建筑院结构设计概论陆皞.ppt

结构设计概论,一、我国现行建筑工程建设程序,二、建设过程中各类工程师的职责,建筑师与结构工程师的关系有四个层次：,（1）合作：即“你做你的设计，我做我的设计，遇到矛盾，合作协商解决”。,（2）结合：即“虽然各做各的，但都能懂得对方，主动结合，相互补充”。,（3）融合：即“你中有我，我中有你，融为一体”。结构工程师要自觉地考虑家建筑问题，建筑师要自觉地考虑结构问题。,（4）统一：即“结构工程师就是建筑师，建筑师也是结构工程师”。如西班牙的托罗哈(E.Torroja),三、建设结构的基本构件类型,1、板,2、梁,3、柱,4、框架,5、桁架,6、网架,7拱,8、壳体,9、墙,10、索,11、薄膜构件,12、基础,四、建筑结构的几个基本概念,1、荷载,结构上的荷载可分为下列三类：1）永久荷载，例如结构自重、土压力、预应力等。2）可变荷载，例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。3）偶然荷载，例如爆炸力、撞击力等。注:自重是指材料自身重量产生的荷载(重力)。,2、结构的失效,结构失效包括下列5个方面：1）破坏指结构或其构件因所用材料的强度被超越或应变大于奇迹现值而丧失承载力。2）失稳3）变形过大（含裂缝过宽）4）耐久性丧失5）倾覆或滑移,3、结构的三个基本分体系,1）基本水平分体系一般由板、梁、桁（网）架组成。作用为：a、在竖向，承受楼面或屋面的竖向荷载，并把它传给竖向分体系；b、在水平方向，起隔板和支承竖向构件的作用，并保持竖向构件的稳定。,2）基本竖向分体系一般由柱、墙、筒体组成（如框架体系、墙体系和井筒体系）。作用为：a、在竖向，承受由水平体系传来的全部荷载，并把它传给基础体系；b、在水平方向，抵抗水平作用力如风荷载、水平地震作用等，也把它们传给基础体系。,3）基础体系一般由独立基础、条形基础、交叉基础、片筏基础、箱形基础以及桩基。作用为：a、把上述两类分体系传来的重力荷载全部传给地基；b、承受地面以上的上部结构传来的水平作用力，并把它们传给地基；c、限制整个结构的沉降，避免不允许的均匀沉降和结构的滑移。,五、结构概念设计,结构概念设计归根到底是确定主体结构体系及其联系。主要考虑三个方面：,（1）优化结构体系。根据环境、使用、建筑和荷载优化合用的基本构件，确定它们间的联系，形成基本结构单元和它的支承做法，再将基本结构单元通过线型、平面、叠合、交叉等集合型是构成主要结构体系。,表1-2,（2）优化结构布置。在满足使用要求和建筑意向前提下优化地布置楼屋盖水平系统、柱墙竖向支撑系统和基础系统。重要的原则是平立面宜规则、对称，具有良好的整体性，竖向剖面除规整外，侧向刚度宜均匀变化，自下而上逐渐减小，避免突变。,（3）合理构造做法。重点是结构构造做法和建筑构造要求相一致，结构的理论构造要求和施工的实际构造做法相一致。这里的“一致”是指实现可能的一致性和受力/功能特征的一致性。,六、高层结构体系,1、高层建筑结构的受力特征,2、高层建筑结构的有效性和经济性取决于3个因素的作用。,（1）设置能有效抵抗水平力的结构体系。如设置有很大侧向刚度的剪力墙、框筒等；也可增加底部结构体系的有效支承长度，以减小结构的高宽比，如下图。,（2）将楼盖结构做得经济合理。,（3）采用适宜的基础和地下室结构。,3、高层建筑结构的体系,七、楼盖结构体系的设计,1、楼盖结构体系的分类,2、肋形楼盖构件的主要参数估计,楼（屋）盖构件的合理跨度（m）,构件截面尺寸估计,（1）钢筋混凝土板最小厚度(h，以mm计),1）单向板，L/35(简支)；L/40(两端连续)；民用建筑70，工业建筑80。,2）双向板，L/45(四边简支)；L/50(四边连续)；L为双向板短跨，h80。,3）密肋板，50，当密肋板的跨度为0.7m左右时；其他情况可取60或70。,4）四角支承板（即无梁楼盖的板），L/35，L为板的长边，h150。,5）悬臂板，L/12，板的根部h80。,（2）钢筋混凝土梁参考截面(bh，bh/3h/1.5，以mm计)中的h值,1）单跨简支梁，L/12L/10。