土木工程毕业设计（天津大学）山东省潍坊市某医院综合大楼建筑设计

土木工程毕业设计（天津大学）山东省潍坊市某医院综合大楼建筑设计 天津大学2006届本科生毕业设计 毕业设计(论文)说明书 学 院 建工学院 专 业 土木工程 年 级 2002 姓 名 ???? 指导教师 xxxxxx 2006年6月15日 1 天津大学2006届本科生毕业设计 毕业设计任务书 题目:山东省潍坊市某医院综合大楼设计 学生姓名 ???? 学院名称 建工学院 专 业 土木工程 学 号 3002205047 指导教师 xxxxxxx 职 称 讲 师 2 天津大学2006届本科生毕业设计 一、原始依据 1、项目名称:山东省潍坊市某医院综合楼 2、建筑面积:16102.08? 3、建筑层数:16层 4、建筑层高:首层4.8m,层3.9m,顶层3.9 m 5、建筑总高:73.4m 6、结构形式:框架剪力墙结构 7、抗震设防烈度:7度(0.15g) 8、场地土类别:II类 9、耐火等级:一级 10、门窗形式:外墙采用塑钢门窗，内墙采用木门木窗。 11、墙体形式:外墙体采用混凝土空心小砌块(390?190?190)，所有的外墙采用外墙外保温，做法为混凝土空心小砌块墙壁外抹35mm厚保温砂浆，内抹灰为20mm厚，内墙与外墙采用同一种砌块，抹灰为20mm厚。小隔墙采用150mm厚粉煤灰泡沫砌块，抹灰为20mm厚。 12、材料规格:钢筋:HPB235级钢筋、HRB335钢筋。 混凝土强度等级:C35 二、参考文献 [1] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计(GB50010-2002).北京: 中国建筑工业出版社，2003. 3 天津大学2006届本科生毕业设计 [2] 中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3,2002). 北京:中国建筑工业出版社，2003. [3] 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2001).北京:中 国建筑工业出版社，2003. [4] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011,2001)，北京: 中国建筑工业出版社，2003. [5] 梁兴文、史庆轩、童岳生等.钢筋砼结构设计.北京:科学技术文献出版 社，1998. [6] 李宏男、崔熙光、周超英等.多层及高层建筑结构设计.北京:中国建筑 工业出版社，1997. [7] 戴自强、赵彤、谢剑.钢筋砼房屋结构.天津:天津大学出版社，2002. [8] 包世华，新编高层建筑结构.北京:中国水利水电出版社，2001. [9] 胡庆昌.钢筋混凝土房屋抗震设计.北京:地震出版社,1991. [10] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计.北京:机械工业出版 社,2004. [11] 高小旺，混凝土结构设计规范理解与应用，北京:中国建筑工业出版社， 2002. [12] 梁启智，高层建筑框架,剪力墙结构设计实例，湖南:华南理工大学出 版社，1992. [13] 徐培福、黄小坤，高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用，北京:中 国建筑出版社，2003. [14] 赵西安，高层建筑结构实用设计方法(第三版)，上海:同济大学出版， 1998. [15] 傅学怡，实用高层建筑结构设计北京:中国建筑工业出版社，1999. [16] American Concrete Institute , Commentary on Building Code Requirements for Reinforced Concrete , Detroit , MI , 1985. 三、设计内容和要求 1(建筑设计 (1) 本工程建筑设计及简要说明; (2) 绘制建筑平、立、剖面图。 2(结构设计 (1) 确定结构方案; (2) 结构布置、梁、柱、剪力墙截面尺寸初选、板厚初定; 4 天津大学2006届本科生毕业设计 (3) 荷载计算; (4) PKPM中结构内力计算; (5) 框架梁柱、剪力墙、楼板、次梁配筋计算; (6) 绘制结构施工图。 3. 施工组织设计: (1) 工程概况 (2) 施工前准备工作施工部署 (3) 施工部署 (4) 施工方案 4. 外文翻译:包括原始资料和中文翻译 指导教师(签字) 年 月 日 审题小组组长(签字) 年 月 日 天津大学本科生毕业设计(论文)开题报告 课题名称 山东省潍坊市某医院综合楼设计 学院名称 建筑工程 专业名称 土木工程 学生姓名 ???? 指导教师 王秀芬 5 天津大学2006届本科生毕业设计 课题研究意义 高层建筑是社会生产的发展和人们生活需要的产物，是商业化、工业化和城市化的结果。在高层建筑结构设计中，除了竖向荷载外，水平荷载也是设计的主要控制因素。特别是随着房屋高度的增加，水平荷载产生的内力越来越大，会直接影响结构设计的合理性、经济性。分析水平荷载与结构体系的关系，根据建筑高度、尺寸和其他条件，选择经济而有效的结构类型和结构体系，便成为结构设计的首要问题。 高层建筑的结构体系，主要有框架结构体系，剪力墙结构体系，框架—剪力墙结构体系(简称框剪结构体系)，筒体结构体系和巨型(超级)结构体系。这些体系的受力特点、抵抗水平荷载的能力、侧向刚度和抗震性能等各不相同。在这几个结构体系当中，属于中等刚性结构的框剪结构有着框架结构和剪力墙结构两者的优点，把两种结构结合起来，在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构，共同承受竖向和水平荷载，起到了取长补短的作用，因而它广泛的运用于高层办公、住宅、旅馆等建筑中。 国内外发展状况 我国高层建筑不断迅速发展，建筑高度不断增加，建筑的类型和功能越来越复杂，结构的体系更加多样化，这些都显示了我国高层建筑结构设计和施工技术水平得到了很大的提高。我国高层的发展历史悠久，从古代时期的塔到现在的各个摩天大楼，高层在我国已经走过了两千多年的岁月。而进入90年代随着改革开放事业的不断发展，这类建筑更是迅速的发展。1996年建成的深圳帝王大厦，81层、高325m，是当时中国最高的建筑;1998年建成的上海金茂大厦，88层、高421m，是目前全国第一、亚洲第二、世界第三的摩天大楼。从我国高层建筑的发展情况来看，框剪结构是80年代到90年代才真正开始在高层建筑中得到广泛应用的。 在国外，虽然现代高层建筑的发展只有110多年的历史，但是在最近的40多年发展的极其迅猛。目前世界尚最高的建筑是1996年在吉隆坡建成的石油大厦，88层、高450m。是钢与钢筋混凝土混合结构。目前最高的钢筋混凝土结构是朝鲜平壤市的柳京饭店，地面以上101层，高305.4m。芝加哥的水塔广场大 6 天津大学2006届本科生毕业设计 厦(Water Plaza Tower)居其次，76层、高262m。 课题简介 本工程为山东省潍坊市某医院综合楼，建筑面积为16102.08?，地上16层，建筑总高度为68.2m，其中首层高4.8m，标准层层高3.9m，顶层为3.9m，建筑类别为一类，耐火等级为一级，抗震设防烈度为7度(0.15g)。其中主楼建筑长度为62.4m。宽度为15.6m。 研究内容 1.总体方案的确定，柱网布置和平面、立面、剖面形式; 2.结构设计的方法、指导思想及理论依据; 3.结构计算，包括楼层重力荷载的计算，PKPM中的竖向荷载计算、结构内力计算、结构自振周期计算、结构配筋计算等等; 4.绘制结构设计施工图，其中包括梁配筋图、柱配筋图、板配筋图、剪力墙配筋图 施工组织设计。 设计目标 完成山东省潍坊市某医院综合楼的建筑设计、结构设计及施工组织设计。 研究方法及手段 框架和剪力墙是两种抗侧力性能完全不同的结构，但是在框剪结构体系中，由于刚性楼盖将它们连接成一个整体，因而在荷载作用下，它们不能按照各自的力学特性和变形规律进行工作，而只能在侧移一致的条件下协同工作，致使荷载在两者之间的分配关系比较复杂，应根据两者协同工作的情况进行分析计算。计算过程比较复杂，因此本工程计算采用电算法，即用PKPM软件进行荷载的分析和计算。 原始依据 1.由山东省潍坊市设计院提供的建筑设计方案。 2.本工程拟建场地的环境报告及地质勘探资料。 3.采用国家正式颁布的有关规范。(见参考文献) 课题进度安排 第一阶段:熟悉研究课题，查阅相关资料。 第二阶段:开题报告 第三阶段:英文资料翻译 第四阶段:建模及数据采集 第五阶段:PKPM计算数据 第六阶段:根据计算结果进行设计 第七阶段:完成设计最终审核 7 天津大学2006届本科生毕业设计 参考文献 [1] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010-2002).北京:中国建筑工 业出版社，2003. [2] 中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3,2002).北京:中国 建筑工业出版社，2003. [3] 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2001).北京:中国建筑工业 出版社，2003. [4] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011,2001)，北京:中国建筑工 业出版社，2003. [5] 梁兴文、史庆轩、童岳生等.钢筋砼结构设计.北京:科学技术文献出版社，1998. [6] 李宏男、崔熙光、周超英等.多层及高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社， 1997. [7] 戴自强、赵彤、谢剑.钢筋砼房屋结构.天津:天津大学出版社，2002. [8] 包世华，新编高层建筑结构.北京:中国水利水电出版社，2001. [9] 胡庆昌.钢筋混凝土房屋抗震设计.北京:地震出版社,1991. [10] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计.