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1、高层建筑结构概念设计高层建筑结构概念设计(广东省注册工程师培训讲座广东省注册工程师培训讲座)主讲主讲: 韩小雷韩小雷 博士博士 华南理工大学土木工程系教授、博导华南理工大学土木工程系教授、博导华南理工大学土木工程系教授、博导华南理工大学土木工程系教授、博导 华南理工大学建筑设计研究院一级注册结构工程师华南理工大学建筑设计研究院一级注册结构工程师华南理工大学建筑设计研究院一级注册结构工程师华南理工大学建筑设计研究院一级注册结构工程师 英联邦结构工程师学会会员、特许注册结构工程师英联邦结构工程师学会会员、特许注册结构工程师英联邦结构工程师学会会员、特许注册结构工程师英联邦结构工程师学会会员、特许注
2、册结构工程师 香港工程师学会会员香港工程师学会会员香港工程师学会会员香港工程师学会会员结构工程是这样一种艺术结构工程是这样一种艺术:使用材料使用材料使用材料使用材料这些材料属性只能估算这些材料属性只能估算这些材料属性只能估算这些材料属性只能估算建立真实的结构建立真实的结构建立真实的结构建立真实的结构这些真实的结构只能近似分析这些真实的结构只能近似分析这些真实的结构只能近似分析这些真实的结构只能近似分析 来承受外力来承受外力来承受外力来承受外力这些外力不能准确得知这些外力不能准确得知这些外力不能准确得知这些外力不能准确得知以满足我们对公众安全职责的要求以满足我们对公众安全职责的要求以满足我们对公
3、众安全职责的要求以满足我们对公众安全职责的要求1. 荷载荷载竖向荷载竖向荷载竖向荷载竖向荷载美国规范规定混凝土容重取美国规范规定混凝土容重取24kN/m3，而常用的计算软件没有考虑扣除梁板，而常用的计算软件没有考虑扣除梁板重叠、竖向构件和水平构件重叠引起的重复荷载，故为了考虑剪力墙结构的重叠、竖向构件和水平构件重叠引起的重复荷载，故为了考虑剪力墙结构的墙面装修荷载而取混凝土容重为墙面装修荷载而取混凝土容重为27kN/m3是不合理的。是不合理的。水平荷载水平荷载水平荷载水平荷载 风荷载：风荷载： 10年一遇基本风压：舒适度验算年一遇基本风压：舒适度验算 50年一遇基本风压：刚度验算年一遇基本风压
4、：刚度验算 100年一遇基本风压：强度验算年一遇基本风压：强度验算 地震作用：地震作用： 小震小震(重现期重现期50年年)：弹性：弹性 中震中震(重现期重现期475年年)：基本弹性（不屈服）：基本弹性（不屈服） 大震大震(重现期重现期2475年年)：弹塑性：弹塑性 2. 结构设计的荷载组合结构设计的荷载组合与荷载效应组合与荷载效应组合3. 结构稳定、倾覆与基础埋深结构稳定、倾覆与基础埋深 1） 剪力墙结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求：筒体结构应符合下式要求：2）框架结构应符合下式要求：）框架结构应符合下式要求： 高层建筑混凝土结构技术规高层建筑混凝土结构
5、技术规高层建筑混凝土结构技术规高层建筑混凝土结构技术规(JGJ3(JGJ32002)2002)要求高层建筑结构的稳定符合如下要求高层建筑结构的稳定符合如下要求高层建筑结构的稳定符合如下要求高层建筑结构的稳定符合如下规定：规定：规定：规定： 4. 结构抗扭结构抗扭风荷载作用风荷载作用风荷载作用风荷载作用 合力中心为建筑物投合力中心为建筑物投影的几何中心影的几何中心地震荷载作用地震荷载作用地震荷载作用地震荷载作用 合力中心为质量中心合力中心为质量中心合力中心为质量中心合力中心为质量中心 5. 框筒与筒中筒结构框筒与筒中筒结构 框筒结构框筒结构框筒结构框筒结构: : 筒中筒结构筒中筒结构筒中筒结构筒
6、中筒结构: :剪力滞后现象剪力滞后现象:6. 结构抗弯刚度与抗扭刚度的关系结构抗弯刚度与抗扭刚度的关系结构的抗弯刚度和与抗扭刚度应相匹配，基本原则结构的抗弯刚度和与抗扭刚度应相匹配，基本原则结构的抗弯刚度和与抗扭刚度应相匹配，基本原则结构的抗弯刚度和与抗扭刚度应相匹配，基本原则是结构振型为平平扭。若抗弯刚度太大，抗扭刚度是结构振型为平平扭。若抗弯刚度太大，抗扭刚度是结构振型为平平扭。若抗弯刚度太大，抗扭刚度是结构振型为平平扭。若抗弯刚度太大，抗扭刚度相对较弱，就可能产生第一振型是扭，扭转第一周相对较弱，就可能产生第一振型是扭，扭转第一周相对较弱，就可能产生第一振型是扭，扭转第一周相对较弱，就可
