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混凝土结构与砌体结构:多层高层结构内力位移计算指南

时间:2023-10-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于多层框架结构的内力和位移计算,一般只需考虑弯曲变形的影响,而忽略轴向变形和剪切变形的影响。对于由高梁、宽柱组成的壁式框架和有剪力墙的高层建筑结构,剪切变形对结构内力和位移的影响也较大。目前,多层和高层建筑结构的计算,按其复杂程度,一般可分为以下三类。在正常使用条件下,多层和高层建筑结构的水平位移验算包括两方面:①在风荷载作用下的水平位移验算;②在多遇地震作用下的水平位移验算。

混凝土结构与砌体结构:多层高层结构内力位移计算指南

1)基本假定

多层和高层建筑结构,尤其是高层建筑结构,是复杂的三维空间结构,在竖向有各种抗侧力结构,在水平方向有刚度很大的楼盖互相连接,受力情况非常复杂。因此,在进行内力和位移计算时,必须根据具体情况,进行不同程度的简化。在一般情况下,主要采用如下一些假定。

图15-13 楼盖的位移

(1)多层和高层建筑结构的内力和位移一般按弹性方法计算。在计算中,所有构件均采用弹性刚度。框架梁和连梁等构件可按有关规定考虑局部塑性变形内力重分布(例如,在框架-剪力墙结构中,对连梁适当地考虑了局部塑性变形内力重分布,将其刚度予以折减)。

(2)楼盖在自身平面内刚度无限大,平面外刚度不考虑。多层和高层建筑的楼盖如同水平放置的深梁,其平面内刚度非常大,所以在内力和位移计算时,一般可作为刚性隔板,在平面内只有位移(平移或转动),不改变形状。因此,整个楼盖的位移可用直角坐标的三个位移u、v、θ来表示(u为沿x 方向的位移,v 为沿y 方向的位移,θ为绕坐标原点的扭转角,如图15-13所示)。只要u、v、θ确定,与楼盖相连接的任一片抗侧力结构(框架或剪力墙等)的位移就完全确定,从而使未知数大大减少,计算大为简化。

由于计算中采用了楼盖刚度无限大的假定,在楼盖设计时就应采取措施,保证楼盖的刚度和整体性。

当楼盖整体性较弱,楼盖有大开孔,楼盖有较长的外伸段或为转换层楼盖时,楼盖在自身平面内变形会使刚度较小的抗侧力结构承受的水平力增大。这时,计算中宜考虑楼盖在自身平面内的变形,或对采用楼盖刚度无限大假定的计算方法的计算结果进行调整。

(3)考虑各抗侧力结构的共同工作,并按位移协调条件分配荷载或地震作用。在荷载(或地震作用)计算后,各楼层的水平力是已知的,但各片抗侧力结构(如框架、剪力墙等)所受的水平力则是未知的。由于各片抗侧力结构是用刚度很大(计算时假定为无限大)的楼盖连接在一起,它们的位移是互相协调的。因此,必须按位移协调的原则来分配楼层水平力。如果简单地按抗侧力结构的间距(如柱间距、剪力墙间距等)进行分配,会使刚度很大、起主要作用的结构所分配的水平力过小,这是不合理的,而且是偏于不安全的。

除上述三个基本假定外,在计算内力和位移时,如何考虑轴向变形和剪切变形的影响,也是必须研究的一个重要问题。

对于多层框架结构的内力和位移计算,一般只需考虑弯曲变形的影响,而忽略轴向变形和剪切变形的影响。

对于层数较多、高宽比较大的高层建筑结构,轴向变形对结构内力和位移的影响较大,在计算内力和位移时,一般应考虑轴向变形的影响。在采用计算机进行分析时,考虑轴向变形不会增加很多的计算工作量。因此,一般都考虑了轴向变形的影响。在一些手算方法中,考虑轴向变形会有较大的困难。因此,仅对于50m 以上或者高宽比(H/B)大于4的高层建筑结构才必须考虑轴向变形的影响,而对于高度较小,高宽比小于4的高层建筑结构,可适当放宽要求。

