结构设计基本步骤.docx
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结构设计基本步骤
结构设计基本步骤、方法及相关概念
PKPMCA邹军
一、常用规范
建筑结构荷载规范混凝土设计规范建筑抗震设计规范
建筑地基设计规范高层建筑混凝土结构技术规程岩土工程勘察规范
二、基本资料及信息1.建筑需求:
建筑外观、平面布局及使用功能要求,建筑重要性。
需要相应阶段的建筑图纸、审批文件。
2.使用荷载:
一般民用建筑可查看可在规范,普通住宅、办公室为2.0kN/m2,阳台2.5kN/m2;电梯机房等效8kN/mi;消防车等效20kN/m。
工业厂房需要业主提供文件,指定使用荷载。
3.风信息:
(荷载规范、高规)
a.基本风压:
一般用50年一遇,深圳为0.75kN/m2,对应风速约120公里
/小时;高度大于60米的结构,承载力计算用100年一遇的风压,深圳为0.90kN/m2)
b.地面粗糙度:
一般城市市区可选C
c.体型系数:
一般建筑取1.3
d.基本周期:
简单估算(0.1x楼层数),用于计算风振
e.其他相关概念:
Wk=z宙返W用于主要承重结构
Wk邛gzgsyzW用于围护结构
风压高度变化系数,
风振系数(基本自振周期大于0.25s,高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋,考虑顺风向风振系数;横向风软件没有考虑)
阵风系数:
计算围护结构风荷载群体效应:
群集的高层建筑,相互间距较近时,风力相互干扰,体型系数应增大。
4.地震信息:
(抗震规范、高规)
a.设防烈度:
按设计基本地震加速度值划分,分为6度(0.05g)、7
度(0.10g)、7度(0.15g)、8度(0.20g)、8度(0.30g)、
9度(0.40g),具体取值由政府规定(可查抗规附表),。
深圳为7度(0.1g)
b.设计地震分组:
按震中的近、远划分,分为第1组、第2组、第3组。
深圳为第1组
c.场地土类别:
按土层等效剪切波速和土层厚度划分,分I、H、皿、
W四类,大部分为H类。
由地质勘探部门提供。
可以理
解为I类场地土最结实,W最差。
d.其他抗震相关概念:
抗震设防三水准:
小震不坏、中震可修、大震不倒
抗震设计二阶段:
第一阶段设计为承载力设计:
用小震动参数、结构按弹
性计算,用分项系数组合进行构件截面承载力验算,通过概念设计及抗震构造满足大震不倒。
第二阶段为弹塑性变形验算。
大部分建筑可只进行第一阶段设计。
抗震设防分类:
按建筑重要性划分,分为甲、乙、丙、丁四类,具
体规定见《建筑抗震设防分类标准》。
甲类最重要,丁类为次要建筑,大部分为丙类。
设计基本地震加速度:
50年设计基准期超越概率10%的地震加速度设计取值。
地震作用计算方法:
底部剪力法、振型分解反应谱、弹性动力时程分析、弹塑性动力时程分析。
结构阻尼比:
混凝土结构0.05,钢结构0.02
重力荷载代表值:
永久荷载标准值+可变荷载标准值X组合系数,
组合系数软件默认取0.5,对于库房应取0.8、可变荷载按实际情况计算时组合系数应取1.0。
抗震等级:
根据烈度、结构类型、房屋高度(室外地面到主要屋面
板)确认,确认烈度时还要考虑抗震设防分类及场地土类别。
构件设计原则:
强柱弱梁、强剪弱弯。
5.地质勘察报告:
由结构设计人员根据工程具体情况提出勘察要求,甲方委托勘察单
位进行勘察,勘察单位提交勘察报告。
般包括一下内容
勘察目的、任务要求和依据的技术标准;拟建工程概况;勘察方法和勘察工作布置;场地地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质及其均匀性;各项岩土性质指标,岩土的强度参数、变形参数、地基承载力的建议值;地下水的埋藏情况、类型、水位及其变化;土和水对建筑材料的腐蚀性;场地稳定性、不良地质评价;基础形式推荐;图表:
勘察点平面布置图、土层剖面图、探孔柱状图、岩层等高线等。
深圳地区岩土分布情况:
填土、花岗岩残积土、强风化岩、中风化岩、微风化岩。
一般花岗岩残积土可作为天然地基的持力层,承载力200kPa多。
三、结构选型根据建筑高度、建筑需求、经济等确定。
