高層建築結構設計基本概念及設計步驟

2021-01-09 土木智庫

1.高層建築結構的定義

以上選自《高規》。

拿到一個項目首先要分清楚是否屬於高層建築結構,再進行下一步的工作,因為高層與多層在規範要求上有部分是不一樣的(例如:整體指標的計算、抗震構造措施的變化等等)。

1.純剪力牆結構體系

剪力牆結構體系是由剪力牆同時承受豎向荷載和側向水平力的,利用建築專業給定的牆體,布置鋼筋混凝土牆(即剪力牆),從受力上講剪力牆是一個懸臂板(平面內)。(名稱:抗規是抗震牆、高規是剪力牆、也稱之為鋼筋混凝土牆)

剪力牆結構體系是指:剪力牆和由於剪力牆開洞而形成的連梁組成的結構。

連梁是指兩端與剪力牆在平面內相連的梁。一般在風荷載和地震荷載的作用下,連梁的內力往往很大。連梁是第一道防線,能夠很好地起到耗能的作用。(高層剪力牆結構中梁的種類)

要能夠形象地理解連梁的工作原理:在水平力作用下,牆肢產生彎曲變形,連梁為了協調這種變形,產生內力,梁端產生的彎矩、剪力、軸力反作用於牆肢,約束牆肢變形,反覆作用下,梁端形成塑性絞,結構剛度降低,變形加大,從而吸收大量的地震能量,同時通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力,對牆肢起到一定的約束作用,使剪力牆保持足夠的剛度和強度,不至於發生傾覆和倒塌,此即為延性破壞。在這一過程中,連梁起到了一種耗能的作用,對減少牆肢內力,延緩牆肢屈服有著重要的作用。此種工作狀態是最理想的狀態,屬於延性破壞,塑性鉸的形成對耗能起到了很大的作用,而耗能能力的大小取決於塑性鉸的轉動能力。此種情況一般出現在連梁跨高比較大的時候(不小於5,高規275頁7.1.2建議宜大於6就是這個原因)。而脆性破壞是指對於跨高比較小的連梁,剛度大,吸收的地震力也大,發生剪切破壞時,各牆肢喪失了連梁對它的約束作用,將成為單片的獨立牆。這會使結構的側向剛度大大降低,變形加大,牆肢彎矩加大,由於沒有連梁的約束,可能導致結構的倒塌(根源在於轉動能力很弱)。連梁越柔,協調變形的能力越強,延性越好。

高層剪力牆結構中,連梁是第一道防線,要保證連梁是延性破壞,起到耗能的作用,保證強牆弱連梁。設計時儘量避免採用強連梁(跨高比小於2.5的連梁),儘量採取減小梁高加大跨度的辦法達到設計的要求。

3.高層建築結構的受力性能

高層建築結構,風荷載和水平地震作用是影響結構內力、變形的主要因素(此處區別於多層框架,多層框架結構中一般是恆荷載起控制作用)。

高層建築結構可以認為是從其自身地基上升起的豎向懸臂構件,可以認為是一個懸臂梁,承受著水平荷載(風、地震)和豎向荷載(自重、恆活荷載)。大家在理解高層建築結構的時候可以和懸挑梁對比來理解,例如:底部加強區的設定、高寬比對經濟性的影響等等。

4.與框架結構的區別

框架結構屬於一種比較柔的結構形式,不能做太高,但是對於剪力牆結構,由於其自身剛度較大,抗側力能力很強,能夠做的比較高,因此在高層中普遍應用。框架柱與剪力牆在抵抗水平地震方面,其能力不是一個量級的。截面截面慣性矩I. (理解剪力牆平面內平面外、截面高度)

首先要理解反彎點的概念(從彎矩圖和變形兩個角度來理解,也是理解結構設計的原理之一,即力與變形的關係)。反彎點:彎矩一正一負的零點位置;變形突變的點。反彎點的出現從根本上來講是豎向構件與水平梁的線剛度的比值來決定的,牆體的剛度相對於連梁來說是很大的,因此不會在牆體內出現反彎點,而框架柱的剛度相對於梁來說不會相差很大,因此會出現反彎點。

4.1 下圖為框架結構的受力圖,整體變形為剪切型變形。

變形為剪切型變形,決定了框架結構的位移底部最大,從而影響了框架結構的很多特性(如:不能做很高、填充牆在地震時候是底層破壞嚴重等)。

4.2下圖為純剪力牆結構的受力圖,整體變形為彎曲型

以上兩圖剪力牆上開洞面積較小,彎矩圖僅僅有局部突變,基本上沒有反彎點,變形以彎曲型為主。

上圖為雙肢牆及多肢牆,彎矩圖僅僅有局部突變,基本上沒有反彎點,變形以彎曲型為主。

圖中彎矩圖在樓層位置突變,出現反彎點,與框架的受力性能接近,因此變形是以剪切型變形為主,應當注意在高層建築中儘量避免。因此高規規定了牆肢高度與厚度的比值,7.1.8.

當牆肢的截面高度與厚度之比不大於4時,宜按框架柱進行截面設計。

4.3 結論:樓層內是否出現反彎點,決定了結構體系的受力性能。

從以上圖中可以得知,剪力牆的受力特點與洞口的大小有關,即與連梁的剛度有關。

連梁與牆肢的線剛度比值決定著反彎點是否出現,當開洞過大的時候,且牆肢高厚比很小的時候,牆肢過分削弱,導致反彎點的出現。

結構設計中,一般的情況是雙肢牆或多肢牆的情況,彎矩為齒狀,此時的連梁起著連接牆肢,保證牆體整體穩定性的作用,因此高規條文說明:本規程所指的剪力牆結構是以剪力牆及因剪力牆開洞形成的連梁組成的結構,其變形特點為彎曲型變形,目前有些項目採用了大部分由跨高比較大的框架梁聯繫的剪力牆形成的結構體系,這樣的結構雖然剪力牆較多,但受力和變形特性接近框架結構,當層數較多時對抗震是不利的,宜避免。

5.高層建築結構的設計步驟

所有的結構設計工作步驟:統計外力作用、建立計算模型、計算構件內力、由內力算配筋、構造加強措施。

設計詳細步驟:高層建築結構設計步驟

(1)、看懂建築圖(此時的建築圖一般只有大平面或者簡單的立面,建築圖沒有細化)對建築關係有一個大體的了解。

(2) 根據經驗確定大致的牆厚,以及結構牆體的位置,板塊的劃分(梁和牆體的布置),並初步建模試算(注意satwe參數設置要正確)更要注意建築的平面和豎向的體型。在這個過程,會和建築專業不斷地溝通。

(3)、根據satwe計算結果,對模型進行調整,整體計算注意幾個比值和參數(層間位移角、軸壓比、位移比、周期比、剛度比、剪重比、剛重比、層間受剪承載力之比,平均重度)一定滿足規範要求;對於連梁和牆體,要注意查看配筋率是否合理。

(4)、整體指標、單個構件計算滿足規範要求並且經濟合理之後,模型儘量不要再進行大的調整。並將截面尺寸以及牆體定位提給建築專業、水電暖專業。

(5)、開始繪製施工圖:繪製施工圖的過程中,或多或少的會對已經調整好的模型進行再次的調整(原因:建築圖還在不斷完善修改;結構調模型階段沒有注意到的問題)。這時調整模型之後,一定注意對模型結果進行再次的查看,看是否滿足規範要求。

施工圖包括總說明,牆體、梁、板施工圖繪製,基礎施工圖繪製,樓梯牆身施工圖繪製。

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