建筑工程施工技術之高層建筑結構與抗震-資料下載頁

【導讀】和城市化的結果。現代高層建筑的發展有利于節約用地、解決住房緊張，減少市政基礎設。施和美化城市空間環境。我國是高層建筑發展歷史悠久的國家。年在西安建造的大雁塔，高64m；公元1056年在山西應縣建造的木塔，高67m。國古代在建筑設計、結構體系選擇、施工技術和方法上具有很高的水平。我國自己設計和建造高層建筑始于20世紀50年代初。1958～1959年，北京的十大建筑。如1959年建成的北京民族飯店，12層，高。了60年代，我國高層建筑有了新的發展，1964年建成的北京民航大樓，15層，高；與此同時，在大城市和某些中等城市。上海首先建成了漕溪路20幢12～16層剪力墻住宅樓；北京建成。高，加上天線的高度共，這是我國第一幢大型高層鋼結構建筑。界最高建筑”之美譽長達40年之久。高層建筑結構要抵抗豎向和水平荷載，在地震區，還要抵抗地震作用。在一定的范圍內，以保證建筑結構的正常使用和安全。也就是說，在地震作用下，結構進入彈塑性階段后，仍具有抵抗地震作用

　　

【正文】 變形會使剛度較小的抗側力結構分配的水平力增大。此時剛性樓蓋的假定不適用，計算中應考慮樓板面內變形對內力與位移的影響。此時，若計算中仍采用樓蓋面內無限剛性假定，應對所得的計算結果進行適當調整。具體的調整方法和調整幅度與結構體系、構件平面布置、樓板削弱情況等密切相關。一般可對樓板削弱部 位的抗側剛度相對較小的結構構件，適當增大計算內力，加強配筋和構造措施。 高層建筑結構分析時，為了簡化計算，采用上述兩個基本假定。根據以上基本假定，可將圖 2 中的框架 — 剪力墻結構，在 y 方向（通常稱為橫向）簡化為 4 片框架、 2 片雙肢墻，即該結構具有 6 個平面抗側力單元，它們共同抵抗 y 方向的水平力 Py（圖 2（ b））。這 6 片抗側力結構之間由無限剛性的樓板聯系。當結構無扭轉時，各片結構在每層樓板處的側移都相等；當結構有扭轉時，樓板只作剛體轉動，因而各片結構的側移值呈直線關系（圖 4）。同理，在 x 方向（通常稱為縱向）有四片框架 （每片有 5 跨），共同抵抗水平力 Px（圖 2（ c））。 應注意到，雖然采用的是一個較為簡單的計算模型，但其結構的主要受力特性仍保持著空間體系的受力特征和屬性；同時為了彌補基本假定中的不足，往往還要配合一些相應的效應調整，使彈性靜力計算結果能較好地符合彈塑性受力特性。 三、平面結構的空間協同計算方法 1．基本原理 高層建筑空間協同工作的分析方法適用于一般框架、框架－剪力墻和剪力墻結構。這種分析方法于 1975 年提出，適應當時國內計算機容量小、速度低的情況，成為 70 年代和80 年代初國內高層建筑結 構分析最常用的方法，這類程序已裝備了各級設計單位。 本方法的主要思路是：為解決高層建筑結構層數多、桿件多、計算量大和計算機容量小、速度低的矛盾，將計算分兩步進行： 1）按位移協調條件，將水平力（風力或地震作用）分配到各片壁式框架（包括框架、剪力墻），得到每片壁式框架的各層作用的水平力； 2）逐片壁式框架進行單片平面框架分析，計算桿件內力。 這樣，只要滿足能進行單片平面框架分析的計算能力要求，就可以進行由許多片這樣的框架組成的高層建筑結構計算。 因此，本方法引入兩個基本假定： 1）高層建筑 結構可以分成若干片平面框架和平面剪力墻，它們都作為壁式框架處理。 