高层建筑结构设计
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63.结构内力和位移计算分析时,如何正确确定各种计算参数?

结构设计的信息调整可分为一般性参数调整和抗震设计内力调整两部分,而抗震设计内力调整又可分为三个层次,即整体调整、局部调整和构件调整。

(1)几个重要计算参数

1)周期折减系数ψT 高层建筑结构内力和位移计算分析时,只考虑了主要结构构件(梁、柱、剪力墙和筒体等)的刚度,没有考虑非承重结构的刚度,因而计算的自振周期较实际的长,按这一周期计算的地震作用偏小。为此,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)第4.3.17条规定,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。

当非承重墙体为砌体墙时,高层建筑结构的计算自振周期折减系数ψT的大小与结构类型和填充砖墙多少有关,表4-2取值可供参考。

表4-2 周期折减系数ψT

2)框架—剪力墙结构中,任一层框架部分承担的地震力调整系数

框架—剪力墙结构在水平地震作用下,由于剪力墙刚度较大,剪力墙承担了大部分地震作用剪力,而框架部分计算所得的剪力一般都较少。为保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧力能力,需要对框架承担的剪力予以适当的调整。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第8.1.4条规定,框架部分承担的总剪力应按0.2V0和1.5Vfmax二者的较小值采用,即

式中 V0——对框架柱数量从上到下基本不变的结构,应取对应于地震作用标准值的结构底部总剪力;对框架柱数量从上到下分段有规律变化的结构,应取每段底层结构对应于地震作用标准值的总剪力;

Vfmax——对框架柱数量从上到下基本不变的结构,应取对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值;对框架柱数量从上到下分段有规律变化的结构,应取每段中对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值。

调整时应注意:

①该调整系数适用于平面较为简单规则的结构,对于体型复杂、框架柱沿竖向变化很大及调整后可能出现不合理的内力,此时不宜由程序自动调整,改由设计人员自行调整。

②非抗震设计时,框架剪力不进行调整。

③该调整系数只针对框架梁、柱的弯矩和剪力,不调整轴力。

3)地震作用调整系数 地震作用调整系数可用于放大或缩小地震作用,其取值:一般情况下可取1.0;特殊情况下可取0.85~1.50之间。

4)计算振型数《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定:抗震计算时,不进行扭转耦联计算的结构,水平地震作用标准值的效应,可只取前2~3个振型,当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时,振型个数应适当增加。

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)规定:当不考虑扭转耦联振动影响时,规则结构计算振型数可取3;当建筑较高、结构沿竖向刚度不均匀时可取5~6;当考虑扭转耦联计算时,计算振型数可取9~15;多塔楼结构每个塔楼的振型数不宜小于9。

B级高度的高层建筑结构和复杂高层建筑结构,抗震计算时,宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,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,且计算振型数应保证振型参与质量不小于总质量的90%时所需要的振型数。

5)梁端弯矩调幅系数 在竖向荷载作用下,框架梁端负弯矩很大,配筋困难,不便于施工。因此允许考虑塑性变形内力重分布对梁端负弯矩进行适当的调幅。钢筋混凝土的塑性变形能力有限,调幅的幅度必须加以限制,装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.7~0.8;现浇框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.8~0.9。

应注意:

①框架梁端负弯矩调幅后,梁跨中弯矩应按平衡条件相应增大。

②梁端弯矩调幅仅对竖向荷载产生的弯矩进行,其余荷载或作用产生的弯矩不调幅。因此,应先对竖向荷载作用下框架梁的弯矩进行调幅,再与水平作用产生的框架梁弯矩进行组合。

③截面设计时,为保证框架梁跨中截面底部钢筋不至于过少,其截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设计值的50%。

6)梁正、负弯矩放大系数 目前,国内钢筋混凝土高层建筑由恒载和活载引起的单位面积重力,框架与框架—剪力墙结构约为12~14kN/m2,剪力墙和筒体结构约为13~16kN/m2,而其中活荷载部分约为2~3kN/m2,仅占全部重力的15%~20%,活荷载不利分布的影响较小。如果楼面活荷载较大(如大于4kN/m2)时,其不利分布对梁端弯矩的影响会比较明显,计算时应予以考虑。除进行或荷载不利分布的详细计算分析外,也可将未考虑活荷载不利分布计算的框架梁弯矩乘以放大系数予以近似考虑,该放大系数通常可取为1.1~1.3,活荷载大时可选用较大数值。近似考虑活荷载不利分布影响时,梁正、负弯矩应同时予以放大。

