楼板配筋等措施。,4.2计算参数的选取,3、框架梁端弯矩调幅 4、楼面梁的扭矩,4.2计算参数的选取,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,高层建筑实际结构是复杂的空间受力体系，它是由水平的刚性楼板和竖向的受力构件（框架柱、剪力墙、筒体）组成的空间结构。 实际荷载也是很复杂的，钢筋混凝土结构又会有开裂、屈服等现象，并不是弹性匀质材料。即便使用电子计算机计算，可以按照三维受力状态来进行结构内力和位移分析，要对多、高层建筑结构作精确计算也是十分困难的。 尤其在设计方案计算和估算时进行手算，需要对结构进行简化并做出基本假定，得到合理的计算图形，以便简化计算。 本节只讨论一些结构计算中的基本简化原则。针对各种具体结构计算方法，还有一些各自的假定，将在以后章节中进行讨论。这些假定主要体现在以下五个方面：,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,1弹性工作状态假定；,2水平荷载作用方向假定；,3平面结构假定；,4楼板在自身平面内刚度无限大的假定；,5高层建筑结构底部嵌固假定；,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,线弹性分析方法是最基本的结构分析方法，也是最成熟的方法，可用于所有高层建筑结构体系的计算分析。理论分析、试验研究和工程实践表明，在承载能力极限状态和正常使用极限状态，线弹性分析结果可以满足工程精度要求，保证结构安全。,该假定认为，结构在永久荷载作用和可变荷载作用下，从整体上看处于弹性工作状态，其内力和位移按弹性方法计算。因为是弹性计算，叠加原理可以用，不同荷载作用时，可以进行内力组合。,某些情况下可以考虑局部构件的塑性变形内力重分布，以及罕遇地震作用下的第二阶段验算，此时结构均已进入弹塑性阶段。现行规范的设计处理方法仍多以弹性计算的结果通过调整或修正来解决。,4.3.1 弹性工作状态假定,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,实际风荷载及地震作用方向是随意的、不定的。但是，在结构计算中常常假设水平力作用在结构的主轴方向。对互相正交的两个主轴x方向及y方向，分别进行内力分析。在矩形平面中，主轴分别平行于两个边长方向，如图。在其他形状的平面中，可根据平面几何形状和尺寸确定主轴方向。,4.3.2水平荷载作用方向假定,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,4.3.3 平面结构假定,任何结构都是一个空间结构。但对框架、剪力墙及框架一剪力墙结构体系而言，大多数可以把空间结构简化为平面结构，使计算大大简化。这里作了两个假定：,（1）一片框架或一片墙可以抵抗在本身平面内的侧向力，而在平面外的刚度很小，可以忽略不计。,因此，整个结构可以划分成若干平面结构，共同抵抗与平面结构平行的侧向荷载，垂直于该平面方向的结构不参加受力。,（2）各个平面抗侧力结构之间通过楼板互相联系并协同工作。,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,楼板在其自身平面内刚度很大，可视为刚度无限大的平板。楼板平面外的刚度很小，可以忽略不计。,4.3.4 楼板无限刚度假定,无扭转时,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,高层建筑结构计算中，一般假定结构底部嵌固。主体结构计算模型的底部嵌固部位，理论上应能限制构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转角位移，并将上部结构的剪力全部传递给地下室结构。因此，对作为主体结构嵌固部位的地下室楼层的整体刚度和承载能力应加以控制。,4.3.5 高层建筑结构底部嵌固假定,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,高层建筑混凝土结构技术规程JGJ32002/J1862002规定：当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍；嵌固部位楼盖应采用梁板结构，楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜低于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%；地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。,一般情况下，这些控制条件是容易满足的。当地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，有条件时可增加地下室楼层的侧向刚度，或者将主体结构的嵌固部位下移至符合要求的部位，如筏形基础顶面或箱形基础顶面等。,4.3.4 高层建筑结构底部嵌固假定,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,内力分析时要解决两个问题,在上述假定下，内力分析时要解决两个问题：,（1）水平荷载在各片抗侧力结构间的分配。荷载分配和各片抗侧力结构的刚度有关，刚度愈大的结构单元分配到的荷载愈多。不能按照受荷载面积计算各片抗侧力结构的水平荷载。,（2）计算每片抗侧力结构在所分到的水平荷载作用下的内力及位移。