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布局筹算模子与布局打算

  

布局筹算模子与布局打算

  DO I : 10 . 13614 / j. cnki . 11 1962 / tu . 2005 . 01 . 015 第 21 卷第 1 期 2005 年 2 月 [ 文章编号] 1002 -8528( 2005) 01 -0070 -05 建 筑 科 学 BUILDING SCIENCE Vol. 21 , No . 1 Feb . 2005 结构计算模型与结构设计 苏 原 , 李 黎 , 陈传尧 ( 华中科技大 学 土木工程与力学学院 王克显 ( 武汉市联合工程顾问咨询有限公司 , 武汉 430015 ) , 武汉 430074) [ 摘 要] 从选择结构计算简图的原则 、结构计算高度的确 定 、错 层结构的处 理 、剪 力墙计算方 法的选用 等方面 讨论了 结 构计算模型与结构设计的关系 , 其目的在于说 明如何正确地选用结构计算模型以用于工程设计中 。 [ 关键词] 结构计算模型 ; 结构设计 [ 中图分类号] TU311 . 41 [ 文献标识码] A Structure Calculation Model and Structure Design SU Yuan , LI Li , CHEN Chuan yao ( School of Civil Engineering and Mechanics of Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China) WANG Ke xian (Wuhan Unit Engineering adviser and consultation Co . , Ltd , Wuhan 430015 , China) [ Abstract] On the basis of the principles of selecting the structure calculation diagram, confirming the height of structure , disposing the staggered floor structure and the calculation method for shear wall , this paper discusses the relationship of structure calcu lation model and design of structure . The purpose of this paper is to show how to choose the structure calculation model for design of structure correctly . [ Key words] structure calculation model ; structure design 在建筑结构设计中 , 结构布置完成后 , 就要确定 结构计算模型以进行结构计算 。 结构计算模型的确 定直接决定了计算结果的合理性及对工程设计的指 导意义 。 在计算 机已经 广泛 应用 于结 构设计 的 今天 , 合理的确定结 构计算 模型 就更显 得十 分必 要 , 因 为错误的结构计算模型将导致 结构计算结果 的错 误 , 以这样 的计算 结果作 为结 构设计 的依 据可 能 导致结构设计 的错误 , 而 这样 的计算 数据 是由 电 脑计算出来的 , 则更具有隐蔽性 , 使得错误不 易被 发现 。 为此 , 本文将从以下几个方面就怎样合理地确 定结构计算模型提出自己的看法 , 与各位同行商榷 。 [ 收稿日期] 2004 06 -7 [ 作者简介] 苏 原( 1964-) , 男 , 副教 授 , 工学硕 士 , 国家一 级注册结 构 工程师 , ssyy646 @sohu . com 1 选择结构计算简图的原则 实际结构是很复杂的 , 完全按照结构的实际情 况进行力学分析是不可能的 , 对工程设计而言 , 也是 不必要的 。 因此 , 对实际结构进行力学计算以前 , 必 须对其加以简化 , 略去不重要 的细节 , 显示基本特 点 , 用一个简化的图形来代替实际结构 , 这就是结构 计算简图 。 选择结构计算简图的原则是 : ( 1) 从实际出发 。 计算简图要反映实际结构的 主要力学性能 , 与实际结构尽可能相吻合 。 ( 2) 分清主次 , 略去细节 。 计算简图要能够进行 结构计算 。 根据不同的计算手段 , 采用相应的计算 简图 。 如果采用手算方法 , 则一般只能采用平面结 构计算简图 ; 若采用电算 , 则可以采用空间结构计算 简图 , 或者采用实体模型进行有限元分析 。 第 1期 苏 原 , 等 : 结构 计算模型与结构设计 71 ( 3) 正确判断计算简图与实际结构的差异 , 以在 后续的结构设计中做相应的调整 。 为使结构计算得以进行 , 必然采用大量的简化 和假定以得到结构计算简图 , 这样就会使计算和实 际产生差异 , 在确定结构计算简图时应清醒地意识 到这一点 , 并正确判断这种差异对实际结构是偏于 安全还是偏于危险 , 哪些是有利的 , 哪些是不利的 , 并在后续的结构设计中予以调整 。 例如在常见的框架结构计算中 , 不论是采用平 面框架模型或者空间框架模型 , 均未考虑地基不均 匀沉降的不利影响 , 然而框架结构又是一种对不均 匀沉降十分敏感的结构形式 , 若地质条件不好 , 则结 构必然产生不均匀沉降 , 此时 , 主要依靠上部结构的 整体刚度及结构的整体性来抵抗不均匀沉降 。 因此 在结构设计中应注意加强结构的上部刚度 , 提高构 件的承载力和延性 , 以提高结构抵抗不均匀沉降的 能力 , 而不能仅按计算结果进行设计 。 又如 , 在主次 梁 T 形相交处 , 若按刚节点计算 , 主梁将产生很大的 扭矩而导致配筋困难 , 实际上 , 由于楼板( 特别是现 浇楼板) 的存在 , 使得梁的抗弯刚度大大增加 , 梁的 变形减少 , 在主梁内并不会产生如此大的扭矩 ; 如果 考虑到次梁的塑性内力重分布 , 将进一步减少主梁 中的扭矩 。 因此 , 此时在设计中不必在主梁中按计 算结果来配置抗扭钢筋 , 可以适当减少 。 至于减少 的数量 , 可以根据楼板的情况( 现浇或者装配式) 、楼 板的厚度及次梁的配筋情况等综合考虑 。 上述的事例在结构设计中是非常多的 , 可以说 几乎在每一个工程设计中都或多或少地会遇到 , 所 以对结构计算 、特别是电算结果的判别和分析 , 是十 分必要的 。 合理性 , 主 要表现为 : 在 能够进行结构 计算的基础 上 , 还能体现结构的主要力学性能 。 为了进一步明 确计算模型的选取原则 , 下面将举例说明之 。 【 事例 1】某大门旁造型如图 1 所示 , 此例平面 和立面均为弧形板 , 高 9m 。 如果要精确计算 , 需要 按实体模型进行三维有限元分析 , 由于本例外荷载 不大 , 精确计算似乎没有必要 ; 如果不进行计算 , 仅 按构造配筋 , 造型高度和悬挑长度又比较大 , 构造配 筋不一定能满足要求 。 这时 , 可以取单位长度按图 2 计算模型进行手算 。 图 1 某大门旁造 型平剖面图 图 2 某大门旁造 型计算简图 模型分析 : ( 1) 由于没有考虑两侧墙体的支撑及相互作用 , 与实际结构相比 , 此模型显然偏于安全 ; ( 2) 采用平面模型 , 计算简单 ; ( 3) 由于墙体比较单薄 , 长细比较大 , 应考虑风 荷载的动力作用及墙体本身的稳定性 。 