结构设计基本步骤方法及相关概念(精)

结构设计基本步骤、方法及相关概念PKPMCAD 邹军一、常用规范建筑结构荷载规范混凝土设计规范建筑抗震设计规范建筑地基设计规范高层建筑混凝土结构技术规程岩土工程勘察规范二、基本资料及信息1．建筑需求：建筑外观、平面布局及使用功能要求，建筑重要性。

需要相应阶段的建筑图纸、审批文件。

2．使用荷载：一般民用建筑可查看可在规范，普通住宅、办公室为2.0kN/m2,阳台2.5kN/m2；电梯机房等效8kN/m2；消防车等效20kN/m2。

工业厂房需要业主提供文件，指定使用荷载。

3．风信息：（荷载规范、高规）a.基本风压：一般用50年一遇，深圳为0.75kN/㎡,对应风速约120公里/小时；高度大于60米的结构，承载力计算用100年一遇的风压，深圳为0.90 kN/㎡）b.地面粗糙度：一般城市市区可选Cc.体型系数：一般建筑取1.3d.基本周期：简单估算（0.1x楼层数），用于计算风振e.其他相关概念：Wk=βzμsμzW0 用于主要承重结构Wk=βgzμsμzW0 用于围护结构风压高度变化系数，风振系数（基本自振周期大于0.25s，高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋，考虑顺风向风振系数；横向风软件没有考虑）阵风系数：计算围护结构风荷载群体效应：群集的高层建筑，相互间距较近时，风力相互干扰，体型系数应增大。

4．地震信息：（抗震规范、高规）a.设防烈度：按设计基本地震加速度值划分，分为6度（0.05g）、7度（0.10g）、7度（0.15g）、8度（0.20g）、8度（0.30g）、9度（0.40g），具体取值由政府规定(可查抗规附表)，。

深圳为7度（0.1g）b.设计地震分组：按震中的近、远划分，分为第1组、第2组、第3组。

深圳为第1组c.场地土类别：按土层等效剪切波速和土层厚度划分，分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，大部分为Ⅱ类。

由地质勘探部门提供。

可以理解为Ⅰ类场地土最结实，Ⅳ最差。

d.其他抗震相关概念：抗震设防三水准：小震不坏、中震可修、大震不倒。

抗震设计二阶段：第一阶段设计为承载力设计：用小震动参数、结构按弹性计算，用分项系数组合进行构件截面承载力验算，通过概念设计及抗震构造满足大震不倒。

第二阶段为弹塑性变形验算。

大部分建筑可只进行第一阶段设计。

抗震设防分类：按建筑重要性划分，分为甲、乙、丙、丁四类，具体规定见《建筑抗震设防分类标准》。

甲类最重要，丁类为次要建筑，大部分为丙类。

设计基本地震加速度：50年设计基准期超越概率10％的地震加速度设计取值。

地震作用计算方法：底部剪力法、振型分解反应谱、弹性动力时程分析、弹塑性动力时程分析。

结构阻尼比：混凝土结构0.05,钢结构0.02重力荷载代表值：永久荷载标准值＋可变荷载标准值×组合系数，组合系数软件默认取0.5，对于库房应取0.8、可变荷载按实际情况计算时组合系数应取1.0。

抗震等级：根据烈度、结构类型、房屋高度（室外地面到主要屋面板）确认，确认烈度时还要考虑抗震设防分类及场地土类别。

构件设计原则：强柱弱梁、强剪弱弯。

5．地质勘察报告：由结构设计人员根据工程具体情况提出勘察要求，甲方委托勘察单位进行勘察，勘察单位提交勘察报告。

一般包括一下内容:勘察目的、任务要求和依据的技术标准；拟建工程概况；勘察方法和勘察工作布置；场地地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质及其均匀性；各项岩土性质指标，岩土的强度参数、变形参数、地基承载力的建议值；地下水的埋藏情况、类型、水位及其变化；土和水对建筑材料的腐蚀性；场地稳定性、不良地质评价；基础形式推荐；图表：勘察点平面布置图、土层剖面图、探孔柱状图、岩层等高线等。

深圳地区岩土分布情况：填土、花岗岩残积土、强风化岩、中风化岩、微风化岩。

一般花岗岩残积土可作为天然地基的持力层，承载力200kPa多。

三、结构选型根据建筑高度、建筑需求、经济等确定。

1. 单层厂房以前均采用钢筋混凝土排架结构，现在大都采用轻型门式钢架2. 多层采用钢筋混凝土框架架构、砖混结构，广东地区基本不用砖混结构，住宅多采用异型柱框架结构3．大跨度结构考虑预应力、网壳4. 普通高层采用钢筋混凝土框剪结构、短肢剪力墙结构、剪力墙结构。

5. 超高层（100米以上）采用型钢混凝土、钢－混凝土的框剪结构，或框筒、剪力墙结构、筒中筒结构。

四、结构布置1.平面布置：确定柱、剪力墙的位置a.平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性不规则类型定义扭转不规则:楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍凹凸不规则:结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%楼板局部不连续:楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层b．平面长度太长或楼层高度相差太大，要进行分缝或设置后浇带。

2. 竖向布置：建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变不规则类型定义侧向刚度不规则:该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%竖向抗侧力构件不连续:竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架、厚板等）向下传递楼层承载力突变:抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的)80%五、构件截面估算1．柱截面估算a．柱竖向轴力估算N=nAqn---柱承受楼层数A---柱子从属面积q---竖向面荷载，可按下面估算框架结构： 12-16（轻质砖）、14-18（粘土砖）框剪结构： 15-18（轻质砖）、17-20（粘土砖）筒体、剪力墙结构：18-22一般集体宿舍、普通住宅取大值，办公取小值。

