常见结构设计问题辨析(专题篇上部)

1.跃层柱计算长度系数确定
• 二是考虑跃层柱在临界荷载状态下屈曲，由欧拉临界荷载公 式反算该构件的计算长度计算
式中Ncr——临界荷载 E——材料弹性模量 I——截面惯性矩 L——杆件的实际长度
1.跃层柱计算长度系数确定
案例分析：
某8度（0.1g）5层框架结构，首层有两根跃四层柱子（层高分别为6m、5m 、5m、5.5m）,截面为1000mm×1000mm，柱砼强度等级为C40，通过分 层建模（跃层柱分为四段），V2.2版 SATWE及PMSAP软件分析其计算长度 及相应的构件配筋，并了解跃层柱的屈曲模态。
2.性能设计
2.性能设计
• 关于构件损坏程度
2.性能设计
• SAUSAGE计算结果和构件损坏程度的对应关系
结构构件 无损坏 轻微损坏 损坏程度 轻度损坏 中度损坏 比较严重损坏
梁、柱
完好
混凝土开裂或 钢材塑性应变 0-0.004
钢材塑性应变 0.004-0.008
剪力墙， 壳单元模拟的 连梁
完好
1.跃层柱计算长度系数确定
方法二：构件屈曲分析确定计算长度系数; V2.2版PMSAP软件可以各阶屈曲模态，进行Buckling分析，计 算中选取恒载（D）+活载(L)作为屈曲分析每步加载值，对整体 结构进行线性屈曲分析。 分析步骤如下： 对跃层柱进行线性屈曲分析得到结构的各阶屈曲模态，屈曲临 界荷载系数；然后检查各阶段屈曲模态形状，确定该构件发生 局部屈曲时的临界荷载系数，得到该构件的屈曲临界荷载Ncr； 最后由欧拉临界荷载公式反算该构件的计算长度计算。
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
对Z1底端考虑三种情况柱计算长度系数值修正后，进行双偏压承载力配筋计算
计算长度系数 条件来源 刚性楼板假定 非刚性楼板假 定 屈曲分析 计算长度系数 1.0 3.58 3.78 X向单侧配 筋（cm2） 33 58 59 Y向单侧配筋 （cm2） 33 49 54 X向差异 0% 176% 179% Y向差异 0% 148% 163%
1.跃层柱计算长度系数确定
1、从上表可以看出，根据屈曲分析反算计算长度系数得到的配 筋最大，非刚性楼板假定条件下柱配筋次之。
2、在跃层柱刚性楼板假定条件下，得到的计算长度系数值与非 跃层柱的是一致的（考虑楼板的侧向支撑影响），该种条件下 得到的计算长度系数是失真的，配筋结果很可能偏小。
3、可以采用将跃层柱看做一根柱子，再按照规范方法去确定其 计算长度系数。在有条件或者对构件计算长度系数值没有把握 的情况下，可以采用Buckling分析构件失稳的结果反算其计算 长度系数值。
结构抗震性能水准 1 2 关键构件 设计值复核 设计值复核 结构构件部位 普通竖向构件 设计值复核 设计值复核 耗能构件 设计值复核 正截面按标准值复核； 受剪承载力按设计值复核
3
正截面按标准值复核； 受剪承载力按设计值复核
正截面按标准值复核； 受剪承载力按设计值复核 标准值复核，部分耗能构 件进入屈服阶段； 受剪截面满足截面限制条 件 标准值复核，较多的竖向 构件进入屈服阶段； 受剪截面满足截面限制条 件
大震 不屈服 部分屈服，满足抗剪截面验算 大部分屈服，满足抗剪截面验算 不屈服 部分屈服，满足抗剪截面验算 大部分屈服，满足抗剪截面验算
2、性能设计
2.性能设计
性能设计时承载力计算的构件状态判断 弹性或拟弹性计算时一般通过构件是否超筋来判断构件是否满足计算要求； 弹塑性计算时一般通过构件是否出现塑性假定标示来判断构件是否满足计算 要求。 （1）多遇地震构件承载力计算时，如果构件没有出现超筋的情况则表示构 件处于弹性状态。 （2）设防烈度地震构件承载力计算时，按中震弹性计算的构件如果没有出 现超筋的情况则表示构件处于弹性状态，按中震不屈服计算的构件如果没有 出现超筋的情况，则表示构件处于不屈服状态。 注意:分为抗弯，抗剪情况。（直观法） 对于框架柱截面可以通过N-M曲线更深入了解
• • • • 不同地震力（小震、中震、大震） 不同构件（普通构件、关键构件、耗能构件） 同一构件的不同内力（弯矩、剪力、轴力） 指定不同的性能目标（或性能水准）进行设计，保证结构在地震作用下的 安全性能（承载能力，继续承载的能力）及使用性能
