[分享]超限结构设计的动力特性指标详解

发表于2019-09-21    370人浏览    1人跟帖    总热度:423  

来源:非解构(ID:non-structure)

       作为一名结构工程师,我们的日常工作就是设计各种形形色色的房子,早一辈的工程师接触到的项目通常相对常规,例如一些在规范规定内的办公楼、多层住宅。

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       但随着社会的发展,房屋建筑发生了翻天覆地的变化,主要往更高、更不规则方向发展,因此会时常碰到一些超限项目。拿到一个项目的超限设计,必然要进行抗震报告的撰写工作,当初小编刚刚工作的时候,就在一些老员工的指导下完成了一些抗震报告,刚刚开始接触结构指标概念时,我的状态是懵逼的。


        因此本文简单介绍一些抗震报告中的结构整体指标,帮助新入门的设计师更加深刻的理解规范规定的一些指标。

        通常一个简单的抗震报告目录如下图所示。

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        由于篇幅限制,本文重点介绍下第7章中关于多遇地震下的一些结构设计指标。


嵌固端

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    对于带地下室结构,我们在一开始就要判断好,上部结构是嵌固在哪一层,是嵌固在首层楼板还是基础,需根据计算情况而定。


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    《高规》的要求是地下一层的刚度与地上一层的刚度比≥2(当地下室层数不超过两层时上海地区为1.5)。这个只是最低要求,如果嵌固端取在首层,首层的楼板厚度、配筋、开洞面积等还有一些列的要求。关于刚度比YJK计算结果的wamss里面有好几种,此处所说的侧向刚度比指的是剪切刚度,即下图中的Ratx。


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其对应的计算公式为:

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     嵌固端确定之后,我们在模型中参数要输入准确,PKPM、YJK、ETABS三个软件关于嵌固端输入的层数有微小差别,当结构有4层地下室,而嵌固端在首层时,参数设置具体见小编手笔记录。即PKPM里面的嵌固端层号是哪层被嵌固,YJK里面的嵌固端层号指的是层顶嵌固,PS:两家单位能不能统一一下?。

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周期比

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       周期比是结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1 之比,A级高度高层建筑不应大于0.9;B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。我们在计算文件WZQ中可以找到该项数据。

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平动模态

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扭转模态

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        同时顺带检查一下结构的质量参与系数要大于90%,此概念由WILSON E.L.教授提出。通过控制有效质量振型参与质量系数的大小来决定所取的振型数是否足够。

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楼层抗剪承载力之比

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      A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%,不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。

       我们可以在Wmass的最后找到该项指标统计。

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 注:楼层抗侧力结构的层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上,该层全部柱、剪力墙、斜撑的受剪承载力之和。

楼层刚度之比

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    对不同的结构体系,应该查看不同的刚度比。框架结构的楼层侧向刚度取楼层剪力与楼层层间位移之比。

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    但对于上海的工程应该采用等效剪切刚度比,即用来判断嵌固端的刚度计算方法。

    框架剪力墙、框架核心筒、剪力墙、筒中筒结构采用的是考虑层高修正的侧向刚度比。

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在此要提醒一下的是,对于框架剪力墙、框架核心筒、剪力墙、筒中筒结构如果嵌固端取在首层,除了地下一层与地上一层的等效剪切刚度要满足要求外,地上一层与地上二层的的刚度比(考虑层高修正的侧向刚度比)也要大于1.5倍。


Tip:刚度比不满足要求的楼层属于软弱层,抗剪承载力不满足要求的楼层属于薄弱层。前者属于刚度层面,后者属于强度层面,不论是软弱层还是薄弱层,均表达的是竖向不规则,可以以薄弱层统称,在超限项目中应避免 刚度薄弱和强度薄弱出现在同一层。


        对于上海的钢框架支撑项目,小编刚刚完成一个。刚度比以及YJK给的结果统计真是绕人,特将小编亲笔笔记贴上来,大家看看是否能一眼秒懂。对于层高差别偏大的,上海市规范的等效剪切刚度比有些许不合理,如果能够有支撑,尽量使用弯剪刚度比。

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两家公司是不是可以让刚度比的符号统一一下,让设计人能够不那么容易看错?@YJK,PKPM


阻尼比

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       关于阻尼比的取值,通常大家会比较有误区的是对钢结构的建筑的阻尼比取值以及中震性能化设计时的取值。现在列于下表:

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        在中震性能化设计时,对于第3性能水准结果,整体结构进入弹塑性状态,为了方便设计,允许采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力,计算中可适当考虑结构阻尼比的增加,可增大0.02.

剪重比

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        剪重比,为对应于水平地震作用标准值的楼层剪力与重力荷载代表值的比值。

        剪重比是规范考虑长周期结构(基本周期大于3.5秒)用振型分解反应谱法和底部剪力法计算时,因地震影响系数取值可能偏低,规范所采用的振型分解反应谱法计算的地震作用也偏低,因此出于安全考虑,规范规定了楼层水平地震剪力得最小值。若楼层水平地震剪力小于规范对剪重比的要求,水平地震剪力的取值应进行调整。

        在WZQ文件中可以得到该数据,并将楼层的剪力统计在一张表格中,画出楼层剪力图,可以一目了然的看到各层的楼层剪力。

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    剪重比不够怎么办?答案如下:可以在一定的范围内酌情降低对剪重比的结果的要求。但实际设计时,仍然应该按照最小剪重比进行设计。剪重比这种指标和抗震设防烈度无关,它是一个相对比值,因此如果剪重比不满足要求,通常都要大改模型。

