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1、结构设计概论,一、我国现行建筑工程建设程序,二、建设过程中各类工程师的职责,建筑师与结构工程师的关系有四个层次：,（1）合作：即“你做你的设计，我做我的设计，遇到矛盾，合作协商解决”。,（2）结合：即“虽然各做各的，但都能懂得对方，主动结合，相互补充”。,（3）融合：即“你中有我，我中有你，融为一体”。结构工程师要自觉地考虑家建筑问题，建筑师要自觉地考虑结构问题。,（4）统一：即“结构工程师就是建筑师，建筑师也是结构工程师”。如西班牙的托罗哈(E.Torroja),三、建设结构的基本构件类型,1、板,2、梁,3、柱,4、框架,5、桁架,6、网架,7拱,8、壳体,9、墙,10、索,11、薄膜构件
2、,12、基础,四、建筑结构的几个基本概念,1、荷载,结构上的荷载可分为下列三类： 1）永久荷载，例如结构自重、土压力、预应力等。 2）可变荷载，例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 3）偶然荷载，例如爆炸力、撞击力等。 注:自重是指材料自身重量产生的荷载(重力)。,2、结构的失效,结构失效包括下列5个方面： 1）破坏指结构或其构件因所用材料的强度被超越或应变大于奇迹现值而丧失承载力。 2）失稳 3）变形过大（含裂缝过宽） 4）耐久性丧失 5）倾覆或滑移,3、结构的三个基本分体系,1）基本水平分体系一般由板、梁、桁（网）架组成。作用为：a、在竖向，承受楼面或屋面的竖
3、向荷载，并把它传给竖向分体系；b、在水平方向，起隔板和支承竖向构件的作用，并保持竖向构件的稳定。,2）基本竖向分体系一般由柱、墙、筒体组成（如框架体系、墙体系和井筒体系）。作用为：a、在竖向，承受由水平体系传来的全部荷载，并把它传给基础体系；b、在水平方向，抵抗水平作用力如风荷载、水平地震作用等，也把它们传给基础体系。,3）基础体系一般由独立基础、条形基础、交叉基础、片筏基础、箱形基础以及桩基。作用为：a、把上述两类分体系传来的重力荷载全部传给地基；b、承受地面以上的上部结构传来的水平作用力，并把它们传给地基；c、限制整个结构的沉降，避免不允许的均匀沉降和结构的滑移。,五、结构概念设计,结构概
4、念设计归根到底是确定主体结构体系及其联系。主要考虑三个方面：,（1）优化结构体系。根据环境、使用、建筑和荷载优化合用的基本构件，确定它们间的联系，形成基本结构单元和它的支承做法，再将基本结构单元通过线型、平面、叠合、交叉等集合型是构成主要结构体系。,表1-2,（2）优化结构布置。在满足使用要求和建筑意向前提下优化地布置楼屋盖水平系统、柱墙竖向支撑系统和基础系统。重要的原则是平立面宜规则、对称，具有良好的整体性，竖向剖面除规整外，侧向刚度宜均匀变化，自下而上逐渐减小，避免突变。,（3）合理构造做法。重点是结构构造做法和建筑构造要求相一致，结构的理论构造要求和施工的实际构造做法相一致。这里的“一致
5、”是指实现可能的一致性和受力/功能特征的一致性。,六、高层结构体系,1、高层建筑结构的受力特征,2、高层建筑结构的有效性和经济性取决于3个因素的作用。,（1）设置能有效抵抗水平力的结构体系。如设置有很大侧向刚度的剪力墙、框筒等；也可增加底部结构体系的有效支承长度，以减小结构的高宽比，如下图。,（2）将楼盖结构做得经济合理。,（3）采用适宜的基础和地下室结构。,3、高层建筑结构的体系,七、楼盖结构体系的设计,1、楼盖结构体系的分类,2、肋形楼盖构件的主要参数估计,楼（屋）盖构件的合理跨度（m）,构件截面尺寸估计,（1）钢筋混凝土板最小厚度(h，以mm计),1）单向板，L/35(简支)；L/40(
6、两端连续)；民用建筑70，工业建筑80。,2）双向板，L/45(四边简支)；L/50(四边连续)；L为双向板短跨，h80。,3）密肋板，50，当密肋板的跨度为0.7m左右时；其他情况可取60或70。,4）四角支承板（即无梁楼盖的板），L/35，L为板的长边，h150。,5）悬臂板，L/12，板的根部h80。,（2）钢筋混凝土梁参考截面(bh，bh/3h/1.5，以mm计)中的h值,1）单跨简支梁，L/12L/10。,2）多跨连续次梁，L/18L/14。,3）多跨连续主梁，L/14L/12。,4）交叉梁，L/20L/16，L为交叉梁楼屋盖平面的短边长度。,5）单跨密肋梁，L/20，b=60150
