05多高层建筑结构的计算机辅助设计

1、第5章 多高层建筑结构的计算机辅助设计, 5.1 多高层建筑结构的计算机辅助设计 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择 5.1.2 关于结构底部的嵌固部位的确定 5.1.3 计算简图的处理 5.1.4 总信息中几个重要参数的确定 5.1.5 内力计算结果的分析、判断 5.1.6 根据计算结果对结构进行调整 5.2 多高层建筑结构设计算例 5.2.1 工程概况及计算简图 5.2.2 设计条件 5.2.3 荷载标准值 5.2.4 框架荷载及内力计算 5.3 剪力墙结构算例 5.4 思考题与作业, 5.1 多高层建筑结构的计算机辅助设计 随着科学技术的不断进步，目前多高层建筑的结构分析基本上都采用计算机软件进行，前面章节有关手算的方法的介绍主要是为了帮助对结构体系的受力特点及概念进行深入理解。当然，设计人员也可用手算方法对结构进行初步设计估算。 计算机软件并不能完全代替设计人员的设计概念，所以在计算机辅助设计时，我们必须对软件的计算原理及适用范围有一个清晰的认识，选择适合相应结构体系的软件进行计算，并应对计算结果进行认真分析，以确保计算结果的准确性和合理性。, 5.1.1 常用计算机

2、结构辅助设计程序的选择,表5-1 常用结构分析软件的计算模型及适用范, 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择,表5-1 常用结构分析软件的计算模型及适用范, 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择,目前，我国国内常用计算程序的模型多为上述一种或几种组合形成。其中单榀平面框架分析的计算模型主要是在早期的结构计算中采用。其特点是与平面框架手算步骤一致，由于它只适用于非常规则的纯框架结构和剪力墙结构，适用范围有限，所以现在已很少使用。平面结构空间协同计算模型也只能在一定程度上反映结构整体工作的特性，只适用于较规则的框架、框架剪力墙、剪力墙结构，目前也已较少使用。,在三维空间分析程序中，基于薄壁杆件模型的优点是自由度小，使复杂的高层结构分析得到极大的简化。但是薄壁杆件中许多剪力墙难以满足薄壁柱理论的假定，它对剪力墙为长墙、矮墙、多肢剪力墙及框支剪力墙、无楼板约束的剪力墙等情况计算精度不够；基于薄板理论的结构有限元分析软件，把无洞口或有较小洞口的剪力墙模型化为一个板单元，把有较大洞口的剪力墙模型化为板梁连接体系。这类软件对剪力墙的模型化不够理想，没有考虑剪力墙的平面外刚度及单元的几

3、何尺寸影响，对于带洞口的剪力墙，其模型化误差较大。, 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择,基于壳元理论的三维组合结构有限元分析程序，由于壳元既有平面内刚度，又具有平面外刚度，用壳元模拟剪力墙和楼板可以较好的反映其实际受力状态。基于壳元理论的多高层结构分析模型，理论上比较科学，分析精度较高。尽管这种程序功能全面，适用范围广，但它的前后处理功能较弱，在一定程度上限制了这类软件在实际工程中的使用。因此，在实际工程设计时，设计人员应根据工程的实际情况，深入理解各计算机软件的适用范围和特点，选择适合于本工程的计算软件进行分析。, 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择,在下列情况下，楼板变形比较显著，楼板刚度无限大的假定不符合实际情况，应对采用刚性楼板假定的计算结果进行修正，或采用楼板内为半刚性的计算方法：,(1) 楼面有很大的开洞或缺口，楼面宽度狭窄。 (2) 平面上有较长的外伸段。 (3) 底层大空间的剪力墙结构的转换层楼面。 (4) 错层结构，楼面不能保证平面内无限刚度。 (5) 楼面的整体性差的结构体系。, 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择,在内力与位移计算中

