pkpm專題之結(jié)構(gòu)薄弱層的概念和控制secret教學文稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。pkpm專題之結(jié)構(gòu)薄弱層的概念和控制secret-專題三結(jié)構(gòu)薄弱層的概念和控制在02版“抗規(guī)”關(guān)于結(jié)構(gòu)沿豎向規(guī)則性要求中，對側(cè)向剛度不規(guī)則定義一種薄弱層的概念；在89版“抗規(guī)”中，原先就有的彈塑性薄弱層的概念。這兩種薄弱層概念一并在此說明，解釋在計算機軟件中怎樣實現(xiàn)的，要注意些什么問題。1結(jié)構(gòu)層剛度沿豎向突變產(chǎn)生的薄弱層1.1規(guī)范條文高規(guī)的4.4.2、5.1.14條規(guī)定，抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度小于其上一層的70%或小于其上相臨三層側(cè)向剛度平均值的80%，或某樓層豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，其薄

2、弱層對應(yīng)于地震作用標準值的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。另外高規(guī)附錄E.0.2條規(guī)定，當?shù)撞繋мD(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層及3層以上時，其樓層側(cè)向剛度尚不應(yīng)小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%?？拐鹨?guī)范附錄E2.1規(guī)定，筒體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上下層的側(cè)向剛度比不宜大于2。1.2軟件實現(xiàn)規(guī)范對結(jié)構(gòu)的層剛度有明確的要求，在判斷樓層是否為薄弱層時，抗震規(guī)范和高規(guī)建議的計算層剛度的下列方法（地下室是否能作為嵌固端、轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作為依據(jù)）：方法1：高規(guī)附錄E.0.1建議的方法剪切剛度：Ki=GiAi/hi方法2：高規(guī)附錄E.0.2建議的方法剪彎剛度：Ki=Vi/i方法3：抗震

3、規(guī)范的3.4.2和3.4.3條文說明及高規(guī)建議的方法地震剪力與地震層間位移的比：Ki=Vi/i軟件已全部實現(xiàn)。程序提供三種方法的選擇項，用戶可以選用其中之一。程序隱含的方法是第3種，即地震作用下層剪力與層間位移之比。對于薄弱層：（1）程序?qū)⒃搶拥卣鹱饔脴藴手档牡卣鸺袅Τ艘?.15的增大系數(shù)；（2）程序設(shè)有指定薄弱層項。用戶可手工指定薄弱層；（3）這三種計算方法有差異是正常的，可以根據(jù)需要選擇；（4）對于大多數(shù)一般的結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇第第3種層剛度算法；（5）對于多層結(jié)構(gòu)可以選擇第1種層剛度算法；（6）對于有斜支撐的鋼結(jié)構(gòu)可以選擇第2種層剛度算法。選擇第3種方法計算層剛度和剛度比控制時，一般要采用“剛性

4、樓板假定”的條件。對于有彈性板或板厚為零的工程，應(yīng)計算兩次。在剛性樓板假定條件下計算層剛度并找出薄弱層。再在真實條件下計算，并且檢查原找出的薄弱層是否得到確認，完成其它計算。轉(zhuǎn)換層是樓層豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的薄弱層。不管該層程序判斷是否滿足剛度比要求，用戶都應(yīng)將該層手工置為“薄弱層”。第3種方法適用于所有結(jié)構(gòu)類型計算剛度比及薄弱層，且比其它二種方法更易通過剛度比驗算。1.3操作方法分為層剛度比計算方法的設(shè)定和指定薄弱層的操作。SATWE層剛度比計算方法的設(shè)定進入菜單2.結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件內(nèi)力計算SATWE計算控制參數(shù)在層剛度比計算框中的三個任選項剪切剛度、剪彎剛度或地震剪力與地震層間位移的比內(nèi)選一

