【设计师之声专栏】绘图员的日子(十一)菜鸟玩模型
结构菜鸟人生
2015年08月09日 21:46:23
只看楼主

关键词:周期比 位移角 连梁超筋 轴压比 墙肢稳定 拓扑优化 模型校对 异形板 最近很忙,但自觉并未全身心投入工作。一是在思考这一年来自己工作的进步与存在的不足,做的项目不多,但难度系数较大,对于一个新手而言,我想不管在工作上还是思维上都有不同的收获,为认识自身能力不足克服自身缺陷,严严实实的上了一堂课,希望自身尽快调整,以一个全新的姿态面对接下来的人和事;二是和大多人一样,受gp的影响,虽然自身并未参与,但还是有所波及,工作开始变得有些浮躁,自觉十分讽刺,人性使然,看不清,识不透,还是脚踏实地,规避外界不利干扰吧,选择这条路,便要定心定力。

关键词:周期比 位移角 连梁超筋 轴压比 墙肢稳定 拓扑优化 模型校对 异形板

最近很忙,但自觉并未全身心投入工作。一是在思考这一年来自己工作的进步与存在的不足,做的项目不多,但难度系数较大,对于一个新手而言,我想不管在工作上还是思维上都有不同的收获,为认识自身能力不足克服自身缺陷,严严实实的上了一堂课,希望自身尽快调整,以一个全新的姿态面对接下来的人和事;二是和大多人一样,受gp的影响,虽然自身并未参与,但还是有所波及,工作开始变得有些浮躁,自觉十分讽刺,人性使然,看不清,识不透,还是脚踏实地,规避外界不利干扰吧,选择这条路,便要定心定力。

HF的高层住宅主体是确定由我和H君一起来完成,周期很短,任务很重。之前有过断断续续的调模型、绘制梁板配筋图,没有像这次系统的将整个流程进行到底。H君之前跟我抱怨,工作一年都是在画梁板图,出变更,没能去接触模型,真心觉得没什么意思。当时我呵呵应之,我倒觉得绘图是入门的第一步,这种感觉在我于13年在杭萧钢构实习就深有感触。图纸是工程师的语言,水平跃然纸上,不是吗?

好吧,既然这次话题是模型,还是回归主题。调模型,我也是菜鸟,不能像专业负责人那般驾轻就熟,只能说说自己在这个过程中的感想,期望下个项目能少走弯路(特别是电脑配置不好,那可真是心酸)。



关键词:周期比 位移角 连梁超筋 轴压比 墙肢稳定 拓扑优化 模型校对 异形板

[周期比](概念 要求 调整)
对于周期比,国家高规提出来第一扭转周期和第一平动周期的比值要求,通俗点就是把结构设计成更容易平动指标不足而非扭转,这是肯定扭转不利的硬性规定。

对于周期比的考虑,众说纷纭,尤其是在多层结构中更是说法不一,有人认为多层不必考虑周期比,原因在于高规才提到了扭转不规则包括位移比和周期比两方面,而抗规只提及了位移比的要求;

相反,也有很多人说多层也要考虑周期比,理由是抗震3.4.1的条文说明(P268)中指出周期比大于0.9就属于特别不规则,需要专门论证,且抗规3.5.3-3:结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。若是周期比大于0.9了,往往两个平动周期的比值就稍微大了,但是规范没给出量化的指标。

随着对结构设计认知的不断深入,挑战背后不断的尝试与解读,不同地区不同专家对设计也有了不同的看法,广东高规未对周期比提出要求,同时处于巅峰的泰斗们也认为国标对于周期比的要求多少是有些不太合适的,魏链大师提出控制位移比才是根本,具体做法可能有待深化。

在调高层剪力墙模型时经常会遇到周期比不足的情况,尤其是不规则,高宽比较大的结构更是如此,下面针对上个项目说说应对措施:

既然是想把结构设计成扭转第三,对应的扭转刚度最大化。一般方法就是通过调整改变结构布置,提高结构的抗扭刚度。由于结构外围的抗侧力构件对结构的抗扭刚度贡献最大,所以总的调整原则不外乎加强结构外围墙、柱或梁的刚度,或适当削弱结构中间墙、柱的刚度。利用结构刚度与周期的反比关系,合理布置抗侧力构件,加强需要减小周期方向(包括平动方向和扭转方向)的刚度,削弱需要增大周期方向的刚度。HF高层项目方案真的是折腾死结构,几乎没有传力连续的墙体,全部错位的布置真是要命,最后搭好模型发现只有中间墙勉强能构成传力路径,所以算下来周期特性和位移指标特别不好,花了很大气力去调整。

当结构的第一或第二振型为扭转时,可按以下方法调整:
1)当第一振型为扭转时,说明结构的抗扭刚度相对于其两个主轴(第二振型转角方向和第三振型转角方向,一般都靠近X轴和Y轴)的抗侧移刚度过小,此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度,有条件加墙,无条件可以试着和建筑商量加高外圈梁,将高宽比较小的框梁以墙梁形式建模也大有裨益,另外还应适当削弱结构内部的刚度,尤其是核心筒区域。
2)当第二振型为扭转时,说明结构沿两个主轴方向的抗侧移刚度相差较大,结构的抗扭刚度相对其中一主轴(第一振型转角方向)的抗侧移刚度是合理的;但相对于另一主轴(第三振型转角方向)的抗侧移刚度则过小,此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度,并适当加强结构外围(主要是沿第一振型转角方向)的刚度。

总的来说,当第一振型为扭转时,周期比肯定不满足规范的要求;当第二振型为扭转时,周期比较难满足规范的要求。
当结构的周期比小于1大于0.9时,可按以下方法调整:增强扭转刚度最直接,削弱第一平动为辅。
在调模型过程中,一定要细心,耐心,善于发现微小调动带来的细微变化。这其中有个问题可能会困扰。出现那种混合周期,如何从中判断扭转周期的阶次:可以通过查看各个振型里各个位移分量的质量参与系数,根据他们可以判断第二周期究竟是平动还是扭转,可惜pkpm不提供这样的输出结果,sap和etabs的输出结果就比较详细一些。
对于一些复杂工程,主振型的判断还需参考基底剪力是否为最·大。按照动力学观念,第一周期主要与结构的自身特性(质量、刚度以及边界条件)相关,与外界力无关,地震作用只是提供一个激震力,而基底剪力则是反应这个激震效果的一个指标。
[位移角]
我的理解,位移角属于结构柔性范畴,即结构的正常使用功能要求,它是衡量结构刚度及变形能力的指标。。位移角不是建立在楼板刚性假定基础上,属于量化指标,位移角限值是以钢筋混凝土构件开裂时的层间位移角为参考的。参考广东高规可知,基于以下几点考虑,广东高规中放松了对位移角限值的要求。

1.对钢筋混凝土受弯或大偏心受力构件而言,混凝土开裂时钢筋的应力通常较小,通常可以任务只要钢筋不屈服,结构基本还处于弹性阶段,故国家高规取值偏保守。
2.工程实践表明,结构分析得到的结构自振周期往往较实测为长,规范要求对计算周期乘以小于1的系数来加以修正,然而结构分析得到的位移却没有相应修正。
3.通常层间位移角以中上层居大,上部楼层的侧向位移中有相当部分是由于下部楼层的转角(刚性位移)所引起的,而刚性位移是不会产生结构内力的。
4.从等位移原理来看,大震作用与小震的比值大致为6倍多,而从规范对于结构层间弹塑性极限位移角的取值可以看出,弹性位移角限值仍是偏于保守。
调位移角,其实我的经验也不足,无非是有条件的地方加墙,没条件就找地方改连梁为墙梁,对于墙梁和连梁的区别就不说了,这个调整效果还是蛮明显的,其他的就是加梁高咯。另外还有一个比较体现水平的手段,那就是认清结构的主要受力体系,可以从构件受力状态着手。