后续结构设计的调整 : ( 1) 应进行变形验算 ; ( 2) 墙内竖向钢筋可以按计算结果配置 , 没有必 要再放大( 因为计算模型偏于安全) ; 水平钢筋按构 2 计算模型选取示例 根据上述的原则 , 合理地选择结构计算模型是 每一个工程设计不可缺少的步骤 。 特别是对于比较 复杂的结构 , 不同的结构计算模型决定了不同的结 构造价 , 甚至于决定了结构能否实现 。 计算模型的 72 建筑科学 第 21 卷 造要求并适当放大( 因为没有考虑两侧墙体的相互 作用) ; ( 3) 墙体应有一定的厚度 , 以保证墙体本身的稳 定; ( 4) 基础设计应能够保证墙体的整体稳定性 。 【 事例 2】某挡土墙设计 。 图 3a 中 , 上部挡土墙 为原有挡土墙 , 下部挡土墙为需要设计的部分 。 本 设计中 , 现设计挡土墙除了要能够抵抗墙后土压力 外 , 还要保证原有挡土墙的可靠工作 , 故选用的计算 简图如图 3b 。 结构总高度就变为基础顶面至顶层楼面的距离 。 而 《建筑抗震设计规范》( GB50011 -2001) 中规定的结 构高度 , 指的是室外地面至主要屋面板板顶的高度 值 。 如果基础埋置较深 , 则底层结构计算高度偏大 , 从而导致底层柱端弯矩计算值过大 , 并且同时加大 了结构总高度 ; 而结构总高度变大 , 水平荷载( 地震 、 风荷载) 值相应变大 , 使计算简图与实际情况差异较 大。 分析计算简图的底层柱下端 , 其主要假定是柱 下端与基础固结 , 柱下端没有转角 、 无侧移 。 考虑到 基础回填土和室内刚性地面对竖向结构构件的侧向 约束 , 对于一般的多层建筑 , 取室外地面以下 500mm 作为底层柱的嵌固部位是可以满足上述假定的 , 所 以 , 对回填土质量有保证并设有室内刚性地面的建 筑 , 可以取基础或室外地面以下 500mm 至 2 层楼面 的距离的小者作为底层计算高度 。 图 3 某挡土墙设计简图及其计算简图 4 错层结构的处理及楼板水平刚度 在工程中经常遇到错层结构 , 一般认为错层对 结构抗震不利 , 究其原因主要是 : ( 1) 错层一般会在连接错层的部位形成短柱 ; ( 2) 错层所形成的二层楼板 , 使得计算模型与实 际工程的差异较大 。 通常的处理方法是 , 如果错层相差较小时 , 按同 一层计算 ; 错层较大时 , 以楼板标高按二层计算 。 问 题是如何区别“ 错层较小”和“ 错层较大” ? 在结构抗 震计算中 , 一般都有楼板水平刚度无穷大的假定 , 即 使计算程序可以考虑楼板的变形 , 在结构地震作用 的计算中 , 也要采用“质点模型”( 不考虑结构扭转效 应) 或者“ 刚片模型”( 考虑结构扭转效 应) , 也就是 说 , 不论采用哪种计算模型 , 都意味着楼板在地震中 是共同振动的 。 基于上述说明 , 在确定错层结构的计算简图时 , 应该将错层楼板能否可靠地传递水平力作为区别错 层“ 较小” 和“ 较大” 的依据 。 如果错层高度不大于梁 高 , 并且可以保证连接错层部位梁的抗扭刚度的话 , 此例中 , 主 要是 怎样取 用荷 载的 问题 。 图 3b 中 , q1 为墙后主动土压力 , q2 为上部重力式挡土墙 自重 , F h 为上部挡土墙的水平抗滑移力 。 特别是水 平力 F h 不可缺少 , 它不是上层土的水平主动土压 力 , 而是挡土墙的抗滑移力 , 应满足抗滑移系数 K s ≥ 1. 3 的要求 。 因为此时上层土的主动土压力是由 上部挡土墙承受 , 下部挡土墙的作用是为上部挡土 墙提供可靠的反力 , 而不能简单地将上层土压力作 为竖向均布荷载处理 。 由此例可见 , 在选取计算简图时 , 还应正确地取 用荷载的内容 、数值和 形式 , 以 正确反映结构 的性 能。 