7、能产生第一振型是扭，扭转第一周期与平动周期之比以及平面最大位移与平均位移不期与平动周期之比以及平面最大位移与平均位移不期与平动周期之比以及平面最大位移与平均位移不期与平动周期之比以及平面最大位移与平均位移不能满足规范要求，这时可采用以下两个方法：能满足规范要求，这时可采用以下两个方法：能满足规范要求，这时可采用以下两个方法：能满足规范要求，这时可采用以下两个方法： 1 1）增加抗扭刚度，有时很困难）增加抗扭刚度，有时很困难）增加抗扭刚度，有时很困难）增加抗扭刚度，有时很困难 最好采用在不增加竖向构件的前提下，增加连梁最好采用在不增加竖向构件的前提下，增加连梁最好采用在不增加竖向构件的前提下，增
8、加连梁最好采用在不增加竖向构件的前提下，增加连梁的作用（主要保证强剪弱弯）的作用（主要保证强剪弱弯）的作用（主要保证强剪弱弯）的作用（主要保证强剪弱弯） 2 2）在层间位移有富裕的情况下，可减小抗弯刚度）在层间位移有富裕的情况下，可减小抗弯刚度）在层间位移有富裕的情况下，可减小抗弯刚度）在层间位移有富裕的情况下，可减小抗弯刚度7.高规高规建议的高层建筑建议的高层建筑 结构分析模型结构分析模型空间协同空间协同空间协同空间协同 空间杆系空间杆系空间杆系空间杆系空间杆空间杆空间杆空间杆薄壁杆薄壁杆薄壁杆薄壁杆空间杆空间杆空间杆空间杆墙板元墙板元墙板元墙板元有限元有限元有限元有限元 8. 梁板结构、宽
9、扁梁结构和梁板结构、宽扁梁结构和 无梁楼盖的传力路径无梁楼盖的传力路径 9. 对规范要求钢筋混凝土对规范要求钢筋混凝土 框架结构框架结构“大震不倒大震不倒”的思考的思考10. 中国高规的发展与展望中国高规的发展与展望 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（JGJ3-79JGJ3-79），），），），19791979 高层建筑结构设计建议（体选择与构造措施）高层建筑结构设计建议（体选择与构造措施）高层建筑结构设计建议（体选择与构造措施）高层建筑结构设计建议（体选择与构造措施） 上海科
10、学技术出版社，上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，19841984 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定（JGJ3-91JGJ3-91），），），）， 中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社， 19911991 高层建筑混凝土结构技术规程（高层建筑混凝土结构技术规程（高层建筑混凝土结构技术规程（高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 32002JGJ 32002） 中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社
11、，中国建筑工业出版社， 20022002 基于弹性（拟弹塑性）分析的性能化设计方法基于弹性（拟弹塑性）分析的性能化设计方法基于弹性（拟弹塑性）分析的性能化设计方法基于弹性（拟弹塑性）分析的性能化设计方法 （中国进行中）（中国进行中）（中国进行中）（中国进行中） 基于弹塑性分析的的性能化设计方法基于弹塑性分析的的性能化设计方法基于弹塑性分析的的性能化设计方法基于弹塑性分析的的性能化设计方法 （美国、日本进行中）（美国、日本进行中）（美国、日本进行中）（美国、日本进行中） 11. 结构竖向规则性与结构竖向规则性与 层刚度控制准则层刚度控制准则12. 超高层建筑的风洞试验超高层建筑的风洞试验地形地貌
12、模型试验地形地貌模型试验高频动态天平刚体模型测力风洞试验高频动态天平刚体模型测力风洞试验刚体模型测压风动试验刚体模型测压风动试验气弹全模型风致振动响应风洞试验气弹全模型风致振动响应风洞试验广州观光塔广州观光塔广州观光塔广州观光塔效果图效果图效果图效果图(610m):(610m):广州西塔效果图广州西塔效果图广州西塔效果图广州西塔效果图(432m):(432m):13. 结构计算均假设结构处于弹性状结构计算均假设结构处于弹性状态，实际结构是处于弹塑性状态态，实际结构是处于弹塑性状态 14. 强柱弱梁、强剪弱弯、强墙弱连梁强柱弱梁、强剪弱弯、强墙弱连梁15. 美国规范要求无粘结预应力结美国规范要求
