高层结构和BIM结构设计问题专题讲座.

高层结构和BIM结构设计问题专题讲座吴文勇焦柯广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司2013年2月今天的讲座内容分两部分:第1部分为高层结构设计的问题,第2部分为BIM结构设计的问题,第1个问题是各设计和审图人员关心的问题,第2个问题不光是设计人员关心,单位领导也关心.2010版设计规范已经执行了两年，对一些不尽合理的规定各设计单位提出了许多建议，为此广东省编写了广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称广东高规,全国许多设计单位的总工都参与了编制和审定工作,这是第2版本的广东高规,2005年第1版本的广东高规对全国的设计和高规产生了很大影响,本次高规)，对不尽合理的内容做了修改，对未详细说明的内容做了进一步详细说明，让一线设计和审图人员掌握更合理的设计概念，并作为设计和审图的依据。(目前许多设计单位年人均产值30万左右,设计人员一半时间在画图,设计行业的生产率已经排在各行业的末位,提高设计自身的技术水平成了当务之急)CAD的应用是结构设计的第1次革命，带来了生产力的大提高，BIM的应用是结构设计的第2次革命，与我们每一个结构设计同行息息相关，今天第2部分内容将介绍BIM的应用如何对结构设计产生革命性的影响。第一部分、高层结构设计的问题介绍如下16点内容：(16点内容也分为两部分,第1部分1-15为层间位移角限制过于严格等规范的问题,第2部分为8个疑难计算的问题)1、规范中层间位移角限制过于严格;2、扭转不规则控制过于严格;3、刚度比计算方法过多;4、偶然偏心计算的偏移值与平面形状和质量分布有关;5、地震楼层最小剪力系数不满足时如何调整;6、小塔楼地震作用的计算；7、梁有效翼缘宽度的合理选取;8、短肢墙的新定义;9、短肢墙更合理的构造控制;10、框剪调整的强柱弱梁;11、剪力墙约束边缘构件阴影区的构造;12、转换层的底部加强部位;13、两新结构形式:采用扁梁、空心板的板-柱-墙结构和巨型框架-核心筒结构;14、抗震性能设计的改进方法;15、浅基础和桩基础承载力的计算;16、设计中的8个疑难计算问题。1、规范中层间位移角限制过于严格的问题过于严格的原因有如下4条:1）概念偏于严格:规范把钢筋混凝土构件开裂时的层间位移角作为多遇地震作用下结构的弹性位移角限值，而混凝土开裂时钢筋的应力还很小，即使混凝部分开裂，整体结构还处于弹性状态；2）计算位移偏大:规范通过周期折减考虑了填充墙刚度对地震作用的影响,但未考虑填充墙刚度对位移的影响(有了填充墙刚度后实际的位移应该比当前计算的小,拿偏大的计算位移作为设计控制使设计过于保守)，实际工程中0.8周期折减系数来说,计算位移偏大了1.1-1.3倍左右；3）无害位移占主要部分:实际工程中上部楼层层间位移角较大，常起控制作用,而这部分位移角由下部楼层的转角所引起的无害位移角占主要部分；4）大震位移角可证明:从等位移原理出发，如果大震作用是小震的6倍，大震作用下框架结构、框-剪结构、剪力墙结构的层间弹塑性极限位移角分别为1/50、1/100、1/120，则小震作用下框架结构、框-剪结构、剪力墙结构的层间位移角分别控制不大于1/300、1/600和1/720，可保证结构的安全。如下图,大震控制1/100时,当1/600时,实际的承载能力远大于小震的承载能力,1/600控制还是有富余的。广东高规3.7.3中水平力作用下最大层间位移角的控制放松了10-20%,如下:上表为高规,下表为广东高规的要求。(剪力墙结构1/1000改为1/800)2、扭转不规则控制过于严格过于严格的原因有如下两条:1）即使周期比大于1，扭转振型引起的扭矩和扭转角远小于偶然偏心引起的扭矩和扭转角；2）位移比等于最大位移/平均位移,当分母平均位移很小时,很小的位移差也会算出较大的位移比。此时结构的水平刚度很大，楼层扭转角不大，位移比确难以满足要求。因此，1）广东高规不控制周期比；2）在层间位移角很小时，超限审查略为放松扭转位移比控制。