高層結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1、 研究生課程考核試卷科 目： 高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 教 師： 學(xué) 生： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 結(jié)構(gòu)工程 類 別： 學(xué)術(shù) 上課時間： 2014 年3 月至2014 年 6 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 某高層的結(jié)構(gòu)指標(biāo)驗算【摘要】：此文是作者2014年7月到9月在某設(shè)計院實習(xí)期間所遇到的工程實例。通過PKPM軟件進行建模，采用SATWE模塊計算，通過查找輸出文件的各種指標(biāo)如周期比、層間位移比、剛度比、剛重比、剪重比彈性層間最大位移限值和結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算等驗證結(jié)構(gòu)的安全性能。通過對整個主樓的設(shè)計過程的研究總結(jié)出對于工程設(shè)計的若干條建議。【關(guān)鍵詞】：扭

2、轉(zhuǎn)位移比 層間位移比 位移角 傾覆彎矩 SATWE 1 項目簡介1.1 項目概述建設(shè)用地面積28971平方米，總建筑面積92921.11平方米，功能為：住宅及其配套商業(yè)、車庫。由3棟住宅樓以及1、2、3號商業(yè)和地下車庫與幼兒園組成。其中1、2號住宅樓為28層，3號住宅樓層為30層，1號商業(yè)為5層， 23號商業(yè)樓為4層，幼兒園為2層。文章挑選3號樓作為描述對象闡述高層住宅樓的設(shè)計過程，該工程地下1層，地上29層，結(jié)構(gòu)主屋面高度為87米；樓梯屋面高度90米。建筑效果圖見圖1.1。圖1.1 建筑效果圖2設(shè)計依據(jù)2.1主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限：50年。2.2自然條件基本風(fēng)壓，0.4

3、kN/m2；抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組：第一組。2.3本工程采用的主要法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)：1工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB 50153-2008）；2建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）；3混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2010）；4砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50003-2011）；5建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）；6高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2010）；7建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)（GB 50223-2008）；8建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2011）；9建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-2008）；10.建筑邊坡工程技

4、術(shù)規(guī)范GB50330-2002；11建筑工程設(shè)計文件編制深度的規(guī)定(建設(shè)部2008年版)15、中國地震局關(guān)于學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所建設(shè)工程抗震設(shè)防要求確定原則的通知（中震防發(fā)【2009】49號）。2.4設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)1）建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級2）地基基礎(chǔ)設(shè)計等級：乙級。3）建筑抗震設(shè)防類別：丙類。4）建筑防火分類等級與耐火等級1、2、3號住宅樓，建筑耐火等級為一級；1、2、3號商業(yè)樓建筑的耐火等級為二級。汽車庫防火分類為類，耐火等級為二級。2.5場地分析和地勘報告分析1）場地基本情況擬建場地及周邊未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、危巖、斷層不良地質(zhì)作用。場區(qū)擬建地段開闊，土層下部為巖質(zhì)地基，巖體分布連續(xù)，巖

5、層產(chǎn)狀平緩，巖質(zhì)地基穩(wěn)定性好。土層與下伏基巖接觸面平緩。場地內(nèi)水文地質(zhì)條件較簡單，抗震設(shè)防烈度為6度。場地按設(shè)計地坪標(biāo)高及環(huán)境標(biāo)高平場后，場地與地基穩(wěn)定，適宜本工程建設(shè)。場地內(nèi)無高邊坡及不良地質(zhì)現(xiàn)象。2）工程地質(zhì)和水文地質(zhì)概況場內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下為：第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土（Q4dl+el）及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組基巖(J2s)組成，基巖巖性主要為中厚層狀泥巖構(gòu)成。按風(fēng)化程度可劃分強風(fēng)化帶基巖和中風(fēng)化帶基巖?，F(xiàn)分述如下： 粉質(zhì)粘土（Q4dl+el）：紫紅色及褐黃色，主要由粘粒組成，手捻 有砂感，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，韌性中等，干強度中等，可塑。分布于整個場地，厚薄不均，厚度約2.01m3.86。

