高层建筑结构设计的认识（菜鸟也能看懂的高层结构设计）

高层建筑结构设计的认识（菜鸟也能看懂的高层结构设计）8、短肢墙的新定义;7、梁有效翼缘宽度的合理选取;4、偶然偏心计算的偏移值与平面形状和质量分布有关; 5、地震楼层最小剪力系数不满足时如何调整;6、小塔楼地震作用的计算；

(16点内容也分为两部分 第1部分1-15为层间位移角限制过于严格等规范的问题 第2部分为8个疑难计算的问题)

1、规范中层间位移角限制过于严格;

2、扭转不规则控制过于严格;

3、刚度比计算方法过多;

4、偶然偏心计算的偏移值与平面形状和质量分布有关;

5、地震楼层最小剪力系数不满足时如何调整;

6、小塔楼地震作用的计算；

7、梁有效翼缘宽度的合理选取;

8、短肢墙的新定义;

9、短肢墙更合理的构造控制;

10、框剪调整的强柱弱梁;

11、剪力墙约束边缘构件阴影区的构造;

12、转换层的底部加强部位;

13、两新结构形式:采用扁梁、空心板的板-柱-墙结构和巨型框架-核心筒结构;

14、抗震性能设计的改进方法;

15、浅基础和桩基础承载力的计算;

16、设计中的8个疑难计算问题。

1、规范中层间位移角限制过于严格的问题

过于严格的原因有如下4条:

1）概念偏于严格:规范把钢筋混凝土构件开裂时的层间位移角作为多遇地震作用下结构的弹性位移角限值，而混凝土开裂时钢筋的应力还很小，即使混凝部分开裂，整体结构还处于弹性状态；

广东高规3.7.3中水平力作用下最大层间位移角的控制放松了10-20% 如下:上表为高规 下表为广东高规的要求。(剪力墙结构1/1000改为1/800)

2、扭转不规则控制过于严格

过于严格的原因有如下两条:

1）即使周期比大于1，扭转振型引起的扭矩和扭转角远小于偶然偏心引起的扭矩和扭转角； 2）位移比等于最大位移/平均位移 当分母平均位移很小时 很小的位移差也会算出较大的位移比。此时结构的水平刚度很大，楼层扭转角不大，位移比确难以满足要求。

因此，

1）广东高规不控制周期比；

2）在层间位移角很小时，超限审查略为放松扭转位移比控制。

当楼层的最大层间位移角不大于规定限值的0.5倍时，该楼层位移比限值上限可适当放松(Ⅰ类扭转不规则可计0.5项平面不规则) 如下为广东扭转不规则分类及限值。

在GSSAP文本文件“结构位移”的最后输出如下扭转不规则程度分类:

给定CQC地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的最大位移比:

0方向地震= 1.25(及其层号=3)

90方向地震= 1.70(及其层号=3)

本工程A级高度扭转不规则程度分类:II类

3、刚度比计算方法过多

1）目前规范中有4种刚度比的计算方法：

a、等效剪切刚度比(与外力无关)高规E.0.1

b、等效侧向刚度比(也与外力无关)高规E.0.3

c、侧向刚度比(与外力有关)抗规3.4.3

d、层高修正的侧向刚度比(与外力有关)高规3.5.2

4种方法有时计算结果相差很大 其中抗规侧向刚度比理论误差最大。

2）理论上可推导框架的等效剪切刚度比也与层高的平方成反比（详细见广东高规3.5.8条文说明） 层高修正的侧向刚度比反应了与层高的平方成反比的关系 所以不仅适合剪力墙结构 也适合框架结构。

因此：

1）当一层时，高规等效侧向刚度比(剪弯刚度比)就是等效剪切刚度比；

2）框架结构和剪力墙结构侧向刚度统一为楼层剪力与层间位移角之比。

3）取消了本层层高大于相邻上一层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1。

4、偶然偏心计算的偏移值与平面形状和质量分布有关

偶然偏心计算的偏移值:按质量回转半径计算ei=0.1732ri

矩形平面刚好为5.0%

哑铃形平面则为5.59%

十字形平面为4.33%

所以按质量回转半径计算更为合理。

其中，偶然偏心（0不考虑，1按偏心，2按回转半径）

地震信息中:

偶然偏心可按指定的

偏心计算 也可按回转

半径计算，按回转

半径计算时，每层每

塔每方向都可能不同。

按回转半径计算时在文本文件“结构位移”中输出：

3.给定CQC地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的位移

按0.1732回转半径求得每方向最大质量偏心:5.4% 5.0%

5、地震楼层最小剪力系数不满足时如何调整

两个问题：

1)不满足是否要调整刚度(目前有调刚度和调力的两大争论)？

2)基底和其它楼层不满足时，调整方法有何不同？（规范对基底不满足时有详细的说明）

广东高规要求：

1)明确不以调整结构刚度来满足剪重比要求;（刚度增大，地震作用更大，更不利；而直接调整地震作用，增加了结构承载能力；认为前者不如后者）

2)当基底满足剪重比要求，仅部分楼层不满足要求时，可直接放大这些楼层的地震剪力使之满足要求(以前程序中以上楼层全放大，放松了)；

3)当基底剪力不满足剪重比要求时，则全部楼层的地震剪力均应放大，放大系数=规定的最小地震剪力/弹性计算的基底剪力(以前处与速度和位移段插值求系数，加强了)；

4)放大后的基底总剪力不宜小于按底部剪力法算得的总剪力的85% (加强了) （以上要求没有违反黑体字要求，但对未说明的内容更明确了）。

6、小塔楼地震作用的计算

1)高阶振型决定了小塔楼的地震作用，振型数太少将丢失高阶振型，使小塔楼无地震作用；

2)丢失了小塔楼振型时，放大系数法不能保证小塔楼有足够的地震作用。

广东高规5.1.21要求：

对结构顶部的小塔楼、天线等相对于主体结构其质量较小的结构，应适当增加计算振型数，使该部分水平主轴方向的质量参与系数不小于85%。(在文本文件“周期和地震作用”中增加如下输出)

7、梁有效翼缘宽度的选取

1)考虑允许混凝土开裂，现行规范两侧各6倍板厚太大;

2)梁刚度放的过大 不利于强柱弱梁。

因此：

1）广东高规5.2.2：边梁刚度增大系数可取1.3～1.5，中梁可取1.5～2。

2）广东高规6.2.10：梁有效翼缘宽度可取两侧各4倍板厚且不大于梁高。（以前按3倍，现改为按4倍）

建议:

中梁(H<800mm)刚度放大系数：2.0

中梁(H≥800mm)刚度放大系数：1.5

内力计算时还可适当减少。

8、短肢墙的定义

1)将截面高厚比不大于8作为短肢剪力墙与一般剪力墙分界点时，会有矛盾发生，例如，有一截面厚度为200x1650mm的剪力墙，按截面高厚比不大于8来判断，它是一般剪力墙；当墙厚加厚至250时，却算作短肢剪力墙，设计反而要加强，明显不合理。

因此：

1）广东高规7.1.8短肢墙的定义改为:截面高度小于等于1600mm且截面厚度小于300mm。

当选择满足广东高规时，常见的截面200x1650 250x1650 300x1500，软件将判断为一般墙。

9、短肢墙的构造控制

广东高规7.2.2 增加了下划线的内容：

1）一、二、三级短肢剪力墙的轴压比，在底部加强部位分别不宜大于0.45、0.50、0.55，一字形截面短肢剪力墙的轴压比限值再相应减少0.05；在底部加强部位以上的其他部位不宜大于上述规定值加0.05(放松了底部加强部位以上短肢墙的轴压比控制)；

（如下短墙接近柱按柱的方法控制配筋率，接近一般墙按墙的方法控制）

2）高厚比小于等于6(仍要满足高规全部竖向钢筋的配筋率的构造要求)，短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%；其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%；

3）高厚比大于6(边缘构件竖向钢筋配筋率要满足构造要求 因为剪力墙较长时，配筋集中在墙端部更有效)，约束边缘构件竖向钢筋配筋率一、二级不宜小于1.6%，三、四级不宜小于1.4%；构造边缘构件竖向钢筋配筋率一、二级不宜小于1.4%，三、四级不宜小于1.2%；

10、框剪调整

广东高规8.1.4(0.2V0框剪调整)、9.1.10(筒体结构框剪调整)、10.2.1(巨框筒结构框剪调整)和11.2.16(框支柱框剪调整)所有框剪调整中：

取消了与柱相连框架梁的同步调整，只调整柱的剪力和端部弯矩，有利于强柱弱梁。

11、剪力墙约束边缘构件阴影区的构造

广东高规7.2.12 ：

1）增加了剪力墙混凝土强度等级高于C60时的构造要求:剪力墙约束边缘构件阴影部分的竖向钢筋配筋率一、二、三级分别不应小于1.6%、1.4%和1.2%，并分别不应小于8F18、6F16和6F14；