[连梁超筋 ]
连梁超筋是这次调模型中的第三个头疼的问题 ,可能是结构布置不合理,导致废了很多精力来控制超筋。其实在调模型中,总是会存在那么一两个顽固分子(飘红),一般都是剪压比超超限。可能有人会认为连梁超筋不用管,正好在地震来临的时候连梁最先破坏,形成塑性铰而耗散能量,正符合我们的抗震概念设计的预期要求,这话看似有理,却只知其一不知其二。
高规 7.2.24、7.2.25 为实现连梁的强剪弱弯,本规程第7.2.21、7.2.22条分别规定了按强剪弱弯要求计算连梁剪力设计值和名义剪应力的上限值,两条规定共同使用,就相当于限制了连梁的受弯配筋。 说到底就是为了保证连梁的“强剪弱弯”。若是红而不调,实际上便违背了规范的意图,也即强剪弱弯得不到保障

连梁超筋的调整措施:
1.关于连梁刚度的折减。连梁由于跨高比小 ,与之相连的墙肢刚度大等原因 ,在水平力作用下的内力往往很大 ,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝 ,刚度减弱从而导致内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时 ,就需对连梁刚度进行折减。广东高规指出,当结构在抗风设计控制时,刚度折减系数不宜小于0.8;抗震设计控制时,折减系数不宜小于0.5;作设防烈度(中震)构件承载力校核时不宜小于0.3。

2.加连梁跨度减少高度。在连梁设计中, 刚度折减后 ,仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况,这时可以增加洞口的宽度,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度,也就减少了地震作用的影响,抗弯刚度的降低比抗剪刚度降低快,这样连梁的承载力有可能不超限。以上两种都是调整刚度的范畴,按照这种方法把超筋的连梁刚度降下来之后,就需加强周围相应的连梁和墙肢,这就是协调与匹配的关系。但是,在实际操作过程中,好像大多数人都只知道把连梁刚度进行折减,却很少意识到把周围的结构进行加强。

3.增加剪力墙厚度。亦即增加连梁的截面宽度,其结果一方面由于结构整体刚度加大,地震作用产生的内力增加,另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后,地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙,而是小于这个比例,因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。

4.提高混凝土等级。混凝土等级提高后, 结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例,有可能使连梁的受剪承载力不超限。

5.点铰变为简支梁,只承担竖向荷载,不提供整体刚度。

6.双连梁 也即在连梁中设缝使之成为双连梁,对于这种形式的处理在设缝多柱中早已出现过,它可以成功完成在不降低抗剪能力的前提下弱化抗弯承载力,这次项目有试着采取这个方法,最终证明无效,可能是剪力太大的缘故吧。

6.地震区高层建筑的剪力墙连梁 ,在进行了上述调整后,仍有部分不符合承载力要求时,可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力。然后按“强剪弱弯”的要求 ,配置相应的纵向钢筋。此时如果不能保证连梁在大震时的延性要求,应重新计算整个结构,必要时调整结构布置 ,使连梁的承载力符合要求。

7.交叉斜筋、对角暗撑 未尝试,也就没什么好说的。
上述各种措施中 ,在能满足整体刚度的情况下,可先采用刚度折减,如仍超限可尝试采用其余各种措施。连梁的调整体现了结构艺术的收与放,有些时候,构件至强至刚不一定是好事,而保证其延性才是根本。



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结构菜鸟人生
2015年08月09日 21:47:24
2楼
本帖最后由 爱生活v爱结构 于 2015-8-9 21:57 编辑