6、 強風(fēng)化帶基巖（J2s）：強風(fēng)化帶巖石：主要為泥巖，夾有砂巖薄層，泥巖主要為紫紅色，巖石裂隙發(fā)育，破碎，巖芯不完整，巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造已破壞，多呈塊狀、少量短柱狀。厚度2.584.17m。 中風(fēng)化帶基巖(J2s)：主要為泥巖：紫紅色，粘土礦物為主，部分含砂質(zhì)，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。該帶巖體完整性指數(shù)0.64-0.73，巖體較完整。根據(jù)環(huán)境調(diào)查及地下水、土層組成成分室內(nèi)測試資料表明：場內(nèi)及附近周邊無工業(yè)污染，地下水及地基巖、土對砼物有微腐蝕性?？傊簣龅貎?nèi)水文地質(zhì)條件較簡單。3主要荷載取值3.1.永久外加荷載的容重圍護及填充墻體采用頁巖空心磚，外墻采用厚壁型頁巖空心磚容重14kN/m³，內(nèi)

7、墻采用頁巖空心磚容重8kN/m³，管井及有水房間（衛(wèi)生間、廚房）地面以上1500采用混凝土砌塊，容重19kN/m³；砂漿選用M5混合砂漿；車庫頂板以上覆土容重20KN/m3。 3.2.樓（屋）面活載、特殊設(shè)備荷載序號荷載類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)序號荷載類別標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)1不上人屋面0.52上人屋面2.03屋頂花園3.04樓梯間、電梯廳、通道3.55廚房、起居室、臥室、過道2.06衛(wèi)生間2.57公共通道、陽臺、露臺2.58車道、車庫4.09商業(yè)3.5注：（1）30t消防車折算荷載取27kN/m3； （2）非固定隔墻的自重取每延米長墻重的1/3作為樓面活荷載的附加值計入，

8、附加值不少于1.0kN/m3；（3）電梯吊鉤荷載：30kN/個；（4）特殊荷載：消防水箱18T3.3.風(fēng)荷載建筑基本風(fēng)壓根據(jù)荷載規(guī)范為0.40kN/，地面粗糙度為B類； 體型系數(shù)1.3；風(fēng)壓高度變化系數(shù)分別按照B類地面采用。采用0.25kN/的風(fēng)荷載作為風(fēng)壓舒適度驗算的荷載取值，對應(yīng)重現(xiàn)期為10年。3.4.地震作用抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組：第一組，場地類別：II類，場地特征周期0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比5%，地震影響系數(shù)0.04。注：對于雪荷載、基礎(chǔ)浮力、溫度作用等本設(shè)計中都不做考慮。4. 主要材料的選用1）混凝土強度等級：柱、剪力墻：C30 C50；梁、板

9、，C30C40；基礎(chǔ)： C30。超長部分單元采用微膨脹混凝土，添加6-8%ZY.2）鋼筋：梁、板、柱、基礎(chǔ)的縱向受力鋼筋均采用400MPa級的熱軋帶肋鋼筋；箍筋，和剪力墻分布筋采用HPB300鋼筋3）圍護及填充墻體：圍護及填充墻體采用頁巖空心磚，外墻采用厚壁型頁巖空心磚容重14kN/m³，內(nèi)墻采用頁巖空心磚容重8kN/m³，強度等級不小于MU5.0；管井及有水房間（衛(wèi)生間、廚房）地面以上1500采用混凝土砌塊，強度等級不小于MU10，容重19kN/m³；砂漿選用M5混合砂漿。4. 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)布置4.1.結(jié)構(gòu)選型住宅樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，建筑中部采用樓梯、電梯、