北京:机械工业出版社,2004. [11] 高小旺，混凝土结构设计规范理解与应用，北京:中国建筑工业出版社，2002. [12] 梁启智，高层建筑框架,剪力墙结构设计实例，湖南:华南理工大学出版社，1992. [13] 徐培福、黄小坤，高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用，北京:中国建筑出版 社，2003. [14] 赵西安，高层建筑结构实用设计方法(第三版)，上海:同济大学出版，1998. [15] 傅学怡，实用高层建筑结构设计北京:中国建筑工业出版社，1999. [16] American Concrete Institute , Commentary on Building Code Requirements for Reinforced Concrete , Detroit , MI , 1985. 选题是否合适: 是? 否? 课题能否实现: 能? 不能? 指导教师(签字) 年 月 日 选题是否合适: 是? 否? 课题能否实现: 能? 不能? 审题小组组长(签字) 年 月 日 8 天津大学2006届本科生毕业设计 目 录 第一章 建筑设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1工程概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2构造做法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.3平面布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 第二章 结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.1 结构方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2结构分层重力荷载„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3用PKPM进行电算„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 第三章 施工组织设计„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.1工程概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.2施工方案部署„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.3施工准备„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 3.4工程量的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„33 3.5劳动力和机械投入„„„„„„„„„„„„„„„„„33 3.6现场平面布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 3.7冬雨季施工„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 外文资料„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 中文译文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„66 9 天津大学2006届本科生毕业设计 摘 要 本设计为山东省潍坊市某医院的综合楼建筑及结构设计，建筑层数为十六层，属高层建筑设计范畴，结构体系采用框架,剪力墙结构体系。 开始部分为方案说明。包括设计资料、建筑方案、结构布置、构件截面初选，荷载导算。 第二部分为结构主体设计。考虑与实际工程相结合，这部分采用PKPM程序进行结构模型设计，结构内力分析及构件的配筋设计和施工图绘制。 第三步分为该工程相应的施工组织设计。 最后部分为英文资料翻译以及参考文献。英文资料主要探讨了框架,剪力墙联合结构体系在静力载荷作用下的可靠性分析方法。 书后附有图纸七张，分别为:标准层平面图、立面图、剖面图、剪力墙配筋图、楼板配筋图、柱配筋图、梁配筋图。 关键词:框架; 剪力墙;协同工作;软件PKPM;配筋 10 天津大学2006届本科生毕业设计 ABSTRACT This design is about a synthesized building of one hospital in WeiFangShi in ShanDong province. The design includes architectural collocation and structural design. The building layer count to 16 layers, belonging to high building designs category, uses the frame-shear wall structure system. Chapter one is the introduction of the project, including, total information, architectural design, plane surface arrangement, structure size selection, load calculation. Chapter two is structural design. Considering the way to connect this design to our actual work, the structural design is finished with software PKPM, including the structure inter-force analyze, the allot reinforcement and drawing the construction drawings. Chapter three is construction design of organization. The last part includes translation and primary bibliography. The English thesis analyzes the reliability of frame and shear wall structural systems under static loading. There are seven drawings attached to the explanation of this design, including the standard floor plane drawing, the vertical plane drawing, the section plane drawing, the shear wall reinforced drawing, the standard concrete plate reinforced drawing and the construction drawing of beams and columns. Key words: Frame; shear wall; coordination; PKPM; reinforce 11 天津大学2006届本科生毕业设计 第一章 建筑设计 1.1工程概况 1.工程名称:山东省潍坊市某医院综合楼 102.08? 2.建筑面积:16 3.建筑层数及各层高度:地上16层，建筑总高度为73.400m，其中首层高4.800m，标准层层高3.900m，顶层为4.000m. 4.设计标高:室内地坪?0.000m 5.结构形式:框架-剪力墙体系，楼板采用现浇 6.抗震设防烈度:7度(0.15g) 7.建筑等级:丙类 8.耐火等级:一级 1.2构造做法 1.墙体: 在本工程中外墙体采用混凝土空心小砌块(390?190?190)，所有的外墙采用外墙外保温，做法为混凝土空心小砌块墙壁外抹35mm厚保温砂浆，内抹灰为20mm厚，内墙与外墙同，为混凝土空心小砌块，内外抹灰均为20mm厚。小隔墙采用150mm厚粉煤灰泡沫砌块，抹灰为20mm厚。女儿墙采用240mm厚砖砌块，纵向高为400mm，横向高为1600mm。 2.屋面及楼面: 本工程楼地面采用水泥楼地面，面层厚度均按20mm预留。卫生间较本层楼地面低20mm，向地漏找泛水0.5,。屋面为上人屋面，屋面排水采用内排水。 3.楼梯做法: 楼梯采用突木扶手，铸铁栏杆，铺防滑地砖。 4.门窗: 外墙采用塑钢门窗，内墙采用木门木窗和玻璃门窗。 5.工程做法: (1)散水:混凝土散水。 (2)楼面做法:10mm厚铺水磨石楼面 20mm厚1:4 干硬性水泥砂浆结合层 20mm厚1:3水泥砂浆找平层 100mm厚现浇钢筋混凝土楼板 10mm厚板底抹灰 吊顶 (3)屋面做法:10mm厚铺地瓷砖 12 天津大学2006届本科生毕业设计 素水泥面 25mm厚水泥砂浆 4mm厚高聚物改性沥青卷材防水层(SBS) 20mm厚1:3水泥砂浆找平层 200mm厚水泥蛭石板保温层 100mm厚结构层 10mm厚板底抹灰 吊顶 (4)其他:排水管采用Φ50钢管，雨水管为Φ50钢管，施工时结构、水暖电等专业图纸密切结合，并符合验收标准，本工程其他配件如生活洁具等由甲方自定。 1.3平面布置 根据使用功能，本工程平面布置如下，剪力墙沿纵横两个方向，遵循均匀、分散、对称、周边的原则，沿建筑物全高布置。柱网的布置除满足房屋使用要求外，力求构件类型规格统一。 12345678910 DD CC BB AA 23568914710 图1-1 平面布置图 第二章 结构设计 2.1结构方案 2.1.1建筑类别 根据《建筑抗震设计规范》第3.1.1条和3.1.3条规定，确定本建筑为丙类 13 天津大学2006届本科生毕业设计 建筑，按本地区抗震设防烈度采取抗震措施。 