当楼层的最大层间位移角不大于规定限值的0.5倍时，该楼层位移比限值上限可适当放松(Ⅰ类扭转不规则可计0.5项平面不规则),如下为广东扭转不规则分类及限值。在GSSAP文本文件“结构位移”的最后输出如下扭转不规则程度分类:给定CQC地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的最大位移比:0方向地震=1.25(及其层号=3)90方向地震=1.70(及其层号=3)本工程A级高度扭转不规则程度分类:II类3、刚度比计算方法过多1）目前规范中有4种刚度比的计算方法：a、等效剪切刚度比(与外力无关)高规E.0.1b、等效侧向刚度比(也与外力无关)高规E.0.3c、侧向刚度比(与外力有关)抗规3.4.3d、层高修正的侧向刚度比(与外力有关)高规3.5.24种方法有时计算结果相差很大,其中抗规侧向刚度比理论误差最大。2）理论上可推导框架的等效剪切刚度比也与层高的平方成反比（详细见广东高规3.5.8条文说明）,层高修正的侧向刚度比反应了与层高的平方成反比的关系,所以不仅适合剪力墙结构,也适合框架结构。因此：1）当一层时，高规等效侧向刚度比(剪弯刚度比)就是等效剪切刚度比；2）框架结构和剪力墙结构侧向刚度统一为楼层剪力与层间位移角之比。3）取消了本层层高大于相邻上一层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1。4、偶然偏心计算的偏移值与平面形状和质量分布有关如下哑铃形平面应该大,十字形平面应该小。偶然偏心计算的偏移值:按质量回转半径计算ei=0.1732ri矩形平面刚好为5.0%哑铃形平面则为5.59%十字形平面为4.33%所以按质量回转半径计算更为合理。按回转半径计算时在文本文件“结构位移”中输出：3.给定CQC地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的位移按0.1732回转半径求得每方向最大质量偏心:5.4%,5.0%地震信息中:偶然偏心可按指定的偏心计算,也可按回转半径计算，按回转半径计算时，每层每塔每方向都可能不同。5、地震楼层最小剪力系数不满足时如何调整两个问题：1)不满足是否要调整刚度(目前有调刚度和调力的两大争论)？2)基底和其它楼层不满足时，调整方法有何不同？（规范对基底不满足时有详细的说明）广东高规要求：1)明确不以调整结构刚度来满足剪重比要求;（刚度增大，地震作用更大，更不利；而直接调整地震作用，增加了结构承载能力；认为前者不如后者）2)当基底满足剪重比要求，仅部分楼层不满足要求时，可直接放大这些楼层的地震剪力使之满足要求(以前程序中以上楼层全放大，放松了)；3)当基底剪力不满足剪重比要求时，则全部楼层的地震剪力均应放大，放大系数=规定的最小地震剪力/弹性计算的基底剪力(以前处与速度和位移段插值求系数，加强了)；4)放大后的基底总剪力不宜小于按底部剪力法算得的总剪力的85%(加强了)（以上要求没有违反黑体字要求，但对未说明的内容更明确了）。6、小塔楼地震作用的计算1)高阶振型决定了小塔楼的地震作用，振型数太少将丢失高阶振型，使小塔楼无地震作用；2)丢失了小塔楼振型时，放大系数法不能保证小塔楼有足够的地震作用。目前可能有一半工程小塔楼无抗震计算。广东高规5.1.21要求：对结构顶部的小塔楼、天线等相对于主体结构其质量较小的结构，应适当增加计算振型数，使该部分水平主轴方向的质量参与系数不小于85%。(在文本文件“周期和地震作用”中增加如下输出)1.