对于由高梁、宽柱组成的壁式框架和有剪力墙的高层建筑结构,剪切变形对结构内力和位移的影响也较大。尤其是在框架-剪力墙结构中,其影响更为显著。因此,对上述类型的结构,在计算内力和位移时,一般应考虑剪切变形的影响。在采用计算机进行分析时,一般都考虑了剪切变形的影响。在许多手算的近似方法中,也不同程度地考虑了剪切变形的影响。

2)计算图形的简化

多层和高层建筑结构,尤其是高层建筑结构,实际上是复杂的三维空间结构。若进行较准确的计算,将是十分复杂的。在实际工程设计中,尤其在方案和初步设计阶段,经常采用简化的计算方法。

目前,多层和高层建筑结构的计算,按其复杂程度,一般可分为以下三类。

(1)平面结构分析法

在进行结构内力和位移计算时,将多层和高层建筑结构沿两个正交主轴方向划分为若干个平面抗侧力结构,每一个方向上的水平力只由该方向的抗侧力结构承受,垂直于水平力作用方向的抗侧力结构不参加工作。同时,按各片抗侧力结构在同一楼层标高处的水平位移相等的条件进行水平力的分配。

对于比较规则的框架结构,还可进一步简化,取出单独一片框架作为计算单元

(2)双向平面抗侧力结构协同工作分析法

在进行结构内力和位移计算时,将多层和高层建筑结构沿两个正交主轴方向划分为若干个平面抗侧力结构,但考虑纵横两个方向的抗侧力结构协同工作。在这种情况下,楼盖有三个自由度(u、v、θ),可以分别建立对应于两个互相垂直的水平力和一个水平扭矩的三个平衡方程式,以求解位移和内力。

(3)三维空间结构分析法

在进行结构内力和位移计算时,将高层建筑结构作为三维空间结构体系,每一个节点有六个自由度(如果考虑截面翘曲,自由度还要多)。这种计算方法要求采用大容量高速电子计算机

3)水平位移验算

(1)正常使用条件下弹性水平位移的验算(www.xing528.com)

在正常使用条件下,多层和高层建筑结构应处于弹性工作状态,并且有足够的刚度,以避免产生过大的水平位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求(例如,人们不致因位移过大而感到不舒适),减少或防止非结构构件和室内装修的破坏,降低地震后的维修费用。

在正常使用条件下,多层和高层建筑结构的水平位移验算包括两方面:①在风荷载作用下的水平位移验算;②在多遇地震作用下的水平位移验算。

根据试验研究结果和震害调查,对于高度不大于150m 的多层和高层建筑结构的层间弹性位移与层高之比(Δu/Hc,可称为层间弹性位移角θe)不宜超过表15-6的限值。

表15-6 楼层层间最大位移与层高之比的限值

(2)罕遇地震作用下薄弱层的抗震变形验算

在强烈地震作用下,结构进入弹塑性大位移状态,产生显著的破坏。为了防止建筑物倒塌,对多层和高层建筑结构罕遇地震作用下薄弱层(部位)的弹塑性变形验算应符合下列要求:

①下列结构应进行弹塑性变形验算:

A.7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构。

B.甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构

C.采用隔震和消能减震设计的结构;

D.高度大于150m 的结构。

②下列结构宜进行弹塑性变形验算:

A.表15-4所列高度范围且属于《抗震规范》所列竖向不规则类型的高层建筑结构。

B.7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构。

C.板柱-抗震墙结构。

结构薄弱层(部位)层间弹塑性位移应符合下列要求:

式中 Δup——层间弹塑性位移;

[θp]——层间弹塑性位移角限值,一般可按表15-7采用;

Hc——薄弱层楼层高度。

表15-7 层间弹塑性位移角限值

除上述外,高层建筑结构的高宽比往往较大,而所承受的竖向荷载和水平力(风荷载或水平地震作用)又较大,因此,高层建筑结构的整体稳定性和抗倾覆能力较差,必须予以足够的重视,进行整体稳定验算和抗倾覆验算。

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