高层结构分析与设计.docx
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高层结构分析与设计
高层结构分析与设计
研究生课程考核试卷
科目：
高层结构分析与设计教师：
学生：
学号：
专业：
结构工程类别：
学术
上课时间：
2014年3月至2014年6月
考生成绩：
卷面成绩
平时成绩
课程综合成绩
阅卷评语：
阅卷教师（签名）
某高层的结构指标验算
【摘要】：
此文是作者2014年7月到9月在某设计院实习期间所遇到的工程实例。
通过PKPM软件进行建模，采用SATWE模块计算，通过查找输出文件的各种指标如周期比、层间位移比、刚度比、刚重比、剪重比弹性层间最大位移限值和结构整体抗倾覆验算等验证结构的安全性能。
通过对整个主楼的设计过程的研究总结出对于工程设计的若干条建议。
【关键词】：
扭转位移比层间位移比位移角倾覆弯矩SATWE
1．项目简介
1.1项目概述
建设用地面积28971平方米，总建筑面积92921.11平方米，功能为：
住宅及其配套商业、车库。
由3栋住宅楼以及1、2、3号商业和地下车库与幼儿园组成。
其中1、2号住宅楼为28层，3号住宅楼层为30层，1号商业为5层，2~3号商业楼为4层，幼儿园为2层。
文章挑选3号楼作为描述对象阐述高层住宅楼的设计过程，该工程地下1层，地上29层，结构主屋面高度为87米；楼梯屋面高度90米。
建筑效果图见图1.1。
图1.1建筑效果图
2．设计依据
2.1．主体结构设计使用年限
建筑主体结构设计使用年限：
50年。
2.2．自然条件
基本风压，0.4kN/m2；抗震设防烈度：
6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组：
第一组。
2.3．本工程采用的主要法规和标准：
1．《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-2008）；
2．《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）；
3．《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）；
4．《砌体结构设计规范》（GB50003-2011）；
5．《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）；
6．《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）；
7．《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）；
8．《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）；
9．《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）；
10.《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002；
11．《建筑工程设计文件编制深度的规定》（建设部2008年版）
15、中国地震局《关于学校、医院等人员密集场所建设工程抗震设防要求确定原则的通知》（中震防发【2009】49号）。
2.4．设计安全标准
1）建筑结构安全等级：
二级
2）地基基础设计等级：
乙级。
3）建筑抗震设防类别：
丙类。
4）建筑防火分类等级与耐火等级1、2、3号住宅楼，建筑耐火等级为一级；1、2、3号商业楼建筑的耐火等级为二级。
汽车库防火分类为Ⅱ类，耐火等级为二级。
2.5．场地分析和地勘报告分析
1）场地基本情况
拟建场地及周边未发现滑坡、泥石流、危岩、断层不良地质作用。
场区拟建地段开阔，土层下部为岩质地基，岩体分布连续，岩层产状平缓，岩质地基稳定性好。
土层与下伏基岩接触面平缓。
场地内水文地质条件较简单，抗震设防烈度为6度。
场地按设计地坪标高及环境标高平场后，场地与地基稳定，适宜本工程建设。
场地内无高边坡及不良地质现象。