,2）多跨连续次梁，L/18L/14。,3）多跨连续主梁，L/14L/12。,4）交叉梁，L/20L/16，L为交叉梁楼屋盖平面的短边长度。,5）单跨密肋梁，L/20，b=60150，h200。,7）悬臂梁，L/6L/5。,6）多跨密肋梁，L/25，b=60150，h200。,8）无梁楼盖周边圈梁，L/15，2.5倍板厚，L为板跨。,（3）钢筋混凝土柱截面(截面尺寸bh),按下式估算：N/bhfc0.70.9 式中N为重力荷载产生的轴向力设计值，可取标准值的1.251.30倍。结构自重经验参数：1）钢筋混凝土框架和框架剪力墙结构1214KN/m2 2）剪力墙和筒中筒结构大约1416KN/m2,（4）钢结构截面预估,钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面。其截面高度通常在跨度的1/201/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按L/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。钢柱截面按长细比预估，通常50150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。,3、扁梁楼盖,扁梁楼盖是介于肋梁和无梁楼盖之间的结构系统，经济指标也在二者之间，较肋梁楼盖贵，较无梁楼盖便宜。,梁宽度大于柱（支座）的宽度，且大于梁的高度者称为扁梁。,一般扁梁的高度hb可取（1/201/25）跨度，且不小于2.5倍板的厚度；扁梁的宽高比（bb/hb）不宜超过3。宽高比超过3的扁梁在工程上称为超宽扁梁。,八、结构的抗震设计,三水准要求,一般关系 烈度：Im=I0-1.55,Is=I0+1 加速度：PGAm=PGA0*1/3 PGAs=PGAm*(4-6),两阶段设计,第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算；大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。,建筑设计和建筑结构的规则性,建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案,不规则程度不规则一项特别不规则多项/一项较多，后果不良严重不规则多项较多，后果严重,九、超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点,下列高层建筑工程属于超限高层建筑工程,a)房屋高度超过规定，包括超过建筑抗震设计规范（以下简称抗震规范）第6章现浇钢筋混凝土结构和第8章钢结构适用的最大高度、超过高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称高层混凝土结构规程）第7章中有较多短肢墙的剪力墙结构、第10章错层结构和第11章混合结构最大适用高度的高层建筑工程；b)房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于抗震规范、高层混凝土结构规程规定的特别不规则的高层建筑工程,建筑结构布置属于建筑抗震设计规范高层建筑混凝土结构设计规程规定的特别不规则的高层建筑一、同时具有两项以上平面、竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的高层建筑。注：规定值见建筑抗震设计规范、条和高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称高层混凝土结构规程）、条等。二、结构布置明显不规则的复杂结构和混合结构的高层建筑，主要包括：1、同时具有两种以上复杂类型（带转换层、带加强层和具有错层、连体、多塔）的高层建筑；2、转换层位置超过高层混凝土结构规程规定的高位转换的高层建筑；3、各部分层数、结构布置或刚度等有较大不同的错层、连体高层建筑；4、单塔或大小不等的多塔位置偏置过多的大底盘（裙房）高层建筑；5、七、八度抗震设防时厚板转换的高层建筑。