2）樓板在自身平面內的剛度為無限大，樓面上任一片框架或剪力墻的位移都可以由坐 標原點的三個位移來表示。 這樣，在每層樓面上都可以建立三組方程： 1）幾何方程 用坐標原點 O 的三個位移 u、 v、θ來表示任一片框架、剪力墻的水平位移： 2）位移法方程 對各片壁式框架（框架、剪力墻）逐片進行位移法分析，可以建立各片抗側力結構水平位移和水平力的關系： 3）樓層內外力的平衡關系（力平衡方程） 所有 x 向抗側力結構樓層剪力之和應與 x 向外荷載產生的剪力相平衡； y 向剪力之和應與 y 向外荷載產生的剪力相平衡；所有抗側力結構剪力對原點之力矩應與外力對原點之力矩相平衡，從而得到方程： 將以上三個方程聯立 ，即可得到高層建筑結構協同工作分析的基本方程 。 協同工作分析的基本方程 是位移法方程，基本未知量為各樓層的位移 u、 v、θ，共 3N 個（ N 為層數），已知項為樓層外力 Px、 Py、 Mt，也是 3N 個，方程數也是 3N個，因此方程可解。由此可見，在協同工作分析中，不管有多少柱和墻，第一階段進行水平力分配時，基本未知量僅為層數的 3 倍，所以可以用小計算機分析層數很多的結構。 求出樓層位移后，運用幾何方程，可以求得各片抗側力結構的側移，再由位移法方程，得各片抗側 力結構的水平力，完成水平力在各片墻和框架之間分配的第一步計算。 考慮控件協同工作進行水平力分配，考慮了各片墻和框架的剛度、變形特點，考慮了它們在空間的位移協調一致（包括平移和扭轉）和內外力平衡條件，較好地反映了高層建筑結構的實際工作狀況。 所以，人為地、主觀地按軸線間距、荷載面積進行水平力分配，然后用簡單的平面框架程序計算，是不能勝任高層建筑結構分析的。 由空間協同工作條件確定各片抗側力結構承擔的水平力后，可按平面結構分析計算桿件的內力。 2．計算方法 根據上述基本假定，將高層建筑結構簡化為平面 體系后，內力分析時要解決兩個問題： 1）整體結構上的水平荷載應按位移協調原則，分配到各片抗側力結構上。 當結構只有平移而無扭轉發生時，根據剛性樓板的假定，在同一標高處的所有抗側力結構的水平位移都相等。因此，對于剪力墻結構的水平荷載，可按各片剪力墻等效抗彎剛度 的比例進行分配；純框架結構中各柱的水平力，按各柱的抗側剛度 D 的比例分配；框 — 剪結構因框架與剪力墻的變形性狀不同，不能簡單地只按各自的抗側剛度進行分配，應當根據水平位移協調原則，保持樓層內外力平衡，建立求解其內力和位移的微分方程式。 由于分配到各片抗側力結構上的荷載，是根據水平位移協調原則確定的，因此，荷載分配和各片抗側力結構的剛度有關，剛度愈大的結構單元分配到的荷載愈多。各片抗側力結構承擔的水平荷載不能簡單地按其受荷面積來計算。 （ 2）計算每片抗側力結構在所分到的 水平荷載作用下的內力及位移。 用簡化方法進行計算時，除必須考慮各構件的彎曲變形外，對 50m 以上或高寬比大于 4 的結構，宜考慮柱和墻肢的軸向變形；剪力墻宜考慮剪切變形。 這兩個問題將按照框架結構、剪力墻結構及框架 — 剪力墻結構依次在后面幾章中詳細討論。 用比較精細的方法進行內力與位移分析時，對布置較為規則的框架結構、剪力墻結構和框架 — 剪力墻結構，可采用平面抗側力結構的空間協同工作分析方法，由空間位移協調條件進行水平力的分配。 