2）工程地质和水文地质概况
场内地层结构自上而下为：
第四系全新统残坡积粉质粘土（Q4dl+el）及侏罗系中统沙溪庙组基岩（J2s）组成，基岩岩性主要为中厚层状泥岩构成。
按风化程度可划分强风化带基岩和中风化带基岩。
现分述如下：
1粉质粘土（Q4dl+el）：
紫红色及褐黄色，主要由粘粒组成，手捻有砂感，稍有光泽，无摇震反应，韧性中等，干强度中等，可塑。
分布于整个场地，厚薄不均，厚度约2.01m－3.86。
②强风化带基岩（J2s）：
强风化带岩石：
主要为泥岩，夹有砂岩薄层，泥岩主要为紫红色，岩石裂隙发育，破碎，岩芯不完整，岩石结构构造已破坏，多呈块状、少量短柱状。
厚度2.58—4.17m。
③中风化带基岩（J2s）：
主要为泥岩：
紫红色，粘土矿物为主，部分含砂质，泥质结构，中厚层状构造。
该带岩体完整性指数0.64-0.73，岩体较完整。
根据环境调查及地下水、土层组成成分室内测试资料表明：
场内及附近周边无工业污染，地下水及地基岩、土对砼物有微腐蚀性。
总之：
场地内水文地质条件较简单。
3．主要荷载取值
3.1.永久外加荷载的容重
围护及填充墙体采用页岩空心砖，外墙采用厚壁型页岩空心砖容重14kN/m³，内墙采用页岩空心砖容重8kN/m³，管井及有水房间（卫生间、厨房）地面以上1500采用混凝土砌块，容重19kN/m³；砂浆选用M5混合砂浆；车库顶板以上覆土容重≤20KN/m3。
3.2.楼（屋）面活载、特殊设备荷载
序号
荷载类别
标准值
（kN/m2）
序号
荷载类别
标准值
（kN/m2）
1
不上人屋面
0.5
2
上人屋面
2.0
3
屋顶花园
3.0
4
楼梯间、电梯厅、通道
3.5
5
厨房、起居室、卧室、过道
2.0
6
卫生间
2.5
7
公共通道、阳台、露台
2.5
8
车道、车库
4.0
9
商业
3.5
注：
（1）30t消防车折算荷载取27kN/m3；
（2）非固定隔墙的自重取每延米长墙重的1/3作为楼面活荷载的附加值计入，附加值不少于1.0kN/m3；
（3）电梯吊钩荷载：
30kN/个；
（4）特殊荷载：
消防水箱18T
3.3.风荷载
建筑基本风压根据荷载规范为0.40kN/㎡，地面粗糙度为B类；体型系数1.3；风压高度变化系数分别按照B类地面采用。
采用0.25kN/㎡的风荷载作为风压舒适度验算的荷载取值，对应重现期为10年。
3.4.地震作用
抗震设防烈度：
6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组：
第一组，场地类别：
II类，场地特征周期0.35s，结构阻尼比5%，地震影响系数0.04。
注：
对于雪荷载、基础浮力、温度作用等本设计中都不做考虑。
4.主要材料的选用
1）混凝土强度等级：
柱、剪力墙：
C30~C50；梁、板，C30~C40；
基础：
C30。
超长部分单元采用微膨胀混凝土，添加6-8%ZY.
2）钢筋：
梁、板、柱、基础的纵向受力钢筋均采用400MPa级的热轧带肋钢筋；
箍筋，和剪力墙分布筋采用HPB300钢筋
3）围护及填充墙体：
围护及填充墙体采用页岩空心砖，外墙采用厚壁型页岩空心砖容重14kN/m³，内墙采用页岩空心砖容重8kN/m³，强度等级不小于MU5.0；管井及有水房间（卫生间、厨房）地面以上1500采用混凝土砌块，强度等级不小于MU10，容重19kN/m³；砂浆选用M5混合砂浆。
4.结构选型及结构布置
4.1.结构选型
住宅楼采用剪力墙结构体系，建筑中部采用楼梯、电梯、管井组成的筒体布置剪力墙、楼梯，布置剪力墙，其余部分采用建筑外墙与内隔墙布置剪力墙。
梁板式楼盖结构，全部采用现浇钢筋砼。
垂直荷载主要通过楼板传递到框架梁、墙；水平荷载（地震力、风力）由框架柱及抗震墙承担。
屋盖及楼盖结构采用主次梁楼盖体系，控制梁截面高度，满足其他专业及使用的净空要求。
4.2.结构平面布置
4.2.1建筑平面图
标准层平面图
4.2.2结构平面图
标准层结构平面布置图
结构楼层组装模型
4.3.结构构件墙、梁和板的设计思路
4.3.1.墙构件