7、，h200。,7）悬臂梁，L/6L/5。,6）多跨密肋梁，L/25，b=60150，h200。,8）无梁楼盖周边圈梁，L/15，2.5倍板厚，L为板跨。,（3）钢筋混凝土柱截面(截面尺寸bh),按下式估算：N/bhfc0.70.9式中N为重力荷载产生的轴向力设计值，可取标准值的1.251.30倍。结构自重经验参数：1）钢筋混凝土框架和框架剪力墙结构1214KN/m22）剪力墙和筒中筒结构大约1416KN/m2,（4）钢结构截面预估,钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面。其截面高度通常在跨度的1/201/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按L/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定计算。确
8、定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。钢柱截面按长细比预估，通常50150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。,3、扁梁楼盖,扁梁楼盖是介于肋梁和无梁楼盖之间的结构系统，经济指标也在二者之间，较肋梁楼盖贵，较无梁楼盖便宜。,梁宽度大于柱（支座）的宽度，且大于梁的高度者称为扁梁。,一般扁梁的高度hb可取（1/201/25）跨度，且不小于2.5倍板的厚度；扁梁的宽高比（bb/hb）不宜超过3。宽高比超过3的扁梁在工程上称为超宽扁梁。,八、结构的抗震设计,三水准要求,一般关系烈度：Im=I0-1.55, Is=I
9、0+1加速度：PGAm=PGA0*1/3PGAs=PGAm*(4-6),两阶段设计,第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算； 大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。,建筑设计和建筑结构的规则性,建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案,不规则程度 不规则一项 特别不规则多项/一项较多，后果不良 严重不规则多项较多，后果严重,九、超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点,下列高层建筑工程属于超限高层建筑工程,a)房屋高度超过规定，包括超过建筑抗震设计规范（以下简称抗震规范）第6章现浇钢筋混凝土结构和第8章钢结构适用的最大高度、超过高层建筑混凝土结构技术
10、规程（以下简称高层混凝土结构规程）第7章中有较多短肢墙的剪力墙结构、第10章错层结构和第11章混合结构最大适用高度的高层建筑工程； b)房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于抗震规范、高层混凝土结构规程规定的特别不规则的高层建筑工程,建筑结构布置属于建筑抗震设计规范高层建筑混凝土结构设计规程规定的特别不规则的高层建筑一、同时具有两项以上平面、竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的高层建筑。注：规定值见建筑抗震设计规范3.4.2、3.4.3条和高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称高层混凝土结构规程）4.3.44.3.6、4.4.4、4.4.5条等。二、结构布置明显不规则的复杂结构和混合结构的
