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建筑工程施工技術(shù)之《高層建筑結(jié)構(gòu)與抗震》-全文預(yù)覽

2024-12-06 04:39 上一頁面

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【正文】 和第二振型的示意圖。于是,由式 (244) 可見,體系在振動(dòng)過程中的任何時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)的位移的比值 始終保持不變,且等于 同樣可以得到體系按 振動(dòng)過程中,任何瞬時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的位移比值 也始終保持不變,且等于 綜上所述,對(duì)應(yīng)于頻率 和 ,微分方程組 (243) 的特解乃是對(duì)應(yīng)于這樣兩種振動(dòng):前者各質(zhì)點(diǎn)按 的比值作簡(jiǎn)諧振動(dòng),而后者各質(zhì)點(diǎn)按 的比值作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。所以,兩個(gè)方程實(shí)際上只起到一個(gè)方程的作用。由頻率方程 (237) 知道, 和 的大小僅取決于體系的剛度和質(zhì)量的分布情況,而與引起自由振動(dòng)的初始條件無關(guān)?,F(xiàn)在要求的應(yīng)該是 不同時(shí)為零時(shí)方程 (236) 的可用解,也就是說,要使方程( 2 - 36 )成立,應(yīng) 是如下行列式為零,即 將上面行列式展開,得: 在式 (237) 中,質(zhì)量 、 和柔度系數(shù) 均為常數(shù),只有是未知數(shù),故上式是一個(gè)關(guān)于 的二次代數(shù)方程,它的解為: 將上式平開方可得 的兩個(gè)正實(shí)根。 對(duì)式( 231 )對(duì)時(shí)間求兩次導(dǎo),得: 將式 (231) 、 (232) 代入式 (230) 得: 把上式改寫成如下形式: 由上式不難看出,等號(hào)左右項(xiàng)分別是時(shí)間 t 和質(zhì)點(diǎn)位置的函數(shù),故只有等號(hào)兩邊都等于某一常數(shù)時(shí)上式才能成立。現(xiàn)將式 (229) 寫成標(biāo)準(zhǔn)形式: 這就表示兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)體系運(yùn)動(dòng)的微分方程組。 ㈠ 兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)體系的位移方程及其解答 圖 25 表示兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)體系作自由振動(dòng), 分別為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的集中質(zhì)量。設(shè)它們的質(zhì)量為 ,并假設(shè)這些質(zhì)點(diǎn)由無重量的彈性直桿支承于地面上(圖 24b )。 第三講 荷載與作用(二) 167。 ( 226) 這樣,式( 223)可以寫成 ( 227) 因?yàn)? ( 228) 所以,地震影響系數(shù) 就是單質(zhì)點(diǎn)彈性體系在地震時(shí)最大反應(yīng)加速 度(以重力加速度g 為單位)。顯然,地面加速度愈大,地震的影響就愈強(qiáng)烈,即地震烈度愈大。 設(shè) 表 示 水 平 地 震 作 用 的 最 大 絕 對(duì) 值 , 由 式 ( 219 ) 得 : ( 220) 或 ( 221) 這里 ( 222) 令 代入式( 221),并以 代替 ,則得: ( 223) 式中 -水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值; -質(zhì)點(diǎn)加速度最大值; -地震動(dòng)峰值加速度; -地震系數(shù); -動(dòng)力系數(shù); -建筑的重力荷載代表值(標(biāo)準(zhǔn)值)。 如果將式( 23)代入式( 217),并考慮到 遠(yuǎn)小于 而略去不計(jì),則得: ( 218) 由上式可以看到,相對(duì)位移 與慣性力 成正比,因此,可以認(rèn)為在某瞬時(shí)地震作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)位移是該瞬時(shí)的慣性力引起的。 分析運(yùn)動(dòng)方程及其解答可以看到:地面運(yùn)動(dòng)加速度 直接影響體系地震反應(yīng)的大??;而不同頻率(或周期)的單自由度體系,在相同的地面運(yùn)動(dòng)下會(huì)有不同的地震反應(yīng);阻尼比 對(duì)體系的地震反應(yīng)有直接的影響,阻尼比愈大則彈性反應(yīng)愈小。 根據(jù)動(dòng)量定理: ( 214) 將 =0 和 的值代入式( 23),即可求得時(shí)間 作用的微分脈沖所產(chǎn)生的位移反應(yīng) ( 215) 將所有組成擾力的微分脈沖作用效果疊加,就可得到全部加載過程所引起的總反應(yīng)。設(shè)它在 開始作用,作用時(shí)間為 ,此時(shí)微分脈沖的大小為 。 阻尼比 值可通過對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)試驗(yàn)確定。而 ( 213) 上式表示結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù) 與臨界阻尼系數(shù) 的比值,所以 稱為臨界阻尼比,簡(jiǎn)稱阻尼比。 