2.性能设计
• 新高规3.11.1条将结构抗震性能目标分为A、 B 、C 、D四个等级，并给 出了各性能目标在各地震动（小震、中震、大震）作用下的性能水准要求 ，性能水准分为1、2、3、4、5 个等级，对应构件破坏程度为为“ 无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”。每个性能目 标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。
性能水准 关键构件 普通竖向构件 耗能构件 继续使用可能性 计算手段
2.性能设计
• 以某框支转换结构为例的性能C要求设计
框支柱、框支梁 框架柱 框架梁 底部加强区剪力墙 普通剪力墙 剪力墙连梁
小震 弹性 弹性 弹性 弹性 弹性 弹性
中震 抗弯不屈服，抗剪弹性 抗弯不屈服，抗剪弹性 部分屈服，满足抗剪截面验算 抗弯不屈服，抗剪弹性 抗弯不屈服，抗剪弹性 部分屈服，满足抗剪截面验算
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
1.跃层柱计算长度系数确定
第八阶屈曲模态图
1.跃层柱计算长度系数确定
从屈曲分析的结果及屈曲模态图可以看出，在第八阶模态出现跃层柱局部屈 曲，其屈曲因子Kcr=38.67。 • D+L屈曲分析工况的初始Z1、Z2轴力分别为4941KN、4846KN（压力），则 受力最小柱子屈曲时的临界荷载分别为Ncr1=38.67*4941=191068KN， Ncr2=38.67*4846=187395KN，将Ncr代入上式得到柱子的计算长度分别为 L1=3.14× 3.25 × 10000000 ÷ 12 ÷ 191068 1 /2= 22.25m,L2= L1=3.14× 3.25 × 10000000 ÷ 12 ÷ 187385 1 /2=22.69m。可统一取其总计算长度 为22.7m，系数为22.7÷21.5=1.056。 • 则每柱段从下至上计算长度系数分别为 • 底层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H1×C=（6+5+5+5.5）÷6×1.056=3.78 • 二层和三层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H2×C =（6+5+5+5.5） ÷5×1.056=4.54 • 四层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H4×C =（6+5+5+5.5）÷5.5×1.056=4.13
2.性能设计
框架柱正截面偏心受压/受拉计算相关公式，可得出其受 压/受拉承载力承载力Nu和受弯承载力Mu之间的相关曲线方 程， Nu- Mu曲线包络区域即为框架柱的正截面承载力包络
区域。
2.性能设计
性能设计——中震不屈服（做法） 将SATWE或者PMSAP计算出中震作用下，框架柱正截面配 筋控制组合（N,M）代入承载力包络图中验算。如控制值在
1.跃层柱计算长度系数确定
• 延伸： • Buckling分析除了可以通过失稳模态反推构件计算系数之外 ，还可以确定建筑结构整体稳定性，通过查阅特征值算法得 到屈曲因子来判断结构整体稳定性情况。
稳定特征值大于10，可以认为通过稳定验算 稳定特征值大于20，可以认为无须考虑二阶效应
2.性能设计
• 抗震性能化设计，是一种建立在概念设计基础上的抗震设计 新发展
注：表中H为底层柱从基础顶面到一层楼盖顶层的高度； 其余各层柱为上下两层楼盖顶层之间的高度。
1.跃层柱计算长度系数确定
目前规范提到的计算长度系数考虑到上下楼盖可以作为柱的有 效侧向支撑情况，当跃层柱一侧或者两侧没有足够的支撑刚度 时，该如何计算它的计算长度系数呢？ 有两种考虑方式： • 一是将柱中间侧向支撑不足位置忽略，取侧向支撑较强的高 度作为H考虑。
PKPM常见问题汇总 用M/Vh0计算剪跨比
深圳建研建筑科技有限公司
V2.2版常见问题汇总 (上部结构专题篇）
专题篇
1.跃层柱计算长度系数确定 2.性能设计 3.嵌固端和M值理解 4.剪力滞后问题分析 5.框支框架结构的倾覆力矩 6.连梁超限问题处理 7.位移角问题处理 8.混合周期处理