折减前振动周期(秒)、振型参与质量顶部小塔楼振型参与质量振型号周期(秒)单个振型参与质量(%)累加振型参与质量(%)X平动Y平动扭转X平动Y平动扭转12.7061290.013.230.000.013.230.0022.3164531.810.000.021.833.240.0231.9221671.550.140.293.383.370.3140.7298920.552.420.023.945.790.3350.7209992.041.300.005.977.090.3460.5587131.580.290.337.557.380.6770.3884333.240.030.0210.797.410.6980.3463690.274.490.0411.0611.900.7390.2813872.430.670.3113.4912.571.04400.0340160.090.130.6386.7286.4287.58410.0317850.000.040.2686.7286.4687.84420.0310010.020.020.0186.7586.4787.85430.0301910.020.000.2386.7686.4788.08440.0283040.000.020.0586.7786.4988.12450.0282140.000.000.0586.7786.4988.17------------------------------------------------------合计:86.7786.4988.177、梁有效翼缘宽度的选取1)考虑允许混凝土开裂，现行规范两侧各6倍板厚太大;2)梁刚度放的过大,不利于强柱弱梁。因此：1）广东高规5.2.2：边梁刚度增大系数可取1.3～1.5，中梁可取1.5～2。2）广东高规6.2.10：梁有效翼缘宽度可取两侧各4倍板厚且不大于梁高。（以前按3倍，现改为按4倍）建议:中梁(H800mm)刚度放大系数：2.0中梁(H≥800mm)刚度放大系数：1.5内力计算时还可适当减少。8、短肢墙的定义1)将截面高厚比不大于8作为短肢剪力墙与一般剪力墙分界点时，会有矛盾发生，例如，有一截面厚度为200x1650mm的剪力墙，按截面高厚比不大于8来判断，它是一般剪力墙；当墙厚加厚至250时，却算作短肢剪力墙，设计反而要加强，明显不合理。因此：1）广东高规7.1.8短肢墙的定义改为:截面高度小于等于1600mm且截面厚度小于300mm。当选择满足广东高规时，常见的截面200x1650,250x1650,300x1500，软件将判断为一般墙。9、短肢墙的构造控制广东高规7.2.2增加了下划线的内容：1）一、二、三级短肢剪力墙的轴压比，在底部加强部位分别不宜大于0.45、0.50、0.55，一字形截面短肢剪力墙的轴压比限值再相应减少0.05；在底部加强部位以上的其他部位不宜大于上述规定值加0.05(放松了底部加强部位以上短肢墙的轴压比控制)；（如下短墙接近柱按柱的方法控制配筋率，接近一般墙按墙的方法控制）2）高厚比小于等于6(仍要满足高规全部竖向钢筋的配筋率的构造要求)，短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%；其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%；3）高厚比大于6(边缘构件竖向钢筋配筋率要满足构造要求,因为剪力墙较长时，配筋集中在墙端部更有效)，约束边缘构件竖向钢筋配筋率一、二级不宜小于1.6%，三、四级不宜小于1.4%；构造边缘构件竖向钢筋配筋率一、二级不宜小于1.4%，三、四级不宜小于1.2%；10、框剪调整广东高规8.1.4(0.2V0框剪调整)、9.1.10(筒体结构框剪调整)、10.2.1(巨框筒结构框剪调整)和11.2.16(框支柱框剪调整)所有框剪调整中：取消了与柱相连框架梁的同步调整，只调整柱的剪力和端部弯矩，有利于强柱弱梁。11、剪力墙约束边缘构件阴影区的构造广东高规7.2.12：1）增加了剪力墙混凝土强度等级高于C60时的构造要求:剪力墙约束边缘构件阴影部分的竖向钢筋配筋率一、二、三级分别不应小于1.6%、1.4%和1.2%，并分别不应小于8F18、6F16和6F14；2）“有翼墙”和“转角墙”的约束构件阴影范围有改动，约束构件翼缘宽度按翼缘厚度bf取改为按腹板厚度bw取。当翼墙厚度bf比腹板墙厚度bw大很多时，约束边缘构件取bw加两倍bf导致范围过大。取bw，范围小比较合理,上为T形暗柱,下为L形暗柱高规和广东高规对有翼墙或转角墙详细规定如下图:高规广东高规12、转换层的底部加强部位高规10.2.2：带转换层的高层建筑结构，其