超限结构设计要点

• 上部结构分析设计，整体设计（分析、 控制）、构件设计（分析、配筋、验算）
• 一、整体设计
• 整体分析：
• 整体刚度组成和变形、地震力和风作用、 竖向力作用、温度作用、人防爆炸荷载 作用、吊车荷载作用、特殊荷载作用、 几何非线性、弹性时程、弹塑性时程、 弹塑性抗推覆、性能化、抗连续倒塌、 隔震减震。
• ② 当按抗震要求设计时，建筑结构的安全等级应符合 《建筑抗震设计规范》的规定。
结构设计规范按照部位分成：
1、地基 2、基础 3、地下室 4、上部结构
• 地基设计及相应的规范： • 土方挖掘类规范、安全规范 • 基坑支护类规范、安全规范 • 护坡类规范、安全规范
• 基础设计及相应的规范： • 各类基础规范，有：茅石基础、条形基
• 不满足性能目标承载力的构件，应作相应调整（截面、材 料、型钢、钢结构、连接方式、不能受拉等）
• 性能化设计分析属于弹性分析，耗时不多，容易掌握，应 用越来越多。指定构件性能及安全度，可以在设计合同中 提出，体现设计水平
八、舒适度验算要点
• 结构舒适度对于超高层建筑、超大跨、超悬挑结构，都需 要进行验算
• 特殊荷载，比如运动荷载，对大跨度舒适度的影响
• 舒适度控制也是结构刚度的控制，显然刚度大舒适度好
• 大跨度端部约束刚度不能仅以计算，需要专门设计，按有 把握的方式连接，异常连接需要试验确定
• 超高层建筑的风振舒适度（顺风向、横风向、扭转风振）
• 大跨度舒适度验算需要作时程分析 • 需要定义行人运动时称曲线，或特殊作用时称曲线 • 不满足舒适度时，需要调整结构、或增加刚度，所以对有
础、弹性地基梁、筏板基础、桩（单桩、 群桩、灌注桩、挖孔桩，等等）基础、 桩筏基础、箱型基础。
• 根据上部结构形式和地基条件，采用不 同的、合理的基础形式。
• 有些规范把地基和基础合并写出，甚至 连上部结构也合在一起写，对各项用途 要有条理的概念。
• 地下室设计及相应规范： • 人防规范 • 地下空间环境类规范 • 地下室与上部结构、基础连接、防水，
• 整体控制： • 薄弱层控制、位移变形控制、层刚度控制、
周期振型控制、地震力控制、层承载力控 制、稳定性控制
• 二、构件设计 • 构件分析： • 内力、内力调整、调幅、变形挠度、承载
力、内力组合、内力放大。
• 混凝土构件截面配筋： • 矩形、圆形、异形、型钢混凝土、墙柱、
墙梁。
• 组合构件、钢构件验算： • （矩形、圆）钢管混凝土、钢。
应用）
• 抗震设计的延性设计和控制（比如提高墙体分布筋的配筋 率），针对中震或大震的受拉构件
• 最大轴压比控制、最大应力比控制
• 不能完全依赖于计算，构造措施需要根据主观判断
• 结构抗震设防应具有二次防线的概念
• 复杂、超限工程，抗震性能、构造措施，是设计重点、难 点，也是耗时相对较多，人工成本较大的阶段
• 设计合同可以从提高安全度角度，来体现设计的工作量和 设计周期
六、弹塑性分析要点
• 弹塑性分析手段已普遍应用 • 静力弹塑性应用范围，抗倒塌验算（性能点位移角、基底
剪力、附加阻尼比） • 静力弹塑性构件性能（裂缝、塑性铰） • 静力弹塑性的非对称性 • 动力弹塑性地震波（3条）也要在统计意义上相符
• 对于不允破坏的如转换构件，采用大震不屈服
• 针对不同目标，合理地设定构件的性能目标，即：
• 中震不屈服、中震弹性、大震不屈服、大震弹性
• 按照性能目标进行设计控制，其配筋、应力比，均要实际 满足。不能计算一套，施工图另一套
• 对特殊构件，比如：大悬臂、大跨度、连廊、通长柱等， 也需要专门设定性能目标
• 竖向荷载、温度荷载、雪荷载、 • 依据荷载规范
• 以上设计依据，均会影响到工程建造成本和设计成本
• 在设计合同（协议）中，如果涉及到工程的具体用量（如 用钢量等），应该慎重。以免造成被动
二、方案对比
• 复杂超限结构方案，往往会要求多个方案比较 • 将增加设计前期的工作量，增加设计成本
• 基础方案比较，采用基础的形式
• 设计成本往往难以在设计合同中体现（仅以 费用/m2）， 忽略增加深度分析所带来的工作量和成本增加
• 对复杂超限工程要有预先深度设计概念，合同中要保证深 度设计费用（如外包弹塑性分析，往往需要十几万），同 时也是保证设计质量、避免设计风险
四、基础设计要点
• 复杂、超限工程地基基础设计，必须依据地质勘探报告。 超高层建筑必须设地下室，也必然带来深基础问题
• 深基坑开挖、基坑支护 • 基坑排水、降水 • 基础不均匀沉降的处理，后浇带 • 抗浮设计、抗浮验算 • 地下室外墙侧向水土压力
• 桩垡共同分析
• 基础与上部结构共同工作
• 地下室的侧向刚度如何保证
• 地下室的抗震问题
• 地下室人防荷载及分析
• 复杂超限工程，地基、基础和地下室都具有各自的设计特 点，设计时需要有预见性，工作量和设计深度应体现在合 同中，保证复杂地基基础的设计费用