10、管井組成的筒體布置剪力墻、樓梯，布置剪力墻，其余部分采用建筑外墻與內(nèi)隔墻布置剪力墻。梁板式樓蓋結(jié)構(gòu)，全部采用現(xiàn)澆鋼筋砼。垂直荷載主要通過樓板傳遞到框架梁、墻；水平荷載（地震力、風(fēng)力）由框架柱及抗震墻承擔(dān)。屋蓋及樓蓋結(jié)構(gòu)采用主次梁樓蓋體系，控制梁截面高度，滿足其他專業(yè)及使用的凈空要求。4.2.結(jié)構(gòu)平面布置4.2.1建筑平面圖標(biāo)準(zhǔn)層平面圖4.2.2結(jié)構(gòu)平面圖標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖結(jié)構(gòu)樓層組裝模型4.3.結(jié)構(gòu)構(gòu)件墻、梁和板的設(shè)計思路4.3.1.墻構(gòu)件 住宅樓對建筑格局的要求比較嚴(yán)格，對于大開間的房屋，如客廳、臥室等不能中間過梁，墻的布置更不能隨心所欲，需要嚴(yán)格遵守建筑的格局布置，剪力墻的厚度也因此固定

11、為200mm。剪力墻的布置特點一般為:1）角部布墻：建筑房屋的角部如果沒有特殊的要求，如：開角窗等，需要在建筑的四個甚至以上的角部布置墻體，這樣能有效的提高剪力墻抗側(cè)剛度和結(jié)構(gòu)的整體抗扭轉(zhuǎn)的性能。2）樓梯、電梯處必布墻：樓梯電梯處對于建筑結(jié)構(gòu)的要求不高，而且從底到頂是拉通了的，因此是最合適布置剪力墻的部位，因此一定要布置剪力墻，但是由于中部的剪力墻剛度太大，造成結(jié)構(gòu)整體的抗扭轉(zhuǎn)性能變?nèi)?，此時需要降低剪力墻在此處的剛度，一般就是在剪力墻上面開洞口降低中間部位的強度。3）剪力墻的布置長度：剪力墻盡量多布置成L形、T形剪力墻L型，長肢部分的長度為1700mm，短肢部分為600mm，這樣取值的原因是根

12、據(jù)規(guī)范來的，對于200mm厚的墻如果墻長小于1600，軟件和規(guī)范都會認(rèn)為是短肢剪力墻，對墻體的要求會提高，而短肢部分，如果小于600mm時，墻的翼緣部分的貢獻作用就會不能考慮，同時建筑結(jié)構(gòu)也要求盡量少的用短肢剪力墻，因此對于結(jié)構(gòu)來說最經(jīng)濟的墻體布置方式就是以上的結(jié)構(gòu)尺寸。 4）剪力墻盡量對直成線，當(dāng)剪力墻長度大于5米時，在剛度有富裕時可設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口；建立墻的洞口上的梁到底是普通梁還是連梁的區(qū)別為看看梁的剪切位移是否可以忽略不計。不可以忽略的時候就要按連梁計算，可以忽略不計的時候就可以按普通梁來計算。連梁一般后于剪力墻損毀，為了使連梁作為剪力墻之前的抗震防線一般對建立墻的剛度進行折減，但是折減系

13、數(shù)不可以小于0.5。4.3.2.梁構(gòu)件 對于剪力墻結(jié)構(gòu)就要將墻體當(dāng)做梁的傳力構(gòu)件，墻體的布置要充分考慮建筑要求和結(jié)構(gòu)布置梁的需要，梁在住宅建筑中應(yīng)盡量的布置在墻體內(nèi)，考慮到美觀梁的寬度一般不大于隔墻的寬度，因此一般梁的寬度取為200mm。在縱橫交錯的復(fù)雜部位，最好的處理方法就是將梁的截面處理成一樣的。對于錯層的結(jié)構(gòu)，考慮將梁的高度提高，施工過程中是分層施工的，并不是一次現(xiàn)澆完成。4.3.3.板構(gòu)件對于板構(gòu)件與一般的結(jié)構(gòu)房屋也有不同之處，最主要的是板的下面不允許放置梁，因此對于客廳，主臥等開間比較大的房屋，板厚一般取為200mm，比一般的板要厚些。設(shè)計時還要注意陽臺，衛(wèi)生間等部位需要降板的標(biāo)高。

