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[分享]框剪结构设计控制要点

发表于2018-03-22    1052人浏览    2人跟帖    筑龙币+50  复制链接  只看楼主

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大气不生气

框剪结构,即框架-剪力墙结构或框架-抗震墙结构,常用于多层、高层建筑物中,如住宅、商场、办公楼。随着社会不断发展,土地越来越宝贵,土地利用率也随着不断提高,因而框剪结构的使用也越来越广泛。


框剪结构设计控制要点_1

某旧村改造住宅小区,建筑物多为框剪结构


         框剪结构是介于框架结构和剪力墙结构之间的一种受力体系,框剪结构相对后两种结构——有相同的地方,如:计算要求、构造规定、有效质量系数等;也有不同的地方,今天我们以PKPM2010(V3.1.6版)软件模型分析为例:


框剪结构设计控制要点_2
一、轴压比

“轴压比”的定义见《高层建筑混凝土结构技术规程》(后文简称《高规》)中第6.4.2条、表7.2.13注释。

轴压比公式为:U=N/ (A*fc)

U,轴压比,对非抗震地区,u=0.9

N,轴力设计值

A,截面面积

fc,混凝土轴心抗压强度设计值

    和框架结构一样,规范对框剪结构也有轴压比要求,但框剪结构轴压比涉及到约束构件,因此在满足柱轴压比限制的条件下,还需满足墙轴压比限制。

《高规》第6.4.2条、表7.2.13和表7.2.14如下规定:

框剪结构设计控制要点_3

框剪结构设计控制要点_4

框剪结构设计控制要点_5

 在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/轴压比

在实际工程一住宅楼A(6度区,该楼抗震等级:框架四级、剪力墙三级、转角窗处剪力墙二级)的模型分析中,其计算分析结果见下图:


框剪结构设计控制要点_6


该模型中:柱,四级抗震,均小于0.95;墙,二级或三级抗震,均小于0.60。因此,该模型中柱、墙轴压比均满足规范要求。

抗震设计时,限制框架柱的轴压比主要是为了保证柱的延性要求。轴压比越大,竖向构件柱、墙的延性越差,地震中受到的破坏程度越大。可以想象,建筑物的竖向构件柱、墙已遭到破坏,梁板的坍塌也随着而来。事实上,不仅框剪结构,其它结构体系的竖向构件轴压比都是非常重要的。

当不满足要求时的调整方法:1、精确计算、减小竖向荷载(轴压力)。2、增大竖向构件柱、墙截面。3、提高竖向构件柱、墙混凝土强度等级。                 

 

框剪结构设计控制要点_7
二、周期比

“周期比”的定义见《高规》中第3.4.5条。

周期比公式为:Tt/T1

Tt,扭转为主的第一自振周期

T1,平动为主的第一自振周期

《高规》第3.4.5条如下规定:



框剪结构设计控制要点_8


       在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/2.周期振型地震力 

还是以该实际工程一住宅楼A为例,其计算分析结构见下图:

框剪结构设计控制要点_9

该模型中,周期比Tt / T1 = 0.5624 /0.8066 = 0.6972 < 0.9,满足要求。

控制结构的周期比主要是限制结构的扭转效应。建筑物抗扭刚度太弱、扭转效应过大,在地震中往往会遭到严重的破坏。

当不满足要求时的调整方法:1、加强结构外圈竖向构件的刚度,比如增加柱、墙截面,增加外圈梁的截面高度、楼板厚度。2、相对应的,削弱结构内部竖向构件的刚度。

目的是让扭转周期出现在第三振型Tt,且周期比满足规范要求。

当第一振型为扭转时,说明结构的扭转刚度相对其两个主轴方向的侧移刚度过小,此时可沿两个主轴适当加强结构外围的刚度,并削弱结构内部的刚度。

当第二振型为扭转时,说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大,结构的扭转刚度相对其中一主轴的侧移刚度是合理的,但是相对另一主轴的侧移刚度过小,此时宜适当削弱结构内部的刚度,并适当加强结构外围的刚度。

 