,这两个问题将按照框架结构、剪力墙结构及框架一剪力墙结构依次在以后几章中详细讨论。在筒体结构中，一般采用空间分析。在一些具有不规则平面或无法划分成平面抗侧力结构计算的复杂结构中，上述简化带来的误差较大，也宜按空间结构进行分析。,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,计算要求: （1）对体形复杂、结构布置复杂如：结构平面不规则、竖向不规则等，应采用至少两个不同力学模型进行计算分析，相互比较和校核，确保可靠性。 （2）带加强层或转换层、错层结构、连体和立面开洞结构、多塔楼结构等均属复杂高层建筑结构，其竖向刚度变化大、受力复杂、易形成薄弱部位，计算分析应从严要求。应符合下列要求：,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行计算； 抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍； 应采用弹性时程分析法进行补充计算； 宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,（3）对受力复杂的结构构件，如复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构件、错层构件、连接体及其相关构件等，除整体分析外，尚应按有限元等方法进行局部应力分析，并据此进行截面配筋设计校核。 （4）除选用可靠的结构分析软件外，还应对软件的计算结果从力学概念和工程经验等方面加以分析判断，确认其合理、有效后方可采用。如对结构整体位移、楼层剪力、振型和位移形态、自振周期、超筋情况等计算结果进行工程经验判断。,4.3 结构简化计算原则与计算简图处理,4.4 整体稳定和倾覆问题,4.4.1 重力二阶效应及结构稳定 重力二阶效应一般包括两部分： （1）一是由于构件自身挠曲引起的附加重力效应，二阶效应内力与构件挠曲形态有关，一般是构件的中间大，两端为零； （2）二是在水平荷载作用下结构产生侧移后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应。 分析表明，挠曲二阶效应的影响相对较小，而重力荷载因结构侧移产生的效应相对较大，可使结构的内力和位移增加，甚至导致结构失稳。 因此，高层建筑结构构件的稳定设计，主要是控制和验算结构在风或地震作用下，重力效应。,4.4 整体稳定和倾覆问题,4.4 整体稳定和倾覆问题,4.4.2 高层建筑结构的整体倾覆问题 当高层建筑的高宽比较大、水平作用较大、地基刚度较弱时，则可能出现倾覆问题。 在设计高层建筑结构时，一般都要控制高宽比。 在设计基础时，对高宽比大于4的高层建筑，在地震作用效应标准组合下，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。 当满足上述条件时，高层建筑结构的抗倾覆能力有足够的安全储备，不需进行专门的抗倾覆验算。,4.4 整体稳定和倾覆问题,4.5.1. 弹性位移验算 高层建筑层数多、高度大，应对其层间位移加以控制。这个控制实际上是对构件截面大小、刚度大小控制的一个相对指标。 为了保证高层结构在多遇地震作用下基本处于弹性受力状态，以及填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件基本完好，应限制结构的层间位移； 考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标，为便于应用，可采用层间最大位移与层高之比u/h，即层间位移角作为控制指标。,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,4.5.1 薄弱层弹塑性位移限值和验算 震害表明，如果存在薄弱层，结构薄弱部位将产生较大的弹塑性变形，导致结构构件严重破坏甚至引起房屋倒塌。结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合下式要求：,式中 层间弹塑性位移； 层间弹塑性位移角限值，可按表4.3.3采用；对框架结构，当轴压比小于0.40时，可提高10；当柱全高的箍筋构造采用比规定的框架柱箍筋最小含箍特征值大30时，可提高20，但累计不超过25。,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,表4.3.3 层间弹塑性位移角限值,验算范围： （1）79度时，楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构；甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；采用隔震和消能减震技术的建筑结构均,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,应进行弹塑性变形验算。 （2）竖向不规则高层建筑结构；7度、类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构；板柱-剪力墙结构等宜进行弹塑性变形验算： 楼层屈服强度系数y按下式计算：,y=y/Ve （4.3.5）,式中： Vy为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力； Ve为按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力。