采用平面抗側力結構空間協同工作分析方法時，應考慮梁的彎曲變形和剪切變形， 對柱、墻應考慮彎曲、剪切和軸向變形。 3．協同工作分析程序的適用范圍 如前所述，空間協同工作程序采用的是按協調條件分配水平力，按單片結構進行內力計算的兩步計算方法，將一個完整的空間結構分解為若干片平面結構的組合。因而大大簡化了計算，同時也帶來了一些近似性。 所以，協同工作分析程序適用于平面較為規則的框架、框剪和剪力墻結構，其抗側力結構布置為正交或接近于正交。 協同工作程序用于斜交筒體結構（ 圖 5 ），將完整的空間筒體劃分為斜交的三片剪力墻和三片框架，也會產生很大的偏差。本來角區的結構要協調兩側結構共同受力，共同變形，角區受力較大；切開為單獨平面結構后，兩片平面結構各自獨立變形，計算結果角區內力大大下降，因而不安全。 同樣，協同工作分析程序用以處理弧形或折線形框架（ 圖 6 ）時，也要十分注意。當折線形框架或弧形框架較為平緩時，宜代換為整片平面框架，以保持邊柱受力大、中柱受力小的總內力分布規律，代換后的平面框架（圖 6b ）可放在弧形框架或折線形框架的重心處。一般不可分為兩 片小的斜框架，因為斷開后，內力分布狀況將發生較大改變（圖 6c ）。 由于協同工作分析時，將抗側力結構分解為平面結構，同一根柱將分別在不同的框架中使用兩次甚至多次，在每片框架中所計算得的軸力 N 均不相同，即產生豎向位移的不協調，目前，只能是計算某 一方向配筋，就采用某一方向框架計算所得的軸力（ 圖 7 ）。 此外，由于分開單片框架計算，所以柱均未考慮雙向偏壓，均按單向偏壓各向配筋。框架結構的角柱，宜按手算進行補充雙偏校核。 上述矛盾，只有采用三維空間分析方法才能解決。 第六講 水平荷載作用下框架內力的計算 —— D 值法 主要內容： D 值法 內容分解： 1）兩種計算方法的比較，引出較精確的 D 值法； 2）具體計算步驟 作用在框架上的水平荷載主要有風荷載和地震作用，它們均可簡化成作用在框架節點上的水平集中力。 由于水平荷載均可簡化為水平集中力的形式，所以高層多跨框架在水平荷載作用下的彎矩圖 通常如圖 1 所示。各桿的彎矩圖均為直線，且均有一彎矩為零的點，稱為反彎點。該點彎矩為零，但有剪力，如 圖 1 中所示的 。如果能求出各柱的剪力及其反彎點位置，則各柱端彎矩就可算出，進而根據節點力矩平衡可算出梁端彎矩。因此必須確定各柱間剪力的分配比和確定各柱的反彎點的位置。 一、反彎點法回顧 反彎點法的適用條件 為梁的線剛度 與柱的線剛度 之比大于 3，其計算過程如下： （ 1） 反彎點位置的確定 由于反彎點法假定梁的線剛度無限大，則柱兩端產生相對水平位移時，柱兩端無任何轉角，且彎矩相等，反彎點在柱中點處。因此反彎點法假定：對于上部各層柱，反彎點在柱中點；對于底層柱，由于柱腳為固定端，轉角為零，但柱上端轉角不為零，且上端彎矩較小，反彎點上移，故取反彎點在距固定端 2/3 高度處。 （ 2） 柱的側移剛度 反彎點法中用側移剛度 d 表示框架柱兩端有相對單位側移時柱中產生的剪力，它與柱 兩端的約束情況有關。由于反彎點法中梁的剛度非常大，可近似認為節點轉角為零，則根據兩端無轉角但有單位水平位移時桿件的桿端剪力方程，最后得 （ 1） 式中， V 為柱中剪力， 為柱層間位移， h 為層高。 （ 3） 同一樓層各柱剪力的分配 根據力的平衡條件、變形協調條件和柱側移剛度的定義，可以得出第 j 層第 i 根柱的剪力為： （ 2） 式中， 為第 j 層各柱的剪力分配系數， m 為第 j 層柱子總數， 為第 j 層以上所有水平荷載的總和，即第 j 層由外荷載引起的總剪力。這里，需要特別強調的是， 與第 j 層所承擔的水平荷載是有所區別的。 由式（ 2）可以看出，在同一樓層內，各柱按側移剛度的比例分配樓層剪力。 （ 4） 柱端彎矩的計算 由于前面已經求出了每一層中各柱的反彎點高度和柱中剪力，那么柱端彎矩可按下式計算： （ 3） 式中， 為第 j 層第 i 根柱 的反彎點高度， 為第 j 層的柱高。 5） 梁端彎矩的計算 梁端彎矩可由節點平衡求出，如圖 3 所示。 對于邊柱 （ 4 ） 對 于 中柱 （ 5a ） （ 5b） 式中， 、 分別為左邊梁和右邊梁的線剛度。 6） 其他內力的計算 進一步，還可根據力的平衡條件，由梁兩端的彎矩求出梁的剪力；由梁的剪力，根據節點的平衡條件，可求出柱的軸力。 綜上所述，反彎點法的要點，一是確定反彎點高度，一是確定剪力分配系數 。在確定它們時都假設節點轉角為零，即認為梁的線剛度為無窮大。這些假設，對于層數不多的框架，誤差不會很大。但對于高層框架，由于柱截面加大，梁柱相對線剛度比值相應減小，反彎點法的誤差較大。 二、反彎點法的缺點 反彎點法首先假定梁柱之間的線剛度比為無窮大，其次又假定柱的反彎點高度為一定值，從而使框架結構在側向荷載作用下的內力計算大大簡化。但是，在實際工程中，橫梁與立柱的線剛度比較接近。尤其對 于高層建筑，由于各種條件的限制，柱子截面往往較大，經常會有梁柱相對線剛度比較接近，甚至有時柱的線剛度反而比梁大。特別是在抗震設防的情況下，強調“強柱弱梁”，柱的線剛度可能會大于梁的線剛度。這樣在水平荷載作用下，梁本身就會發生彎曲變形而使框架各結點既有轉角又有側移存在，從而導致同層柱上下端的 M 值不相等，反彎點的位置也隨之變化。這時如果仍然用反彎點法計算框架在水平荷載作用下的內力，其計算結果誤差較大。 另外，反彎點法計算反彎點高度 y 時，假設柱上下節點轉角相等，這樣誤差也較大，特別在最上和最下數層。此外， 當上、下層的層高變化大，或者上、下層梁的線剛度變化較大時，用反彎法計算框架在水平荷載作用下的內力時，其計算結果誤差也較大。 綜上所述，反彎點法缺點如下： 1）柱的抗側剛度只與柱的線剛度及層高有關。 2）柱的反彎點位置是個定值。 反彎點法之所以存在以上缺點，根源在于沒有考慮節點轉動帶來的影響。由于節點的轉動，導致用反彎點法計算的內力誤差較大。有鑒于此，日本人武藤清于 1933 年提出D 值法（ D 即修正后的柱側移剛度，亦即：使框架柱產生單位水平位移所需施加的水平力）對反彎點法予以修正。 三、 D 值法需解決的問題 反彎點法之所以存在以上兩個缺點，根本原因是未考慮框架的節點轉動。 D 值法則針對以上問題，近似考慮節點轉動的影響，解決以下問題： 1）修正柱的側移剛度 節點轉動影響柱的抗側剛度，故柱的側移剛度不但與往本身的線剛度和層高有關，而且還與梁的線剛度有關。 2）修正反彎點的高度 節點轉動還影響反彎點高度位置，故柱的反彎點高度不應是個定值，而應是個變數，并隨以下因素變化： ① 梁柱線剛度比； ② 該柱所在樓層位置； ③ 上下層梁的線剛度； ④ 上下層層高； ⑤ 框架總層數。 四、修正反彎點法 —— D 值法 考慮到以上的影響因素和多層框架受力變形特點，