由 和 可以看出,有阻尼自振頻率 隨阻尼系數(shù) 增大而減小,即阻尼愈大,自振頻率愈慢。對(duì)比式( 29)和式( 210)可知,有阻尼單質(zhì)點(diǎn)體系的自由振動(dòng)為按指數(shù)函數(shù)衰減的簡(jiǎn)諧振動(dòng),其振動(dòng)頻率為 ,故 稱為有阻尼的自振頻率。前者代表自由振動(dòng),后者代表強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。由此可見,地面運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的影響相當(dāng)于在質(zhì)點(diǎn)上加一個(gè)動(dòng)荷載,其值等于 ,指向與地面運(yùn)動(dòng)加速度方向相反。 二、運(yùn)動(dòng)方程的建立 為了研究單質(zhì) 點(diǎn)彈性體系的地震反應(yīng),我們首先建立體系在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程。 所謂加速度反應(yīng)譜曲線,就是單質(zhì)點(diǎn)彈性體系在一定地震作用下,最大反應(yīng)加速度與體系自振周期的函數(shù)曲線。例如,屋面的雪載只與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān);樓面的使用荷載只取決于房間的用途等等。因此,地震作用可以理解為一種能反映地震影響的等效作用。 上述“三水準(zhǔn),二階段”的抗震設(shè)防目標(biāo)可概括為“小震不壞,中震可修,大震不倒”。 第三水準(zhǔn):當(dāng)遭受 到高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震(簡(jiǎn)稱“大震”)時(shí),建筑不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。 (四)抗震設(shè)防目標(biāo) 抗震設(shè)計(jì)總思路是:在建筑物使用壽命期間,對(duì)不同頻度和強(qiáng)度的地震,建筑物應(yīng)具有不同的抵抗力。 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)是設(shè)防烈度。該圖給出了全國(guó)各地地震基本烈度的分布,可供國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)土利用規(guī)劃、一般工業(yè)與民用建筑的抗震設(shè)防及制定減輕和防御地震災(zāi)害對(duì)策之用。 (三)地震烈度 地震烈度是指地震時(shí)在一定地點(diǎn)振動(dòng)的強(qiáng)烈程度。 震級(jí) 與地震釋放能量 之間有如下關(guān)系: ( 22) 根據(jù)式( 22),可計(jì)算各級(jí)地震所釋放的能量,震級(jí)差一級(jí),能量就要差 32 倍之多。地震波按其在地殼傳播的位置不同,可將其分為體波和面波。 22 地震與抗震設(shè)防 地震是一種危害性極大的自然災(zāi)害。平均風(fēng)壓使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移,而波動(dòng)風(fēng)壓使建筑物在平均側(cè)移附近振動(dòng)。它描述的是建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下靜態(tài)壓力的分布規(guī)律,主要與建筑物的體型與尺度有關(guān),也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。它應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行《荷載規(guī)范》中“全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖”采用,但不得小于 kN/㎡。 風(fēng)力在整個(gè)建筑物表面的分布情況隨房屋尺寸的大小、體積和表面情況的不同而異,并隨風(fēng)速、風(fēng)向和氣流的不斷變化而不停地改變著。對(duì)于作用在樓面上的活荷載,并不是所給的等效均布荷載同時(shí)布滿在所有樓面上。隨著房屋高度的增加,水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力越來越大,會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性,成為控制荷載。 此外,無論何種形式的基礎(chǔ),均不宜直接置于可液化土層上。 6.在地震區(qū),為保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,減小由基礎(chǔ)變形引起的上部結(jié)構(gòu)傾斜,基礎(chǔ)埋深不能太小。 3.單獨(dú)基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)整體性差,豎向剛度小,不容易調(diào)整各部分地基的差異沉降,除非將基礎(chǔ)擱置在未風(fēng)化或微風(fēng)化巖層上,否則不宜在高層建筑中應(yīng)用。下面給出基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一般原則。 高層建筑設(shè)置“三縫”,可以解決產(chǎn)生過大變形和內(nèi)力問題以及抗震問題,但也產(chǎn)生另外的問題。 現(xiàn)行《高層規(guī)程》對(duì)各種結(jié)構(gòu)的高寬比給出了限制。因此,高層建筑的高寬比 不宜過大。