3 结构底层计算高度和结构计算总高度的 确定 目前一般把底层计算高度取为基础顶面至 2 层 楼面的距离 , 显然 , 这种做法是偏于安全的 ; 相应地 , 第 1期 苏 原 , 等 : 结构 计算模型与结构设计 73 则可以按一层计算( 此时应注意加强梁的抗扭承载 力) ( 如图 4a 示) ; 如果不满足上述条件 , 则按二层处 理( 如图 4b 所 示) , 并且为在计 算中考虑短柱 的影 响 , 这二层的高度宜按连接柱的净高 , 而不是楼板高 度 。 这样处理后所减少的结构高度可以加到下层中 去 , 以保证结构总高不变 。 在文献[ 4] 中规定 : “ 对抗 震设防的多层钢筋混凝土框架结构房屋 , 当同一楼 层的局部错层楼板标高相差 ≤600mm 且错层楼板在 框架梁截面高度范围内时 , 可以作为同一楼层进行 结构计算 。 为避免强梁弱柱 , 错层处框架梁截面高 度宜 ≤750mm , 并应加强此框架梁的抗扭构造 , 梁周 边双肢箍筋的配筋率 ρ 0. 585 f t/ fyv 。 错层楼板与 tl ≥ 其相邻开间楼板应采用钢筋混凝土板 。 ” 5 剪力墙计算方法的选用 在水平荷载作用下 , 剪力墙处于二维应力状态 , 严格说来 , 应按照平面问题来求解 。 从实用上 , 可根 据剪力墙开洞大小 、截面应力分布特点进行简化计 算 。 常用的计算方法有 : ( 1) 整体墙和小开口整体墙计算方法 此时假 定截面正应力符合直线分布或加以修正 , 按照整体 悬臂墙求截面内力 。 ( 2) 连续化方法 是对于联肢墙 , 将连梁看成墙 肢间的连杆 , 并将它们沿墙高离散为均匀分布的连 续连杆 , 用微分方程求解 。 其计算假定是 : ① 忽略连 梁的轴向变形 ; ②各墙肢截面的转角和曲率都相等 ; ③ 各个墙肢截面 、连梁截面及层高的几何尺寸沿墙 全高相同 。 由这些假定可见 , 此方法适用于开洞规 则、 由下到上墙厚及层高都不变的联肢墙 。 ( 3) 壁式框架计算方法 是将连梁与墙肢相交 部分看成“ 刚域” , 把梁 、 墙肢简化为杆端带刚域的变 截面杆件 , 假定刚域部分没有任何变形 。 在联肢墙 中 , 当洞口 较大 , 连梁刚 度接近于或大 于墙肢刚度 时 , 可以采用此方法进行内力和变形分析( 如 TBSA 、 TAT 等) 。 ( 4) 有限条法 是将剪力墙划分为竖向条带 , 条带 的应力分布用函数形式表示 , 连结线上的位移为未知 函数 。 此方法适用于形状和开洞都比较规则的墙 。 ( 5) 平面有限元方法 将剪力墙离散为有限单 元进行计算 , 可以求出任意形状尺寸 、 任意荷载和墙 厚变化时的各点应力 , 精确度较高 。 为减少计算量 , 目前在工程上应用较多的多 、 高 层结构分析软件主要有 : 基于薄板理论的结构有限 元分析软件和基于壳元理论的组合结构有限元分析 软件 。 前一类是将剪力墙模型化为一个板单元 , 把 有较大洞口的剪力墙模型化为板 梁连接体系 。 这 类软件对带有洞口的剪力墙的计算误差较大 。 后一 类是用壳元模拟剪力墙和楼板 , 由于壳元既具有平 面内刚度 , 又具有平面外刚度 , 可以较好地反映结构 图 4 错层结构计算简图 同理 , 在进行结构水平荷载的计算时 , 应着重考 虑楼板能否满足“ 水平刚度无穷大 ” 的计算假定 , 并 判断结构是否可能产生扭转 , 采用相应的计算模型 。 如对常见的 Y 型结构平面 , 一般经常把电梯井 、设 备管道井等设置在结 构中部 , 即 Y 型的相交部位 , 使得该部位的楼板被严重削弱 , 三个部分结构的连 接较差 , 虽然结构平面较为规则 , 但考虑到水平荷载 作用方向的不确定性 , 应采用考虑楼板的平面内刚 度的扭转耦联计算模型进行结构计算 , 同时应采取 措施加强结构连接部位的水平构件( 如加厚该部位 的楼板并采用双面配筋 、适当加大该部位的梁配筋 并通长配置纵筋等) 。 