7)剪力墙连梁刚度折减系数 高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析,但抗震设计的框架—剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小,而承受的弯矩和剪力很大,配筋设计困难。因此,可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下,允许其适当开裂(降低刚度)而将内力转移到墙体上。在内力和位移计算中,对连梁刚度予以折减,通常设防烈度低时可少折减一些,设防烈度高时可多折减一些。建议:设防烈度为6度、7度时连梁刚度折减系数取0.7;设防烈度为8度、9度时取0.5。折减系数不宜小于0.5,以保证连梁承受竖向荷载的能力。

当框架—剪力墙结构中一端与柱连接、一端与墙连接的梁以及剪力墙结构中的跨高比大于5的连梁,重力作用效应比水平风荷载或水平地震作用效应更为明显,此时应慎重考虑梁刚度的折减,必要时可不进行梁刚度的折减,以控制正常使用阶段梁裂缝的发生和发展。

但要注意,在计算地震作用效应时可对连梁的刚度进行折减,对重力荷载、风荷载作用效应计算不宜考虑连梁刚度的折减。有地震作用效应的组合工况,均可按连梁刚度折减后计算的地震作用效应参与组合。

8)梁刚度增大系数 现浇楼面和装配整体式楼面的楼板作为梁的有效翼缘形成T形截面,提高了楼面梁的刚度,结构内力和位移计算时应予以考虑。当近似以梁刚度增大系数考虑时,应根据梁翼缘尺寸与梁截面尺寸的比例予以确定。通常现浇楼面的边框架梁可取1.5,中框架梁可取2.0。有现浇面层的装配式楼面梁的刚度增大系数可适当减小。当框架梁截面较小而楼板较厚或者梁截面较大而楼板较薄时,梁的刚度增大系数,可能会超出1.5~2.0的范围,可根据翼缘情况,增大系数取1.3~2.0。

对于无现浇面层的装配式楼盖,不宜考虑楼面梁刚度的增大。

9)梁扭矩折减系数 高层建筑结构楼面梁受楼板(有时还有次梁)的约束作用,当结构计算中未考虑楼盖对梁扭转的约束作用时,梁的扭转变形和扭矩计算值过大,与实际情况不符,抗扭设计比较困难,因此可对梁的计算扭矩予以适当折减。计算分析表明,扭矩折减系数与楼盖(楼板和梁)的约束作用和梁的位置密切相关,折减系数的变化幅度较大,应根据具体情况确定。当电算程序中只有一个扭矩折减系数时,一般可取0.4

(2)抗震设计时,柱(框支柱)、梁(框支梁)、剪力墙(连梁)的内力调整

抗震设计时,柱(框支柱)、梁(框支梁)、剪力墙(连梁)的内力调整如表4-3所示。

表4-3 抗震设计时,柱(框支柱)、梁(框支梁)、剪力墙(连梁)的内力调整理

(续)

(续)

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几点说明:

1)柱剪力增大是在柱端弯矩增大基础上再增大,实际增大系数可取弯矩和剪力增大系数的乘积。

例如:《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.10.2条、第6.2.1条、第10.2.11条规定,与转换构件相连的柱上端和底层的柱下端截面弯矩组合值增大系数分别为:特一级:1.8;一级:1.5;二级:1.30。其他层框支柱柱端截面弯矩组合值增大系数分别为:特一级:1.4×1.2=1.68;一级:1.4;二级:1.2。

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.10.2条、第6.2.3条、第10.2.11条规定,柱端剪力增大系数分别为:特一级:1.4×1.2=1.68;一级:1.4;二级:1.2。

因此,可得按“强剪弱弯”的设计概念,框支柱的剪力设计值实际增大系数为:

①底层柱以及与转换构件相连柱

特一级:1.8×1.68=3.02

一 级:1.5×1.4=2.1

二 级:1.3×1.2=1.56

②其他层柱

特一级:1.68×1.68=2.82

一 级:1.4×1.4=1.96

二 级:1.2×1.2=1.44

2)对9度抗震设防的各类框架及一级抗震的框架结构构件的内力调整,规范采用的是实配法,为计算方便和可操作,计算程序中均采用系数法,即乘以适当的增大系数,设计人员应对电算结果进行判断,若小于实配法,应按实配法进行调整。