22多、高层房屋结构的分析和设计计算06

2.2多、高层房屋结构的分析和设计p350~361、P427~439一、荷载1．竖向荷载楼面、屋顶活荷载以及雪荷载的标准值，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》规定采用。规范中未给出一般高层办公楼、旅馆、公寓中所需要的酒吧间、屋顶花园等的最小屋顶活荷载标准值。遇这种情况，应按实际情况采用，但不得小于表4-9所列的数值。多层建筑应考虑活荷载的不利分布；高层建筑活荷载值的比重不大，可不考虑活荷载的不利分布。在计算构件效应时，楼面及屋面竖向荷载可仅考虑各跨满载的情况。2．风荷载(GB50009—2001)规定，一般建筑结构风荷载的重现期为50年，高层建筑的重现期可适当提高，重现期可取100年，基本风压乘以系数1.1。邻近有高层建筑互相干扰时，风荷载的影响不容忽视的。邻近建筑的影响较复杂，试验资料也少。一般无论邻近有无高层建筑，高度超过200m的建筑物，风荷载应按风洞试验确定。3．地震荷载国家标准《建筑抗震设防分类标准》(GB50223)，根据建筑使用功能的重要性，分甲类、乙类、丙类和丁类四个抗震设防类别。甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的；乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的；丁类建筑：抗震属于次要性的；丙类建筑：甲类、乙类和丁类建筑除外的一般建筑。抗震设计目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。两阶段的抗震设计：多遇地震作用及罕遇地震作用设计。多遇地震相当于50年超越概率为63.2％的地震，罕遇地震相当于50年超越概率为2％—3％的地震。多遇地震作用的抗震计算要求：(a)通常应在结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担；(b)当有斜交抗侧力构件时，宜分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用；(c)质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计算水平地震作用的扭转影响；(d)9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9度抗震设防的大跨度和长悬臂构件，应计算竖向地震作用。设计反应谱：弹性反应谱理论是现阶段抗震设计的基本理论，《建筑抗震设计规范》所采用的设计反应谱，是以水平地震影响系数α曲线的形式表达的。地震影响系数曲线地震反应谱为便于求地震作用，将单自由度体系的地震最大绝对加速度反应与其自振周期T的关系定义为地震加速度反应谱，或简称为地震反应谱。意义：可以理解为一个确定的地面运动，通过一组阻尼比相同但自振周期各不相同的单自由度体系，所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线。影响因素：一个是体系的阻尼比，二是地震动。总体：阻尼比的减少，地震影响系数提高.罕遇≤12层12层阻尼比0.050.0350.02衰减指数r直线下降斜率调整系数1阻尼调整系数27度0.1gmax0.050.080.08Tg=0.4s（Ⅱ类场地，第二组)T=1.5s(Tg∽5Tg）地震影响系数0.0150.0270.03T=4s(5Tg∽6s）地震影响系数0.0120.0210.024T=0~0.1s地震影响系数0.45max∼2max0.023∼0.050.036∼0.090.036∼0.11T=0.1s~Tg地震影响系数2max0.050.090.11水平地震影响系数α的计算：（4-38）（4-39）（4-40）(1)底部剪力法采用底部剪力法计算水平地震作用，各楼层可按一个自由度计算。按下式计算各楼层的等效地震作用：顶部突出物：底部剪力法计算顶部突出物的地震作用，可按所在的高度作为一个质点，按其实际定量计算所得水平地震作用放大3倍后，设计该突出部分的结构。增大影响宜向下考虑1~2层，但不再往下传递。