2）“有翼墙”和“转角墙”的约束构件阴影范围有改动，约束构件翼缘宽度按翼缘厚度bf取改为按腹板厚度bw取。

当翼墙厚度bf比腹板墙厚度bw大很多时，约束边缘构件取bw加两倍bf导致范围过大。

高规和广东高规对有翼墙或转角墙详细规定如下图:

12、转换层的底部加强部位

高规10.2.2：

带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起，宜取至转换层以上两层(有时取大了)且不宜小于房屋高度的1／10。

广东高规11.2.2：

1）当转换层的位置较高，位于建筑物的1/4高度及以上时，底部加强部位（按一般工程取）可取不小于底部两层和房屋高度1/10二者的较大者；

2）转换层及其上下各两层应予适当加强，抗震等级人工提高一级。

13、增加了两结构形式:采用扁梁、空心板的板-柱-墙结构和巨型框架-核心筒结构

广东高规3.3.1：

1）采用扁梁和空心板的板-柱-墙结构最大高度可适当增加，非抗震设计130m、6度110m、7度100m、8度80m；抗震等级按板-柱-墙结构考虑；(常见的高层将不需要超限审查)

必须做到3点:

1)内大板采用空心板;

2)内梁采用扁梁，而不是暗梁;

3)扁梁两端有柱连接。

结构设计中的梁分3种：普通梁、扁梁和暗梁，扁梁要满足《抗规》6.3.2的要求：

不易满足的是第3条，梁高=400≥16*25 柱的钢筋不能大于25mm 这样一来第一道防线为剪力墙，第二道防线为框架。

2）在GSSAP总信息中增加具有巨柱桁架核心筒的巨框筒结构形式，框剪调整有特殊的规定，“水平力效应验算”框剪调整中输出详细的调整信息 具体规定见广东高规第10节。

14、抗震性能设计

广东高规3.11：改进了抗震性能设计构件承载力验算方法。

1）高规对同一水准同时采用基本组合和标准组合验算，过于复杂，广东高规统一采用标准组合，方便计算和设计；

2）构件承载力验算公式全部基于弹性计算模型。

在地震信息中可选择采用高规或广东高规方法，性能要求输入负数时采用广东高规的方法。

增加了两个系数：承载力利用系数ξ和构件重要性系数η，承载力利用系数的倒数在计算中相当于抗规中的承载力抗震调整系数，不同性能水准下ξ取不同值，ξ大一点，破坏严重一点 。

构件重要性系数η用于区别关键和非关键构件。

1、GSSAP按如下自动判断

关键构件：

1）底部加强部位的重要竖向构件：底部加强部位的混凝土一般墙、边柱、角柱；

2）水平转换构件及与其相连的竖向支承构件：转换构件；

3）大悬臂结构的主要悬挑构件：悬臂大于2m； 普通竖向构件：除关键构件之外的竖向构件； 水平耗能构件：框架梁、连梁、耗能支撑。

2、也可在录入的设计属性中设置。

15、浅基础和桩基础承载力计算

1）广东高规13.1.5：独立扩展基础基底边缘最大与最小压应力比不大于1.2，当地基承载力特征值不大于150kPa，比值不大于1.1；

2）广东高规13.1.8：独立桩基础单桩竖向承载力的放大系数，各工况取不同值。

修改了两点：

1）竖向荷载效应标准组合在偏心竖向力作用下承载力调整系数1.2改为1.1；(严了)

2）竖向荷载与风荷载效应标准组合在轴心竖向力作用下承载力调整系数为1.2，在偏心竖向力作用下承载力调整系数为1.3。(风控制的基础松了)

总结：

1）广东高规其它修改见广厦17.0的最新修改或广东高规；

2）广东高规的计算功能随广厦17.0（BIM版）发行，若未换代到BIM版本，GSSAP将会提示，在录入的“GSSAP总信息”中增加了：是否满足广东高规的选择。

3）设置如下2点GSSAP计算满足广东高规要求：

a、总信息中选择满足广东高规要求；

b、地震信息中偶然偏心按回转半径；

4）独立扩展基础和独立桩基础可选择满足广东高规要求；

5）外省设计位移角和周期比按国家高规控制外，其它可采用广东高规的概念。

16、设计中的8个疑难计算问题

10年来 GSSAP的研发过程中对如下8个问题做了重点的研究。

1）空心现浇板结构计算；

2）弹塑性静力和动力计算;