2.1.2建筑材料 混凝土:C35 钢筋:HPB235、HRB335 2.1.3结构体系 本工程地上16层，建筑总高度为73.400m，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第1.0.2条和2.1.2条，确定本建筑属于高层结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.2.2条规定，可供选择的结构方案有框-剪结构和剪力墙结构，考虑到剪力墙结构平面布置不太灵活，不容易满足使用要求，而框-剪结构，由于剪力墙刚度较大，能承担部分水平力，框架则可以承担竖向荷载并能提供较大空间，同时还可以承担部分水平力，所以本工程采用框-剪结构体系。 根据《建筑抗震设计规范》第6.1.2条，本结构抗震等级确定为框架二级，剪力墙二级。 2.1.4基础方案 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第12.1.4条规定，本结构可使用的基础类型有筏型基础、桩基础和复合基础。 考虑到工程的用途及结构特点，本工程采用桩基础。 2.1.5结构布置 1.柱网 本结构柱网间距如下: 横向:5700mm、4800mm、3000mm 纵向:6900mm?8、6000mm 2.变形缝 本结构平面较简单，结构高度与主体高度相差不大，故不必采用沉降缝和抗震缝。 3.长宽比 本结构L/B=61200/165000=3.71,6.0，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.3条规定，本结构满足长宽比的要求，不需要设伸缩缝。 4.剪力墙布置 本结构剪力墙间距?3B且?40m，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第8.1.8条规定，本结构剪力墙布置满足要求。 14 天津大学2006届本科生毕业设计 2.1.6结构构件截面尺寸的确定 1.框架梁 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第6.3.1条规定，框架结构的主梁截 l面高度h按(1/10~1/18)确定，为主梁计算跨度，梁净跨与截面高度之比不bb 宜小于4，梁的截面宽度不宜小于200mm，梁截面的高宽比不宜大于4。 横向框架梁:h=(1/10~1/18)×5700=317~570mm，取h=600mm bb b=(1/2~1/3)×600=200~300mm，取b=300mm bb 纵向框架梁:h=(1/10~1/18)×6900=383~690mm，取h=800mm bb b=(1/2~1/3)×800=267~400mm，取b=400mm bb 综上，取h=800mm，b=400mm。 bb 次梁:CD轴间，纵向布置 h =(1/12~1/15)×6900=460~575mm，取h=600mm bb b =(1/2~1/3)×600=200~300mm，取b=300mm bb AB轴间，横向布置 h =(1/12~1/15)×5700=380~475mm，取h=500mm bb b =(1/2~1/3)×500=167~250mm，取b=200mm bb 综上，取h=600mm，b=300mm。 bb 2.框架柱 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第6.4.2条规定，为了防止脆性破坏 抗震等级为二级的框架轴压比的限值是0.85。 N,,,0.85即 nfAcC C根据《混凝土结构设计规范》第4.1.4条，混凝土的轴心抗压强度设计35 2f值,16.7N/mm。 c NSN,,,,,由经验估算轴力: CGS12 ,式中:—分项系数，取1.25; G —单位面积重量，取12,14kPa; , —柱承载面积(?)，取最大6.9?(1.5+2.85)= 30.015?; S N—截面以上楼层数; S 15 天津大学2006届本科生毕业设计 , —二级抗震设计角柱取为1.3，其余情况取1.0; 1 , —由于水平力使轴力增大系数，取1.05; 2 N=1.25?14?30.015?15?1.0?1.05=8273kN C 3N8273，10 ,,0.85fAA16.7，ccc 38273，102A所以，?=582811mm C16.7，0.85 2初选柱截面为800?800mm,考虑到轴力随层高减小，在6,16层，采用柱截 2面为700?700mm，以节省材料，此时， N=1.25?14?30.015?11?1.0?1.05=6094kN C 3N6094，10，满足轴压比的要求。 ,,0.75,0.85fA16.7，490000cc 3.板 根据《混凝土规范》10.1.1，对于民用建筑楼板，其最小厚度为60mm。 而且，根据经验可知: 为了使单向板具有一定的刚度，其厚度应不小于板跨度的1/40l(连续板)、11/35l(简支板)或者1/12l(悬臂板)。 11 为了使双向板具有一定的刚度，其厚度应不小于板跨度的1/50l(连续板)、11/45l(简支板)。 1 故而，h?(1/35) ?3450=98mm(单向板) h?(1/45) ?3450=77mm(双向板) 综上，取h=100mm。 4.剪力墙 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.2条规定，剪力墙厚度不应小于层高的1/20，且不能小于160mm。 b所以?h/20=4800/20=240mm， 1w b取=300mm。 w 16 天津大学2006届本科生毕业设计 2.1.7框架-剪力墙结构电算设计步骤 开 始 初步选定梁、柱、剪力墙截面尺寸及强度等 PMCAD交互式数据输入 输入次梁楼板 输入荷载信息 形成PK文件 否 STA WE接PM生成SATWE数据 交互式输入与数检 结构分析与内力计算 排架结构计算 配筋计算 是否满足轴压比、配筋 分析结构图形和文本显示 是 出图结束 图2-1 框架-剪力墙结构电算设计步骤 2.2结构分层重力荷载 2.2.1单位荷载 1.屋面板 (1)恒载 10mm厚铺地瓷砖 素水泥面 25mm厚水泥砂浆 0.55kPa 4mm厚高聚物改性沥青卷材防水层(SBS) 0.3kPa 320mm厚1:3水泥砂浆找平层 20kN/m 3200mm厚水泥蛭石板保温层 5kN/m 17 天津大学2006届本科生毕业设计 3 20mm厚水泥砂浆 20kN/m 3 100mm厚结构层 25kN/m 3 10mm厚板底抹灰 17kN/m 吊顶 0.12kPa ???????????????????????????????? 屋面自重标准值: 0.55+0.3+0.02?20+0.2?5+0.02?20+0.1?25+0.01?17+0.12=5.44kPa (2)活载 根据《建筑结构荷载规范》第4.1.1条，上人屋面均布活荷载标准值为2.0kPa。 (3)雪荷载 根据《建筑结构荷载规范》中全国基本雪压分布图显示山东省潍坊地区基本雪压为0.4kN/?，又根据《建筑结构荷载规范》第6.2.1条规定屋面积雪分布系数为1.0，所以雪荷载标准值为0.4?1.0=0.4kPa,2.0kPa。 2.楼面板 (1)恒载 10mm厚铺水磨石楼面(撒素水泥面) 0.65kPa 3 20mm厚1:4 干硬性水泥砂浆结合层 20kN/m 3 20mm厚1:3水泥砂浆找平层 20kN/m 3100mm厚现浇钢筋混凝土楼板 25kN/m 310mm厚板底抹灰 17kN/m 吊顶 0.12kPa ???????????????????????????????? 楼板自重标准值: 0.65+0.02?20+0.02?20+0.1?25+0.01?17+0.12=4.24kPa。 (2)活载 根据《建筑结构荷载规范》第4.1.1条规定，医院病房、医院门诊室活荷载标准值为2.0kPa，厕所为2.0kPa，医院楼道为2.0kPa。 3.墙自重 (1)外墙 0.19?11.8+0.035?17+0.02?17=3.177kPa (2)内墙 0.19?11.8+2?0.02?17=2.922kPa (3)隔墙 0.15?8+2?0.02?17=1.88kPa 18 天津大学2006届本科生毕业设计 (4)剪力墙 0.25?25+2?0.02?17=6.93kPa 2.2.2各标准层梁上恒荷载 1.第一标准层(自然层第1层，层高4.8m，混凝土C35，柱截面800?800) (1)横向框架梁 边:3.177?(4.8-0.7)=13.026kN/m 2.922?(4.8-0.7)=11.982kN/m 中: (2)纵向框架梁 边:3.177?(4.8-0.7)=13.026kN/m 中:2.922?(4.8-0.7)=11.982kN/m (3)次梁 1.88?(4.8-0.6)=7.896kN/m 2.第二标准层(自然层2,5层，层高3.9m，混凝土C35，柱截面800?800) (1)横向框架梁 边:3.177?(3.9-0.7)=10.166kN/m 中:2.922?(3.9-0.7)=9.350kN/m (2)纵向框架梁 边:3.177?(3.9-0.7)=10.166kN/m 中:2.922?(3.9-0.7)=9.350kN/m (3)次梁 1.88?(3.9-0.6)=6.204kN/m 3.第三标准层(自然层6,15层，层高3.9m，混凝土C35，柱截面700?700) (1)横向框架梁 边:3.177?(3.9-0.7)=10.166kN/m 中:2.922?(3.9-0.7)=9.350kN/m (2)纵向框架梁 边:3.177?(3.9-0.7)=10.166kN/m 中:2.922?(3.9-0.7)=9.350kN/m (3)次梁 1.88?(3.9-0.6)=6.204kN/m 4.第四标准层(自然层第16层，层高4.0m，混凝土C35，柱截面700?700) (1)横向框架梁 边:1.88?1.5=2.82kN/m 中:0kN/m (2)纵向框架梁 19 天津大学2006届本科生毕业设计 边:1.88?1.5=2.82kN/m 中:0kN/m (3)次梁 0kN/m 2.2.3 各标准层楼(屋)面荷载 1.第一标准层 4.24kPa 恒载: 活载:2.0kPa 2.第二标准层 恒载:4.24kPa 活载:2.0kPa 3.第三标准层 恒载:4.24kPa 活载:2.0kPa 4.