[ ]轴压比 (高规和抗规的区别 广东高规要求 影响因子 延性)
高规和抗规的区别 水平地震荷载作用下,对于框架柱是通过所在框架传递过来的轴向力,此轴向力作用于框架柱的整个截面,所以框架柱轴压比时是应该考虑水平地震作用的;而对于剪力墙而言,水平力作用于墙肢相当于是小偏心受压,主要是以弯曲受力为主,存在相对受压区高度的问题,剪力墙部分受拉部分受压,拉压平衡,也即并不是全截面受压,所以在计算轴压比的时候是可以不用考虑地震作用组合
另一方面,若是按在地震作用组合下1.2SGE+1.3SEHK荷载组合计算,双肢剪力墙中的一肢可能出现拉力,如果按此控制轴压比就失去意义了,故规范选用重力荷载代表值(1.2SGE)做为竖向荷载控制轴压比。
下面写一下影响剪力墙轴压比的主要因素及轴压比超限的调整。在高层剪力墙结构,经常出现底部几层小墙肢轴压比超限的问题。根据经验及相关参考资料,解决办法有以下几种:(u=N/fcA)
1.增加底部几层的墙厚。一般来说如果只增加下部几层的墙厚,建筑专业都是会同意的。
2.增加底部几层的混凝土等级。增加混凝土等级一般由结构专业自行决定,且效果很不错。但混凝土等级的加大是有代价的,材料性能往往是这样的,越强越脆,也即延性越低,而控制轴压比也是在人为的控制结构的延性,所以万事不可本末倒置,需知其根源,解决根本。
3.如果有一字墙等小墙肢轴压比超限,可以考虑移动洞口位置,使得墙肢长度增加,或者减小洞口的宽度,如果都不行的话,可以考虑在垂直墙肢的方向增加一个小的短墙肢,这样也可以很好的改善轴压比;
4.利用PKPM自带的组合轴压功能,把几个连接在一起的墙肢用组合轴压功能来计算轴压比,一般也都没问题,亲测效果甚佳
另外还有一种不太好操作的方法,改变结构布置,使轴压比超限的墙肢上的荷载被转移到别的墙肢上。不过这个基本等于废话,这就相当于结构优化了,所以还是考虑以上几种方法吧。
[ ]墙肢稳定性
pkpm提供了验算选项,但对其计算原理需学会甄别,一字墙ok,但有翼墙就不准确了,pkpm没法考虑翼墙对另一个方向刚度的贡献,这个不足就要手动借助Morgain来验算了。
高规只是提到了不同形状腹板和翼缘之间会有影响,但是到底什么情况下,一道墙才能作为另一道墙的翼缘或者腹板呢?也就是说,什么情况下才可以认为一道墙对另外一道墙的平面外稳定有促进作用,我在规范上没有找到相关规定,在论坛上问了这个问题,有人回答说,没有规定,自己凭经验判断。这样对于我这样的新手来说,就麻烦了,我也不知道什么时候该考虑翼缘的作用,什么时候不考虑。另外,对于有些层高比较高的剪力墙,加入有楼梯的话,个人认为楼梯的梯板什么的对墙也能起到一定的支承作用,但是这在软件里是考虑不了的,而且规范里也没有相关依据。除此之外,还看到有人说,对于满足一定条件的端柱也是可以起到一定支承作用的,但是在软件里没有这个选项,而且规范里好像也没有相关规定。
从高规附录D的公式来看,要使剪力墙稳定验算通过的话,一般有以下几种方法:
一、减小作用在剪力墙上的荷载。由于这里面的荷载Q其实是考虑地震后的,所以要想办法减小结构受到的地震力。理论上说,可以通过减弱结构的刚度来达到减小地震力的目的。所以一种可行的办法是,在剪力墙上开大洞,使墙的刚度减弱,从而减少它所受到的荷载;
二、增大墙厚。这是最简单最直接的办法。加大墙厚,会提高剪力墙的稳定承载力,稳定验算更容易通过,但是增大墙厚,也会增大结构的刚度,从而吸收更大的地震力。不过大部分情况下,这种方法还是屡试不爽的。
三、利用墙体周围的其他墙肢,尽量构造T型、L型等墙肢,利用墙肢的翼缘来帮忙,在pkpm的剪力墙稳定验算中,一般都能顺利通过。说到这里,有点必须提一下,就是pkpm关于墙肢的判定。比如在一道墙上开了两个洞,那么不论这两个洞有多大,pkpm都会把两个洞口之间的墙肢当做一字墙来算,因而大部分都不会通过稳定验算。事实上,我认为如果开的这两个洞很小,那么连梁应该属于强连梁,两个洞口之间的墙肢不能与周围的墙肢脱离开来验算,而应该整体当做一个墙肢。这样的话,这个大墙肢的两端很可能会有其他墙肢,从而可以构成L型或者槽型墙肢,所以就有可能验算通过了。
最后,谈下自己的看法。软件毕竟是死的,只会按照预定的程序来执行,只有规范规定的两边支承、三边支承、四边支承这几种条件,事实上,很多时候,楼板、楼梯板、柱子都会对墙有一定的约束作用,都能起到提高结构平面外稳定的效果,但是软件和规范里都没有相关规定。所以许多时候还是需要结构师自己来判断。
[ ]模型深化
模型深化其实就是在方案敲定后绘图前对模型的进一步细化,一般在此之前专业负责人会对不同项目给出相应的统一技术措施,针对荷载、参数、配筋等方面做出要求,我们只需按要求调整模型。同时设计者得对应建筑图,作出相应的调整,切合实际才是硬道理。
其实单独列出模型深化这个主题主要还是想说说拓扑优化和模型的校对这两方面的认识。
拓扑优化,可能做优化的设计人员会有更深的体会,我这等菜鸟无非是坐进观天,夸夸其谈,但我想只要有思想,菜鸟也可以练就好身手。力流途径最短化是优化的最核心思想。首先推荐下猪小宝博士的一篇关于“力的流动途径”的专题文章(http://zhuanlan.zhihu.com/zhuxiaobao/19637111),深入浅出,例题论证,完美诠释了掌握结构力流路径的重要性。其实读任何一本结构概念书籍,你都会发现力流总是被推崇,而能绘声绘色描述清楚的寥寥无几。另外Histruct在这方面也有很高的造诣,可惜网站已过期,其中对于sap2000虚功原理来判别结构重要构件的方法也是极好的,这方面的文字我在之前的说说已进行了描述。哎!说到sap2000我真的一直想好好研究研究,可是有时候不知道从哪开始,有时候被其他事冲淡,总是不能静心尽力。
另外,我想说说关于公司对于模型校对方面还是做的蛮好的,各个专业负责人在一块研究结构布置合理性的问题,讨论各个疑难杂症的解决之法。大家一起集思广益,解决技术难题,对于我等小菜鸟还能透过各种应对措施学到不少概念方法。
异形板计算,以前对于一般的异形板,我都是按正常配筋,不管它。对,真的就是那么的不负责任。知道F君指出,菜鸟,给我算算这块异形板的配筋,看看你配的够不够。好吧,我错了!受过F君的指点,又长进了一些结构概念些的东西,关于钢筋长度和布置方向,其实真不是那么随意的,存在即合理。不合理的存在,都将付出代价。

