收稿日期:2004-07-22
作者简介:陈善文(1976—),男,安徽滁州人,淮北工业建筑设计院助理工程师。
高层剪力墙结构计算结果分析与判断
陈善文
(淮北工业建筑设计院,安徽淮北 235000)
摘要:本文结合具体实例说明了在高层建筑结构设计中对计算结果进行分析、判断的必要性,并介绍了分析、判断的内容及应采取的相应措施,通过对计算结果进行分析,判断出其正确与否,确定是否需要对设计方案或输入数据进行修改以及应从哪些方面进行修改,使下一步的设计更加有针对性,从而避免设计工作中的盲目性,提高工作效率和设计的准确性。
关键词:剪力墙结构设计;计算结果;分析;判断
中图分类号:T U 973 文献标识码:A 文章编号:1671-8275(2004)04-0061-03
Analysis and Judgment of Structural Design Calculation
Result for High -Rise Building
CHEN Shan-w en
Abstract :The necessity on analysis and identificatio n of calculation results for multistory building design is explained w ith the practical exam ple as w ell as its co ntent and co unter measures.
Key Words :structural desig n for hig h-r ise building;calculating result;analysis;identification
一、前 言
高层建筑是随着城市的发展而发展起来的,它与工业化生产程度有密切联系,特别是最近几年由于住宅产业的高速增长,城市规划用地与住宅用地矛盾日益突出,迫使人们把目光转向高层住宅。高层建筑是各工种设计人员密切配合的结果,结构专业设计人员主要任务是:求得合理的结构型式,并根据实际情况得到的荷载大小对结构进行内力分析以获得最优设计。
目前,采用计算机软件进行高层建筑结构分析和设计是相当普遍的,而高层建筑结构布置复杂且构件较多,一个工程需要输入大量的数据,出错机率很大,计算后输出数据量也非常大,因此,对计算结果的合理性、可靠性进行判断是十分必要的,是结构设计最主要的任务之一。这项工作要以结构工程师的力学概念和丰富的工程经验为基础,一般从结构总体和局部两个方面考虑。总体上包括:所选用的计算软件是否适用以及使用是否恰当;结构的振型、周期、位移形态和量值、地震作用的分布和楼层地震剪力的大小,有效参与质量、截面配筋设计等是否在合理的范围,总
体和局部的力学平衡条件是否得到满足。判断力平衡条件时,应针对重力荷载、风荷载作用下的单工况内力进行。对局部构件,尤其是受力复杂的构件(如转换构件等),分析其内力或应力分布是否与力学概念、工程经验相一致。下面结合某高层住宅设计的实例来说明其计算结果的分析。
二、实例的有关工程概况及部分计算结果2.1 工程概况
该住宅平面尺寸为27.100m ×21.500m ,呈单轴对称状,主楼地面以上共25层,顶部设有出屋面电梯、水箱间,住宅地下一层层高3.0m ,标准层层高均为2.8m ,全剪力墙结构,现浇钢筋混凝土楼屋面板,高宽比为70.0/21.5=3.26,长宽比为27.1/21.5= 1.26。场地土类别为Ⅱ类,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组。采用中国建筑科学设计研究院编制P KP M 程序中satw e 模块对上部结构进行计算。
2.2 计算结果
1)结构总重G =152640KN 2)自振周期:(见表一)
表一 自振周期估算值及计算值
周期T1(平动)T 2(扭转)
T 3T4(扭转)
T 5(平动)……经验值(0.04～0.08)n
1.040～
2.080(1/3～1/5)T10.208～0.693(1/5～1/7)T 10.149～0.416……
计算值
(X 向)1.9698(Y 向)1.5660
1.3906(X)0.5523(Y)0.4357
0.4143
(X)0.2705(Y)0.2164
n=26
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61?第3卷 第4期2004年12月淮北职业技术学院学报
