高层建筑结构概念设计-韩小雷

高层建筑结构概念设计
(广东省注册工程师培训讲座)
1
结构工程是这样一种艺术:
使用材料 这些材料属性只能估算
建立真实的结构 这些真实的结构只能近似分析
来承受外力 这些外力不能准确得知
以满足我们对公众安全职责的要求 2
1. 荷载
▪ 竖向荷载
美国规范规定混凝土容重取24kN/m3，而常用的计算软件没有考虑扣 除梁板重叠、竖向构件和水平构件重叠引起的重复荷载，故为了考虑 剪力墙结构的墙面装修荷载而取混凝土容重为27kN/m3是不合理的。
32
5)从振动台试验及弹塑性分析得到 的启示：
3～20层的较为刚性的结构是 比较敏感的，高柔结构、超高 层结构反应不敏感。
33
22. 重要结构的抗震加固方法
1)强度+构造（延性）→抗震性能
如果抗震性能的目标是正确的， 则强度与构造间是可以互相补 充的。
34
2)以上思想为不符合现行规范构造的 结构抗震加固提供了出路：不是 不符合构造要求的结构都需要加 固。
——[美国]G.P.Manning
▪ 应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析， 但更需要运用正确的判断力。尤其是当我们把结构开拓成综 合型、新材料和更大跨度的时候。
——[美国]林同炎
▪ 结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求 相对的最佳，而无绝对的最佳最优。
——[英国]Over Arup
39
25. 关于最小配筋率的讨论
▪ 对于悬挑长度小于500， 厚度大于 100 的装饰性线条，若其仅承受自 重和表面装修荷载，可不按最小配 筋率设置，仅需满足强度和使用性 要求。
40
ACI318-2002关于最小配筋率的补充规定：
10.5.3——The requirements of 10.5.1 and 10.5.2 need not be applied if at every section AS provided is at least one-third greater than that required by analysis.
确”算法与“粗糙”算法有本质 的偏
离，则“精确”的方法的结果是
不
44
3)美国、日本的研究、工程应用现状
▪ 美国——单片剪力墙模型通过试验数据得 出，复杂的剪力墙等效为杆件。
（OPENSEES,DRAIN 2D,IDARC 2D， SAP2000）
▪ 日本——高层建筑基本不采用剪力墙 结构，均为杆系。
41
26. 关于弹塑性分析的若干讨论
42
▪ 精确——从理论上考虑各种因素，从 微观出发，数值处理困难， 不易收敛。
▪ 粗糙——以试验数据为依据，从宏观 出发，数值处理较为简单， 较易收敛。
43
1) 在目前(或可见的未来3～8年)
“精确”的弹塑性分析的精度与 “粗
糙”的结果的可靠性对比
2) 两者结果应相互校核，如果 “精
▪ 水平荷载
风荷载：
10年一遇基本风压：舒适度验算 50年一遇基本风压：刚度验算 100年一遇基本风压：强度验算
地震作用：
小震(重现期50年)：弹性 中震(重现期475年)：基本弹性 大震(重现期2475年)：弹塑性
3
2. 结构设计的荷载组合与 荷载效应组合
4
3. 结构稳定、倾覆与基础埋深
高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002) 要求高层建筑结构的稳定符合如下规定：
6
5. 框筒与筒中筒结构
框筒结构:
筒中筒结构:
7
剪力滞后现象:
8
6. 结构抗弯刚度与抗扭刚度的关系
▪ 结构的抗弯刚度和与抗扭刚度应相匹配，基本原 则是结构振型为平平扭。若抗弯刚度太大，抗扭 刚度相对较弱，可能产生第一振型就是扭转，扭 转第一周期与平动周期之比以及平面最大位移与 平均位移不能满足规范要求，这时可采用以下两 个方法： 1）增加抗扭刚度，有时很困难 最好采用：在不增加竖向构件的前提下，增加 连梁的作用 2）在层间位移有富余的情况下，可减小抗弯刚度
▪ 地形地貌模型试验 ▪ 高频动态天平刚体模型测力风洞试验 ▪ 刚体模型测压风洞试验 ▪ 气弹全模型风致振动响应风洞试验