后记
写这些乱七八糟的东西真的要花好多时间,这周是HF出图后空闲的一周,基本空闲了都在整理这些东西,查阅相关资料,摘选相应论点,然后组织语言,呵呵,这感觉又是在写论文了么!不过还好,没有论文那么严肃,随意轻松的字语,用最真实的语言来演绎我的结构之道。下一篇"绘图员的日子(十二)~玩转坡道",这篇篇幅可能没那么长,因为自己的领悟可能没那么深刻吧!
“识”与“实”,识之,情也,情之所至,一览无余;实之,性也,性之所致,众山皆小。功成在于性情,性情始于初衷。

2015.08.08珠海
结构菜鸟-木子青见

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co1427296236307
2015年08月10日 09:23:32
3楼
谢谢楼主分享
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zhengzhouzhaoyun
2015年08月10日 09:33:41
4楼

谢谢楼主分享
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co1427296236307
2015年08月10日 10:16:41
5楼
谢谢楼主分享
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那路透
2015年08月10日 10:39:42
6楼
很到位嘛,楼主辛苦了
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盛装舞步1987
2015年08月10日 15:35:37
7楼
看完楼主写的东西,想提问几个问题:1、关于周期比,为什么第一第二周期一定要是平动周期,第三周期一定要是扭转周期?(规范上是否有规定)2、关于连梁超筋的问题,不一定是连梁超筋,当一般梁超筋时显红,如何判断该梁是什么超限,求学霸指导,我一直不太理解PKPM的计算结果。看完楼主分享就知道楼主是个名副其实的学霸;P
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yan_xue_er11
2015年08月10日 17:51:42
8楼
分析得很到位,对挑模型有帮助,顶起
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shishouyyj
2015年08月10日 18:03:06
9楼
写的很好,分析的很到位!
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吸力锅
2015年08月10日 18:39:12
10楼
楼主辛苦了,分析的很到位
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zhloveluy
2015年08月10日 21:26:43
11楼
你写的真好
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