5、打，則可。指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調(diào)整進入菜單1.接PM生成SATWE數(shù)據(jù)1.分析與設(shè)計參數(shù)補充定義調(diào)整信息在指定的薄弱層個數(shù)項內(nèi)填入要用戶設(shè)定薄弱層的總層數(shù)，再在各薄弱層層號項內(nèi)填入薄弱層的結(jié)構(gòu)層號。TAT層剛度比計算方法的設(shè)定進入菜單3.結(jié)構(gòu)內(nèi)力，配筋計算計算選擇在層剛度計算選擇框中的三個任選項剪切層剛度、剪彎層剛度或平均剪力/平均層間位移內(nèi)選一打，則可。指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊放大1.15進入菜單2.數(shù)據(jù)檢查和圖形檢查3.參數(shù)修正調(diào)整信息在考慮附加薄弱層地震剪力的人工調(diào)整項內(nèi)打，此時彈出折減系數(shù)菜單。在指定薄弱層的層號行中填入X方向、Y方向的薄弱層放大系數(shù)

6、值。注意：程序按填入的放大系數(shù)調(diào)整，不一定是1.15。PMSAP層剛度比計算方法的設(shè)定進入菜單3.參數(shù)補充與修改設(shè)計信息。在樓層剛度比計算框中的三個任選項剪切剛度算法、剪彎剛度算法或地震層間剪力比地震層間位移算法內(nèi)選一。指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調(diào)整進入菜單3.參數(shù)補充與修改計算調(diào)整信息在指定的薄弱層個數(shù)項中填入要用戶設(shè)定薄弱層的總層數(shù)，再在指定的各薄弱層層號項內(nèi)填入薄弱層的結(jié)構(gòu)層號。1.4關(guān)聯(lián)操作剛性樓板假定：設(shè)定第三種層剛度比計算方法（地震剪力與地震層間位移的比）時，一般應(yīng)該有剛性樓板假定。地下室：層剛度比計算用于地下室是否能作為嵌固端的判定條件。但注意，用第三種層剛度比計算

7、方法（地震剪力與地震層間位移的比）計算層剛度比時，已經(jīng)考慮了地下室的基礎(chǔ)回填土的約束剛度，所以是不符合規(guī)范規(guī)定的。此時用戶可以如下操作：（1）將地下室信息中回填土對地下室的約束相對剛度比填為0，先算一遍，判定地下室是否可作為嵌固端。（2）用第一種層剛度比計算方法（剪切剛度比）先算一遍，判定地下室是否可作為嵌固端。轉(zhuǎn)換層上、下剛度突變的控制：選取那種層剛度計算方法要按高規(guī)規(guī)定方法進行。1.5結(jié)果說明程序逐層輸出每一層層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數(shù)。SATWE層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數(shù)的結(jié)果可在WMASS.OUT中查看。如以下所示：各層剛心、偏心率、相鄰層側(cè)移剛度比等計算信息Ratx，Ra

8、ty：X、Y方向本層塔側(cè)移剛度與下一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度的比值Ratx1，Raty1：X、Y方向本層塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者RJX，RJY，RJZ：結(jié)構(gòu)總體坐標系中塔的側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度=FloorNo：1，TowerNo.：1Xstif=45.7917(m)，Ystif=-11.6787(m)，Alf=0.0000(Degree)Xmass=50.9751(m)，Ymass=-13.9529(m)，Gmass=1022.9373(t)Eex=0.4070，Eey=0.1706Ratx=1.0000，Raty=1.0000Ratx1=2

9、.1582，Raty1=2.3140，薄弱層地震剪力放大系數(shù)=1.00RJX=4.7175E+06(kN/m)，RJY=4.7783E+06(kN/m)，RJZ=0.0000E+00(kN/m)TAT層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數(shù)的結(jié)果可在TAT-M.OUT中查看。如以下所示：-|各層附加薄弱層地震剪力的人工調(diào)整系數(shù)|-層號：Nfloor=4調(diào)整系數(shù)：X向WakeX=1.00Y向WakeY=1.00層號：Nfloor=3調(diào)整系數(shù)：X向WakeX=1.00Y向WakeY=1.00層號：Nfloor=2調(diào)整系數(shù)：X向WakeX=1.15Y向WakeY=1.15層號：Nfloor=1調(diào)整系數(shù)：X向

