赶快收藏!讲透刚度比:结构设计中的各种刚度比剖析(下篇)

前言

结构设计中,设计师需要根据规范的相关要求,应用软件计算结果,控制各类刚度比,如剪切刚度比、剪弯刚度比、层剪力/层间位移的刚度比等。

但是有些结构的刚度比计算还需要特殊的模型处理或者结果需要手工校核,设计中并不是将所有的楼层全部建模整体计算控制各类刚度比。比如,对地下室顶板嵌固的剪切刚度比的判断是要考虑地下一层“相关范围”的模型,是否考虑刚性楼板假定无关;但是对楼层剪力/层间位移的刚度比计算需要考虑全楼强制刚性楼板假定等。

本文结合规范要求、工程案例及软件,详细深入剖析以.上几种刚度比如何进行计算及在设计中如何控制。

楼层剪弯刚度比

(1)规范对剪切刚度比的相关要求。

剪弯刚度的使用,只有对高位转换结构转换层下部与转换层上部结构的刚度比计算时,才用到该刚度及刚度比的比值。

高规附录E.0.3对高位转换结构转换层下部与上部结构的剪弯刚度比要求如下图24所示。

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图24 高位转换结构转换层下部与上部的

(2)对剪弯刚度比的输出及校核。

对图13砍掉地下室的模型进行计算时,若指定该结构体系为框支转换结构,并且执行转换层所在的层号为3,如图25所示,由于地下室层数为0,则程序可自动判断该结构为高位转换结构,其转换层下部结构与转换层上部结构刚度比的输出就会按照E.0.3进行计算。程序才会输出该项(一般结构不输出该指标),输出结果如图26所示。

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图25 定义结构体系及指定转换层所在层号
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图26转换层下部与转换层上部的结构刚度比输出

按照高规附录E.0.3手工校核转换层下部与转换层上部结构的刚度比。

转换层下部的高度为3层,高度为5.4+4.2+4.2=13.8m,转换层上部的高度取接近但小于等于转换层下部高度的楼层,取转换层上部的高度为2层,高度为4.2+7=11.2m<13.8m。

转换层下部的刚度,

X方向为:3.76E+07(kN/m);

Y方向为:4.26E+07(kN/m);

转换层上部的刚度,

X方向为:5.27E+07(kN/m);

Y方向为:6.75E+07(kN/m);

则转换层下部与上部的刚度比:

X方向为:(3.76/5.27)*(13.8/11.2)=0.879≈0.88;

Y方向为:(4.26/6.75)*(13.8/11.2)=0.778≈0.78;

手工校核结果与软件计算结果一致。

结构设计中对于剪弯刚度的使用,只有这一种情况下,即只有在高位转换结构下才有需要验算,软件会根据定义的框支转换结构及转换层所在的层号自动判断是否是高位转换结构,并自动输出转换层下部结构与转换层上部结构的剪弯刚度比。在剪弯刚度菜单下,软件也输出了每一层的剪弯刚度比,该处用的是转换层下部及上部几层的剪弯刚度。

低位转换结构的剪切刚度比

(1)规范对层剪力与层间位移的刚度比相关要求。

高规附录E.0.1对于转换层设置在1,2层的结构(低位转换结构),其转换层楼层刚度比的控制不按照类似一般结构的楼层剪力比层间位移的刚度比结果进行控制,而是按照剪切刚度进行刚度比的控制,如图27所示。

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图27 低位转换结构转换层与相邻上层的刚度比控制

也就是说对低位转换结构,转换层与相邻上层的刚度比要按照剪切刚度控制,但是低位转换结构其他楼层的刚度比还是要按照正常结构的层剪力与层间位移计算的刚度控制刚度比,仍然要按照Rat1与Rat2取较小值从严控制。

(2)对转换结构楼层剪切刚度比的输出及校核。

如果指定结构为“部分框支转换结构”,指定“转换层所在的层号”及“地下室层数”,如图28所示,软件根据转换层所在的层号减去地下室层数,判断该结构是否是低位转换结构,如果是低位转换结构,程序对于转换层与相邻上层的刚度比就使用剪切刚度去判断。