13、无粘结预应力结构中，非预应力筋必须能抵抗构中，非预应力筋必须能抵抗100恒载及恒载及25活载活载（抗倒塌分析）（抗倒塌分析） 16. 带地下室的结构计算假设嵌固在带地下室的结构计算假设嵌固在0.00时，时，0.00应设计成强梁弱柱应设计成强梁弱柱17. 带地下室的结构计算假设嵌固在带地下室的结构计算假设嵌固在0.00时，结构刚度大为增大，计算时，结构刚度大为增大，计算出的结构刚度偏大，位移偏小，地震出的结构刚度偏大，位移偏小，地震作用偏大作用偏大18. 无地下室的结构，计算模型为无地下室的结构，计算模型为首层嵌固，这是有条件的，应设首层嵌固，这是有条件的，应设计成强梁弱柱。计成强梁弱柱。19.
14、 性能的设计方法：强度性能的设计方法：强度 + 延性延性20. 弹性与弹塑性时程分析的弹性与弹塑性时程分析的选波及其概率性定义选波及其概率性定义1)现行规范的弹性反应谱的来由现行规范的弹性反应谱的来由 体现了概率的统计意义体现了概率的统计意义2)弹塑性反应谱弹塑性反应谱 可变参数多，无法用单一可变参数多，无法用单一 谱反应谱反应 3)大量的涵盖各种情况的地震波进行弹塑性大量的涵盖各种情况的地震波进行弹塑性时程分析，符合概率统计的思想，是时程分析，符合概率统计的思想，是“ 可可 靠靠”的，是解决问题的一个正确方法。的，是解决问题的一个正确方法。4)如何选波，如何进行概率统计是下一步需如何选波，如
15、何进行概率统计是下一步需要解决的问题。要解决的问题。21. 振动台试验介绍振动台试验介绍1)地震实测数据和振动台试验数据地震实测数据和振动台试验数据 是检验弹塑性分析软件的重要标准。是检验弹塑性分析软件的重要标准。 2)振动台试验的模型设计及其重力相似比。振动台试验的模型设计及其重力相似比。3)存在的几点问题：附加重量的滑动阻尼、存在的几点问题：附加重量的滑动阻尼、台面加速度与电脑输入加速度的差异等台面加速度与电脑输入加速度的差异等4)振动台试验实例振动台试验实例1.1.华标三期华标三期华标三期华标三期12.2.框架框架框架框架& &剪力墙剪力墙剪力墙剪力墙23.3.阪神地震阪神地震阪神地震阪
16、神地震06011306011334.4.阪神地震阪神地震阪神地震阪神地震06011606011645.5.美国美国美国美国PEERPEER试验试验试验试验55)从振动台试验及弹塑性分析从振动台试验及弹塑性分析 得到的启示：得到的启示： 320层的较为刚性的结构是比较敏层的较为刚性的结构是比较敏感的，高柔结构、超高层结构反映不感的，高柔结构、超高层结构反映不敏感。敏感。22. 重要结构的抗震加固方法重要结构的抗震加固方法1)强度强度+构造（延性）构造（延性）抗震性能抗震性能 如果抗震性能的目标是正确的，如果抗震性能的目标是正确的， 强度与构造是可以互相补充的。强度与构造是可以互相补充的。2)以上
17、思想为不符合现行规范构造的以上思想为不符合现行规范构造的结构抗震加固提供了出路：结构抗震加固提供了出路： 不是不符合构造要求的结构都需不是不符合构造要求的结构都需要加固。要加固。3)选用符合概率统计意义的一批地选用符合概率统计意义的一批地震波，对反映结构真实几何尺寸、震波，对反映结构真实几何尺寸、真实材料性能和真实截面配筋的真实材料性能和真实截面配筋的结构模型进行弹塑性时程分析，结构模型进行弹塑性时程分析，对其性能作出评价。对其性能作出评价。4)增加耗能增加耗能支撑支撑阻尼是框架结构加固阻尼是框架结构加固的一个的一个实用、实用、有效的方法有效的方法 随着粘滞阻尼器技术的发展，在我国重要建筑随着
18、粘滞阻尼器技术的发展，在我国重要建筑随着粘滞阻尼器技术的发展，在我国重要建筑随着粘滞阻尼器技术的发展，在我国重要建筑（抗震分类为甲、乙类）中应用耗能结构体系已（抗震分类为甲、乙类）中应用耗能结构体系已（抗震分类为甲、乙类）中应用耗能结构体系已（抗震分类为甲、乙类）中应用耗能结构体系已成熟，三要素如下：成熟，三要素如下：成熟，三要素如下：成熟，三要素如下： 1. 1.科研有科研有科研有科研有2020年以上历史，理论成熟年以上历史，理论成熟年以上历史，理论成熟年以上历史，理论成熟 2. 2.工程师设计习惯与分析技巧（工程师设计习惯与分析技巧（工程师设计习惯与分析技巧（工程师设计习惯与分析技巧（ET
