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结构高度由什么决定的?

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以下文章来源于DS结构工作室 ,作者王立军 结构高度由什么决定的? 如果我说结构高度由竖向构件决定的,你一定会说,王大师一定是喝多了,而且喝的还不是茅台,怎么这么武断呢?正确的说法有啊,结构高度由结构体系决定,同时还与结构布置方式、构件耗能能力、抗震等级、地震力大小等等因素有关。

以下文章来源于DS结构工作室 ,作者王立军



结构高度由什么决定的?



如果我说结构高度由竖向构件决定的,你一定会说,王大师一定是喝多了,而且喝的还不是茅台,怎么这么武断呢?正确的说法有啊,结构高度由结构体系决定,同时还与结构布置方式、构件耗能能力、抗震等级、地震力大小等等因素有关。



但实际情况呢?你设计一个楼,3-5层,用框架结构;10来层,加上剪力墙,框架-剪力墙结构;50层呢,不但要加剪力墙,还要考虑其布置方式,比如形成筒,还要考虑筒的高宽比。由此,你恍然醒悟,“结构高度是由竖向构件决定的”。


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看一下抗规的表6.1.1,8度区,0.2g。框架,梁柱体系,40m高;框架-剪力墙,梁柱体系加上剪力墙,立马变成100m;筒如果布置得当,比如筒中筒,还可以加个20m。



那横向构件的作用呢?横向构件,比如梁的作用是在竖向构件起作用的基础上对结构高度进行调整。


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对照抗规表6.1.2,8度,设计一个30m高的楼。框架,需抗震等级一级,如果延性差点,做成抗震等级二级,只能做24m高。框架-剪力墙,框架可做成二级,即框架的耗能要求可以降低些,为什么,因为上了剪力墙,这时“剪力墙”这个竖向构件是主要抗侧力构件,框架可以歇歇了;如果进一步做成框架(重力体系)-剪力墙(抗侧力体系),框架可做成四级,真的可以洗洗睡了,虽然抗规没有这个体系。以上分析说明,“结构高度是由抗侧力构件决定的”,进一步可以说,“结构高度由竖向构件决定”。


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再看钢结构,抗规表8.1.1。8度,0.2g。你可能会说,为什么你只提8度,因为小于8度,属于低烈度区,不好意思提抗震。框架,梁和柱,限高90m;框架-支撑,框架还是那个框架,但高度增到了180m,什么起作用,抗侧力构件-支撑;改成偏心支撑,增加了横向构件-梁的延性,不过增加了20m,高度只增加了10%;把支撑做成筒,不过才260m,还是200m的数量级。



综上,强震区,混凝土结构梁柱体系高度是50m数量级,加墙,翻倍到百米;钢结构梁柱体系的高度是百米量级,加撑,翻倍到200m。因此,要想长得高,就选钢结构,切记-加撑!



结构高度由什么决定的 ? (续)



由上文“结构高度由什么决定的”可知,经引经据典得出结论,“结构高度是由竖向构件决定的”。我想大家对此的感觉是不能说不对,但总觉得缺点什么。接下来我们就将缺的那部分补上。




我们知道,结构高度限值来源于抗震。如果没有地震,我们一般不谈结构高度限值。只要自重压不垮、风刮不倒,结构想盖多高盖多高。但地震的出现改变了结构高度的概念,强震区大震下结构要屈服,而结构的延性或耗能能力是有限的,一般来讲,地震使结构的延性需求随结构高度的增加而增大,由此产生了抗震结构的高度限值。




缕清了这一点我们就明白结构高度限值与地震下结构的耗能能力有关。结构的耗能能力与水平构件如梁和竖向构件如柱都有关。但梁耗能能力散尽后只是梁失效,结构还在那。只有柱耗能能力散尽柱失效后才会出现结构倒塌。所以结构竖向构件决定结构高度的含义实质为竖向构件是保证结构大震不倒的主要力量。那么为什么剪力墙的延性没有框架柱好反而由它构成的结构可以设计的更高呢?这是因为剪力墙侧向变形小,结构的二阶效应小。这又引出一个概念,“结构的破坏源自构件的承载力失效,而结构的倒塌源自结构二阶效应的放大”。