1.跃层柱计算长度系数确定
混凝土受压损伤因子DC，表示刚度的退化率，DC为0.3时，表示抗压弹 性模量已退化30%，小于0.1时，为中度损坏；大于0.1时，认为损坏严重。 剪力墙主要以受压损伤面积作为损坏的主要判断标准。
2.性能设计
• 不同抗震性能水准可按下列规定进行设计： • 计算公式：
2.性能设计
• 不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求
混凝土开裂或 钢材塑性应变 0-0.004
混凝土受压损 伤<0.1且损坏 宽度<50%横截 面宽度，或钢 材塑性应变 0.04-0.008
钢材塑性应变 钢材塑性应变 0.008-0.012或 >0.012或混凝土 混凝土受压刚度 受压刚度退化 退化<0.1 >0.1 混凝土受压损伤 <0.1且损坏宽度 混凝土受压损伤 >50%横截面宽度， >0.5，或混凝土 混凝土受压损伤 受压损伤0.10.1-0.5且损坏 0.5且损伤宽度 宽度<50%横截面 >50%横截面宽度， 宽度或钢材塑性 或钢材塑性应变 应变0.008>0.012 0.012
正截面按标准值复核，部 分耗能构件进入屈服阶段； 受剪承载力按标准值复核
标准值复核，大部分耗能 构件进入屈服阶段； 受剪截面满足截面限制条 件； 标准值复核，允许部分耗 能构件发生比较严重破坏； 受剪截面满足截面限制条 件；
4
标准值复核 标准值复核，部分耗能构件进 入屈服阶段； 受剪截面满足截面限制条件
跃层柱特点： • 结构局部楼板开大洞，部分柱子周边没有楼层梁，柱子长度 变长。跃层柱容易发生失稳，在一定条件下需考虑构件挠度 对轴力作用的效应（p-δ效应），而这分析过程中，正确计算 跃层柱的计算长度系数是关键点。
1.跃层柱计算长度系数确定
规范对混凝土柱计算长度系数条文
楼盖类型 现浇楼盖 装配式楼盖 柱的类别 底层柱 其余各层柱 底层柱 其余各层柱 L0 1.0H 1.25H 1.25H 1.5H
混凝土楼板
Biblioteka Baidu
同剪力墙，损伤面积<50%横截面变为损伤面积<50%单跨楼板的宽度
2.性能设计
采用FEMA标准，设钢材的塑性应变分别为屈服应变2,4,6倍时，分别对 应轻微损坏，轻度损坏，中度损坏三种程度。常用Q345钢对应的屈服应变 为0.002，则三种状态下的应变为0.004，0.008,0.012。
5
2.性能设计
• • • • 性能A对应：小震、中震、大震性能水准为1、1、2 性能B对应：小震、中震、大震性能水准为1、2、3 性能C对应：小震、中震、大震性能水准为1、3、4 性能D对应：小震、中震、大震性能水准为1、4、5
2.性能设计
• 性能C要求设计
小震 1 无损坏（弹性） 无损坏（弹性） 无损坏（弹性） 不需继续修理即可继续使用 弹性 中震 3 轻微损坏（抗剪弹性， 抗弯不屈服） 轻微损坏（抗剪、抗弯 不屈服） 轻度损坏，部分中度损 坏（抗剪不屈服） 一般修理后继续使用 等效弹性 大震 4 轻度损坏（满足最小截 面要求） 部分构件中度损坏（满 足最小截面要求） 中度损坏，部分构件比 较严重损坏（满足最小 截面要求） 修复或加固后可继续使 用 等效弹性+弹塑性
1.跃层柱计算长度系数确定
跃层柱计算长度确定 方法一：SATWE自动计算其跃层柱计算长度系数值 • 在刚性楼板假定的情况下，跃层柱子从下至上计算长度系数 分别为1.0，1.25,1.25，1.25（该结果明显不对）。
1.跃层柱计算长度系数确定
跃层柱计算长度确定
• 在非刚性楼板假定的情况下，Z1、Z2的一到四层柱看作一根柱子，由于 其为底层柱，所以，计算长度系数为1.0（即总计算长度为21.5m）每柱 段从下至上计算长度系数分别为 • 底层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H1×C =（6+5+5+5.5）÷6=3.58 • 二层和三层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H2×C =（6+5+5+5.5） ÷5=4.3 • 四层柱段：（H1+H2+H3+H4）÷H4×C =（6+5+5+5.5）÷5.5=3.91