19、ABSETABS、SAP2000SAP2000、MIDASMIDAS） 3.3.产品质量与价格产品质量与价格产品质量与价格产品质量与价格23. 基于能力的转换层结构设计简介基于能力的转换层结构设计简介24. 建筑工程抗震性态设计通则建筑工程抗震性态设计通则CECS 160:2004简介简介90%的内容以的内容以1997年的美国年的美国FEMA形式规范条文为蓝本；形式规范条文为蓝本；目前已发展至目前已发展至2003版，并已被美版，并已被美国国家规范国国家规范IBC2006采用。采用。25. 关于最小配筋率的讨论关于最小配筋率的讨论对于悬挑长度小于对于悬挑长度小于500， 厚度大于厚度大于100
20、的装饰性线条，若其仅承受自重和表的装饰性线条，若其仅承受自重和表面装修荷载可不按最小配筋率设置，面装修荷载可不按最小配筋率设置，仅需满足强度和使用性要求。仅需满足强度和使用性要求。ACI318-2005关于最小配筋率的补充规定：关于最小配筋率的补充规定：10.5.3The requirements of 10.5.1 and 10.5.2 need not be applied if at every section AS provided is at least one-third greater than that required by analysis. 26. 关于弹塑性分析的若干讨
21、论关于弹塑性分析的若干讨论精确精确从理论上考虑各种因素，从从理论上考虑各种因素，从 微观出发，数值处理困难，微观出发，数值处理困难， 不易收敛。不易收敛。粗糙粗糙以试验数据为依据，从宏观以试验数据为依据，从宏观 出发，数值处理较为简单，出发，数值处理较为简单， 较易收敛。较易收敛。1)在目前（或可见的未来在目前（或可见的未来38年）年） “精确精确”的弹塑性分析的精度与的弹塑性分析的精度与“粗粗 糙糙”的结果的可靠性对比。的结果的可靠性对比。2)两者结果应相互校核，如果两者结果应相互校核，如果 “精精 确确”算法与算法与“粗糙粗糙”算法有本质的偏算法有本质的偏 离，则离，则“精确精确” 的方法
22、的结果是不的方法的结果是不 可靠的。可靠的。3 )试验校正与检验工作试验校正与检验工作4)美国、日本的研究、工程应用现状美国、日本的研究、工程应用现状美国美国美国美国单片剪力墙模型通过试验数据得出，复单片剪力墙模型通过试验数据得出，复单片剪力墙模型通过试验数据得出，复单片剪力墙模型通过试验数据得出，复杂的剪力墙等效为杆件。杂的剪力墙等效为杆件。杂的剪力墙等效为杆件。杂的剪力墙等效为杆件。OPENSEESOPENSEES：已进行大量试验校正，正在发展框：已进行大量试验校正，正在发展框：已进行大量试验校正，正在发展框：已进行大量试验校正，正在发展框架结点单元与剪力墙单元，架结点单元与剪力墙单元，架
23、结点单元与剪力墙单元，架结点单元与剪力墙单元，PBEEPBEE研究领域最权威；研究领域最权威；研究领域最权威；研究领域最权威；DRAIN 2DDRAIN 2D、IDARC 2DIDARC 2D：经典，但研发力量减弱；：经典，但研发力量减弱；：经典，但研发力量减弱；：经典，但研发力量减弱；SAP2000SAP2000PERFORM 3DPERFORM 3D：致力于实用工程弹塑：致力于实用工程弹塑：致力于实用工程弹塑：致力于实用工程弹塑性分析，已提供非线性剪力墙分层单元）性分析，已提供非线性剪力墙分层单元）性分析，已提供非线性剪力墙分层单元）性分析，已提供非线性剪力墙分层单元）日本日本日本日本高层
24、建筑基本不采用复杂剪力墙结构，高层建筑基本不采用复杂剪力墙结构，高层建筑基本不采用复杂剪力墙结构，高层建筑基本不采用复杂剪力墙结构，均为杆系。（均为杆系。（均为杆系。（均为杆系。（CANNYCANNYSNAPSNAP）5)地震实测数据及实验室试验数据是检地震实测数据及实验室试验数据是检验弹塑性分析是否合理的重要标准。验弹塑性分析是否合理的重要标准。6)可靠的符合统计意义的弹塑性分可靠的符合统计意义的弹塑性分 析是判别结构析是判别结构 “大震不倒大震不倒”的重要的重要 标准。标准。27.设计基准期设计使用年限设计基准期设计使用年限根据根据根据根据建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标