在一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi),宜使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ。 “ 概念設(shè)計(jì) ” 是指對(duì)一些難以做出精確計(jì)算分析,或在某些規(guī)程中難以具體規(guī)定的問題,應(yīng)該由設(shè)計(jì)人員運(yùn)用概念進(jìn)行判斷和分析,以便采取相應(yīng)的措施,做到比較合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此,結(jié)構(gòu)體系受力性能與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能否做到先進(jìn)合理,與結(jié)構(gòu)布置密切相關(guān)。超過表內(nèi)高度的房屋 ,應(yīng)進(jìn)行專門研究,采取必要的加強(qiáng)措施。 下面分別給出各種結(jié)構(gòu)體系其適用的最大高度。 五、各種結(jié)構(gòu)體系適用的最大高度 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JG3- 2020, J186- 2020)(以下簡(jiǎn)稱《高層規(guī)程》),對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系的高層建筑最大適用高度做出了規(guī)定。通常由實(shí)腹筒做內(nèi)部核心筒,框筒或桁架筒做外筒。筒體的基本形式有三種:實(shí)腹筒、框筒及桁架筒。 框架、剪力墻及框架 剪力墻結(jié)構(gòu)體系的變形示意圖 如圖 18 所示。剪力墻可以單片分散布置,也可以集中布置。因此,在地震區(qū)不允許完全使用這種框支剪力墻結(jié)構(gòu),而需設(shè)有部分落地剪力墻。 剪力墻結(jié)構(gòu)的墻間距不能太大,平面布置不靈活,難以滿足公共建筑的使用要求;此外,剪力墻結(jié)構(gòu)的自重也比較大。因此,剪力墻結(jié)構(gòu)在非地震區(qū)或地震區(qū)的高層建筑中都得到了廣泛的應(yīng)用。 二、剪力墻結(jié)構(gòu)體系 剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物墻體承受豎向與水平荷載,并作為建筑物的圍護(hù)及房間分隔構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系(其典型布置 如圖 14)。 框架結(jié)構(gòu)可通過合理的設(shè)計(jì),使之具有良好的抗震性能。這種體系適用于多層建筑及高度不大的高層建筑。 12 高層建筑結(jié)構(gòu)體系 結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)抵抗外部作用的構(gòu)件總體組成的方式。多數(shù)情況下是用鋼筋混凝土做筒(剪力墻),用鋼材做框架梁、柱 。 組合結(jié)構(gòu)是用鋼材來加強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度,鋼材放在構(gòu)件內(nèi)部,外部由鋼筋混凝土做成,成為鋼骨(或型鋼)混凝土構(gòu)件,也可在鋼管內(nèi)部填充混凝土,做成外包鋼構(gòu)件,成為鋼管混凝土。近年來,隨著高層建筑建造高度的增加,以及我國(guó)鋼產(chǎn)量的大幅度增加,采用鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑也不斷增多。到目前為止,我國(guó)已建成多幢 200m 以上的鋼筋混凝土建筑。 三、高層建筑結(jié)構(gòu)類型 高層建筑采用的結(jié)構(gòu)可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼 鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)等類型。 另外,相對(duì)于低層建筑而言,高層建筑相對(duì)較柔,因此在地震區(qū),高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的延性。荷載效應(yīng)最大值(軸力 Ν 、彎矩 Μ 和位移△)可由 圖 11 所示 簡(jiǎn)圖得到: 式中 W - 建筑每米高度上的豎向荷載; q - 水平均布荷載; H - 建筑高度;El - 建筑總體抗彎剛度( E 為彈性模量, l 為慣性距)。 1972 年,紐約建造了 110 層,高 402m 的世界貿(mào)易中心( World Trade Center Twin Towers); 1973 年在芝加哥又建成當(dāng)時(shí)世界上最高的西爾斯大廈( Sears Tower), 110 層,高 443m,這兩幢建筑都是鋼結(jié)構(gòu)。在國(guó)外,現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展只有 110 多年的歷史,又以最近 40 多年發(fā)展較快。深圳賢成大廈鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu),塔樓為八角形平面,整個(gè)建筑 61 層,高 218m。 從 80 年代開始,我國(guó)高層建筑迅速發(fā)展,建筑層數(shù)和高度不斷增加,功能和類型越來越復(fù)雜, 結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化。到了 60 年代,我國(guó)高層建筑有了新的發(fā)展, 1964 年建成的北京民航大樓, 15 層,高 ;1966 年建成了 18 層的廣州人民大廈, 70 年代,我 國(guó)高層建筑有了較大的發(fā)展,其代表性的高層建筑為: 1974 年建成的 20 層北京飯店新樓,高 ,是當(dāng)時(shí)北京最高的建筑;1976 年建成的 33 層、高 的廣州白云賓館。