第四标准层 恒载:5.44kPa 活载:2.0kPa 2.3用PKPM进行电算 2.3.1操作过程 1.PMCAD (1)轴线输入 根据已有的建筑平面图，利用正交轴网输入轴线的数据，分别为开间(6900?4，6000，6900?4);进深(2240，5700，3000，2850，1950，900，1500)其中进深的输入考虑了柱子的偏移所需要多加的轴线。 (2)构件定义 定义结构主要构件的截面尺寸及相关数据，根据前文假设结果，定义柱为800?800，700?700两种;主梁为300?600， 200?500两种;墙定义为(300，0)，这里的墙是指剪力墙，不包括填充墙,墙高为0表示墙的高度随层高;洞口定义(1000，2500)(1500，2500)为剪力墙上的门洞。 (3)楼层定义 根据结构平面图，把已定义的构件(柱，主梁，墙，洞口)布置在正交轴网上，在其中的本层信息定义板厚100，混凝土强度等级C35，板混凝土保护层厚度15mm，梁柱钢筋类别HRB335，本标准层层高(首层4.8m，其它3.9m，顶层为4.0m)。 20 天津大学2006届本科生毕业设计 (4)荷载定义 定义楼面和屋面的荷载标准值，包括恒载和活载，根据前面计算结构，定义两个荷载标准层，楼面(4.24，2.0)，屋面(5.44，2.0)。 (5)楼层组装 同样的步骤布置四个标准层，在楼层组装中，确定首层为第一标准层，25为第二标准层，615为第三标准层，顶层为第四标准层，其中1、2、3标准层为第一荷载标准层(4.24，2.0)，第四标准层为第二荷载标准层(5.44，2.0)。设计参数中，总信息选择结构形式为框剪，结构主材为钢筋混凝土，地震信息中，选择设防烈度为7度(0.15g)，场地类别为2类，抗震等级为二级，风荷载信息中修正后的风压为0.5。 (6)保存文件，退出程序 (7)输入次梁楼板 根据结构平面布置图，以房间为单位布置次梁，要求按房间输入次梁信息，移动光标点取要布次梁的房间。点取到哪间房时，这个房间中间有圆圈加亮， ?提示:横放次梁根数, 指平行于X轴线的次梁根数NHCL，键入NHCL?，无横次梁则键入0?，或直接回车。(斜矩形房间时会在该房间出现一黄线，该线指示的方向即为横向。) ?提示:竖放次梁根数, 指平行于Y向轴线的次梁根数NSCL，键入NSCL?，无竖次梁键入0? ，或直接回车。 ?提示:次梁型号、距离, 要求同时键入二个数，数之间用空格或逗号隔开。次梁型号指在数据文件中填写的梁标准截面类别号(梁标准截面排列的顺序号)，距离是该次梁距房间下边轴线(或左边)或上一根次梁轴线的距离，单位为m。 ?注意: ?可以进行二级次梁的输入，即次梁搭在次梁上的输入。 若竖次梁搭在横次梁上，提示3下输入三个数据:-(负号)次梁类型、距离、竖次梁下端连接的横次梁顺序号。第一个数据次梁类型前一定要加个负号。第三个数据也可是0，表示二级次梁从房间下轴线梁(或墙)开始，伸至第一根横次梁。 ?按[Esc]键可退出次梁输入功能，返回右边菜单。 ?每标准层次梁布置的类别总数不能多于40，当某房间的次梁布置与其它房间相同时，可以采用次梁复制的方法进行布置。 ?每房间内的横、竖次梁总数?16，每层平面内次梁总数?600。 ?对非矩形房间，可输入与房间某一边平行的次梁或与某一边垂直的次梁，如为交叉次梁或二级次梁，某相交角度必须是90?。 21 天津大学2006届本科生毕业设计 (8)楼板开洞 程序只能在矩形房间内的楼板上开洞。每个房间内的洞口不能大于七个。 布置洞口的操作: ?提示:洞口所在房间号, 按图上提示的房间号键入需开洞的房间号，也可移动光标直接在屏幕上点取需要开洞的房间位置。该房间中有圆圈加亮，表示选中。 ?提示:有几个洞口, 键入洞口数量N。 以下3、4反复操作,次。 ?提示:方洞左下角(或圆孔中心)坐标, 该坐标是指以房间左下角纵横轴线交点为原点的X，Y坐标。 ?提示:方孔宽、高(B、H)或圆孔直径,D, 若为方孔,键入宽、高二数。为圆孔则键入直径一个数，但在D前一定要加个负号。 ?注意: ?某房间部分为楼梯间时，可在楼梯间布置处开设一大洞口。某房间全部为楼梯间时，也可点菜单4，修改板厚时将该房间板厚修改为0。 ?房间内所布的洞口，其洞口部分的荷载在荷载传导时扣除。但房间板厚为0时，程序仍认为该房间的楼面上有荷载。 (9)拷贝前层 可将上一标准层已输入的次梁、予制板、洞口、悬挑板、砖混圈梁、各房间板厚等布置直接拷贝到本层，再对其局部修改，从而使其余各层的次梁、予制板、洞口输入过程大大简化。 ?输入荷载信息 主要布置梁间荷载和次梁荷载，根据前面计算结果，分别布置1、2、3标准层边主梁恒荷载为12.708，中主粱为11.688，次梁为7.52(均为梁上填充墙的自重)，第四标准层不考虑楼顶的微小恒荷，所以梁上荷载为0。 2.PK (1)执行PMCAD里面步骤4，形成PK文件。 (2)PK数据交互输入和数检，PK是用来计算一榀框架的程序，需要在这里输入要 计算的框架轴号，本设计以?轴为例。 (3)排架的结构计算及绘图。 3.SATWE (1)接PM生成SATWE数据 分析与设计参数补充定义，可以对各种信息进行修改 22 天津大学2006届本科生毕业设计 数据检查，对各种几何数据，竖向荷载数据，风荷载数据进行检查 生成SATWE数据，为内力计算和配筋计算做准备 (2)结构分析与内力计算 (3)构件配筋设计与验算 2.3.2用PK计算一榀框架 1.计算简图 (1)框架立面图见图2-2 (2)恒载图见图2-3 (3)活载图见图2-4 2.弯矩及配筋包络图 (1)弯矩包络图见图2-5 (2)配筋包络图见图2-6 3.关于柱的计算结果(任选一柱为例，其它柱数据见PK排架内力分析-显示计算 结果文件) 23 天津大学2006届本科生毕业设计 图2,2框架立面图 24 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-3 第?轴框架恒载图 25 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-4 第?轴框架活载图 26 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-5 第?轴框架弯矩包络图 27 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-6 第?轴框架配筋 28 天津大学2006届本科生毕业设计 2.3.3 SATWE计算结果分析 1.周期、振型、地震力 详见程序周期、地震力与振型输出文件(SATWE-分析结果图形和文本显示-文本文件输出-周期、振型、地震力)。 2.结构位移 详见程序结构位移输出文件(SATWE-分析结果图形和文本显示-文本文件输 结构位移)。 出- 3.各层内力标准值 详见程序SATWE内力输出文件(SATWE-分析结果图形和文本显示-文本文件输出-各层内力标准值)。 4.各层配筋信息 详见SATWE 配筋、验算输出文件(SATWE-分析结果图形和文本显示-文本文件输出-各层配筋文件)。 5.第一标准层梁在恒载作用下的弯矩图(见图2-7) 6.第一标准层梁在布满活荷作用下弯矩图(见图2-8) 7.第一标准层梁在恒荷作用下剪力图(见图2-9) 8.第一标准层梁在布满活荷作用下剪力图(见图2-10) 9.第一标准层梁截面设计弯矩包络图(见图2-11) 10.第一标准层梁截面设计剪力包络图(见图2-12) 29 天津大学2006届本科生毕业设计 ,图2-7 第一标准层梁在恒载作用下弯矩图(kNm) 30 天津大学2006届本科生毕业设计 ,图2-8 第一标准层梁在活载作用下弯矩图(kNm) 31 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-9 第一标准层梁在恒载作用下剪力图(kN) 32 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-10 第一标准层梁在活载作用下剪力图(kN) 33 天津大学2006届本科生毕业设计 ,图2-11 第一标准层梁截面设计弯矩包络图(kNm) 34 天津大学2006届本科生毕业设计 图2-12 第一标准层梁截面设计剪力包络图(kN) 35 天津大学2006届本科生毕业设计 第三章 施工组织设计 3.1工程概况 3.1.1工程简介 1.工程名称:山东省潍坊市某医院综合楼 2.建设单位:山东省建筑设计研究院 3.施工单位:中建二局山东分公司. 4.工程地点:山东省潍坊市市中心 5.工程监理:中国国际工程咨询公司 6.建筑面积:16102.08? 7.施工工期:主体结构的施工期限为590天。 3.1.2建筑设计 本工程为医疗、病房及办公为一体的综合楼。建筑面积为16102.08?，地上16层，建筑总高度为68.2m，其中首层高4.8m，标准层层高3.9m，顶层为3.9m。 3.1.3结构设计 本工程总长度为61.2m，总宽度为16.5m，总高度为68.2m。 本工程为丙类建筑，耐火等级为一级，抗震设防烈度为7度(0.15g)，主要结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构。 3.1.4工程特点 1.地理位置 本工程位于市中心，与原医院的旧办公楼相邻，四周均为居民住宅和商用建筑。为了不影响原医院的正常办公和周边民宅的安全及商用建筑的正常营业，周边安全、环境保护、文明施工以及组织交通运输和材料设备进出场都要严格要求。 2.场地条件 本工程位于旧民宅的旧址，所以在房屋拆除时应注意对周边环境和本工程的影响。而且，本工程的建筑面积很大，现场场地相对较小，如何解决道路、场地、材料机械设备的运输和堆放、办公、人员生活、后勤保障等问题时本工程的重点和难点。 3.使用功能 本工程为医疗、病房和办公为一体的综合楼，整体设计具有医院特有的功能性和复杂性，这对建筑承包商也提出了挑战。在工程建设过程中，建筑单位必须以一流的管理和协调、一流的控制和实施，使本工程最终建设成环保节能型的绿色建筑。 36 天津大学2006届本科生毕业设计 4.质量要求 本工程由于具有特殊的用途，所以要求了它在正常使用情况下必须要具备很好的工作能力。建设单位必须要通过严格的程序控制和过程控制将其建设成一流的艺术精品。 3.1.5编制依据 1. 我国现行的相关施工验收规范和操作规程; 2. 我国现行的安全生产、文明施工、环保及消防等有关规定; 3. 施工图纸、图纸会审记录及有关设计变更、洽商记录等; 4. 设计指定的有关图集、标准等; 5. 