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图28 部分框支转换结构及转换层层号指定

计算完毕输出的楼层剪力比楼层位移的刚度比如下图29所示。

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图29 楼层剪力比层间位移的刚度比

由于该结构转换层所在层号为2,属于低位转换结构,对于第二层的刚度比控制不能按照图29的要求进行控制,需按高规附录E.0.1要求的剪切刚度比控制。其他楼层刚度比还是按正常一般结构的刚度比(层剪力/层间位移刚度)进行控制。

图30所示为软件识别结构为低位转换后,输出的转换层下部与转换层上部结构的刚度比,结果中有转换层与转换层上层的剪切刚度比,如果该比值小于1,代表刚度比超限,软件会显红提示超限。按照规范要求,该比值宜接近1。

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图30 低位转换转换层与转换层上层的剪切刚度比

注意:软件同时也输出了所有楼层的剪切刚度及刚度比,如图31所示,但是该图中的剪切刚度是本层与下层的剪切刚度比。而此处对低位转换结构的刚度比要求是转换层与转换层上层的剪切刚度比。

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图31 低位转换结构输出的楼层剪切刚度及刚度比

高位转换结构的层剪力比层间位移刚度比

(1)规范对高位转换结构楼层剪力与位移的刚度比的相关要求。

高规附录E.0.2对于转换层设置在2层以上的结构(高位转换结构),其转换层楼层刚度比的控制不按照类似一般结构的楼层剪力比层间位移的刚度比结果进行控制,而是按高规3.5.2-1要求的层剪力比层间位移的刚度进行刚度比的控制,如图32所示。

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图32 高位转换结构转换层与上层的刚度比要求

也就是说对高位转换结构,转换层与相邻上层的刚度比仅仅按照3.5.2-1楼层剪力与层间位移的刚度控制,即仅仅控制Rat1即可;但是高位转换结构其他楼层的刚度比还是要按照正常结构的层剪力与层间位移计算的刚度控制刚度比,仍然要按照Rat1与Rat2取较小值从严控制。

(2)对高位转换结构楼层剪力与位移的刚度比输出及校核。

如果指定结构为“部分框支转换结构”,指定“转换层所在的层号”及“地下室层数”,如前图25所示,软件会输出“楼层剪力比层间位移刚度”,如图33所示,其中除转换层外,其他楼层的刚度比都按照该图输出的刚度比进行控制。但对转换层即第三层的刚度比需要设计师自己手工校核再进行控制,软件没有默认输出。

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图33 高位转换结构楼层剪力比层间位移刚度比

按照高规附录E.0.2的要求,是控制转换层与其相邻上层的层间力与层间位移的刚度比,而图33中输出的Ratx1及Raty1都是按照本层侧移刚度与相邻上层侧移刚度的70%或与上三层平均值的80%比值中的较小值,因此,在判断高位转换结构转换层与其上层刚度比的时候不能直接看该结果,应该人为手工校核该层刚度比。

手工校核高位转换结构第三层(转换层)的刚度比(转换层层剪力/层间位移计算的刚度与转换层相连上层层剪力/层间位移计算的刚度):

第三层X方向的刚度比:6.22/5.25=1.185>0.6;

第三层Y方向的刚度比:1.2*10/9.58=1.253>0.6;

按照规范要求该转换层与转换层上层的刚度比均大于0.6,满足规范要求。

超限审查中的楼层刚度比

住房城乡建设部在2015年印发了《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》,其中对于超限结构的认知,如图34所示,也要求进行刚度比的控制,本层侧向刚度小于相邻上层的50%时,属于层刚度偏小。

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图34 超限结构中的层刚度比控制

该刚度比的控制计算是要按照图33输出的“层剪力/层间位移计算的刚度”来控制刚度比,该要求的指标控制需要设计师进行手工校核。

比如,第二层的刚度比计算:

X方向刚度比:6.22/5.25=1.185>0.5;

Y方向刚度比:1.2*10/9.58=1.253>0.5;