住宅楼对建筑格局的要求比较严格，对于大开间的房屋，如客厅、卧室等不能中间过梁，墙的布置更不能随心所欲，需要严格遵守建筑的格局布置，剪力墙的厚度也因此固定为200mm。
剪力墙的布置特点一般为:
1）角部布墙：
建筑房屋的角部如果没有特殊的要求，如：
开角窗等，需要在建筑的四个甚至以上的角部布置墙体，这样能有效的提高剪力墙抗侧刚度和结构的整体抗扭转的性能。
2）楼梯、电梯处必布墙：
楼梯电梯处对于建筑结构的要求不高，而且从底到顶是拉通了的，因此是最合适布置剪力墙的部位，因此一定要布置剪力墙，但是由于中部的剪力墙刚度太大，造成结构整体的抗扭转性能变弱，此时需要降低剪力墙在此处的刚度，一般就是在剪力墙上面开洞口降低中间部位的强度。
3）剪力墙的布置长度：
剪力墙尽量多布置成L形、T形剪力墙L型，长肢部分的长度为1700mm，短肢部分为600mm，这样取值的原因是根据规范来的，对于200mm厚的墙如果墙长小于1600，软件和规范都会认为是短肢剪力墙，对墙体的要求会提高，而短肢部分，如果小于600mm时，墙的翼缘部分的贡献作用就会不能考虑，同时建筑结构也要求尽量少的用短肢剪力墙，因此对于结构来说最经济的墙体布置方式就是以上的结构尺寸。
4）剪力墙尽量对直成线，当剪力墙长度大于5米时，在刚度有富裕时可设置结构洞口；建立墙的洞口上的梁到底是普通梁还是连梁的区别为看看梁的剪切位移是否可以忽略不计。
不可以忽略的时候就要按连梁计算，可以忽略不计的时候就可以按普通梁来计算。
连梁一般后于剪力墙损毁，为了使连梁作为剪力墙之前的抗震防线一般对建立墙的刚度进行折减，但是折减系数不可以小于0.5。
4.3.2.梁构件
对于剪力墙结构就要将墙体当做梁的传力构件，墙体的布置要充分考虑建筑要求和结构布置梁的需要，梁在住宅建筑中应尽量的布置在墙体内，考虑到美观梁的宽度一般不大于隔墙的宽度，因此一般梁的宽度取为200mm。
在纵横交错的复杂部位，最好的处理方法就是将梁的截面处理成一样的。
对于错层的结构，考虑将梁的高度提高，施工过程中是分层施工的，并不是一次现浇完成。
4.3.3.板构件
对于板构件与一般的结构房屋也有不同之处，最主要的是板的下面不允许放置梁，因此对于客厅，主卧等开间比较大的房屋，板厚一般取为200mm，比一般的板要厚些。
设计时还要注意阳台，卫生间等部位需要降板的标高。
4.3.4.混凝土强度
对于高层建筑混凝土的强度不是一成不变的，我所经历的这个住宅的混凝土强度1-5层的强度取值为C50,6-10层的混凝土强度取值为C45，10层以上的结构混凝土强度取值为C40。
5.结构运算及指标调整
5.1特殊构件定义
混凝土强度变化示意底部加强区剪力墙约束边缘构件
5.2平面规则指标
5.2.1结构周期比
上图中两个圆圈的图标代表整个模型的刚度中心，圆圈中带十字的图标代表模型的质量中心，通过这个图形我们可以定性的判断结构的扭转效应是否明显。
对应高规3.4.5中结构平面布置应减少扭转的影响。
结构扭转为主的第一自振周期
与平动为主的第一自振周期
之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。
本工程对应A级高度，结构计算的周期为：
第一自振周期
1
3.0639s
第二自振周期
2
2.9742s
第三自振周期
3
2.5661s
结构平动第一自振周期与扭转第一自振周期之比为0.83<0.9满足规范对于平面不规则的要求。
5.2.2结构位移比
对应高规3.4.5中在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和岑建位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍。
不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及股砸高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。
结构水平地震力作用下X、Y方向的最大位移结果如下：
楼层数
层间位移
平均层间位移
最大层间位移角
本层与上层位移角的1.3倍及上三层平均位移角的1.2倍的比值的大者
30
0.89
0.73
1/3355.