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刚重比

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       刚重比是指结构的侧向刚度和重力荷载设计值之比,是影响重力二阶效应的主要参数。

       在水平力作用下,带有剪力墙或筒体的高层建筑结构的变形形态为弯剪型。计算分析表明,重力荷载在水平作用位移效应上引起的二阶效应(以下简称重力P—△效应)有时比较严重。对混凝土结构,随着结构刚度的降低,重力二阶效应的不利影响呈非线性增长。因此,对结构的弹性刚度和重力荷载作用的关系应加以限制。

规范对于刚重比的要求如下:

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        EJd是结构的弹性等效侧向刚度,我们国家规范采用近似倒三角形分布荷载作用下结构顶点位移相等的原则。

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         刚重比不满足要求,说明构的刚度相对于重力荷载过小;但刚重比过分大,则说明结构的经济技术指标较差,宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

        在WMASS文件中,可以找到该项指标的统计结果。

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层间位移角

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    这个应该是大家非常熟悉的指标,在此不多展开,混凝土房屋的层间位移角需满足下表要求。

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有两点需要备注下的是:

1、上面的限值是针对150m高以下的房屋,对于250m高的房屋,层间位移的限值可以降到1/500,中间高度的线性插值。

2、关于有害和非有害层间位移角的问题。两者的区别见下图,因此在做超限分析时,是允许将嵌固端以下的模型删除,直接保留嵌固端以上的模型,层底完全嵌固进行层间位移角计算。因为嵌固端以下的楼层变形造成的层间位移角的增加为非有害层间位移角。

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        我们可以WDISP文件中找到该节点的统计值,层间位移角看的是单向和双向地震作用下的结果,而不需要看偶然偏心。

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位移比

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        概念:楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层的平均值的比值。

        A、B级高度高层建筑均不宜大于1.2;且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑,不应大于该楼层平均值的1.4倍。

        在WDISP文件中,可以找到该项指标的统计结果

此项指标应看偶然偏心规定水平力作用下的结果。

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Tip1:不需考虑双向地震作用,而要考虑偶然偏心作用,起控制作用的一定是偶然偏心作用下的工况。因为下图中角点的Y向变形由平动变形u1+扭转变形u2叠加,因此它就是位移比的控制点,(u1+u2)/u(楼层平均位移)就很容易超过限值。

       考个小问题,如果结构的刚心和质心重合,在不考虑偶然偏心的工况下结构的位移比应该是多少呢?

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TIP2:什么是规定水平力?在看层间位移角的时候,用的是CQC组合的地震力,而在看位移比的时候采用的是规定水平力,所谓的规定水平力就是采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力。具体图例解释见小编笔记:

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框架柱的楼层剪力分担比

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        框架核心筒结构是以外周框架和核心筒协同工作的双重抗侧力结构体系,为了避免由于核心筒刚度过高,结构的地震剪力主要由核心筒承担,框架部分分担的剪力过小而不满足多道设防的结构设计原则。因此规定在地震作用下框架部分分担的剪力应满足一定的要求,简称0.2V0调整。规范是这么规定的:

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当时看到这条的时候,我心里想的是只是把框架柱的地震剪力调整一下嘛,很简单,一个按钮的事情。


《超限高层建筑工程抗震设防审查技术要点》中是这么要求的:

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        也就是说不是你想简单放大就行,而是结构的整体布置就应该满足剪力分配的要求。小疑问,楼板设置弹性膜和刚性板哪种情况下算出来的框架柱的地震剪力分配比例更高呢?

小结

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       关于抗震报告,其实内容真的是太多了,本文所列的也只是小震弹性计算部分的一部分指标,根据不同的项目还要补充分析不同的指标结果。后面还会有弹性时程分析、中震性能化分析(要写的太多)以及大震的动力弹塑性分析。我们在后面的文章中分批给出简单的介绍,希望可以给刚入门的工程师一点点帮助。最后吐槽一下,结构工程师真的是太不容易了,大到力学概念,中到各种指标,小到梁、板、柱、墙、楼梯等的绘制都要会。即使这些会了,感觉还是没入门,结构设计博大精深,需要我们长年积累,努力提高业务水平,即使我们的工作又苦又累,责任又大,薪水又低,But:


彩蛋

对于大震的动力弹塑性分析,由于涉及到非线性问题,目前对我们结构设计师来说是比较难以驾驭它,之前很多时候一般的建筑我们都用的是pushover分析,就是我们俗称的推一把。推出来就是这样的感觉。

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        但pushover分析有很大的适用局限性,它仅仅对对于以第一振型为主的高层建筑,高阶振型影响不明显的结构可以较好的反应结构的响应。随着建筑的形式多样性,显然该方法是不适用的,因此以后我们尽量不要什么结构体系的都上来就推一把结束了。


Abaqus或者perform-3D等国外的软件可以很好的进行结构整体的动力弹塑性时程分析,但由于他们都是通用有限元软件,因此比较难学习和操作。所以小编推荐大家使用国内的弹塑性分析软件,例如佳构或者sausage,虽然他们还没有那么完美,但是已经做的很好了,特别是sausage,上手简单,可操作性强。最主要的理由是:

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好了就写到这吧,在中、下篇再和大家一起分享一下中震性能化设计以及大震的弹塑性分析。


超限审查报告资料下载推荐:

商业项目超限高层建筑抗震专项审查报告(2013)

无锡恒隆广场超限高层建筑抗震设计报告(word,85页)

[郑州]商业综合体结构超限审查报告(图纸、计算书、2016)

苏州晋和广场酒店篇抗震超限审查报告(PDF,87页)

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