14、4.3.4.混凝土強度對于高層建筑混凝土的強度不是一成不變的，我所經(jīng)歷的這個住宅的混凝土強度1-5層的強度取值為C50,6-10層的混凝土強度取值為C45，10層以上的結(jié)構(gòu)混凝土強度取值為C40。5. 結(jié)構(gòu)運算及指標(biāo)調(diào)整5.1特殊構(gòu)件定義混凝土強度變化示意 底部加強區(qū) 剪力墻約束邊緣構(gòu)件5.2平面規(guī)則指標(biāo)5.2.1結(jié)構(gòu)周期比上圖中兩個圓圈的圖標(biāo)代表整個模型的剛度中心，圓圈中帶十字的圖標(biāo)代表模型的質(zhì)量中心，通過這個圖形我們可以定性的判斷結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是否明顯。對應(yīng)高規(guī)3.4.5中結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，

15、B級高度高層建筑、超過A級高度的混合結(jié)構(gòu)及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。本工程對應(yīng)A級高度，結(jié)構(gòu)計算的周期為：第一自振周期13.0639s第二自振周期22.9742 s第三自振周期32.5661 s結(jié)構(gòu)平動第一自振周期與扭轉(zhuǎn)第一自振周期之比為0.83<0.9滿足規(guī)范對于平面不規(guī)則的要求。5.2.2結(jié)構(gòu)位移比 對應(yīng)高規(guī)3.4.5中在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和岑建位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍。不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、超過A級高度的混合結(jié)構(gòu)及股砸高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均

16、值的1.4倍。結(jié)構(gòu)水平地震力作用下X、Y方向的最大位移結(jié)果如下：樓層數(shù)層間位移平均層間位移最大層間位移角本層與上層位移角的1.3倍及上三層平均位移角的1.2倍的比值的大者300.890.731/3355.5.80%290.950.771/3161.6.50%281.010.821/2956.6.50%271.080.881/2766.6.10%261.150.931/2601.5.50%251.220.981/2462.4.90%241.281.031/2343.4.40%231.341.081/2242.4.00%221.391.131/2155.3.60%211.441.171/2080.

17、3.20%201.491.21/2016.2.80%191.531.241/1961.2.40%181.571.271/1915.2.00%171.61.31/1877.1.60%161.621.321/1847.0.90%151.641.331/1831.0.80%141.651.341/1816.0.50%131.661.351/1807.0.10%121.661.351/1804.0.30%111.661.351/1809.0.90%101.641.341/1825.1.40%91.621.321/1849.2.10%81.591.291/1886.3.00%71.551.251/194

18、1.4.40%61.481.21/2024.6.30%51.391.121/2153.9.00%41.271.021/2358.14.10%31.10.871/2736.24.40%20.830.651/3629.52.30%10.380.31/7872.96.10%由上表可知每一層的層位移角都滿足規(guī)范要求的1/1000的要求。5.3豎向規(guī)則指標(biāo)5.3.1剛度比對應(yīng)于高規(guī)3.5.2條對于剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層與其相鄰上一層的側(cè)向剛度比可以按照式計算。且本層與相鄰上層的比值不宜小于0.9;當(dāng)本層層高大于小林上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1；對結(jié)構(gòu)底部嵌固層，該比值不宜小于1.5。結(jié)構(gòu)設(shè)計時每層的構(gòu)件布置相同，豎向剛度基本沒有變化，通過軟件計算給出的結(jié)果與預(yù)想的相同，此處不再做論述。5.3.2樓層受剪承載力之比樓層受剪承載力之比對應(yīng)高規(guī)3.5.3條，A級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其相鄰下一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力