5.80%
29
0.95
0.77
1/3161.
6.50%
28
1.01
0.82
1/2956.
6.50%
27
1.08
0.88
1/2766.
6.10%
26
1.15
0.93
1/2601.
5.50%
25
1.22
0.98
1/2462.
4.90%
24
1.28
1.03
1/2343.
4.40%
23
1.34
1.08
1/2242.
4.00%
22
1.39
1.13
1/2155.
3.60%
21
1.44
1.17
1/2080.
3.20%
20
1.49
1.2
1/2016.
2.80%
19
1.53
1.24
1/1961.
2.40%
18
1.57
1.27
1/1915.
2.00%
17
1.6
1.3
1/1877.
1.60%
16
1.62
1.32
1/1847.
0.90%
15
1.64
1.33
1/1831.
0.80%
14
1.65
1.34
1/1816.
0.50%
13
1.66
1.35
1/1807.
0.10%
12
1.66
1.35
1/1804.
0.30%
11
1.66
1.35
1/1809.
0.90%
10
1.64
1.34
1/1825.
1.40%
9
1.62
1.32
1/1849.
2.10%
8
1.59
1.29
1/1886.
3.00%
7
1.55
1.25
1/1941.
4.40%
6
1.48
1.2
1/2024.
6.30%
5
1.39
1.12
1/2153.
9.00%
4
1.27
1.02
1/2358.
14.10%
3
1.1
0.87
1/2736.
24.40%
2
0.83
0.65
1/3629.
52.30%
1
0.38
0.3
1/7872.
96.10%
由上表可知每一层的层位移角都满足规范要求的1/1000的要求。
5.3竖向规则指标
5.3.1刚度比
对应于高规3.5.2条对于剪力墙结构，楼层与其相邻上一层的侧向刚度比
可以按照式
计算。
且本层与相邻上层的比值不宜小于0.9;当本层层高大于小林上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1；对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5。
结构设计时每层的构件布置相同，竖向刚度基本没有变化，通过软件计算给出的结果与预想的相同，此处不再做论述。
5.3.2楼层受剪承载力之比
楼层受剪承载力之比对应高规3.5.3条，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻下一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。
结构构件布置时竖向没有结构突变，受剪承载力相差不大，因此竖向很规则，能满足竖向规则指标。
5.4刚重比
5.4.1满足整体稳定性验算
高规5.4.4规定
1）剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应该符合下式要求：
为第i层重力荷载设计值，取1.2倍的永久荷载标准值与1.4倍的楼面可变荷载标准值的组合值；
2）是否考虑重力二阶效应
高规5.4.1规定当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时刻不考虑重力二阶效应的不利影响。
H为房屋高度
为第i层楼层层高
软件计算结果如下：
向刚重比：
EJd/GH**2=3.26
Y向刚重比：
EJd/GH**2=3.14
该结构刚重比：
EJd/GH**2大于1.4,能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算
该结构刚重比：
EJd/GH**2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应
5.5结构整体抗倾覆验算
高规12.1.6和12.1.7规定高层建筑主体结构基础底面形心宜与永久作用重力荷载重心重合；当采用桩基础时，桩基的竖向刚度中心宜与高层建筑主体结构永久重力荷载重心重合。
在重力荷载与水平荷载标准值或重力荷载代表值与多遇水平地震标准共同作用下，高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。
质量偏心较大的裙楼与主楼可
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