文件。 3.2施工方案部署 根据先市政后建筑，先地下后地上，先外檐后内檐的建设程序安排施工。 3.2.2施工段的划分 本工程属于高层建筑，需要的混凝土、钢筋等材料量也非常之大。因此，本工程采用分段流水施工。具体施工段的划分如下图。 施工的顺序为? ? ?。其中?、?、?为施工段。流水施工图见下页图3,2。 ??? ??? 图3-1 施工段划分图 3.2.3技术、质量保证措施 1.人员组织 建立健全组织体系。特殊工种必须持证上岗，严格按施工规范和验评标准检查和验收。设立工程质量部监督检查体系的运行，设专职质保体系监察师，对项目部的质量管理系统进行策划，加强质量体系文件的培训和执行的力度，确保质量管理体系运行充分、有效，以系统化的管理保障工程质量持续、稳定提高。各专业及部门均设有专职质检工程师，负责本专业及部门的质量管理工作。 2.质量管理机构 项目经理为质量第一责任人，项目设置各管理部门，并配备合格的各级质量 37 天津大学2006届本科生毕业设计 38 天津大学2006届本科生毕业设计 管理人员、各专业专职质检人员，各专业公司均配备专职质检员，班组设兼职质检员，确保各级质检人员满足工程需要，同时，项目部设质保体系监察师，监督、检查、管理项目质量保证体系，保持体系有良好运行状态。 设立专项质量奖励基金，制定质量奖罚细则，奖优罚劣，做到奖出作用，罚出效果。 3.2.4安全保证措施 1.安全目标 a.杜绝死亡事故，杜绝重大人身伤亡事故，实现“双零”目标; b.杜绝火灾事故; c.杜绝一般及重大机械设备事故; d.杜绝交通人身伤亡事故; e.负伤频率?1?; f.创建市级安全文明施工工程 2.环境目标 a.最大限度节能降耗及控制噪声; b.生产作业环境治理，改善作业环境，降低对环境产生的粉尘、噪声; c.解决辐射对人体的伤害; d.生产、生活污水(污染物)达标排放; e.可回收废物、有毒有害废弃物、化学品(储存、发放、使用)体系化管 理。 3.2.5违章控制措施 1.严禁以下情况发生 a.指派未经对该项作业安全操作训练并取得合格资格的人员上岗; b.要求工人使用无安全保障的设备，或进入无安全保障的危险场所，或强令拆除设备上的安全装置; c.不顾安全准备工作强行提前作业，或者不执行危险作业审批制度擅自决定进行危险作业; d.强令超载、超速、超压、超温、超限运行设备; e.对作业中的违章违纪现象不予制止、不予纠正、不予教育;默许不安全行为合法化; f.强令身心有病的工人担任力所不及的作业。 2.施工用电管理措施 严格执行施工用电线路及设备检修和恢复送电的工作程序，检修程序:办理作业票?断开电源?悬挂标识牌和装设遮拦?验电和接地?检修。恢复送电程 39 天津大学2006届本科生毕业设计 序:收回全部工作票?检查工作人员离开工作现场及接地线拆除?电气试验?恢复送电。施工现场临时用电设施由项目部组织电气专业安装，由项目部相关安监人员验收，电源使用单位负责所辖设施的日常管理和维护，项目部的安监人员定期进行安全检查，确保施工现场临时用电设施安全和工程的顺利进行。 3.脚手架管理措施 m以上高度脚手架，搭设方案中有搭设图纸脚手架搭设前编制施工方案。25 并说明脚手架基础作法;50m高度以上脚手架搭设方案中有设计计算书及卸荷方法并说明脚手架基础施工方法。脚手架搭设完毕必须经过项目部安全监察部验收并挂牌后投入使用。使用过程中定期检查，以避免脚手架倒塌和缺少防护设施引起的高处坠落、高处坠物伤害事故。 4.重点防火部位及动火管理措施 在带电区采取停电、隔离、悬挂安全警示牌、作业设监护人等措施。运行区作业，采取设置安全隔离带与运行区隔离，悬挂安全警示牌、标志牌，站岗巡视的措施。重大危险作业有周密的施工组织，有针对性施工方案和安全防护措施，从人力、机械、材料、施工步骤、作业环境方面确保施工全过程的安全。 3.3施工准备 3.3.1现场准备 1.场地做到“三通一平”，各种暂设工程已能满足施工要求。 2.混凝土在现场临时搅拌制备，砂、石、水泥按施工进度分批进场。 3.模板和钢筋在公司加工厂配置成型,运进现场绑扎，组装。 4.工区已配备了足够的劳动力，施工机械设备按计划要求供应。 5.技术资料，设计图纸预算已编制，图纸审核完毕。 6.建材实验设备已经到位。 3.3.2建设单位负责解决事项 1.提供建设场地红线桩、水准引点，地质勘探报告和地下障碍物、管线及走向等资料。 2.提供建设单位自行负责加工订货项目清单、到货日期及有关资料。 3.解决施工场地范围内原有地下障碍物拆迁工作，达到现场三通一平的条件。 3.3.3临时用水的布置 本工程现场用水主要有施工用水、生活用水和消防用水，施工用水主要是混凝土搅拌及围护墙体砌筑。选用Φ100mm的铸铁管做供水主干管，消防干管的管径为Φ100mm。消火栓分布在厂房西侧，应有明显的标志。 3.3.4临时用电的布置 40 天津大学2006届本科生毕业设计 本工程的现场用电需电源500KVA的变压器一台，另外需在现场设两个一级电箱，八个二级电箱，分五个回路，以便保证塔吊、外用电梯的正常运转和现场施工用电及现场正常的生活办公用电。 3.3.5临时设施的布置 为了工程建设的正常运转，必须在工地上设置一些办公区和生活区。为了保护周边地区的环境，临时设施的布置必须要满足以下几个要求: 1.在平面布置中须充分考虑好施工机械设备、办公、道路、现场出入口、临时堆放场地等的优化合理布置。 2.施工材料堆放须尽量设在垂直运输机械覆盖的范围内，减少二次搬运。 3.中小型机械的布置，要处于安全环境中，要避开高空物体打击的范围。 4.临电电源、电线敷设要避开人员流量大的楼梯及安全出口，以及容易被坠落物体打击的范围，电线尽量采用暗敷方式。 5.加强环境保护和文明施工管理的力度，使工程现场处于整洁、卫生、有序合理的状态，使该工程在环保、节能等方面成为一个名副其实的绿色建筑。 6.控制粉尘、排污、废弃物及噪声处理设施的布置。 3.3.6主要的项目施工方法和技术 1.土方工程 在地基开挖前在四周打灌注桩，进行护坡，以保障原医院的正常使用的安全。地基开挖应尽量避开雨季施工。 2.模板工程 (1)模板准备、支撑形式 本工程采用定型组合钢模板,木模板作为边脚补充之用。支撑形式为钢管支撑用扣件连接,选择合理的地方堆放钢模板，钢模与混凝土的接触面应清理干净并涂刷隔离剂，但不得采用影响结构性能或妨碍装饰工程施工的隔离剂，在浇注混凝土前，模板内的杂物应清理干净。 (2)模板安装 柱的模板每一层一周转，梁板的模板每两层一周转。模板连接使用U形卡,在安装模板之前,应先在基面上弹出边线,立模板时用垂球校正.为防止两块模板之间有缝隙而造成混凝土漏浆,用双面胶带粘贴相临的模板应优先选用通用、大块模板，使其种类和块数最少，模板长向拼接宜采用错开布置，以增加模板的整体刚度。模板的配模设计应绘制配模图，标出模板的位置、规格型号和数量。预留孔洞的位置，应在配模图上标明，并注明固定方法。模板的支承系统应根据模板的荷载和部件的刚度进行布置，还应根据实际情况进行校正.模板支设前，先用湿布擦干净，表面涂机械油. 41 天津大学2006届本科生毕业设计 (3)模板拆除 模板必须要到混凝土强度达到要求才能拆除,而且拆除的顺序一般为先非承重模板，后承重模板。故本工程拆模时按如下顺序进行:柱箍?柱模?排架?楼板模板?梁支撑系统?梁模。 跨度在4m及4m以上的梁下均应保留支柱，支柱间距不大于3m。拆模时应避免混凝土表面或模板受到损坏。拆下的模板和配件如暂时不用，应送到指定的堆放场，并派专人维护。 3.钢筋工程 本工程的钢筋采用在钢筋加工厂制作，现场绑扎成形的施工方案，现场运料使用人力长板车运输。钢筋接头型式根据钢筋的材质、直径和规范要求，分别采用闪光对焊、搭接焊、机械连接，焊接或机械连接接头必须经过取样试验，合格后方可浇注混凝土。所有的钢筋在绑扎时均应清理本层与原混凝土接头部位的水泥浆和污物。为保证施工现场的安全文明施工，运料随运随绑，减少占地面积，若不能及时绑扎的分类码放整齐、标识清楚。 (1)钢筋绑扎方法及保护层的控制 柱钢筋绑扎时，用脚手架临时固定位置。为保证柱钢筋间距，在柱钢筋的顶部、中部、底部，各绑一道箍筋。梁柱钢筋绑扎前，先根据施工图的钢筋间距用粉笔在混凝土上划好线，然后再进行绑扎。箍筋应与受力主钢筋垂直设置;箍筋弯钩叠合处，沿受力钢筋错开设置。绑扎的钢筋要求横平竖直，规格、数量、位置、间距正确，绑扎不得有缺扣、松扣现象。梁柱钢筋相遇时,梁钢筋从柱内侧通过。梁筋绑扎时,也是先立主筋,用脚手架临时固定其位置,然后绑扎箍筋,板的钢筋绑扎时因为面积较大，注意钢筋的间距，保护层用素混凝土小垫块来控制。 (2)注意事项 a.如果需要搭接时应符合有关的要求，搭接长度为40d，在同一截面的搭接接头至少相隔三排钢筋，相邻接头的间距应大于1m，并使接头不在最大弯矩处。 b.弯钩应做成135度，且平直部分的长度不小于10d。 c.所有构件的箍筋接头应沿构件长度交替设置。 d.钢筋的保护层应该准确,采用预制水泥砂浆小垫块控制，板中每平方米不少于4块,梁与柱子每边不少于4块，竖向间距?1m。 e.绑扎板的钢筋的时候应将预埋管线的位置留好。 4.混凝土工程 (1)混凝土搅拌机选择 综合考虑搅拌机的额定装料容量、额定出料容量、功率等参数，选择J-4001型搅拌机搅拌混凝土。 (2)混凝土的运输方式 混凝土搅拌前按检测中心给出的配比方案进行配比，因现场的混凝土在混 42 天津大学2006届本科生毕业设计 凝土搅拌车内进行搅拌，不存在地面的长距离水平运输问题。在工地范围内采用的是双轮手推车运至起重机的吊斗内垂直起吊至浇注部位。在钢筋网上铺设木板作为手推车行走用的跳板，在楼面运输混凝土。手推车的路线应形成回路，避免交叉以防止堵塞。在下料前应根据现场砂石的含水率调整施工配合比。 (3)混凝土制备质量控制 a.水泥进场时应对其品种、级别、包装或散装仓号、出厂日期等进行检查，并应对其强度、安全性及其他必要的性能指标进行复验，其质量必须符合现行国家标准的要求。 b.混凝土中掺用外加剂的质量及应用技术应符合现行国家标准和有关环境保护的规定。预应力混凝土结构中，严禁使用含氯化物的外加剂。钢筋混凝土结构中，当使用含氯的外加剂时，混凝土中的氯化物的总含量应符合现行国家标准的规定。 c.混凝土强度等级、耐久性和工作性等应按《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55)的有关规定进行配合比设计。 d.结构混凝土的强度等级必须符合设计要求。