19
广州观光塔 效果图 (610m):
20
广州西塔效果图(432m):
21
13. 结构计算均假设结构处于 弹性状态，实际结构是处于 弹塑性状态
22
14. 强柱弱梁、强剪弱弯、强墙弱连梁
23
15. 美国规范要求无粘结预应力 结构中，非预应力筋必须能 抵抗100﹪恒载及25﹪活载
24
16. 带地下室的结构计算假设嵌 固在±0.000时，±0.000应 设计成强梁弱柱
25
17. 带地下室的结构计算假设嵌固 在±0.000时，结构刚度大为 增大，计算出的结构刚度偏大， 位移偏小，地震作用偏大
9
7.《高规》建议的高层建筑 结构分析模型
▪ 空间协同 ▪ 空间杆系 ▪ 空间杆—薄壁杆 ▪ 空间杆—墙板元 ▪ 有限元
10
8. 梁板结构、宽扁梁结构和 无梁楼盖的传力路径
11
9. 对规范要求钢筋混凝土框架 结构“大震不倒”的思考
12
13
14
15
16
10. 中国高规的发展
▪ 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JGJ3-79) 1979
26
18. 无地下室的结构，计算模型 为首层嵌固，这是有条件 的，应设计成强梁弱柱。
27
19. 性能的设计方法：强度 + 延性
28
20. 弹性与弹塑性时程分析的选波 及其概率性定义
1)现行规范的弹性反应谱的来由 ——体现了概率的统计意义
2)弹塑性反应谱 ——可变参数多，无法用 单一谱反应
29
3)用大量的涵盖各种情况的地震波 进行弹塑性时程分析，符合概率 统计的思想，是“ 可 靠”的，是 解决问题的一个正确方法。
47
28. 讲课时间及内容安排
星
星
星期一 期 星期三 期 星期五
二
四
上午
结构设计概念 （一）
结构抗震设计 概念（一）
讨论及 考试
下午
结构设计概念 （二）
结构抗震设计 概念（二）
48
结束 !
49
（CANNY）
45
4)地震实测数据及实验室试验数据 是检验弹塑性分析是否合理的重 要标准。
5)可靠的符合统计意义的弹塑性分
析是判别结构 “大震不倒”的重 要
标准。
46
27. 结束语
国际结构设计名人的忠告：
▪ 混凝土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图 寻求“百分之百的计算精确度”，无疑是在浪费时间和金钱。
▪ 1） 剪力墙结构、框架剪力墙结构、 筒体结构应符合下式要求：
n
EJ d 1.4H 2 Gi i 1
▪ 2）框架结构应符合下式要求：

n
Di 10 Gj / hi i 1, 2, , n
ji
5
4. 结构抗扭
▪ 风荷载作用 合力中心为建筑物
投影的几何中心
▪ 地震荷载作用 合力中心为质量中心
4)如何选波，如何进行概率统计是 下一步需要解决的问题。
30
21. 振动台试验介绍
1)地震实测数据和振动台试验数据 是检验弹塑性分析软件的重要标 准。
2)振动台试验的模型设计及其重力 相似比。
31
3)存在的几点问题：附加重量的滑动阻 尼、台面加速度与电脑输入加速度的 差异等
4)振动台试验实例 a、华标三期 b、日本阪神地震之一 之二 c、框架结构与剪力墙结构 d、美国PEER振动台试验
▪ 高层建筑结构设计建议(体选择与构造措施) 上海科学技术出版社，1984
▪ 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JGJ3-91) 中国建筑工业出版社， 1991
▪ 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002) 中国建筑工业出版社， 2002
17
11. 结构竖向规则性
18
12. 超高层建筑的风洞试验
35
3)选用符合概率统计意义的一批地 震波，对反映结构真实几何尺寸、 真实材料性能和真实截面配筋的 结构模型进行弹塑性时程分析， 对其性能作出评价。
36
4)增加耗能支撑阻尼是框架结构加固 的一个有效的方法
37
23. 基于能力的转换层结构设计简介
38
24. 《建筑工程抗震性态设计通则》 简介
90%的内容以美国FEMA规范条文 为蓝本