1.单层厂房以前均采用钢筋混凝土排架结构,现在大都采用轻型门式钢架
2.多层采用钢筋混凝土框架架构、砖混结构,广东地区基本不用砖混结构,住宅多采用异型柱框架结构
3.大跨度结构考虑预应力、网壳
4.普通高层采用钢筋混凝土框剪结构、短肢剪力墙结构、剪力墙结构。
5.超高层(100米以上)采用型钢混凝土、钢-混凝土的框剪结构,或框筒、剪力墙结构、筒中筒结构。
四、结构布置
1.平面布置:
确定柱、剪力墙的位置
a.平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性不规则类型定义
扭转不规则:
楼层的最大弹性水平位移(或层间位移),大于该楼层两端
弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍
凹凸不规则:
结构平面凹进的一侧尺寸,大于相应投影方向总尺寸的30%楼板局部不连续:
楼板的尺寸和平面刚度急剧变化,例如,有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%,或较大的楼层错层
b.平面长度太长或楼层高度相差太大,要进行分缝或设置后浇带。
2.竖向布置:
建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变
不规则类型定义
侧向刚度不规则:
该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%;除顶层外,局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%
竖向抗侧力构件不连续:
竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架、厚板等)向下传递楼层承载力突变:
抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的)80%
五、构件截面估算
1.柱截面估算
a.柱竖向轴力估算
N=nAq
n---柱承受楼层数
A---柱子从属面积
q---竖向面荷载,可按下面估算
框架结构:
12-16(轻质砖)、14-18(粘土砖)
框剪结构:
15-18(轻质砖)、17-20(粘土砖)筒体、剪力墙结构:
18-22一般集体宿舍、普通住宅取大值,办公取小值。
厂房另行考虑
b.柱轴力调整(考虑水平荷载)
Nc=aBN
a---中柱a=1、边柱a=1.1、角柱a=1.2
B---地震水平力作用对柱轴力的放大系数
七度抗震:
B=1.05、八度抗震:
B=1.10
C.柱截面面积估算
Ac>Nc/(a*fc)
a轴压比
一级0.7、二级0.8、三级0.9,短柱减0.05
fc---砼轴心抗压强度设计值
Nc---估算柱轴力设计值
d.柱截面宽高bxh
h/b<4
根据受弯确定,中柱可按各向轴跨比估算,通常
2.梁截面估算
a.主梁(bxh):
梁高h取1/8至1/12的梁跨;
b.悬挑梁(bxh):
1/6的梁跨;
c.次梁(bxh):
1/12至1/18的梁跨;
h/b=2~3.
3.板截面估算
a.单向板:
板厚取1/30的板跨;
a.双向板:
板厚取1/30至1/40的板跨;
c.悬挑板:
1/10板跨;
六、竖向恒载计算
1.楼面荷载(kN/m2)
a.混凝土板厚(米)X25KN/M3(100mm,1x0.1x25=2.5KN/M2)
b.板面(砂浆、瓷砖/木板/等)、板下吊顶。
通常楼面可按IkN/m2考虑,屋面可按2〜3kN/mf考虑。
c.板上隔墙:
按实际荷载折算,一般轻质隔板可按IkN/m2考虑,轻质砌
体2〜3kN/m2考虑
2.梁(剪力墙)上隔墙荷载(kN/m)
a.墙厚(米)X容重X高度:
粘土砖18kN/m3,水泥空心砖10kN/m,粉煤灰轻渣空心砌块7〜8kN/m3,加气混凝土砌块5.5kN/m3。
b.墙面装饰厚度(双面)X容重X高度
墙面装饰层厚单面通常为0.02m,混合砂浆容重17kN/mL
c.门窗洞口扣去洞口部分墙体荷载,加上门窗自重。
梁墙上荷载可取等效均布荷载。
3.墙柱梁表面装饰荷载
通常将混凝土容重取大一点(28kN/m3)来考虑,不再另外计算。
七、结构计算(上部结构)