结构本层侧向刚度不小于相邻上层的50%,该楼层不判断为层刚度偏小。

关于结构设计中各种刚度比的总结

结构设计中,需按规范的要求,根据不同的结构体系进行各项刚度比的计算与控制。需要注意以下几点:

(1)对于地下室顶板能否作为嵌固端的刚度比控制,采用剪切刚度,计算时的模型需要带地下室的相关范围,该值计算与土约束无关,与有无楼板也无关。但地

下室顶板作为嵌固端时,不仅仅满足剪切刚度比的要求,还需要满足相关构造要求,如地下室相关范围采用梁板体系,混凝土不宜小于C30,板厚不宜小于180mm,双层双向配筋,最小配筋率不小于0.25%。-般尽量保证结构在地下室顶板嵌固,如果当地下室顶板不满足嵌固条件,嵌固段下移,嵌固端宜放在地下室的底板。

(2)对框架结构刚度比的控制,按抗规或高规控制均-致,均控制层剪力/层间位移的刚度,仅控制Ratx 1及Raty1满足要求即可。

(3)对于非框架结构(框剪结构、剪力墙结构、框筒结构等),按抗规与按高规控制刚度比的要求是不同的,软件中当前默认对非框架结构按抗规与高规从严控制,设计师可以选择按抗规或按高规进行刚度比控制。但是需要注意的是对于按高规考虑层高修正的刚度比Ratx2及Raty2在软件新版计算书与旧版计算书wmass. out中输出的结果是不同的,新版计算书中Rat2比值没有考虑90%,110%及150% ;旧版计算书的刚度比已经考虑了90%、110%及 150%,因此在判断是否是薄弱层时直接与1去比较。

(4)对低位转换结构(1-2层的转换结构),转换层的刚度比要求,是要求转换层与转换层.上层的剪切刚度比宜接近1,对于其他非转换楼层的刚度比仍然按照正常非框架结构的楼层剪力/层间位移的刚度比进行控制。转换层的与.上层的剪切刚度比软件自动输出。

(5)对高位转换结构(转换层在2层以上的转换结构),转换层的刚度比要求,是要求转换层与转换层上层的楼层剪力/层间位移的刚度比大于0.6,对于其他非转换楼层的刚度比仍然按照正常非框架结构的楼层剪力/层间位移的刚度比进行控制。另外对高位转换结构还需要控制转换层下部与转换层上部的剪弯刚度比宜接近1,不应小于0.8。转换层楼层剪力/层间位移的刚度比,需要设计师手工计算,软件未自动输出。

(6) 《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中对于超限结构的确定,要求进行刚度比的控制,本层侧向刚度小于相邻.上层的50%时,该比值采用楼层剪力/层间位移计算,结果也需要设计师简单手工计算得到。

(7)一般情况下,楼层剪力/层间位移的刚度比结果要在全楼强制刚性楼板假定下计算得到。

(8)尤其需要注意,对于非框架结构刚度比的控制,底部嵌固层控制150%,该比值需要砍掉地下室,在软件中填写转换层所在的层号为1,软件才能对首层是否是薄弱层的刚度比判断正确的执行150%。如果设计中带有地下室整体分析设计,当软件中填写嵌固端所在的层号不为1时,所有楼层都不执行150% ;但是如果整体计算中,填写嵌固端所在的层号为1时,程序仅执行结构最底部楼层按照150%控制刚度比,此时的最底层刚度比按照150%控制是没有意义的。设计中对于带地下室的非框架结构,要判断结构首层是否是薄弱层,在整体分析模型的基础上,-定要有一个去掉地下室的模型,用该模型的计算结果去判断首层与,上层的刚度比是否大于150%来判断首层是否是薄弱层。

设计中可以便捷的使用PKPM软件中的“有无地下室包络设计"功能,计算完毕,查看无地下室的模型的首层刚度比。

本文结合规范要求、工程案例及软件,深入剖析了各类刚度比,剪切刚度比、剪弯刚度比、层剪力/层间位移的刚度比等各种刚度比如何分析及设计中的控制。

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THE END
希望你这辈子,用尽一生,只求一次,燃尽自己,轰轰烈烈的爱我一次。
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