厂房另行考虑b．柱轴力调整（考虑水平荷载）Nc = αβNα---中柱α＝1、边柱α＝1.1、角柱α＝1.2β---地震水平力作用对柱轴力的放大系数七度抗震：β=1.05、八度抗震：β=1.10c．柱截面面积估算Ac≥Nc/(a*fc)a----轴压比一级0.7、二级0.8、三级0.9，短柱减0.05fc---砼轴心抗压强度设计值Nc---估算柱轴力设计值d．柱截面宽高bxh根据受弯确定，中柱可按各向轴跨比估算，通常h/b<42．梁截面估算a. 主梁（bxh）：梁高h 取1/8至1/12的梁跨；b. 悬挑梁（bxh）： 1/6的梁跨；c. 次梁（bxh）： 1/12至1/18的梁跨；h/b=2~3.3．板截面估算a. 单向板：板厚取1/30的板跨；a. 双向板：板厚取1/30至1/40的板跨；c. 悬挑板： 1/10板跨；六、竖向恒载计算1．楼面荷载（kN/m2）a.混凝土板厚（米）X 25KN/M3（100mm,1x0.1x25=2.5KN/M2）b.板面（砂浆、瓷砖/木板/等）、板下吊顶。

通常楼面可按1kN/m2考虑，屋面可按2～3kN/m2考虑。

c.板上隔墙：按实际荷载折算，一般轻质隔板可按1kN/m2考虑，轻质砌体2～3kN/m2考虑2．梁（剪力墙）上隔墙荷载（kN/m）a.墙厚（米）X 容重 X 高度：粘土砖18kN/m3，水泥空心砖10kN/m3，粉煤灰轻渣空心砌块7～8kN/m3，加气混凝土砌块5.5kN/m3。

b.墙面装饰厚度（双面）X 容重 X 高度墙面装饰层厚单面通常为0.02m，混合砂浆容重17kN/m3。

c.门窗洞口扣去洞口部分墙体荷载，加上门窗自重。

梁墙上荷载可取等效均布荷载。

3．墙柱梁表面装饰荷载通常将混凝土容重取大一点（28 kN/m3）来考虑，不再另外计算。

七、结构计算（上部结构）根据使用的软件不同，具体方法步骤不同，先掌握我们PKPM的PMCAD、SATWE 及JCCAD．（一）建模详见《PKPM建模常见问题及处理建议》、PMCAD使用手册（二）计算参数详见SATWE使用手册（三）软件运算（四）计算书1.结构平面布置简图（SATWE“接PM生成数据”图形检查）2．荷载平面布置简图（PMCAD平面荷载显示校核）3．基本参数等wmass.out4．位移wdisp.out5．地震wzq.out6．各层配筋简图7．各层梁裂缝、挠度平面简图（梁平法施工图）8．各层板配筋面积简图（PMCAD画结构平面图）七、结果分析（SATWE计算结果）（一）原始输入数据检查（wmass.out）1.检查各参数是否正确。

2．检查质量（荷载）a.检查各楼层单位面积质量（1×恒＋折减系数X活），与“PMCAD荷载校核”对比，避免荷载丢失。

b.检查“PMCAD荷载校核”各楼层单位面积荷载（1.2×恒＋1.4×活），与经验值对比，判断荷载是否合理。

（二）结构整体分析1.水平位移控制（wdisp.out）a.层间位移角（不考虑偶然偏心）限制：框架结构 1/550框架－剪力墙、框架－核心筒、板柱－剪力墙 1/800筒中筒、剪力墙 1/1000框支层 1/1000多、高层钢结构 1/300b.位移比（考虑偶然偏心）限制：最大位移（层间位移）与平均位移（平均层间位移）之比：A级高度建筑（普通多高层属于此类）：不宜大于1.5 (抗震规范)不宜大于1.2，不应大于1.5(高规) B级高度建筑、复杂高层结构、混合结构：不宜大于1.2，不应大于1.4(高规)2.抗震控制（wzq.out）a.质量参与系数：不少于90％（高规5.1.13.2）。

如果少于90％，增加计算振型数。

b.周期：规范没有周期大小的控制，根据经验估算，判断是否合理，如果周期太大，则说明结构刚度太柔。

c.周期比：扭转为主第一周期与平动为主第一周期之比A级高度建筑不应大于0.9，B级高度建筑、复杂高层结构、混合结构：不应大于0.85 平动扭转判定：根据平动、扭转系数大小判定，如果平动系数越大，则平动所占的能量越多，一般来说，当该系数大于0.5时可认为以该振动为主。

第一周期的判定：不要想当然认为排在第一的就是第一周期，应注意剔除局部振动产生的周期。

具体可看该振型对底部剪力的贡献，第一振型的贡献应是最大的。

d.剪重比：该层地震作用总剪力/该层及其上部重力荷载代表值之和规范规定了最小值（详见抗规表5.2.5，高规表3.3.13）7度基本周期小于3.5s的结构为0.016。

软件对小于最小值的会自动调整放大。

3.结构竖向规则（wmass.out）（1）. 楼层侧向刚度比a.普通楼层（刚度用“地震剪力/层间位移”计算）抗规3.4.2-3.4.3、高规5.1.14规定：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，该层地震剪力应乘以1.15的放大系数。