從 20 世紀(jì)初到新中國(guó)成立,我國(guó)高層建筑甚少。 我國(guó)是高層建筑發(fā)展歷史悠久的國(guó)家。第一講 高層建筑結(jié)構(gòu)體系及布置 167。從某種意義上說,現(xiàn)代高層建筑是現(xiàn)代化城市的標(biāo)志。 但是,我國(guó)近代高層建筑發(fā)展遲緩。如 1959 年建成的北京民族飯店, 12 層,高 。從此,高層住宅就成為我國(guó)高層建筑中數(shù)量最多的類型。廣州廣東國(guó)際大廈, 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 63 層,高為 。上海的金茂大廈, 88 層,高 421m。 20 世紀(jì) 50 年代以后,輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用,新的抗風(fēng)抗震結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展,電子計(jì)算機(jī)的推廣使用以及新的施工機(jī)械的涌現(xiàn),才使高層建筑得到了大規(guī)模的迅速發(fā)展。但在較低的建筑結(jié)構(gòu)中,往往豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);隨著建筑高度的增大,水平荷載效應(yīng)逐漸增大;在高層建筑結(jié)構(gòu)中,水平荷載和地震作用卻起著決定性作用。因此,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,而且還要求有足夠的剛度,使結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生的位移限制在一定的范圍內(nèi),以保證建筑結(jié)構(gòu)的正常使用和安全。 綜上所述,對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu),抵抗水平力的設(shè)計(jì)是個(gè)關(guān)鍵,應(yīng)該很好地理解上述 特點(diǎn),使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的抗震性能,還要盡可能地提高材料利用率,降低材料消耗和造價(jià)。當(dāng)前,我國(guó)的高層建筑中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。 鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、構(gòu)件 斷面小、自重輕、延性及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn);鋼構(gòu)件易于工廠加工,施工方便,能縮短現(xiàn)場(chǎng)施工工期。這種結(jié)構(gòu)可以使兩種材料互相取長(zhǎng)補(bǔ)短, 取得經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)性能優(yōu)良的效果。 混合結(jié)構(gòu)是部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu),另一部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(或部分采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu))。 167。 一、框架結(jié)構(gòu)體系 框架結(jié)構(gòu)體系是由梁、柱構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成,既承受豎向荷載,也承受水平荷載的結(jié)構(gòu)體系(其典型布置 如圖 13)。外墻用非承重構(gòu)件,可使立面設(shè)計(jì)靈活多變?,F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的整體性好,抗震性能好,在地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用。在國(guó)內(nèi)外歷次大地震中,剪力墻結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出良好的抗震性能,且震害較輕。剪力墻結(jié)構(gòu)采用大模板或滑升模板等先進(jìn)方法施工時(shí),施工速度很快,可節(jié)省大量的砌筑填充墻等工作量。 這種結(jié)構(gòu)體系,由于底層柱的剛度 小,上部剪力墻的剛度大,形成上下剛度突變,在地震作用下底層柱會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)力及塑性變形,致使結(jié)構(gòu)破壞較重。將這兩種 體系結(jié)合起來,相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,可形成一種受力特性較好的結(jié)構(gòu)體系 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)體系。 2.在變形狀態(tài)方面,單獨(dú)的剪力墻在水平荷載作用下以彎曲變形為主,位移曲線呈彎曲型;而單獨(dú)的框架以剪切變形為主,位移曲線呈剪切型;當(dāng)兩者處于同一體系,通過樓板協(xié)同工作,共同抵抗水平荷載,框架 剪力墻結(jié)構(gòu)體系的變 形曲線一般呈彎剪型。 四
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