基本自振周期T1：按主体结构弹性刚度所得钢结构的计算周期，由于非结构构件及计算简图与实际情况的差异，建议计算周期考虑非结构构件影响的修正系数ξT取0.9。对质量及刚度沿高度分布比较均匀的结构，基本自振周期可用下列公式近似计算：Un——结构顶层假想侧移(m)。初步计算时，结构的基本自振周期按经验公式估算：n—建筑物层数(不包括地下部分及屋顶小塔楼)。(2)振型分解反应谱法对不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法可仅考虑平移作用下的地震效应组合，并应符合下列规定：(a)j振型i层质点的水平地震作用标准值(b)水平地震作用效应(弯矩、剪力、轴向力和变形)：突出屋面的小塔楼，应按每层一个质点进行地震作用计算和振型效应组合。当采用3个振型时，所得地震作用效应乘增大系数1.5；当采用6个振型时，所得地震作用效应不再增大。(3)竖向地震作用9度时的高层建筑，计算竖向地震作用时，可按下列要求确定竖向地震作用标准值：(a)总竖向地震作用标准值(b)楼层i的竖向地震作用标准值(4)时程分析法采用时程分析法计算结构的地震反应时地震波的选择应符合下列要求：1）采用不少于四条能反映当地场地特性的地震加速度波，包括一条本地区历史上发生地震时的实测记录波。2）地震波的持续时间不宜过短，宜取10~20s或更长。或找与建筑物场地地质条件类似地区的强震记录，或采用根据当地地震危险性分析获得的人工模拟地震波，使地震波的频谱特性能反映当地场地土性质。3）输入地震波的峰值加速度，按下表采用。二、结构分析1．计算模型的建立当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用空间结构计算模型。建立计算模型时应注意：(1)假定楼面在其自身平面内为绝对刚性。对整体性较差，或开孔面积大，或有较长外伸段的楼面，或相邻层刚度有突变的楼面，宜采用楼板平面内的实际刚度，或对按刚性楼面假定计算所得结果进行调整。(2)高层钢结构梁柱的跨度与截面高度比一般都较小，应考虑剪切变形的影响；高层框架柱轴向变形的影响也不能忽视；梁的轴力小，且与楼板组成刚性楼盖，可不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或帽桁架的弦杆或支撑桁架的杆件时，轴向变形不能忽略；钢框架节点域较薄，其剪切变形对框架侧移影响也应考虑。弹性分析时，压型钢板组合楼盖中梁的惯性矩对两侧有楼板的梁取1.5Ib，仅一侧有楼板时取1.2Ib，Ib为钢梁惯性矩。(4)抗震设计的高层建筑柱间支撑两端的构造应为刚性连接，但按铰接计算。偏心支撑的耗能梁段按单独单元计算。(5)现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙，宜计入墙的弯曲变形、剪切变形和轴向变形。当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则的开孔时，可按带刚域的框架计算；当具有复杂开孔时，宜采用平面有限元法计算。(6)当进行结构内力分析时，应计入重力荷载引起的竖向构件差异缩短所产生的影响。(3)进行结构弹性分析时，可考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作；进行弹塑性分析时，楼板已开裂，可不考虑楼板与梁的共同工作。2．静力分析方法框架结构、框架—支撑结构、框架剪力墙结构和框筒结构等，内力和位移可采用矩阵位移法计算。筒体结构可按位移相等原则转化为连续的竖向悬臂筒体，采用薄壁杆件理论、有限条法或其他有效方法进行计算。高度小于60m的建筑或在方案设计阶段估算截面时，可采用下列近似方法计算荷载效应：(1)竖向荷载作用下，框架内力可采用分层法进行简化计算；水平荷载作用下，框架内力和位移可采用D值法进行简化计算。(2)平面布置规则的框架-支撑结构，在水平荷载作用下简化为平面抗侧力体系分析，将所有框架合并为总框架，将所有竖向支撑合并为总支撑，然后进行协同工作分析。总支撑可当作一根弯曲杆件，其等效惯性矩Ieq按下列公式计算：(3)平面布置规则的框架—剪力墙结构，水平荷载作用下简化为平面抗侧力体系分析，将所有框架合并为总框架，所有剪力墙合并为总剪力墙，然后进行协同工作分析。