注：相关规定见高层混凝土结构规程、和条等。三、单跨的框架结构的高层建筑。注：相关规定见高层混凝土结构规程条。,十、PKPM软件的应用要点,1、楼板刚度的特点,分面内刚度和面外刚度面内刚度：膜剪切刚度面外刚度：板弯曲刚度程序对楼板的刚度假定（1）刚性板假定（2）弹性板3假定（3）弹性板6假定（4）弹性膜假定,刚性板假定,面内刚度无穷大，面外刚度为0；适用范围：楼板不特殊的绝大多数工程；通过调整程序的梁刚度放大系数可变相的考虑楼板的面外刚度。,弹性板3假定,面内刚度无穷大，面外刚度考虑板弯曲刚度；适用范围：面内刚度很大但又不能忽略面外刚度的工程，如厚板转换结构、板柱体系等。,弹性板6假定,同时考虑板面内的膜剪切刚度和面外的板弯曲刚度；适用范围：所有工程；缺点：自由度增加很大，计算量也较大。此外，由于有一部分水平力会被板所吸收，从而导致梁的配筋偏小。,弹性膜假定,面内刚度考虑膜剪切刚度，面外刚度为0；适用范围：要考虑面内刚度但可忽略面外刚度的工程，如楼板开大动的结构等。,2、最不利地震作用方向,概念：地震沿着不同的方向作用，结构地震反应的大小一般也不同。结构地震反应是地震作用方向角的函数，存在某个角度使得结构地震反应取极大，那么这个方向我们就称为最不利地震作用方向。使用：TAT、SATWE和PMSAP可以自动计算出这个最不利方向角,并在文件中输出。用户可以把这个角度作为地震作用的方向角重新进行计算，以体现最不利地震作用的影响。TAT 在 TAT-4.OUT 中输出；SATWE 在 WZQ.OUT 中输出；,文件WZQ.OUT：结构振动特性 周期、地震力与振型输出文件(侧刚分析方法)振型号 周 期 转 角 平动系数(X+Y)扭转系数 1 0.4665 128.67 0.25(0.10+0.15)0.75 2 0.4351 19.25 0.95(0.85+0.11)0.05 3 0.4262 104.29 0.89(0.05+0.84)0.11 4 0.1631 119.98 0.83(0.21+0.62)0.17 5 0.1608 27.03 0.98(0.78+0.20)0.02 6 0.1494 54.48 0.00(0.00+0.00)1.00 地震作用最大的方向=4.737(度),规则框架Fram1考虑多方向地震输入，构件配筋没有增加或增加不多。多方向地震输入角度的选择尽可能沿着平面布置中局部柱网的主轴方向。建议选择对称的多方向地震，如30和-30，因为风荷并未考虑多方向，否则易造成配筋不对称。,3、结构整体性能控制计算,位移控制周期控制层刚度比控制 层刚度计算方法 框剪结构中框架部分承担的倾覆力矩计算,（1）位移控制,新高规的条规定，楼层竖向构件的最大水平位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑，及复杂高层建筑，不宜大于该楼层平均值的1.2倍。层间位移角，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。程序中对每一层都计算并输出最大水平位移、最大层间位移角、平均水平位移、平均层间位移角及相应的比值，用户可以一目了然地判断是否满足规范。,值得注意的是，当结构计算考虑偶然偏心时，程序自动输出偶然偏心地震作用下的位移及位移比。此时结构位移比的验算应考虑偶然偏心地震作用下的计算结果。,（2）周期控制,新高规的条规定，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。,周期的控制主要是为了控制结构在地震作用下的扭转效应。但要计算这个周期比，首先要确认哪个周期是第一扭转周期，哪个周期是第一侧振周期。基于此，PKPM程序从能量的观点计算出每个振型的侧振成分和扭振成分（二者之和等于1）。如果某个振型的侧振成分大于扭振成分，就认为该振型为侧振振型，反之则为扭振振型。以此为基础，周期最长的扭振振型对应的就是第一扭振周期Tt,周期最长的侧振振型对应的就是第一侧振周期T1。当然，对某些极为复杂的结构还应结合主振型信息来进行判断。