框剪结构设计控制要点_10
三、楼层位移比

“楼层位移比”的定义和规范要求同样见《高规》中第3.4.5条,注意“不宜”和“不应”的区别。

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/3.结构位移

该实际工程一住宅楼A的计算分析结果,见下图:

框剪结构设计控制要点_11

该模型中,各种荷载组合的工况下,X方向(或Y方向)最大层间位移与平均层间位移的比值应不大于1.5。如图,工况17、18、19的条件下“位移比”为1.12、1.09、1.24,满足规范要求。

(说明,绝大部分建筑属于A类建筑。A类建筑和B类建筑的区分,详见《高规》3.3.1条。)

控制结构的楼层位移比和前文中提到的周期比类似,主要也是限制结构的扭转效应。除了限制结构的抗扭刚度不能太弱,还需要限制结构平面布置的不规则性,同时还要求其合理性和有效性,避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。计算时考虑偶然偏心但不考虑双向地震。

当不满足要求时的调整方法:1、改变结构平面布置形式,减小结构形心和刚心的距离,使模型刚度尽量均匀布置。2、“对阵下药”,从“Satwe结果查看”中根据节点搜索,找出位移过大的节点,增加其刚度。比如,梁改为墙、增加竖向构件墙柱的截面。

 

框剪结构设计控制要点_12
四、层间位移角

   “层间位移角”的定义来见《高规》第3.7.3条条文说明。

《高规》第3.7.3条如下规定:

框剪结构设计控制要点_13

框剪结构设计控制要点_14

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/3.结构位移

该实际工程一住宅楼A的计算分析结果,见下图:   


框剪结构设计控制要点_15

该模型中,工况8和工况9下各楼层弹性层间位移角均满足规范要求。

控制结构的层间位移角目的是控制结构的抗侧向刚度,避免产生过大的位移而影响结构的承载力和稳定性。计算时不考虑偶然偏心也不考虑双向地震。

当不满足要求时的调整方法:1、改变结构平面布置形式,减小结构形心和刚心的距离,使结构刚度尽量均匀布置。2、增加竖向构件的刚度,比如增加墙、柱截面,形成“强柱弱梁”的结构体系。

 

框剪结构设计控制要点_16
五、刚重比

“刚重比”的定义见《高规》5.4.4条文说明。


框剪结构设计控制要点_17

   《高规》第5.4.1如下规定:


框剪结构设计控制要点_18

如果不能满足,则需考虑重力二阶效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响,即满足《高规》中5.4.3条规定。


框剪结构设计控制要点_19

框剪结构设计控制要点_20

框剪结构设计控制要点_21

因此在PKPM软件计算“Satwe分析设计/设计信息”中勾选“P-Δ效应”。此外还需满足《高规》第5.4.4条规定,如下:


框剪结构设计控制要点_22

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/1.结构设计信息

该实际工程一住宅楼A的计算分析结果,见下图

框剪结构设计控制要点_23

该模型中,在规定水平力和风荷载的作用下,不需考虑重力二阶效应。

控制“刚重比”以及考虑重力二阶效应,其目的还是为了保证高层建筑结构的整体稳定性,在风荷载或水平地震作用下,避免结构的失稳、倒塌。刚重比不满足要求,说明结构的刚度相对重力荷载过小。

当不满足《高规》式5.4.4-1要求时,调整方法:1、应调整并增加结构的侧向刚度。2、增加竖向构件的刚度,如墙、柱的截面。

 

框剪结构设计控制要点_24
六、刚度比

    在定义“刚度比”之前,先定义一个概念——软弱层。

《高规》第3.5.2-2条如下规定:

框剪结构设计控制要点_25

 刚度变化不符合《高规》第3.5.2条要求的楼层一般称作软弱层。

软弱层的形成原因是高层建筑下部楼层的侧向刚度小于上部楼层的侧向刚度,变形集中于刚度小的下部楼层而形成。

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/1.结构设计信息

该实际工程一住宅楼A的计算分析结果,见下图

框剪结构设计控制要点_26

该模型中,刚度比符合规范要求,不存在软弱层。

当不满足《高规》3.5.2-2条要求时,调整方法: 1、如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求,SATWE自动将该楼层定义为薄弱层,并按将该楼层地震剪力放大1.25倍。2、可适当降低本层层高和加强本层墙、柱或梁的刚度,适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的刚度。