(4)平面为矩形或其他规则形状的框筒结构，可采用等效角柱法、展开平面框架法或等效截面法，转化为平面框架进行近似计算。用等效截面法计算外框筒构件截面尺寸时，外框筒可视为平行于荷载方向的两个等效槽形截面，其翼缘有效宽度可取为b=min(L/3，B/2，H/10)L和B分别为筒体截面的长度和宽度，H为结构高度。等效截面法：框筒在水平荷载下的内力，可用材料力学公式作简化计算。(5)对规则但有偏心的结构进行近似分析时，先按无偏心结构进行分析，然后将内力乘以修正系数，修正系数应按下式计算(但扭矩计算的结果对构件的内力起有利作用时，应忽略扭矩的作用)。3．多、高层框架近似分析方法(1)分层法竖向荷载作用下，多层框架的侧移较小，且各层荷载对其他层的水平构件的内力影响不大，把每层作为无侧移框架用力矩分配法进行计算。计算结果:水平构件的内力即为水平构件内力的近似值，垂直构件为自上而下各相邻两层同一垂直构件的内力叠加值。分层法计算步骤：(a)将框架以层为单元分解为若干无侧移框架，每单元包含该层所有的水平构件及与该层相连接的所有垂直构件。底层垂直构件与基础连接的特性保持不变，其他所有垂直构件的远端均设定为固定端。图中的框架被分解为以ABCD、EFGH和IJKL为横梁的三个无侧移框架单元。(b)非底层无侧移框架单元的垂直构件并非固定端，因此将其抗弯刚度乘以0.9修正系数，并将其传递系数修正为1／3。(c)对无侧移框架作力矩分配法计算，所得水平构件内力即为水平构件内力的近似值。(d)自上而下将各相邻两层同一垂直构件的内力叠加，得各垂直构件的内力近似值。(e)节点弯矩严重不平衡时，可将不平衡弯矩再作一次分配，但不再传递。(2)D值法框架在水平荷载作用下的内力近似分析法。在仅受节点水平荷载作用下，若梁的抗弯刚度远大于柱的抗弯刚度，则认为柱两端的转角为零，柱段内至少存在一个反弯点。柱的转角位移方程为端部剪力为1）反弯点法：设框架第i层的总剪力为Vi，假定框架同一层所有柱的层间位移均相同，则有式中，Vij、dij分别是位于i层的第j个柱的剪力和抗侧移刚度。柱的剪力为(a)柱端弯矩计算公式：假定上层柱的反弯点位于柱高中点，底层柱的反弯点位于距底端2／3柱高处，则式中Mu，Md分别是柱上端和下端弯矩；(b)梁端弯矩计算公式：设梁端弯矩与其线刚度成正比，考虑各节点力矩平衡，则(c)求梁的剪力：2）D值法对层数不多的框架，梁的线刚度通常大于柱的线刚度，当梁的线刚度不小于柱的线刚度的3倍时，反弯点法能给出较好的精度。对一般的多、高层建筑，反弯点法的精度过低。在反弯点法中，考虑端部转角影响，对柱的抗侧移刚度及影响反弯点位置的一些因素进行修正，可提高反弯点法的精度。修正后柱的抗侧移刚度记为D，以区别与端部转角为零时柱的抗侧移刚度d的区别。——柱侧移刚度修正系数。与其两端连接的横梁的线刚度有关，可按相关表格选用。将反弯点位置表达为反弯点到柱下端的距离与柱高的比值，称为反弯点高度比。影响反弯点位置的因素很多，对反弯点位置的修正是在标准反弯点高度比的基础上进行的。标准反弯点高度比是指：层高、跨度和梁柱线刚度比都为常数的多层多跨框架在水平荷载作用下的反弯点高度比。反弯点高度比的修正系数的计算公式：D值法也称改进反弯点法，位于i层的第j柱的柱端弯矩计算公式改变为：4．稳定分析方法纯框架的整体稳定属于整体分析的问题，但目前用柱稳定的计算方式来实现的。GB50017规范给出了采用二阶分析的规定。二阶弹性分析的内力由一阶分析的结果乘放大系数。杆端弯矩M由下式计算式中Mb——假定框架节点无侧移，按一阶弹性分析求得的各杆件端弯矩；Ms——框架各节点实现侧移时，按一阶弹性分析求得的杆件端弯矩；2——所计算楼层考虑二阶效应的杆件侧移弯矩增大系数；∑N——所计算楼层各柱轴压力设计值之和；∑H——产生层间侧移u的所计算楼层及以上各层的水平力之和；u——按一阶弹性分析求得的所计算楼层的层间侧移；h——所计算楼层的高度。∑Nu／(∑Hh)≤0.1时，2≤1.1，不作二阶分析；当21.33时，表明框架侧移刚度过低，需要改变尺寸来增大刚度。在采用二阶分析的同时，在每层柱顶附加下列假想水平力Hi，柱计算长度取其几何长度。式中Qi——第i楼层的总重力荷载设计值；ns——框架总层数；y——钢材强度影响系数，对Q235钢和Q345钢，分别取1.0和