74 建筑科学 第 21 卷 的实际受力状态 , 分析精度较高 ( 如 SATWE) 。 但不 论哪一类软件 , 都是将整个构件作为一个单元进行 计算 , 对于应力复杂处( 如结构转换层) , 应该采用通 用有限元分析软件( 如 ANSYS 等) 或专用软件 , 对该 部位单元网格划分加密 , 作细部应力分析 , 按应力分 析的结果校核配筋设计 , 而不能认为常见的结构分 析软件是“ 有限元分析软件” 就能对构件作应 力分 析。 度的确定 、 错层结构的处理 、 剪力墙计算方法的选用 等方面讨论了结构计算模型与结构设计的关系 , 其 目的在于说明如何正确地选用结构计算模型以用于 工程设计中 。 在电算已经广泛应用于结构设计的今 天 , 正确地选用结构计算模型显得尤为重要 。 因为 对于任何一种结构计算软件都不可能是万能的 , 均 有其计算假定和适用范围 , 只有正确地选用结构计 算模型 , 了解软件的计算原理和计算方法 , 才能正确 地选用和应用计算软件 , 才能正确地分析和判断电 算结构的合理性和有效性 , 使之能有效地指导工程 设计 。 6 结 语 本文从选择结构计算简图的原则 、结构计算高 ( 上接第 69 页) ( 6) 梁端弯矩 与剪力墙垂直相连的主梁 , 梁端 弯矩 TAT 比 SATWE 的计算结果要大 。 在剪力墙厚 度不太大的情况下 , 和剪力墙垂直相连的主梁 , 受剪 力墙的约束并不强 , 梁端的弯矩一般不大 。 但采用 薄壁柱模型时 , 梁要通过刚臂与薄壁柱的剪心相连 , 其结果是强化了剪力墙对梁端的约束作用 , 使梁端 弯矩的计算值偏大 。 而采用墙元模型时 , 梁直接与 墙元上下边界的节点相连 , 比较真实地反映了剪力 墙对梁端的约束作用 。 了剪力墙和楼板的模型化问题 , 具有较好的适用性 , 适用于各种复杂结构的计算分析 。 ( 3) TAT 软件采用薄壁柱模拟剪力墙 , 楼板采用 无限刚假定 。 对大多数 常规结构工程 是没有问题 的 , 但对一些复杂工程 , 就会明显地暴露出 TAT 力 学模型的局限性 , 其计算精度往往难以保证 。 但只 要针对其力学模型特点 , 采取必要的简化处理 , 仍可 得到比较有参考价值的计算结果 。 ( 4) 在对复杂结构进行多力学模型计算分析的 同时 , 应强调结构抗震概念设计和必要的抗震构造 措施的重要性 。 良好的抗震概念设计和构造措施是 保证结构具有良好抗震性能的关键 。 [ 参考文献] [ 1] GB 50011 2001 , 建筑抗震设计规范[ S] . [ 2] JGJ3 2002 , 高层建筑混凝土结构技术规程[ S] . [ 3] 中国建筑科学研究 院 . 多层及高 层建筑结 构空间有 限元分析 与 设计软件 SATWE[ CP] . 2002 年 . [ 4] 中国建筑科学研究 院 . 多层及高 层建筑结 构三维分 析与设计 软 件 TAT[ CP] . 2002 年 . [ 5] 建设部工程质量安全监督与行业发展司 , 中国建筑标准设计研 究 所编 . 全国民用建筑工程设计技术措施( 结构) [ S] . 2003 年 . 4 结 语 ( 1) 任何结构计算软件都有其局限性 , 只是程度 不同而已 。 设计人员应该对软件的力学模型有比较 深入的了解 , 有时还必须对结构计算模型进行必要 的人为简化处理 , 使之更符合软件的力学模型假定 , 这样才能得到比较满意的结果 。 ( 2) SATWE 软件 采用墙元模拟剪力墙 , 对 洞口 的大小和空间位置无限制 , 比较真实地反映了剪力 墙的受力状态 ; 对楼板采用四种不同的模型假定 , 适 合各种不同的楼板情况 。 SATWE 比较科学 地解决

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