4、，钢构件、型钢混凝土及钢管混凝土等构件宜按实际情况直接作为设计条件输入计算机进行计算。当此类构件较少时，也可以按等刚度原则，等效为混凝土构件进行计算。 对于平、立面复杂的剪力墙结构，应采用合适的计算模型分析。当采用有限元模型时，对应力变化复杂处应合理划分单元；当采用薄壁杆件计算模型时，对错洞墙可进行适当的模型化处理后再作整体分析。, 5.1.1 常用计算机结构辅助设计程序的选择,B级高度的高层建筑结构和体型复杂、结构布置复杂的结构应满足以下要求：,(1) 应采用两个不同的力学模型的三维空间分析，结构分析软件进行整体分析计算。 对于同一结构采用不同的结构分析计算软件计算，可以互相比较和校核，对把握结构的实际受力状态是十分必要的。 (2) 在抗震设计时，宜考虑平扭耦连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，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。 (3) 应采用弹性时程分析法进行补充计算。 (4) 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。 应采用竖向荷载作用下模拟施工进行结构分析。对于高层建筑结构，在考虑轴向变形影响时，由于高

5、层建筑结构是逐步逐层施工形成的，其竖向荷载也是逐层加载而成的。如果采用一次施加外荷载进行计算就会出现较大的差异，房屋越高，构件竖向刚度相差越大，则差异越大。因此一般的三维空间分析计算软件都建议采用模拟施工加载进行内力分析。 (5) 对竖向不规则的高层建筑，包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。结构分析应按上述要求进行，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。, 5.1.2 关于结构底部的嵌固部位的确定,对于多高层建筑结构，在进行结构计算分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在的位置。所谓嵌固部位也就是预期塑性铰出现的部位。嵌固端的正确选取是结构计算模型中的一个重要假定，它不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性以及结构局部的经济性。, 5.1.2 关于结构底部的嵌固部位的确定,(1) 在二层以上地下室的多层建筑，宜将上部的嵌固部位设在地下室顶板，此时应满足以下条件： 地下室

6、顶板标高与室外地坪高差不能太大，一般应小于地下一层层高的1/3。 地下室顶板结构应为梁板体系，且该层楼面不得留有大洞口，楼面框架梁的抗弯刚度要足够大。 地下室结构的布置应保证地下室顶板及地下室各楼层楼板有足够的平面内整体刚度和承载力，能将上部结构的地震作用传递到全部地下室抗侧力构件；为此地下室顶板板厚不宜小于180 mm，混凝土等级应不小于C30，且应双层双向布置钢筋。每层每个方向的钢筋配筋率不宜低于0.25%。, 5.1.2 关于结构底部的嵌固部位的确定,(1) 在二层以上地下室的多层建筑，宜将上部的嵌固部位设在地下室顶板，此时应满足以下条件： 地下室结构应能承受上部结构屈服超强及地下室本身的地震作用。为此地下室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。 计算多塔大底盘地下室楼层侧向刚度比时，大底盘地下室的整体刚度应不小于相邻上部结构所有塔楼的总体刚度的2倍，每栋塔楼内范围内(塔楼周边向外扩展与地下室高度相等的水平长度)的地下室侧向刚度与相邻上部塔楼的侧向刚度比不宜小于1.5。 地下室柱截面每侧面的纵向钢筋面积，除应满足计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的

7、1.1倍。 地下室顶板部位的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不宜小于上下柱端实际承载力之和。, 5.1.2 关于结构底部的嵌固部位的确定,(2) 当由于地下室大部分顶板降板或地下一层为车库(墙体少)等使用要求，不满足地下室顶板作为结构嵌固部位的要求时，对于3层及3层以上的地下室，可将结构的嵌固部位置于地下一层底板，此时的底板应按上述第1款中有关“顶板”的要求处理，且应满足以下要求： 地下一层楼层抗侧刚度应大于地上一层楼层的抗侧刚度。 地下二层楼层抗侧刚度应大于地下一层的楼层抗侧刚度，并应大于地上一层楼层抗侧刚度的2倍。当地下室层数少于3层时，宜将嵌固部位设于基础顶面。, 5.1.2 关于结构底部的嵌固部位的确定,(3) 对于单层地下室建筑宜选择基础底板作为结构的嵌固端。选择基础底板作为结构嵌固端，可以充分利用基础“无限刚”的假定。对于首层楼面留有大孔洞，或选用无梁楼盖等各种结构形式，都不会影响计算结果的准确性。但当地下室作为抗爆级别较高的防空地下室时，其地下室顶板通常具有作为结构嵌固端的抗侧刚度，此时可以取其作为结构的嵌固端。, 5.1.3 计算简图的处理,在多高层结构设计时，设