• 上部结构方案比较，以确认主体结构可实施性，初步确定 截面尺寸、墙体厚度等
• 方案的特殊性，转换层、大跨度、大悬臂、通长柱、伸缩 缝、后浇带、连体等
• 方案对比需要有一定的深度 • 前期工作量大 • 设计合同中一般没有体现，造成设计成本忽略
三、复杂、超限的判断
• 超限结构、复杂结构，均会增加设计成本
等标准。
• 地下室设计往往与上部结构共同分析， 但是如果体量太大，则要分开设计。地 下室要考虑抗震设计。
• 上部结构的设计与分析的规范： • 根据材料分类： • 木结构、砖石结构、砌体结构、混凝土
结构、钢结构、轻钢结构、轻钢轻混凝 土结构
• 根据用途分类： • 住宅结构、办公结构、工业厂房结构、
医院结构、军事结构，等
复杂超限结构设计要点
• 1、设计依据 • 2、方案对比 • 3、复杂、超限的判断 • 4、基础设计要点 • 5、抗震构造措施和抗
震性能目标
• 6、弹塑性分析要点 • 7、性能化设计要点 • 8、舒适度验算要点 • 9、结构特殊性设计控制 • 10、两套软件分析对比 • 11、应用实例
一、设计依据
• 已经通过：报规、报批。符合行政审批的法规
• 上部结构根据受力特征分类： • 砌体结构、配筋砌体结构、砖混底框结构、
排架结构、框架结构、异形柱框架结构、 框架剪力墙结构、异形柱剪力墙结构、板 柱剪力墙结构、剪力墙结构、短肢剪力墙 结构、框架筒体结构、筒中筒结构、复杂 高层结构、轻钢轻混凝土结构。
• 复杂高层：大底盘多塔结构、转换层结构、 错层越层结构、刚臂层超高层结构、巨型 框架结构。
• 满足3条一般不规则的结构，属于超限结构
• 满足1条特别不规则的结构，属于超限结构
• 有超长结构、多塔结构、连体结构、超大地下室结构等， 属于复杂结构
• 针对不规则特性、复杂特性，需要有专门措施来加强，增 加了设计难度，和设计成本
• 复杂、超限工程，往往需要增加分析深度，增加分析量 （比如非线性分析、舒适度分析、动力时程分析、构件性 能判断分析、温度影响分析等）
五、抗震构造措施和抗震性能目标
• 根据项目所在地、安全性评估报告，确定抗震等级、地震 动参数
• 根据工程特殊性，提高抗震等级，或抗震构造措施
• 根据抗震设防烈度，确定结构大震下的影响
• 根据复杂超限程度，设定抗震性能目标（A、B、C、D）
• 地震波时程分析，地震波数量（3条、7条，1万/条）需要 购买，并保证在统计意义上相符（前2个周期）
• 弹塑性分析，耗时耗力，增加了设计成本。合同中要合理 体现
七、性能化设计要点
• 性能目标（A、B、C、D）的实现，是弹塑性分析，和弹 性分析的中震、大震分析，相结合的体现
• 由于弹塑性分析离散性，以弹性分析的不屈服设计、弹性 设计已经普遍采用
• 复杂、超限结构，至少有一种构件满足中震不屈服设计的 设计控制要求
软件应用
• 软件应用的核心： • 对软件内涵的理解（面广、点深） • 对软件控制参数的理解
舒适度要求的结构，设计工作量增加
• 设计合同中应包含有此产生的附加工作量 • 目前可用软件不多，MIDAS可以
九、结构特殊性设计控制
• 复杂工程常常会有大跨度、大悬臂、转换层、刚性层、斜 支撑、通长柱、连廊、悬挑墙等
• 隔震、减震的应用，阻尼器、隔震垫、质量阻尼、粘滞阻 尼、软钢阻尼、屈曲支撑等，设计应用，可以联合建研院 其它所共同完成，以体现设计水平
• 结构的特殊性，有时需要试验（应甲方出钱），耗时较长， 所以设计时间应合理确定
• 特殊性构件应足相应的性能目标
• 设计合同中的费用、时间对此需要有所体现
十、两套软件分析对比
• 复杂、超限工程规范规定需要2个软件分别计算，以保证分 析的合理性
• 结构分析是计算模型假定的结果，不同软件计算假定、条 件不同，需要保证其一致性，才能比较
• 动力弹塑性构件裂缝、塑性铰分析
• 竖向构件在弹塑性分析后的抗剪承载力验算
•
V≤0.15fckbh0
• 保证大震下，竖向构件不被剪坏，而是具有延性的弯坏
• 动力弹塑性时程分析耗时长，成本偏大
• 特别复杂、超限很多的工程，需要用两个以上的软件进行 弹塑性分析，公认ABAQUS软件，但也需要参数正确合 理
• 《建筑结构设计统一标准》 （GBJ 68-84） • 1.0.5 建筑结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果
（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严 重性，采用不同的安全等级。建筑结构安全等级的划分应 符合表1.0.5的要求。 • 建筑结构的安全等级 表1.0.5 • 安全等级，破坏后果，建筑物类型 • 一级：很严重，重要的工业与民用建筑物 • 二级：严 重，一般的工业与民用建筑物 • 三级：不严重，次要的建筑物 • 注：① 对于特殊的建筑物，其安全等级根据具体情况另 行确定；