,主振型的判断对于刚度均匀的结构，在考虑扭转耦连计算时，一般来说前两个或几个振型为其主振型，但对于刚度不均匀的复杂结构，上述规律不一定存在，SATWE程序中给出了各振型对基底剪力贡献比例的计算功能，输出信息如下：Bese-Shear Force of each Vibration Mode in X Direction-Mode No Force Ratio(%)其中：Mode No 为振型序号 Force 为该振型的基底剪力 Ratio 为该振型的基底剪力占总基底剪力的百分比。通过参数Ratio可以判断出那个振型是X方向或Y方向的主振型，并可查看以及每个振型对基底剪力的贡献大小。,文件WZQ.OUT：判断主振型各振型作用下 X 方向的基底剪力及占总基底剪力的比例 振型号 剪力(kN)比例(%)1 302.11 9.23 2 2685.85 82.03 3 171.61 5.24 4 28.19 0.86 5 86.25 2.63 6 0.13 0.00,显然的主振型,如同位移比的控制一样，周期比的控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小。它的目的是使抗侧力构件的布置更有效、更合理。所以一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整结构的平面布置来改善这一状况。这种改变一般是整体性的，局部小的调整往往收效甚微。总之，周期比的控制不是要求结构足够结实，而是要求结构结构承载布局的合理性。,关于改善结构扭转效应的方法 高层建筑结构设计中，其抗侧刚度特别是抗扭刚度总是受到设计人员的重视。这时结构方案的选用显得非常重要，应尽量采用平面规则、对称的结构，建筑立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，避免抗侧力结构的侧向刚度突变。但在实际工程中，或因建筑造型的要求，或因建筑功能的需要，往往有许多的建筑平面及竖向规则性达不到规范中“规则建筑”的要求。在此情况下，应对结构体系进行优化，使其满足抗震要求，特别是使其扭转效应应控制在规范允许范围内。,改善扭转效应的原则：削弱中间，加强周边。,改善扭转效应主要的方法：一、尽量加大周边构件截面,增大平面抗扭刚度；二、加厚离质心较远处的剪力墙厚度，使质心刚心偏心率显著改善；三、平面凹凸不规则处加拉梁，有条件的应增设拉接楼板；四、刚度很大的筒体可加开结构洞以减小刚度偏心，楼板薄弱处局部加厚。,（3）层刚度比控制,新抗震规范附录E2.1规定，筒体结构转换层上下层的侧向刚度比不宜大于2。新高规的条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相临上部楼层侧向刚度的70%或其上相临三层侧向刚度平均值的80%。新高规的条规定，高层建筑结构计算中，当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时，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。,上述所有这些刚度比的控制，都涉及到楼层刚度的计算方法。目前，有三种方案可供选择：高规附录建议的方法剪切刚度 Ki=GiAi/Hi高规附录建议的方法剪弯刚度 Ki=Vi/i抗震规范和条文说明中建议的方法 Ki=Vi/ui新规范版本软件中提供上述所有三种算法，用户可以根据具体情况选择。根据经验，第三种方法控制最松。此外，由于新规范版本程序对斜撑的作用已经加以考虑，所以旧规范中对于有斜撑的结构不能采用剪切刚度算法的限制在新规范版本程序中已经被解除。,注意：SATWE增加参数：强制考虑各层为刚性楼板假定分析。新规范对结构层刚度比和位移比的控制，均要求在刚性楼板假定条件下计算。对于有弹性板或板厚为零的工程，应计算两次，在刚性楼板假定条件下计算以上的控制比值，在真实条件下完成其它计算。,4、关于斜屋面输入问题,斜屋面荷载等效化成水平面荷载输入，可正常导荷。,斜屋面荷载等效化成屋脊线上的节点荷载输入。