10、WakeX=1.00Y向WakeY=1.00*第四部分各層層剛度、剛度中心、剛度比*各層(地震平均剪力/平均層間位移)剛度、剛度比等，其中：Ratio_d1：表示本層與下一層的層剛度之比Ratio_u1：表示本層與上一層的層剛度之比Ratio_u3：表示本層與上三層的平均層剛度之比-層號塔號X向?qū)觿偠萗向?qū)觿偠葎傂淖鴺耍篨、YX向偏心率Y向偏心率-410.1361E+070.1636E+0751.92-14.330.020.11310.9378E+060.9106E+0653.00-13.210.050.28210.1812E+070.1663E+0746.97-13.430.330.0211

11、0.2843E+070.2570E+0747.19-13.690.280.00-層號塔號Ratio_d1：X、YRatio_u1：X、YRatio_u3：X、Y薄弱層放大系數(shù)：X、Y-411.451.801.261.321.391.491.001.00310.520.550.690.560.820.691.151.15210.640.651.931.831.611.321.151.15111.001.001.571.552.071.831.001.00PMSAP層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數(shù)的結(jié)果可在工程名_TB.RPT（簡單摘要）文件中查看。如以下所示：7.樓層剛度比X剛度比：本層X剛度比

12、下層X剛度Y剛度比：本層Y剛度比下層Y剛度X剛度比1：本層X剛度比上層X剛度的70%和上三層X剛度平均值的80%中的大者Y剛度比1：本層Y剛度比上層Y剛度的70%和上三層Y剛度平均值的80%中的大者采用的樓層剛度比算法:剪彎剛度算法X剛度比Y剛度比X剛度比1Y剛度比1薄弱層調(diào)整系數(shù)樓層：1剛度比：1.001.000.030.041.15樓層：2剛度比：1.871.591.431.411.00樓層：3剛度比：1.001.019.535.371.00樓層：4剛度比：0.150.251.581.391.002結(jié)構(gòu)樓層受剪承載力沿豎向突變產(chǎn)生的薄弱層2.1規(guī)范條文高規(guī)的4.4.3、5.1.14條規(guī)定，

13、A級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的75%。抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的承載力小于其上一層的80%，其薄弱層對應(yīng)于地震作用標準值的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。2.2軟件實現(xiàn)程序無自動進行樓層層間受剪承載力不滿足的判斷的功能。用戶在確定某層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力小于其上一層的80%時，應(yīng)將該層手工設(shè)置為薄弱層。2.3操作方法用戶可做指定薄弱層的操作。SATWE指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調(diào)整進入菜單1

14、.接PM生成SATWE數(shù)據(jù)1.分析與設(shè)計參數(shù)補充定義調(diào)整信息。在指定的薄弱層個數(shù)項內(nèi)填入要手工設(shè)定薄弱層的總層數(shù)，再在各薄弱層層號項內(nèi)填入相當?shù)谋∪鯇铀诮Y(jié)構(gòu)的層號。TAT指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊放大1.15進入菜單2.數(shù)據(jù)檢查和圖形檢查3.參數(shù)修正調(diào)整信息。在考慮附加薄弱層地震剪力的人工調(diào)整項內(nèi)打，此時彈出折減系數(shù)菜單。在指定薄弱層的層號行中填入X方向、Y方向的薄弱層放大系數(shù)值。注意：程序按填入的放大系數(shù)調(diào)整，不一定是1.15。PMSAP指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調(diào)整進入菜單3.參數(shù)補充與修改計算調(diào)整信息在指定的薄弱層個數(shù)項中填入要用戶設(shè)定薄弱層的總層數(shù)，再在指