用于检查结构构件混凝土强度的试件，应在混凝土的浇珠地点随机抽取。取样与试件留置应符合下列规定: 3 每拌制100盘且不超过100m的同配合比的混凝土，取样不得少于一次;每工作班拌制的同一配合比的混凝土不足100盘时，取样不得少于一次;当一次连 33续浇筑超过1000m时，同一配合比的混凝土每200m取样不得少于一次;每一楼层、同一配合比的混凝土，取样不得少于一次;每次取样应至少留置一组标准养护试件，同条件养护试件的留置组数应根据实际需要确定。 e.混凝土的原材料每盘称量的偏差应符合的规定:水泥、掺和料?5,;粗细骨料?3,;水、外加剂?2,。 (4)混凝土的浇捣 混凝土浇注前有对模板钢筋进行检查,在验收合格了之后才允许浇注。浇注时注时采用机械振捣的方法，振捣应派专人操作，使用振捣棒时“快插慢拔”，标点均匀排列，逐点移动。不要接触钢筋及预埋管道。使上下振捣均匀，确保质量。柱与梁板的混凝土浇注应分开进行。先浇注柱子的混凝土并在柱头留施工缝，因柱子长度较长，在柱子内设置溜管以防止离析。柱子的浇注有外向内对称的进行。梁板内的混凝土浇注采用退式浇捣，为了防止混凝土表面产生麻面现象在底部应先浇入50mm厚的水泥砂浆。在一个施工区段之间，梁板的浇注应连续进行如因施工班组的原因不能连续进行则应预留施工缝。浇注完后板的表面用要木末子抹平。 施工缝的处理方法:每浇灌一节混凝土后，用木抹子抹平，待混凝土初凝后用铁刷子在混凝土表面刷麻面，然后清除混凝土表面的水泥浆和松动的石子，清扫干净，同时将该节模板上沿用抹布将水泥浆擦干净。待浇灌下一节的混凝土时， 43 天津大学2006届本科生毕业设计 应先清理表面的浮动物件及尘土，并浇水湿润，且不得有积水浇一层20MM厚与混凝土同比例的水泥砂浆。 (5)混凝土的养护和拆模 在混凝土初凝(2小时)后立即在表面喷水并覆盖塑料养护膜，在24小时内要喷水保持表面湿润，然后在表面再覆盖一层麻袋片，7天后可以拆模。 5.脚手架工程 框架结构施工采用搭设满堂红脚手架支设模板的加固方法。在搭设脚手架之前，应先进行施工荷载计算，然后确定脚手架立杆的间距和搭设方法。注意立杆下必须加垫枕木或铁板，以防止地基沉降出现梁板向下挠曲的现象。脚手架的搭设方法:框架内部搭设满堂红架子，外跨两排脚手架。立杆间距1.2m，但在各层连梁和框架各道主梁下立杆间距0.6m，立杆下部垫道木或脚手板防止沉降。 m一道，小横杆1.8m一道，梁下的排木600一道。排木的搭设，在脚手顺水1.2 架临近标高时，使用专用的丝杆式脚手管，这种脚手管上有架设100?100木方或48?3.5脚手管的专用托架，并可利用丝杆的调节将脚手管的标高做微小调整，以达到设计标高。 脚手架在每个拐角处均加斜撑，并在直段的外侧脚手架每间隔6m加一道斜撑，相邻斜撑要相对或相背，不能朝同一方向，满堂红内部间隔6m加剪刀撑来保证脚手架的稳定性。第二层的脚手架生根于二层平台板，间距不变，斜撑不变，只是在平台梁四周以斜撑形式外挑脚手架，外挑宽度600mm。外挑架子与顺水要连接紧密，并与内部满堂红脚手脚每间隔6m加设一道剪刀撑，以达到外挑架子稳定、牢固。在各层分段施工时，每一层周圈搭设工作面，工作面满铺脚手板，并搭设防护栏杆，挂安全网。并在距地面和各层平台2m高处挂兜底安全网，不能有漏洞，兜底安全网要宽出脚手架3m。 3.4工程量的计算 参照结构平面图和设计图，计算构建所需材料量，见表3-1和表3-2。 3.5劳动力和机械投入 在施工过程中，合理使用人工、机械设备、节约材料，在最短工期内完成任务，是提高功效额关键。 1.合理科学的组织劳动力是保证工程顺利完工的重要因素之一。根据工程实际进度，及时调配劳动力。 2.机械投入 现场布置一台塔吊，详细位置见现场总平面土。主要机械设备投入详见表3-3。 44 天津大学2006届本科生毕业设计 表3-1: 第?工程段工程量计算表 混凝土(m3) 钢筋(吨) 模板(m2) 构件名称 构件数量 每件 总计 每件 总计 每件 总计 柱 18 3.12 56.16 0.75 13.50 15.36 276.48 1号 8 1.04 8.32 0.25 2.00 7.41 59.21 2号 8 1.26 10.08 0.30 2.40 8.97 71.76 3号 5 1.10 5.50 0.27 1.35 7.80 39.00 主梁 4号 4 0.38 1.52 0.09 0.36 2.73 10.92 5号 4 0.55 2.20 0.13 0.52 3.90 15.6 6号 2 0.09 0.18 0.02 0.04 1.95 3.90 1号 2 0.69 1.38 0.17 0.34 6.9 13.8 2号 2 0.57 1.14 0.14 0.28 5.7 11.40 次梁 3号 2 0.60 1.20 0.13 0.26 6.00 12.00 4号 2 0.21 0.42 0.10 0.20 2.10 4.20 5号 1 0.44 0.44 0.11 0.11 4.35 4.35 楼板 1 33.57 33.57 8.09 8.09 335.70 335.70 表3-2: 第?(?)工程段工程量计算表 混凝土(m3) 钢筋(吨) 模板(m2) 构件名称 构件数量 每件 总计 每件 总计 每件 总计 1号 12 3.12 37.44 0.75 9.00 15.36 184.32 柱 2号 1 3.95 3.95 0.95 0.95 17.28 17.28 1号 12 1.26 15.12 0.30 3.60 8.97 107.64 2号 4 1.04 4.16 0.25 1.00 7.41 29.64 主梁 3号 3 0.55 1.65 0.13 0.39 3.90 11.70 4号 2 0.88 1.76 0.21 0.42 6.24 12.48 5号 1 0.16 0.16 0.04 0.04 1.17 1.17 1号 4 0.57 2.28 0.14 0.56 5.70 22.80 次梁 2号 3 0.30 0.90 0.07 0.21 3.00 9.00 3号 2 0.69 1.38 0.17 0.34 6.90 13.80 楼板 1 24.95 24.95 6.01 6.01 249.45 249.45 1号 2 10.09 21.18 2.43 4.86 66.24 132.48 2号 1 9.04 9.04 2.18 2.18 54.72 54.72 墙 3号 1 6.91 6.91 1.67 1.67 46.08 46.08 4号 1 1.30 1.30 0.31 0.31 8.64 8.64 45 天津大学2006届本科生毕业设计 表3-3: 现场主要施工机械设备投入计划表 单机设备 设备投入 需要系数 该设备用电 序 号 用电设备名称 型号 用电量(Kw) 总量(台) K 总量(Kw) 1 70 1 70 塔吊 F0/23B，L=50m 1 2 1.2 0.6 14.4 插入式振捣棒 ,50，,30 20 3 3 0.6 18 直螺纹设备 —— 10 5 平板式振动器 —— 2.8 2 0.8 4.48 6 0.6 5.28 钢筋切断机 —— 2.2 4 7 电焊机 BS9-500 13.2 8 0.6 63.36 8 潜水泵 —— 2.4 2 0.6 2.88 9 钢筋弯曲机 GW32 2.2 3 0.6 3.96 10 钢筋弯箍机 GGJ12 2.2 1 0.6 1.32 11 电动除锈机 —— 2.2 1 0.6 1.32 12 钢筋调直机 GT4*10 2.2 1 0.6 1.32 13 冷挤压机 —— 2 4 0.7 5.6 14 空压机 —— 5.5 2 0.6 6.6 15 平刨机 —— 4 2 0.6 4.8 16 压刨机 —— 4 2 0.6 4.8 17 圆盘锯 —— 2.2 2 0.6 2.64 18 砼振动台 —— 7.5 1 0.6 4.5 19 现场照明及办公 —— 50 1 0.8 40 合计 255.26 3.6现场平面布置 详见现场平面图(附图8-7)。 3.7冬雨季施工 1.冬季砼施工浇砼后，应覆盖塑料布、草帘保湿，采用蓄热法施工，保证砼终凝前不受冻。 2.砼冬季施工严格按冬季施工要求，做好防寒保温措施。保证工程质量。施工前应把冬季施工保证措施和施工要求，报现场监理工程师批准后实施。 3.雨季施工要进行有组织排水，场内排水以明沟为主，过道处埋设水泥管，以不影响交通。 4.雨期中经常检查机械防雨保护，雨停之后进行漏电测试。 46 天津大学2006届本科生毕业设计 5.现场水泥应搭好蓬保温，且又防淋，防止水泡，措施落实到人。 6.雨后及下雪后，上脚手架作业人员要穿防滑鞋，如发现问题，及时修补。 47 天津大学2006届本科生毕业设计 参考文献 [1] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010-2002).北京: 中国建筑工业出版社，2003. [2] 中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3,2002). 北京:中国建筑工业出版社，2003. [3] 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2001).北京:中 国建筑工业出版社，2003. [4] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011,2001)，北京: 中国建筑工业出版社，2003. 钢筋砼结构设计.北京:科学技术文献出版社，1998. [5] 梁兴文、史庆轩、童岳生等. [6] 李宏男、崔熙光、周超英等.多层及高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社， 1997. [7] 戴自强、赵彤、谢剑.钢筋砼房屋结构.天津:天津大学出版社，2002. [8] 包世华，新编高层建筑结构.北京:中国水利水电出版社，2001. [9] 胡庆昌.钢筋混凝土房屋抗震设计.北京:地震出版社,1991. [10] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计.