 

框剪结构设计控制要点_27
七、层间受剪承载力比

    《高规》3.5.3条如下规定:

框剪结构设计控制要点_28

承载力变化不符合《高规》第3.5.3条要求的楼层,一般可称作薄弱层。薄弱层的形成原因是楼层抗侧力结构的承载能力突变。

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/1.结构设计信息


框剪结构设计控制要点_29

该模型中,层间受剪承载力比符合规范要求,不存在薄弱层。

当不满足要求时的调整方法:1、在“SATWE分析设计中”的“调整信息2”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号,将该楼层强制定义为薄弱层,SATWE该楼层地震剪力放大1.25倍。2、可适当提高本层构件强度,如竖向构件如墙、柱加大截面或提高混凝土强度以提高本层墙、柱等抗侧力构件的承载力,或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的承载力。

工程中应避免出现软弱层和薄弱层,而且某一楼层不能即是软弱层又是薄弱层。

 

框剪结构设计控制要点_30
八、剪重比

剪重比又称水平地震剪力系数。

《高规》第4.3.12条(《抗规》第5.2.5条类似)如下规定:


框剪结构设计控制要点_31

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/2.周期振型地震力


框剪结构设计控制要点_32

该模型中,剪重比均大于0.008,符合规范要求。

当不满足要求时的调整方法:1、在“SATWE分析设计”中“调整信息2”中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”后,SATWE按抗规5.2.5自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和,用以调整该楼层地震剪力,以满足剪重比要求。2、增加竖向构件刚度,如增大墙、柱截面。


 

框剪结构设计控制要点_33
九、地震倾覆力矩比值

    一座建筑物的“地震倾覆力矩”通过手算是比较困难的,但其模型的地震倾覆力矩(地震倾覆弯矩)比值可以通过软件查看,以便确定框架和剪力墙各自的抗震等级。

   《高规》第8.1.3条如下规定,


框剪结构设计控制要点_34

在软件计算结果中的查看位置:Satwe结果查看/文本查看/旧版文件查看/8.框架柱倾覆弯矩及0.2V0调整系数


框剪结构设计控制要点_35

      该实际工程一住宅楼A的模型中倾覆弯矩百分比:X方向为48.1%、Y方向为42.2%,两个方向的数值均介于10%~50%,所以适用于《高规》第8.1.3-2条,按框架-剪力墙(框架-抗震墙)结构进行设计。


框剪结构设计控制要点_36

框剪结构设计控制要点_37
十、计算自振周期折减系数

结构自振周期T为结构系统按某一振型完成一次自由振动所需要的往复时间。

理论计算公式为:


框剪结构设计控制要点_38

有大量实验证明,实际自振周期会有所减小,所以需要对计算自振周期进行折减,使得建筑物计算自振周期接近实际自振周期。

《高规》第4.3.17条如下规定:


框剪结构设计控制要点_39

在软件计算过程中的设置位置:Satwe分析设计/地震信息

该实际工程一住宅楼A的计算计算参数设置,见下图:


框剪结构设计控制要点_40

此条比较简单,但不少年轻的结构工程师在结构设计时常常被忽略,尤其是实际工作中框架、框剪、剪力墙等不同结构体系的项目在同一时间设计时。所以,务必及时设置好应该的参数,提高工作效率。


框剪结构设计控制要点_41

本文所列工程,其模型的楼层拼装图


        此外,实际工程中调整模型只是框剪结构设计的部分工作。还有,框剪结构存在“底部加强区域”这一概念,设计过程中要注意。再有,竖向构件中可能存在短肢剪力墙,在实际工程中也要注意其配筋。本文中提到的“增加竖向构件如墙、柱截面”在实际工程中往往要和同一项目建筑设计专业的同事商量,所以要综合考虑问题才能最终的解决问题。



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 当前离线   发表于2018-03-22  | 只看该作者      

2

写的很好男-强

 当前离线   发表于2018-03-26  | 只看该作者      筑龙币+10

3

写的不错,受益匪浅,谢谢。。。

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