此时斜杆只有轴力，无弯矩剪力，与实际不符。,十一、钢结构的设计深度,1、钢结构设计出图分为设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。,3、施工详图：又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工，不完全相同的构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表。,2、设计图：是提供制造厂编制施工详图的依据。在设计图中，对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材料要求、设计要求（包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等）、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。,4、具体可参阅国家标准图集钢结构设计制图深度和表示方法03G102,十二、塔桅设计的一些基本构造,1、材料选用1）移动通信钢塔桅结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。2）移动通信钢塔桅的钢材，宜采用Q235 普通碳素结构钢、Q345低合金结构钢、有条件时也可采用Q390钢或钢材强度等级更高的结构钢、以及优质碳素结构钢，其质量标准应分别符合我国现行国家标准碳素结构钢（GB700）、低合金高强度结构钢（GB/T1591）和优质碳素结构钢技术条件（GB699）的规定。需要焊接的构件不得采用Q235 普通碳素结构钢A级；主要受力构件在冬季计算温度等于或低于-20oC时，不宜采用Q235沸腾钢。3）角钢塔塔身杆件一般采用Q235、Q345结构钢，钢管塔架塔身构件宜采用材质为20号优质碳素钢的无缝钢管。4）拉线塔的拉索宜采用镀锌钢绞线。,5）连接材料应符合下列要求：手工电弧焊，选用的焊条，焊条型号应与构件钢材的强度相适应，可按下列原则选用：对于Q235钢，宜选用E43型焊条；对于Q345钢，宜选用E50型焊条；对于Q390钢，宜选用E55型焊条；4对于不同强度钢材的连接焊缝，可采用与低强度钢材相适应的焊条。角钢塔采用螺栓连接时可选用普通螺栓。普通螺栓共分为十个等级，螺栓长度按下式计算，一般以5mm进制。被连接件的总厚度（mm）H螺母高度（mm），一般为0.8D n垫圈个数 h垫圈厚度（mm）C螺纹外露部分长度（mm）（23扣为宜，一般为5mm）,钢管采用法兰连接时宜选用高强度材料的普通螺栓，高强度螺栓可采用45号钢、40Cr、40B、或20MnTiB钢制作。地脚锚栓可采用现行国家标准碳素结构钢（GB700-1988）规定的Q235钢或低合金高强度结构钢（GB/T1591-1994）规定的Q345钢制作，有特殊要求可采用更高等级的螺栓。,2、塔架的主材、腹杆等构件的长细比应不超过下列规定值：受压弦杆材 150横杆、斜杆 150，当内力小于杆件承载力的50%时，200辅助杆、横隔杆 200受拉杆 350桅杆两相邻拉线节点间杆身长细比宜符合下列规定：格构式桅杆（换算长细比）100 实腹式桅杆 150,3、钢塔桅结构构件的最小规格要求：主要受力的角钢截面不宜小于L454；自立式角钢塔的主材截面不宜小于L635，腹杆截面不宜小于L505；节点板厚度不宜小于6mm，塔脚板厚度不应小于16mm，锚栓垫板厚度不应小于12mm；钢管的厚度不宜小于4mm；平台钢板厚度不宜小于4mm，圆钢直径不宜小于12；拉线截面不应小于35mm2，拉线棒的直径不应小于16mm；,4、拉线的构造要求：拉线连接宜采用下列二种方式：对外径在16mm及以下的钢绞线可采用楔型线夹方式连接；对外径21mm及以上的钢绞线可采用压接管连接。拉线的调节装置宜采用下列二种形式：对外径在16mm及以下的钢绞线可采用UT型线夹进行调节；对外径21mm及以上的钢绞线可采用花篮螺栓进行调节。屋面桅杆的拉线固定点应与结构构件可靠连接。拉线拉耳应直接连接于弦杆上，并应采取可靠措施抵抗拉线平面外风荷载。,