北京:机械工业出版社,2004. [11] 高小旺，混凝土结构设计规范理解与应用，北京:中国建筑工业出版社， 2002. [12] 梁启智，高层建筑框架,剪力墙结构设计实例，湖南:华南理工大学出版社，1992. [13] 徐培福、黄小坤，高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用，北京: 中国建筑出版社，2003. [14] 赵西安，高层建筑结构实用设计方法(第三版)，上海:同济大学出版，1998. [15] 傅学怡，实用高层建筑结构设计北京:中国建筑工业出版社，1999. [16] American Concrete Institute , Commentary on Building Code Requirements for Reinforced Concrete , Detroit , MI , 1985. 48 天津大学2006届本科生毕业设计 外文资料 Reliability of Frame and Shear Wall Structural Systems. I: Static Loading Abstract: An efficient and accurate algorithm is developed to evaluate the reliability of a steel frame and reinforced concrete shear wall structural system subjected to static loading. In a companion paper, the algorithm is extended to consider dynamic loading, including seismic loading. The concept integrates the finite-element method and the first-order reliability method, leading to a stochastic finite element-based approach. In the deterministic finite-element representation, the steel frame is represented by beam-column elements and the shear walls are represented by plate elements. The stiffness matrix for the combined system is then developed. The deterministic finite-element algorithm is verified using a commercially available computer program. The deterministic algorithm is then extended to consider the uncertainty in the random variables. The reliability of a steel frame with and without the presence of reinforced concrete shear walls is evaluated for the strength and serviceability performance functions. The results are verified using Monte Carlo simulations. The algorithm quantitatively confirms the beneficial effect of shear walls, particularly when the steel frame is weak in satisfying the serviceability requirement of lateral deflection. The algorithm can be used to estimate the reliability of any complicated structural system consisting of different structural elements and materials when subjected to static loading. The procedure will be useful in the performance-based design guidelines under development by the profession. keywords: Limit states; Simulation; Shear walls; Static loads; Steel frames; Finite element method. Introduction The realistic reliability analysis of complicated structural systems consisting of different types of structural elements and materials is a major challenge to our profession. In most cases, the limit state or performance function (a functional relationship between the load- and resistance-related variables and the performance criterion) is implicit in evaluating the reliability of such systems. The analytical technique most frequently used to capture the mechanical behavior of complicated structural systems consisting of different materials appears to be the finite-element method (FEM)-based approach. Finite-element analysis is a powerful tool commonly used in many engineering disciplines to analyze simple or complicated structural systems. With this approach, it is straightforward to consider complicated geometric arrangements，various sources of nonlinearity, different materials, and the load path to failure. However, the deterministic finite-element method fails to consider the uncertainty in the variables, and thus cannot be used for reliability analysis. On the other hand, the available reliability methods fail to represent structures as realistically as possible. If the basic variables are uncertain, every quantity computed during the deterministic analysis is also uncertain. The currently available reliability methods can still be used if the uncertainty in the response can be tracked in terms of the variation of the basic variables at every step of the deterministic analysis. To capture the desirable features of these two approaches, they needed to be combined, leading to the concept of the stochastic finite-element method (SFEM) (Haldar and Mahadevan 2000b)。 