由于抗规的局限性,我们得出了结构高度由竖向构件决定的结论。下面我们通过对美国规范的研究,对这一结论加以补充。下表引自美国荷载规范ASCE/SEI7-16,它详细规定了各种结构体系的结构高度限值。我们看C类,抗弯框架(相当于抗规的纯框架),1、3、4分别对应钢结构高延性抗弯框架、中等延性抗弯框架和低延性抗弯框架。




美标的高延性抗弯框架(steelspecial momentframe),地震时结构进入塑性,考虑强柱弱梁,考虑梁柱节点域抗剪强节点计算,框架梁截面板件宽厚比要达到一级塑性截面(17钢标的S1),要求结构具有1/25的层间位移角转动能力;中等延性抗弯框架(steelintermediate momentframe),地震时结构部分进入塑性,不考虑强柱弱梁,不考虑梁柱节点域抗剪计算,框架梁截面板件宽厚比要达到二级塑性截面(17钢标的S2),要求层间位移角转动能力为1/50;低延性抗弯框架(steelordinary momentframe),地震时结构基本保持弹性,不考虑强柱弱梁,不考虑梁柱节点域抗剪计算,框架梁截面板件宽厚比可采用弹性截面(17钢标的S4),无层间位移角转动能力要求。由此可见,抗规的钢框架仅相当于美标的高延性框架。




从美国荷载规范表12.2-1可见,对于8度区(基本对应于抗震设计分类中的D类),高延性框架高度不受限,中等延性框架限高为50m(160英尺),低延性框架限高为10m(35英尺)。这时我们突然发现,前文说的“结构高度是由竖向构件决定的”是不全面的,它仅对应于抗规。对美标来说,由于其扩展了框架的类型,使得大家通常说的“结构高度由结构体系决定”生效。




再看一下中等延性和低延性框架的适用范围。低烈度区,即抗震设计分类中的B、C类,相当于7度区,这时这两种结构高度无限制。此时我们恍然大悟,低烈度区可以不按抗规设计成高延性框架,甚至可以设计成弹性框架,这时由于板件宽厚比、长细比限值的放松,将使应用更延展的梁、柱截面成为可能,使钢材用量大大降低。




因此,我们可以看到,实际上存在着两种抗震设计:极限承载力设计和弹性承载力设计。




极限承载力设计用于高烈度区,地震作用下结构进入塑性状态,结构设计要考虑构件的承载极限强度,构件之间的强度关系要满足强柱弱梁、强节点弱杆件的要求,是一种能力设计。极限承载力设计是真正的抗震设计。




弹性承载力设计用于低烈度区,地震作用下结构基本保持弹性状态,结构设计不需考虑构件的承载极限强度,构件之间的强度关系不需满足强柱弱梁、强节点弱杆件的要求,结构设计仅需像抗风那样按计算受力进行弹性设计即可。




大家弄清了抗震设计的两种方法,就可以像美国人一样,在低烈度区设计出用钢量低的结构。





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  • qq_1512039322455
    qq_1512039322455 2020年07月30日 16:20:14 2楼

    我们这边采用的更多的还是弹性承载力设计

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  • 辰念
    辰念 2020年07月31日 13:47:45 3楼
    谢谢楼主分享的资料,很有用
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    来自土木在线APP

  • yyz639
    yyz639 2020年08月03日 09:32:21 4楼

    知识新颖,感谢楼主


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  • 天涯居士
    天涯居士 2020年08月04日 07:47:50 5楼

    结构高度由结构体系决定,同时还与结构布置方式、构件耗能能力、抗震等级、地震力大小等等因素有关。

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