15、定的各薄弱層層號項內(nèi)填入薄弱層的結(jié)構(gòu)層號。關(guān)聯(lián)操作見薄弱層（剛度比）：參見剛度比的薄弱層相關(guān)內(nèi)容。2.4結(jié)果說明程序逐層輸出每一層薄弱層（包括用戶指定）地震剪力放大系數(shù)。詳見薄弱層（剛度比）的結(jié)果說明。3結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算我國的抗震設(shè)計的基本思想，是“三水準設(shè)防和兩階段設(shè)計”；三水準設(shè)防是“小震不壞，中震可修，大震不倒”；兩階段設(shè)計是第一階段，小震下彈性設(shè)計，即多遇地震下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力驗算和結(jié)構(gòu)彈性變形驗算，對各類結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求采取抗震措施；第二階段，對一些規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的彈塑性變形驗算。結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，指罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移不超過彈塑性層間位移角，屬變形能力極限狀態(tài)驗算

16、。3.1驗算范圍“高規(guī)”4.6.4條，高層建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形驗算，應(yīng)符合下列規(guī)定：下列結(jié)構(gòu)應(yīng)進行彈塑性變形驗算：（1）7-9度時樓層屈服強度系數(shù)小于0.5的框架結(jié)構(gòu)；（2）甲類建筑和9度抗震設(shè)防的乙類建筑結(jié)構(gòu)；（3）采用隔震和消能減震技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)。下列結(jié)構(gòu)宜進行彈塑性變形驗算：（A）在下列高度范圍：（1）8度、類場地和7度，建筑高度大于100m；（2）8度、類場地，建筑高度大于80m；（3）9度，建筑高度大于60m。并且存在以下問題的：（1）剛度突變的軟弱層；（2）受剪承載力的突變層；（3）結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下不連續(xù)貫通；（4）上部樓層收進部位到室外地面的高度H1與房

17、屋高度H之比大于0.2時，上部樓層收進后的水平尺寸B1小于下部樓層水平尺寸的0.75倍；（5）上部結(jié)構(gòu)樓層相對于下部樓層外挑時，下部樓層的水平尺寸B小于上部樓層水平尺寸B1的0.9倍，或水平外挑尺寸a大于4m。（B）7度、類場地和8度抗震沒設(shè)防的乙類建筑結(jié)構(gòu)；（C）板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)。驗算目的，防止結(jié)構(gòu)在罕遇地震時倒塌。樓層屈服強度系數(shù)是指，按構(gòu)件實際配筋和材料強度標準值計算的樓層受剪承載力與按罕遇地震作用計算的樓層彈性地震剪力的比值。3.2彈塑性變形計算方式（1）罕遇地震作用取值烈度789max0.50（0.72）0.9（1.2）1.4（2）作用效應(yīng)組合只考慮罕遇地震下的彈塑性層間變形，不考慮

18、其它荷載下產(chǎn)生的變形；地震作用分項系數(shù)馭1.0，其它荷載組合值系數(shù)取0。（3）計算方法“高規(guī)”5.5.1條規(guī)定，7、8、9度抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)，在罕遇地震作用下薄弱層（部位）彈塑性變形計算可采用：（a）彈塑性位移增大系數(shù)法“高規(guī)”5.5.3條的簡化方法，適用于不超過12層，且層側(cè)向剛度無突變的框架結(jié)構(gòu)；（b）彈塑性時程分析方法；（c）“抗震規(guī)范”5.5.3條，還提出可采用靜力彈塑性分析方法。pkpm軟件系列提供了相應(yīng)的計算軟件，在TAT、SATWE、PMSAP結(jié)構(gòu)設(shè)計程序中提供了計算薄弱層彈塑性變形的增大系數(shù)法；也提供了高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析程序EPDA，靜力彈塑性分析方法程序PUSH