8、计人员首先必须结合工程实际，与建筑设备专业协商，确定一个合理的结构设计形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷并力求平面和竖向规则。然后再应用力学概念对计算简图进行处理。,(1) 高层建筑结构分析计算时宜对结构进行力学上的简化处理，使其既能反映结构的受力性能，又适应于所选用的计算分析软件的力学模型，从而从根本上保证分析结果的可靠性。 (2) 在内力与位移计算中，应考虑相邻层竖向构件的偏心影响。楼面梁与柱子的偏心一般按实际情况参与整体计算。, 5.1.3 计算简图的处理,(3) 在内力与位移计算中，密肋板楼盖可按实际情况进行输入计算，当不能按实际情况计算时，可将密肋梁均匀等效为柱上框架梁进行计算，其截面宽度可取被等效的密肋梁截面宽度之和。平板无梁楼盖采用近似方法考虑时，其柱上板带可等效为框架梁计算，等效截面宽度可取等代框架方向板跨的3/4及垂直于等代框架方向板跨的1/2两者的较小值。 (4) 高层建筑结构中，梁、柱、剪力墙的初估截面尺寸可按第5章第46节中的有关规定进行取值。从大量的工程设计的结果的分析，钢筋混凝土高层建筑单位建筑面积的竖向总荷载大约在12 kN/m216 kN/m2

9、之间。其中框架、框架剪力墙结构大约为12 kN/m214 kN/m2；剪力墙和筒体结构大约在14 kN/m216 kN/m2。在初步设计阶段，这些数据可以用来对结构进行初步内力分析，从而可以初步确定柱、剪力墙的截面尺寸。, 5.1.3 计算简图的处理,(5) 当构件截面尺寸相对其跨度较大时，构件交汇处会形成相对的刚性节点区域，所以在内力与位移计算时，可考虑框架或壁式框架梁柱节点区刚域的影响。刚域的长度(如图5.1所示)近似按下式计算：,图5.1 框架节点刚域图,=a10.25hb (5-1a) =a20.25hb (5-1b) =c10.25bc (5-1c) =c20.25bc (5-1d) 当计算刚域的总长度为负值时应取为零。, 5.1.3 计算简图的处理,(6) 对于大底盘多塔结构，如果把裙房部分按塔楼的形式切开计算，则下部群房及基础的计算误差较大，且各塔之间的相互影响也无法考虑。因此，应先进行整体计算，按高层建筑混凝土结构技术规程取够振型数，并考虑塔楼与塔楼之间的相互影响。当各塔楼的质量、刚度等分布悬殊时，整体计算反映出的前若干个振型可能大部分均为某一塔楼所贡献。而由于耦连振型的存在，判断某一振型反映的是哪一塔楼的某一主振型比较困难。同时，由于高层建筑混凝土结构技术规程中第一扭转周期和第一平动周期比值的限制以及水平位移限值的限制，为了验证各独立单塔的正确性和合理性，还需将多塔结构分开进行计算分析。, 5.1.3 计算简图的处理,(7) 对于超长或不规则等原因将建筑物结构分为两个或多个独立的结构单元时，最好是将各独立单元分开进行计算分析，如果一定要合在一起计算，也可按多塔结构模型进行计算，但需要注意的是，由于分缝处不是真正独立迎风面，其风荷载的计算与实际受力状态不符，对于那些对风荷载比较敏感或以风荷载为控制荷载的结构，必须修改风荷载数据，以计算出正确的风荷载数据文件。, 5.1.4 总信息中几个重要参数的确定,结构总信息是控制全局的

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