JO U RN A L O F HU A IBEI PRO F ESSI ON A L AN D T ECHN ICA L COL L EGE V o l.3N o.4D ec.2004
3)位移:(见表二)
表二 风和地震作用下位移
位移风作用下
地震作用下 u/h(层间) u/h(层间)X 向1/21001/1985Y 向限值
1/28501/1000
1/18821/1000
4)基底剪力(地震作用下)/标准层单位面积重和总重
基底剪力
Q 0(k N)
总量重W t (kN)标准层单位面积重
(kN/m 2)Q 0/W t X 向2494152640
恒载作用下10.1 1.63%Y 向
3126
恒+活 12.6
2.05%
5)
振型曲线
图1 振型曲线
三、对计算结果的分析
计算结果的分析主要考虑以下几项:3.1 自振周期
按正常的设计自振周期大概在下列范围:
剪力墙结构: 1=0.04～0.08n (n 建筑物的层数) 2=1/3～1/5 1, 3=1/5～1/7 1
如果周期偏离上述数值太远,应当考虑本工程刚度是否合适,必要时调整结构截面尺寸。如果结构截面尺寸和布置正常,无特殊情况而计算周期相差太远,应检查输入数据有无错误。从实例的计算结果看,其自振周期计算值接近估算值的上限,可考虑增加结构刚度,适当减小结构的自振周期。
3.2 振型曲线
正常计算结果的振型曲线多为连续光滑曲线,零点位置符合一般规律,当沿竖向有非常明显的刚度和质量突变时,振型曲线可能有不光滑的畸变点。耦连计算时,扭转为主的周期应小于平动为主的周期的0.9或0.85。从实例的计算结果看,其振型曲线基本符合正常的振型曲线特征,由于在顶层设有出屋面水箱间其刚度及质量均产生突变故其曲线图中有一畸变点,而非完全光滑的曲线,属正常情况。
3.3 地震作用
在正常情况下,结构底部剪力约在下列范围内较为正常
7度Ⅱ类场地:Q /W =1.6%～2.8%8度Ⅱ类场地:Q /W =3.2%～3.5%
式中:Q 为结构底部水平地震作用标准值;W 为建筑物的重力荷载。
结构的层数多刚度小时,偏于较小值;层数少刚度大
时,趋于较大值;当计算的地震作用小于上述下限时,宜适当加大结构的截面尺寸,提高其刚度,使设计地震作用不致于太小而不安全。当地震作用超出上限值太多时应适当减小结构刚度,使结构设计比较经济合理。耦连计算地震作用时,其第一周期剪重比也应在常规范围之内,但不能简单地与非耦连时计算比较,因其振型较为复杂,地震底部剪力与非耦连计算结果相近或略小。实例的计算结果中,地震力计算值在上述范围内,较为正常。
3.4 关于位移
剪力墙结构是竖向悬臂弯曲构件,其位移曲线是弯曲型,越往上层,水平位移增长越快。水平位移满足“高层建筑混凝土结构技术规程”的要求,是合理设计的必要条件之一。
参考点位移曲线应上下渐变,不应出现大的突变,位移值应满足规范有关要求。位移与结构的总刚度有关,计算位移越小,其结构总刚度就越大;反之,位移值越大,其结构总刚度就越小,故可以根据初算的结果对整体结构进行调整。如位移值偏小,则可以减小整体结构的刚度,对墙、梁的截面尺寸适当减小或取消部分剪力墙。反之,如果位移偏大,则考虑如何增加整体结构的刚度,包括加大有关构件的尺寸,改变结构抵抗水平力的形式、增设加强层、斜撑等。应该注意的是在分析此项计算结果时,应同时考虑周期、地震力大小等其他条件,因为在抗震设计时,水平位移值主要由地震力控制,而地震力的大小与结构的刚度直接相关。结构刚度小,地震力也小,位移可能在限值范围内,此时若结构合理,则其计算结果是正确的但若结构存在不合理因素,由于计算的周期长,地震力太小,结构并不安全。
在实例的计算结果中,水平位移曲线基本正常,由于在屋顶设有质量及刚度明显变化的出屋面水箱间,所以其水平位移曲线并非完全光滑。另外,水平位移计算值满足限值要求,而且距限值相差很多,说明可以对结构做适当调整,在满足周期、地震力大小等条件下,减小结构刚度,以增加结构水平位移。
3.5 利用对称性
对称结构在对称外力作用下,其各对称点的计算结果应该是对称的,如有反常现象应检查输入的数据是否正确,由于程序本身已保证了计算结果的对称性,因此在实际设计中可大致检查一下各对称点的计算内力是否对称即可。
3.6 合理性
结构计算完毕,除对整体分析结构进行判断和调整外,还应对构件的配筋的合理性进行分析判断,包括如下内容:
a)一般构件的配筋值是否符合构件的受力特性,如:柱、墙的轴力设计值绝大部分为压力,且大部分为构造配筋;梁基本上无超筋;除个别墙段外,剪力墙符合截面抗剪要求;梁截面不满足抗剪要求或抗扭超限不多等。b)特殊构件(转换大梁、大悬臂梁、转换柱、跨层柱、特别荷载作用的部位)应分析其内力、配筋是否正常,必要时应进一步分析,包括手算以及采用其他程序进行复核。
c )墙、柱轴压比是否满足规范要求,短肢剪力墙轴压比是否满足“高规”中第7.1.2.4条要求。竖向构件的加强部位(角柱、底层剪力墙等)的配筋是否得到加强。
d )个别构件的超筋的判断与处理是否合理。
通过对实例的计算结果的比较、分析,可以判断该方案
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62?陈善文/高层剪力墙结构计算结果分析与判断
位移较小,地震力是结构设计中的主要考虑因素,各项计算结果是正常的,其建筑结构方案基本合理,但从计算结果中也可看出,该结构的自振周期值偏大,地震力偏小,为了得到较好的刚度和柔度匹配,可适当增加结构的刚度,使自振周期也稍小一些,这样可使结构更加安全合理。
四、结 论
综上所述,在高层建筑结构设计中,其计算结果一般可按这几项内容进行分析判断:
1)轴压比:主要为控制结构的延性,抗震规范与高层规范均有相应限值要求。
2)剪重比:主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性。
3)刚度比:主要为控制结构竖向规则性,以免竖向刚度突变,形成薄弱层。
4)位移比:主要为控制结构平面规则性,以免形成扭转,对结构产生不利影响。
5)周期比:主要为控制结构扭转效应,减小扭转对结构产生的不利影响。
6)刚重比:主要为控制结构的稳定性,以免结构产生滑移和倾覆。
符合上述几项要求,可以认为大体正常,可在工程设计中应用,否则需对建筑结构方案进行有针对性的修改,或检查输入数据是否有误并进行调整,使计算结果正常合理。在此基础上再进行施工图设计,以达到事半功倍的设计效果。参考文献
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责任编辑:石柏胜
(上接第52页)
4 工程竣工结算阶段的投资事后控制
造价工程师在工程竣工结算阶段的投资事后控制中,应认真及时审核竣工结算。这是施工阶段进行投资控制的最重要环节。审核的具体内容包括:竣工结算是否符合合同条款、招投标文件,结算是否按定额和工程计量规则、造价主管部门的调价规定等进行编制。要根据合同、图纸、定额及工程预算书等,对工程变更、工程量增减、材料替换、甲方供应材料设备逐项审核,不重不漏。有疑问时,查看当时的监理日记,并进行现场校核。造价工程师应及时掌握施工方法和材料价格对造价的影响,不偏不倚,正确审核竣工结算,使竣工结算真实反映工程造价。
关于造价工程师维护监理单位自身权益的问题,有几点值得重视:(1)有的业主因工程后期资金较紧或人为因素,拖欠监理费,应动之以情,晓之以理,按监理合同及时追讨监理费,保障监理单位的正常运作,才能更好地为业主服务。(2)对于非监理原因导致的工程延期或停工,及较大工程变更增加工程量,应在监理合同中明确补偿监理费数额。
(3)对于监理范围应在监理合同中明确界定,防止出现监理了项目的附属工程却得不到监理费的情况。(4)对于合理化建议,应在监理合同中明确标明奖励比例及支付时间等条款,只要是监理人员提出来的合理化建议并付诸实施、为业主节约建设资金时,业主就应按监理合同条款给予监理单位奖励。造价工程师必须注意积累《工程例会记录》、《监理通知书》等资料,并要求与会者签名,作为获得业主奖励的原始资料。
综上所述,造价工程师在监理工作中正确使用工程计量审核权、支付工程进度款审核权、工程造价审批权,主动对建设项目的投资决策、设计、发包、施工、结算等每一环节的投资实施有效控制,发挥监理的高智能服务作用,实现质量、工期、投资三控制目标,使监理事业得到全社会的普遍认可,监理的社会地位与效益真正得以提高。随着建设工程竣工验收备案制度的实施,我们更加需要在监理单位中配备造价工程师,以加强建设工程的投资控制。
责任编辑:石柏胜
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淮北职业技术学院学报 2004年第4期