根据使用的软件不同,具体方法步骤不同,先掌握我们PKP的PMCACSATWE
及JCCAD
(一)建模
详见《PKPM建模常见问题及处理建议》、PMCAI使用手册
(二)计算参数
详见SATW使用手册
(三)软件运算
(四)计算书
1.结构平面布置简图(SATW“接PM生成数据”图形检查)
2.荷载平面布置简图(PMCA平面荷载显示校核)
3.基本参数等wmass.out
4.位移wdisp.out
5.地震wzq.out
6.各层配筋简图
7.各层梁裂缝、挠度平面简图(梁平法施工图)
8.各层板配筋面积简图(PMCA画结构平面图)
七、结果分析(SATW计算结果)
(一)原始输入数据检查(wmass.out)
1.检查各参数是否正确。
2.检查质量(荷载)
a.检查各楼层单位面积质量(1X恒+折减系数X活),与“PMCA荷
载校核”对比,避免荷载丢失。
b.检查“PMCA荷载校核”各楼层单位面积荷载(1.2X恒+1.4X活),
与经验值对比,判断荷载是否合理。
二)结构整体分析
1.水平位移控制(wdisp.out)
a.层间位移角(不考虑偶然偏心)限制:
框架结构1/550
框架-剪力墙、框架-核心筒、板柱-剪力墙1/800筒中筒、剪力墙1/1000
框支层1/1000
多、高层钢结构1/300
b.位移比(考虑偶然偏心)限制:
最大位移(层间位移)与平均位移(平均层间位移)之比:
A级高度建筑(普通多高层属于此类):
不宜大于1.5(抗震规范)不宜大于1.2,不应大于1.5(高规)
B级高度建筑、复杂高层结构、混合结构:
不宜大于1.2,不应大于1.4(高规)
2.抗震控制(wzq.out)
a.质量参与系数:
不少于90%(高规5.1.13.2)。
如果少于90%,增
加计算振型数。
b.周期:
规范没有周期大小的控制,根据经验估算,判断是否合理,
如果周期太大,则说明结构刚度太柔。
c.周期比:
扭转为主第一周期与平动为主第一周期之比
A级高度建筑不应大于0.9,
B级高度建筑、复杂高层结构、混合结构:
不应大于0.85平动扭转判定:
根据平动、扭转系数大小判定,如果平动系数越大,则平动所占的能量越多,一般来说,当该系数大于0.5时可
认为以该振动为主
第一周期的判定:
不要想当然认为排在第一的就是第一周期,应注意剔除局部振动产生的周期。
具体可看该振型对底部剪力的贡献,第一振型的贡献应是最大的。
d.剪重比:
该层地震作用总剪力/该层及其上部重力荷载代表值之和
规范规定了最小值(详见抗规表5.2.5,高规表3.3.13)7度基本周期小于3.5s的结构为0.016。
软件对小于最小值的会自动调整放大。
3.结构竖向规则(wmass.out)
(1).楼层侧向刚度比
a.普通楼层(刚度用“地震剪力/层间位移”计算)抗规3.4.2-3.4.3、高规5.1.14规定:
该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%,该层地震剪力应乘以1.15的放大系数。
软件会根据计算结果,自动乘以放大系数。
b.首层转换结构(刚度用“剪切刚度”计算)
高规附录E.0.1规定:
上下层刚度比宜接近1,抗震设计不应大于2,非抗震设计不大于3。
c.转换层数大于1层结构(刚度用“剪弯刚度”计算)
高规附录E.0.2规定:
上下部等效刚度比宜接近1,抗震设计不应大于1.3,非抗震设计不大于2。
(2)楼层层间受剪承载力
抗规3.4.3.2-2规定:
不应小于相邻上一层的65%。
(i=1,n)
(i=1,n)
4.结构抗倾覆验算(wmass.out)
抗倾覆弯矩/倾覆弯矩>1
5.结构重力二阶效应(wmass.out)
高规5.4.1.1、5.4.1.2规定:
刚重比
剪力墙、框剪、筒体EJd/(H2刀Gi)>2.7
框架结构Di*hi/刀Gj>20,(j=i,n)
不满足要求时,要考虑重力二阶效应。
6.结构整体稳定(wmass.out)
高规5.4.4规定:
刚重比应满足一下规定
剪力墙、框剪、筒体EJd/(H2刀Gi)>1.4
框架结构Di*hi/刀Gj>10,(j=i,n)
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