25、准建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068-2001GB 50068-20012.1.62.1.6 设计基准期设计基准期设计基准期设计基准期 design reference perioddesign reference period为确定可变作用及与时间有关的材料性能等为确定可变作用及与时间有关的材料性能等为确定可变作用及与时间有关的材料性能等为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。取值而选用的时间参数。取值而选用的时间参数。取值而选用的时间参数。2.1.7 2.1.7 设计使用年限设计使用年限设计使用年限设计使用年限 design worki
26、ng lifedesign working life设计规定的结构或结构构件不需进行大修即设计规定的结构或结构构件不需进行大修即设计规定的结构或结构构件不需进行大修即设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。可按其预定目的使用的时期。可按其预定目的使用的时期。可按其预定目的使用的时期。28. 结束语结束语 国际结构设计名人的忠告：国际结构设计名人的忠告：国际结构设计名人的忠告：国际结构设计名人的忠告： 混凝土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图寻求混凝土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图寻求混凝土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图寻求混凝
27、土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图寻求“ “百百百百分之百的计算精确度分之百的计算精确度分之百的计算精确度分之百的计算精确度” ”，无疑是在浪费时间和金钱。，无疑是在浪费时间和金钱。，无疑是在浪费时间和金钱。，无疑是在浪费时间和金钱。 美国美国美国美国G.P.ManningG.P.Manning 2) 2) 应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析，但应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析，但应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析，但应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析，但更需要运用正确的更需要运用正确的更需要运用正确的更需
28、要运用正确的 判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新材料和更大跨度的时候。材料和更大跨度的时候。材料和更大跨度的时候。材料和更大跨度的时候。 美国美国美国美国 林同炎林同炎林同炎林同炎 结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求相对的最结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求相对的最结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求相对的最结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求相对的最佳，而无绝对的最佳优。佳，而无绝对的最佳优。佳，而无绝对的最佳优。佳，而无绝对的最佳优。 英国英国英国英国Over ArupOver Arup结束结束 ! !
