建筑设计论文框架结构设计方向论文范文

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2013-06-20 09:37 热度:

  本文选自国家级期刊《中国建筑金属结构》,《中国建筑金属结构》杂志是由中华人民共和国住房和城乡建设部主管,中国建筑金属结构协会主办。国际刊号ISSN:1671-3362 ,国内刊号CN:11-4723/TU 。邮发代号2-453。本刊为月刊。

本刊的办刊宗旨:为企业服务,为行业服务,为政府改革开发的工作大局服务。主要内容:全面反映我国建筑金属结构行业的发展方向、方针、政策、法规,企业 的科技创新、科技进步、科技成果及其管理经验。主要报导全国建筑工程领域中广泛使用的钢、木、铝、塑门窗,建筑幕墙、钢结构、采暖散热器、门窗配套件、模 板、扣件、给排水设备等以及与之相关的材料、设备、产品和新标准、新技术、新工艺、新成果。

  摘要:建筑结构设计对于在结构可靠度、设计计算、配筋构造等方面均有很高的要求,特别是对于抗震及结构的整体性、规则性的要求更高。工业建筑由于使用功能的要求,结构布置往往不甚合理,如层高不均匀、楼板开孔大等,因而结构形式往往不规则。在设计的时候,需要在遵循规范的同时大胆灵活的解决一些结构方案上的难点、重点,根据程序计算结果,针对具体不满足规范条文的情况,采取相应的调整措施,以满足结构设计规范规定及工艺的使用功能要求。

  关键词:不规则,单榀框架,轴压比,弹性层间位移角,层间承载力比

  0引言

  在结构设计中,框架的传力路线应简捷明了。在荷载作用下,结构的传力路线越短、越直接,结构的工作效能越高,工程造价也越少;从力学观点看,框架平面布局中,尽量使柱网按开间等跨和进深等距布置,这样可以相应减少边跨柱距,也可以充分利用连续梁的受力特点以减少结构中的弯距,可以使各跨梁截面趋于一致,从而提高结构的整体刚度。

  但是对于工业建筑来说,为满足工艺设备布置的要求,结构层高往往不均匀,甚至可能相差几倍,有时由于场地条件制约,投资成本考虑,结构方案经常会布置成竖向和平面均不规则的框架结构。因此,在抗震烈度较高的地区,对于不规则框架结构梁、柱的布置,特别是框架柱截面大小是否仍由轴压比控制,需根据不同的结构布置进行计算分析。

  1工程概况

  越南位于东南亚热带季风区。年平均气温23.0℃,平均相对湿度85.0%,主导风向是东北和西南,平均风速3.7m/s,年平均降雨1700.0mm。

  本次设计内容为石灰石制浆及石膏脱水楼框架,采用钢筋混凝土框架结构,框架抗震等级为二级,抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.15g,特征周期0.55s,环境类别为二a类,混凝土耐久性要求:最大水浇比0.50。场地类别为III类,基本风压W=1.25kN/m2。

  石灰石制浆及石膏脱水楼为钢筋混凝土框架结构建筑,该建筑为三层,局部四层,建筑高度30.0m。建筑内部设二部楼梯并通至屋顶,一层层高10.000m,二层层高6.000m,三层层高8.000m,四层层高6.000m。一层设球磨机房、石膏库,二层设石灰石旋流器室、皮带输送机房,三层设有真空皮带脱水机房,四层设石膏旋流器等,结构布置见图1~图4。

  图1石灰石制浆及石膏脱水楼柱布置图

  图210.000m层模板图

  图316.000m层模板图

  图424.000m层模板图

  2计算分析

  2.1结构方案分析

  2.1.1凹凸不规则

  《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第3.4.3条规定:平面凹进的尺寸,大于相应投影方向总尺寸的30%,定义为凹凸不规则。

  由框架平面图可以看出,凹进尺寸为9m/18m=50%>30%,属于凹凸不规则。

  2.1.2单跨框架

  《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第6.1.5条规定:甲类、乙类建筑以及高度大于24米的丙类建筑,不应采用单跨框架结构。

  由框架平面图6-8轴线/B-C轴线可以看出,属于单榀框架。

  2.1.3轴压比

  轴压比指柱的组合轴压力设计值N与柱全截面面积A和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积之比值,即轴压比为N/fcA。限制轴压比来保证结构的延性。首层较高,为10m,在计算时,需注意柱截面是由轴压比控制还是层间位移比控制。

  2.1.4竖向规则性

  《建筑抗震鉴定标准》(GB50023-2009)第x.x.x条规定:钢筋混凝土结构楼层现有受剪承载力应按下式计算,此参数限制结构的竖向布置规则性,可以用来判断薄弱层。

  Fy=ΣFcy+0.7ΣFmy+0.7ΣFwy

  式中:Fy为楼层现有受剪承载力;

  ΣFcy为框架柱层间现有受剪承载力之和;

  ΣFmy为砖填充墙框架层间现有受剪承载力之和;

  ΣFwy为抗震墙层间现有受剪承载力之和。

  2.1.5层间位移角

  《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第5.5.1条规定:层间位移角按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比计算,用来限制正常使用下的水平位移,确保结构有足够的刚度。

  本次设计层高较高,且分布不均匀,计算时需注意此参数是否满足规范限值1/550。

  2.2PKPM计算模型建立与参数选取

  2.2.1振型的选取

  《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第5.1.13-2条规定:抗震计算时,宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应,振型数不宜小于15,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。

  振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量。该值取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量,使计算结果失真;取值太大,不仅浪费时间,还可能使计算结果发生畸变。本次建模振型取15个,X方向的有效质量系数为99.64%,Y方向的有效质量系数为99.43%,满足要求。