11、高层建筑，主要包括：1、同时具有两种以上复杂类型（带转换层、带加强层和具有错层、连体、多塔）的高层建筑；2、转换层位置超过高层混凝土结构规程规定的高位转换的高层建筑；3、各部分层数、结构布置或刚度等有较大不同的错层、连体高层建筑；4、单塔或大小不等的多塔位置偏置过多的大底盘（裙房）高层建筑；5、七、八度抗震设防时厚板转换的高层建筑。注：相关规定见高层混凝土结构规程4.3.4、10.1.4、10.2.2、10.2.3、10.2.10、10.4.2、10.5.1、10.6.1和10.6.2条等。三、单跨的框架结构的高层建筑。注：相关规定见高层混凝土结构规程6.1.2条。,十、PKPM软件的应用要点
12、,1、楼板刚度的特点,分面内刚度和面外刚度 面内刚度：膜剪切刚度 面外刚度：板弯曲刚度 程序对楼板的刚度假定 （1）刚性板假定 （2）弹性板3假定 （3）弹性板6假定 （4）弹性膜假定,刚性板假定,面内刚度无穷大，面外刚度为0；适用范围：楼板不特殊的绝大多数工程；通过调整程序的梁刚度放大系数可变相的考虑楼板的面外刚度。,弹性板3假定,面内刚度无穷大，面外刚度考虑板弯曲刚度；适用范围：面内刚度很大但又不能忽略面外刚度的工程，如厚板转换结构、板柱体系等。,弹性板6假定,同时考虑板面内的膜剪切刚度和面外的板弯曲刚度；适用范围：所有工程；缺点：自由度增加很大，计算量也较大。此外，由于有一部分水平力会被
13、板所吸收，从而导致梁的配筋偏小。,弹性膜假定,面内刚度考虑膜剪切刚度，面外刚度为0；适用范围：要考虑面内刚度但可忽略面外刚度的工程，如楼板开大动的结构等。,2、最不利地震作用方向,概念：地震沿着不同的方向作用，结构地震反应的大小 一般也不同。结构地震反应是地震作用方向角的函数，存在 某个角度使得结构地震反应取极大，那么这个方向我们就称 为最不利地震作用方向。使用：TAT、SATWE和PMSAP可以自动计算出这个最不 利方向角,并在文件中输出。用户可以把这个角度作为地震作 用的方向角重新进行计算，以体现最不利地震作用的影响。TAT 在 TAT-4.OUT 中输出； SATWE 在 WZQ.OUT
14、 中输出；,文件WZQ.OUT：结构振动特性周期、地震力与振型输出文件 (侧刚分析方法) 振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数1 0.4665 128.67 0.25 ( 0.10+0.15 ) 0.752 0.4351 19.25 0.95 ( 0.85+0.11 ) 0.053 0.4262 104.29 0.89 ( 0.05+0.84 ) 0.114 0.1631 119.98 0.83 ( 0.21+0.62 ) 0.175 0.1608 27.03 0.98 ( 0.78+0.20 ) 0.026 0.1494 54.48 0.00 ( 0.00+0.00 ) 1
15、.00地震作用最大的方向 = 4.737 (度),规则框架Fram1考虑多方向地震输入，构件配筋没有增加或增加不多。多方向地震输入角度的选择尽可能沿着平面布置中局部柱网的主轴方向。建议选择对称的多方向地震，如30和-30，因为风荷并未考虑多方向，否则易造成配筋不对称。,3、结构整体性能控制计算,位移控制 周期控制 层刚度比控制 层刚度计算方法 框剪结构中框架部分承担的倾覆力矩计算,（1）位移控制,新高规的4.3.5条规定，楼层竖向构件的最大水平位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑，及复杂高层建筑，不宜大于该楼层平均值的1.2倍。 层间位移角，
16、A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑，及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。 程序中对每一层都计算并输出最大水平位移、最大层间位移角、平均水平位移、平均层间位移角及相应的比值，用户可以一目了然地判断是否满足规范。,值得注意的是，当结构计算考虑偶然偏心时，程序自动输出偶然偏心地震作用下的位移及位移比。此时结构位移比的验算应考虑偶然偏心地震作用下的计算结果。,（2）周期控制,新高规的4.3.5条规定，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1 之比，A级高度高层建筑不应大于0.9； B级高度高层建筑、混合结构高层建筑，及复杂高层建筑不应大于0.85。,