,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,表4.3.4 结构的弹塑性位移增大系数,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,表4.3.6 舒适度与风振加速度关系,4.5.3 舒适度要求 高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高层建筑内居住的人们感觉不舒服，甚至不能忍受，表4.3.6为两者之间的关系。,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,4.5.3 舒适度要求,参照国外研究成果，高层规程规定，高度超过150m的高层建筑结构，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度不应超过表4.3.7的限值。 必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度。,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,表4.3.7 结构顶点最大加速度限值,4.5 薄弱层弹塑性变形验算,4.6.1 强度问题构件截面承载力验算； 4.6.2 刚度问题正常使用条件下结构水平位移验算； 4.6.3 稳定问题结构稳定与抗倾覆验算； 4.6.4 延性问题抗震结构的延性要求； 4.6.5 经验问题抗震结构的概念设计要求；,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,一般不需验算 H/B5时宜验算 抗倾覆验算 表达式 MM M稳定力矩=竖向荷载（ 50%楼面活载+90%恒载）对基础边缘取矩 M倾覆力矩=由风荷载或地震作用（或二者组合）计算的基础顶面 处的最大倾覆力矩,4.6.3 稳定问题结构稳定与抗倾覆验算,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,整体稳定性验算 表达式 GteEIeq/(8H2) Gte顶端等效重力荷载设计值= GiHi2 /H2 EIeq验算方向的抗侧力构件等效刚度和 Gi第i层重力荷载设计值,4.6.3 稳定问题结构稳定与抗倾覆验算,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,4.6.4 延性问题抗震结构的延性要求,结构抗震等级 确定方法 根据确定抗震等级的设防烈度、结构类型、结构高度确定 延性结构设计原则 四项措施 提高构件延性； 强柱（墙）弱梁； 强剪弱弯； 强节点（锚固）弱构件；,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,4.6.4 延性问题抗震结构的延性要求,罕遇地震作用下的弹塑性变形验算 一般不验算，但须采取构造措施 验算 需验算结构的界定（范围） 表达式单控（弹塑性）up/hup/h 验算方法简化方法或时程分析法,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,4.6.5 经验问题抗震结构的概念设计要求,概念设计 要点 选择有利场地和地基 选择延性好结构体系与材料 规则结构 延性结构 减轻自重 避开地震动反应谱特征周期 避免薄弱层 减少扭转 协调承载能力与延性的关系 设置多道抗震防线 实现合理屈服耗能机制 提高整体性,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,概念设计,意义 “计算设计”很难有效控制结构的薄弱环节，不能完全解决问题 地震作用的不确定性 结构计算假定与实际情况的差异（计算模型、材料、阻尼变化等） 经验总结、定性判断 含义 在进行结构设计时，首先着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节，从根本上提高结构的抗震能力；有时需要运用工程判断解决或处理具体问题。,4.6 高层建筑结构设计的基本要求,4.7 高层建筑结构的设计步骤,高层建筑设计步骤可分为以下几步：,（1）选择合理的结构形式（框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、框架一筒体结构），主要是根据建筑功能的要求（比如大空间的平面布置，可选择框架、框筒结构），抗震性能（地震区，宜选用周期较长的结构形式以减少地震作用，而在强风区，过长的自振周期会对结构的抗风产生不利影响）以及经济性。 （2）确定所选结构上各类构件的截面尺寸和数量（如框架梁、柱截面尺寸，框一剪结构中剪力墙的片数，筒体的壁厚等）。在选定高层建筑结构形式之后，初选构件截面尺寸和构件数量的正确与否，将会直接影响到结构的计算工作量。,4.7 高层建筑结构的设计步骤,4.7 高层建筑结构的设计步骤,高层建筑设计步骤可分为以下几步：,（3）确定结构上各类计算荷载的数值（竖向荷载和水平荷载）。根据我国高层建筑的现状，在方案估算阶段，可按经验估算确定结构的单位面积重力荷载： 框架结构：1214 kN/m2； 框剪结构：1416 kN/m2； 剪力墙、筒体：1518 kN/m2。 （4）对所选结构进行内力分析和变形计算。 （5）对结构构件进行截面设计（各种强度或变形的验算）。 （6）建筑物地面以下的基础选择和设计。 （7）绘制结构施工图。,4.7 高层建筑结构的设计步骤,