  2.2.2层高的确定

  第一层计算层高12m(基础顶标高为-2.000m),初步计算后,Y方向层间位移角1/550无法满足要求,主要原因就是层高较高,且单榀框架,抗震不利,采取的措施是在6.300标高处,增加了一层外框架梁,减小层高,且增大刚度,并且将框架平面图6-8轴线/B-C轴线中,Y方向的梁截面加大,且调整次梁的设置方向,将初次建模X方向设置的次梁调整成Y方向设置。经计算,层间位移角满足规范要求。

  2.2.3单榀框架柱截面尺寸的确定

  框架平面图6-8轴线/B-C轴线的柱截面,初算时取的柱截面面积为750×1050,由计算结果,发现柱子轴压比很小,最大约0.3,但是层间位移角最不利的为1/543,不满足规范规定小于等于1/550的要求。初步分析原因是因为结构方案的凹凸不规则和单榀框架的扭转,竖向构件的刚度不满足,因此需要增加柱截面面积;柱配筋也较大,初步分析原因是因为抗震设防烈度较高,且场地类别为III类,由水平地震力和风荷载引起的的弯矩较大的原因。

  综合考虑安全性及经济性,最终确定柱子大小为750×1250,经计算,最不利层间位移角为1/551,恰好满足规范规定的1/550的要求。

  2.2.4结构周期折减系数

  框架结构由于填充墙的存在,使结构的实际刚度大于计算刚度,计算周期大于实际周期,因此,算出的地震作用效应偏小,使结构偏于不安全,因此本工程结构的计算周期折减系数选取了0.9。

  2.2.5梁刚度放大系数

  《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第5.2.2条规定:

  SATWE计算软件的梁输入模型均为矩形截面,未考虑因存在楼板形成T型截面而引起的刚度增大,造成结构的实际刚度大于计算刚度,算出的地震剪力偏小,使结构偏于不安全。按照技术规程的规定,本工程计算时将梁刚度放大,放大系数中梁取2.0、边梁取1.5。

  2.2.6抗震构造措施提高一级

  《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第3.3.3条规定:场地类别为III类时,设计基本地震加速度为0.15g的地区,宜按设防烈度8度(0.2g)的要求采取抗震构造措施。

  按此要求,本次设计抗震构造措施需提高一级。

  2.3计算成果分析

  2.3.1柱轴压比

  《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第6.3.6条规定:

  根据SATWE计算结果可以看出,柱轴压比最大为0.33,远小于0.75,满足要求。

  2.3.2楼层抗剪承载力、承载力比值分析

  分析过程见表1。

  表1楼层抗剪承载力、承载力比值表

  层号塔号X向承载力Y向承载力Ratio_Bu:XRatio_Bu:Y

  410.2136E+040.2295E+041.001.00

  310.3195E+040.3690E+041.501.61

  210.8137E+040.9952E+042.552.70

  110.6123E+040.9307E+040.750.94

  注:Ratio_Bu为层间承载力比。

  X方向最小楼层抗剪承载力之比:0.75层号:1塔号:1

  Y方向最小楼层抗剪承载力之比:0.94层号:1塔号:1

  《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第3.4.4条规定:

  根据分析,满足不小于相邻上一楼层65%的要求,说明对结构方案分析及建模过程中采取的调整措施是有效的。

  2.3.3楼层最不利位移分析

  分析过程见表2。

  通过计算结果分析可知,最不利位移为Y方向风荷载(表中是地震作用,二者矛盾)作用下的层间最大位移角1/551,接近限值1/550。最小楼层受剪承载力之比和最大位移角均接近限值,说明在填充墙、混凝土等级等不变的情况下,框架柱截面刚好满足规范的要求。而由本文2.3.1分析得出的柱轴压比最大为0.33,说明本工程框架柱的截面面积并非由轴压比控制。

  注:Floor:层号;Jmax:节点号;Max-(Y):最大Y向位移;Max-Dy:最大Y向杆间位移;Ave-(Y):Y平均位移;Ave-Dy:Y平均杆间位移;Ratio-(Y):Y向位移比;Ratio-Dy:Y向杆间位移比;H:层高;Max-Dy/h:最大杆间位移角;DyR/Dy:有害位移角比例;Ratio_A:本层位移角与上层位移角的1.3倍及上三层平均位移角的1.2倍的比值的大值。

  2.3.4单榀框架柱配筋分析

  分析过程见图5。

  柱左侧受力五个数字含义从上到下分别为:该柱X、Y方向的剪力,柱底轴力,X、Y方向的弯矩。由计算结果可以看出,X方向最大弯矩为3321.4kN.m,Y方向最大弯矩为1070.5kN.m,而柱底最大轴力只有3803.4kN,说明柱配筋不受压力控制,而是由弯矩控制。证明模型建立中的初步分析是对的,此时,在柱截面满足层间位移角的前提下,考虑降低配筋量,选取合适的柱截面。

  图5单榀框架柱底力简图

  3结束语

  本文阐述了不规则框架结构在设计过程中应注意的问题。

  设计不规则框架结构,应首先判断结构方案的可行性,对所有计算结果认真分析、准确判断,对可能碰到的问题,提前采取措施予以解决后方可应用于实际工程中。只有熟练地掌握规范,并具有准确的结构概念和工程概念,才能设计出既安全又经济适用的工程。

  参考文献:

  [1]GB5011-2010,建筑抗震设计规范

  [2]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程

  [3]GB50023-2009,建筑抗震鉴定标准

  [4]PKPM2010-SATWE

文章标题:建筑设计论文框架结构设计方向论文范文

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