3) 两套计算校核;

4) 一分钟自动算量;

5) 省钢筋计算;

6) 楼梯的抗震计算;

7) 斜屋面计算;

8) 复杂基础计算。

空心现浇板结构的计算

a)结构方案好，有利招标；

b)精确计算，造价省；

c)全国空心现浇板结构计算一半以上采用了GSSAP计算。

地下结构全部采用箱体空心板，其中有部分人防单元，柱顶带柱帽。

以上两个多层结构的大跨度板全部采用箱体空心板，右边为非规则结构采用空心板。

两塔92m高层结构的大跨度板全部采用箱体空心板。

空心现浇板结构常采用如下无梁楼盖的方案:

周边采用普通梁 中间布置实心扁梁或暗梁 柱顶加柱帽满足冲切要求。计算要点如下:

1、空心现浇板采用壳单元计算;

2、板自重扣除空心和最小配筋率按实际截面控制;

3、板满足剪切计算;

4、柱帽满足冲切计算;

5、扁梁暗梁、柱帽和板协同计算。

计算2步骤:

1、建3个模型、

2、看3个结果。

a)在录入中设置板截面、指定计算单元为壳、柱顶布置柱帽；

如下，空心板结构会自动单元剖分。

b)GSSAP计算完后在“图形方式”下查看3个计算结果：板柱帽冲切剪切、梁配筋和板配筋。

板柱帽冲切剪切结果，小于1.0不满足要求。

暗梁扁梁宽大于等于800mm时，分别采用梁板配筋即可，否则梁支座和底部位置还得加上相同位置板的钢筋;柱顶位置是奇点，结果应排除;第1次做空心板结构结果可放大1.1-1.2倍。

板XY向配筋包络。

弹塑性静力推覆和动力时程计算

国内弹塑性计算软件已相当成熟，普通结构设计人员都可完成弹塑性静力推覆和动力时程计算，在超高超限工程中已广泛应用，广厦GSNAP是国内两个常用的弹塑性静力推覆和动力时程计算之一。

一次建模，两套计算校核

1)前处理数据共享;

2)后处理和基础CAD共享。

两个不同力学模型的计算，不同的力学模型还应使用不同单位编制的程序。

1）两种力学模型计算

墙元杆系计算：SSW和SATWE

通用分析：GSSAP、ETABS和PMSAP

每个计算软件会对结构进行一定的模型简化。应避免模型简化出问题。

2）两个不同部门开发的计算程序

广厦系列、PKPM系列和ETABS

同一部门开发的计算因程序共享，可能产生相同的错误。

一分钟自动算量

GSSAP和SATWE计算完后，一分钟可得到钢筋量、混凝土量和模板量，得到经济分析指标。

省钢筋计算

1）自动考虑墙柱梁板重叠的自重扣除，自重可减少2-4%；

2)梁配筋计算选择考虑压筋和板的贡献，梁钢筋减少10-20%左右；

3)内力计算时，梁刚度放大减半设置，水平力大的结构梁钢筋有明显减少。

楼梯的抗震计算

GSSAP计算中，楼梯参与空间分析，采用精细的有限元计算，为抗规和高规的制定提供了计算依据。

参数化、快速、直观布置12种楼梯，目前GSSAP已完成了几十万栋带楼梯结构的抗震计算。

12种楼梯如下：

斜屋面的空间计算

GSSAP可以准确计算空间的楼板 计算的部分空间楼盖如下:

复杂基础的计算

要解决3个问题：

1、计算通用性：对复杂基础采用精细的有限元分析；

2、荷载完整性：所有荷载参与计算和组合；

3、计算局部性：对某一部分基础采用精细的有限元分析。

基础总共有15种，除圆圈内3种基础外，其它12种都采用精细的有限元分析，都按梁桩筏基础计算。

自动剖分单元：二维任意凸凹多边形，多边形内可包含多边形洞口、剖分点和剖分线，柱和桩为剖分点，墙和地基梁为剖分线。

如下为实际工程中基础的凸凹多边形自动剖分结果。

对多部分基础采用精细的有限元分析，可切出任何一块进行精细分析。

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