19、OVER，用于上款規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層彈塑性變形計算。3.3彈塑性層間位移的簡化方法簡化方法即為彈塑性位移增大系數(shù)法。A.結(jié)構(gòu)薄弱層的位置確定按“高規(guī)”5.5.3.1款有：（1）樓層屈服強度系數(shù)沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)，可取底層；（2）樓層屈服強度系數(shù)沿高度分布不均勻的結(jié)構(gòu)，可取該系數(shù)最小的樓層及相對較小的樓層，一般不超過2-3處。B.層間彈塑性位移可按下列公式計算其中：p-彈塑性位移增大系數(shù)，當薄弱層的屈服強度系數(shù)不小于相鄰層該系數(shù)平均值的0.8時，按下表采用；當不大于該平均值的0.5時，可按表內(nèi)相應(yīng)數(shù)值的1.5倍采用；其他情況可采用用內(nèi)插。結(jié)構(gòu)的彈塑性位移增大系數(shù)p框架總層數(shù)y0.50.40

20、.32-41.31.41.605-71.51.651.808-121.82.002.20y-樓層屈服強度系數(shù)。y=Vy/VeVy-樓層實際受剪承載力，按構(gòu)件實際配筋和材料強度標準值計算；Ve-罕遇地震作用標準值產(chǎn)生的框架樓層彈性地震剪力；可采用多遇地震作用標準值產(chǎn)生的層間地震剪力乘以罕遇地震與多遇地震的水平地震影響系數(shù)最大值的比值；對于7、8、9度，此比值分別有6.25(6.00)、5.625(5.00)和4.375。C.彈塑性位移驗算其中：層間彈塑性位移角限值，可按高規(guī)中表4.6.5采用；對框架結(jié)構(gòu)，當柱軸壓比小于0.40時，可提高10%；當柱全高的箍筋構(gòu)造比規(guī)范規(guī)定的最小配筋特征值大30%

21、時，可提高20%，但累計不超過25%。層高D.樓層受剪承載力的估算TAT、SATWE采用“擬弱柱化法”，計算公式如下：計算柱端正截面受彎承載力當柱的時，式中柱端按實際配筋和材料強度標準值計算的正截面受彎承載力；鋼筋強度標準值；受拉區(qū)縱向鋼筋實際配筋截面面積；N可取重力荷載代表值的柱軸向壓力；混凝土軸心抗壓強度標準值。（2）計算柱和樓層受剪承載力式中第i層第j根柱受剪承載力；、分別為第i層第j根柱上、下端正截面受彎承載力，按（1）節(jié)計算；第i層柱凈高；第i層樓層受剪承載力。E.軟件的操作（彈塑性位移增大系數(shù)法）在進入“構(gòu)件配筋設(shè)計與驗算”菜單時，選擇“計算12層以下框架結(jié)構(gòu)的薄弱層”的計算選項，

22、程序會自動執(zhí)行計算，結(jié)果輸出在TAT-K.OUT（TAT）、SAT-K.OUT（SATWE）文件中。以一幢7層框架為例，輸出的SAT-K.OUT文件內(nèi)容如下：=OutputofWeak-Storey-AnalysisofFrameStructureDisplacementsofFloorsunderearthquakeload=Vx、Vy-TheShearForceofFloors（樓層剪力）VxV、VyV-TheBearingShearForceofFloors（承載力）-FloorTowerVxVyVxVVyV(kN)(kN)(kN)(kN)-71330.78384.67794.12741

23、.31612430.162683.983656.013711.57514063.654389.334797.234797.23415255.975630.555531.875531.87316192.916645.115858.665858.66217152.737659.955963.406000.83118183.148707.415145.584952.42TheYieldCoefficientsofFloor（樓層屈服強度系數(shù)）-FloorTowerGsxGsy-712.40071.9271611.50441.3829511.18051.0929411.05250.9825310.94600.8816210.83370.7834110.62880.5688TheElasti