The SFEM algorithm for frame structures has been developed by several 49 天津大学2006届本科生毕业设计 researchers. However, the main drawback of frame structures is their inability to transfer horizontal loads (e.g., wind, earthquake, and ocean waves) effectively. They are relatively flexible. To increase their lateral stiffness, bracing systems or shear walls are needed. Haldar and Gao (1997) Attempted to consider bracing systems in a steel frame structure. They used truss elements in their model. However, there has not been an attempt to consider shear walls, represented by two dimensional plate elements, in a frame in the context of SFEM. Shear walls have been used for a long time to increase the lateral stiffness of steel frames. The use of concrete shear walls is specifically addressed in this paper. It is not simple to capture the realistic behavior of a combined system consisting of steel frames represented by one-dimensional beam-column elements and concrete shear walls represented by two-dimensional plate elements. Furthermore, the consideration of uncertainty in modeling the combined system is expected to be challenging. A stochastic finite-element-based reliability analysis procedure for the combined system under a static loading condition is proposed in this paper. The companion paper (Lee and Haldar 2003) discusses the behavior of the same structural system in the presence of uncertainty under dynamic loading, including seismic loading. Deterministic Finite-Element Method Representation of a frame and shear walls structural system by finite elements is the first essential step in the proposed algorithm. The basic frame is represented by two-dimensional (2D) beam-column elements and the shear walls are represented by four-node plane stress elements. The static governing equation for the combined system can be represented in incremental form as tangent stiffness matrix of the frame, the global tangent stiffness matrix of the shear walls, the incremental displacement vector , and the external load vector at the nth iteration, respectively; andand =internal force vector of the frame andthe shear walls at the (n,1)th iteration. Using the assumed stress-based finite-element method, the tangent stiffness matrix of the frame can be defined as Where ,elastic property matrix and is a function of area , length, moment of inertia, and Young’s modulus of an element and and ,transformation matrix and the geometric stiffness matrix. The internal force vector in Eq. (1) corresponding to the frame can be defined as where =homogeneous part of the internal nodal force vector and =deformation difference vector. The detailed expressions for evaluating all the matrixes in Eqs.(1) through (3)for the frame are given by Gao and Haldar(1995) and are not repeated here due to lack of space. A four-node plane stress element is used to incorporate the presence of shear walls in the frame. An explicit expression of the stiffness matrix of the plate elements is necessary for efficient reliability analysis. To achieve this, the shape of the shear wall 50 天津大学2006届本科生毕业设计 is restricted to be rectangular. Two displacement (horizontal and vertical) dynamic degrees of freedom are used at each node point. These are plane stress elements. Based on an extensive literature review and discussions with experts on finite-element methods, it was concluded that the rotation at a node point could be overlooked. The rotation of the combined system at the node point is expected to be very small and was independently verified using a commercially available computer program discussed later. To bring the shear wall stiffness into the frame structure, the components of the shear wall stiffness are added to the corresponding frame stiffness components in Eq. (1). The explicit form of a stiffness matrix of a four-node plane stress element can be obtained as (Lee 2000) where 2a and 2b,long and short dimensions of the rectangular shear wall, respectively, t,thickness of the wall, g,the ratio of b and a; i.e., g,b/a. The matrixes A, B, C, and E in Eq. (4)can be represented as and where =modulus of elasticity and ,Poisson’s ratio of shear walls. Different types of shear walls are used in practice, but the reinforced concrete(RC)shear wall is the most commonly used and is considered in this study. Thus, two additional parameters ,namely, the modulus of elasticity and the Poisson’s ratio of concrete ,are necessary in the deterministic formulation as in Eq.(8). The tensile strength of concrete is very small compared to its compressive strength. Cracking may develop at a very early stage of loading. The behavior of a RC shear wall before and after cracking can be significantly different and needs to be considered in any realistic evaluation of the behavior of shear walls. There has been extensive research on cracking in RC panels. It was observed that the degradation of the stiffness of the shear walls occurs after cracking and can be considered effectively by reducing the modulus of elasticity of the shear walls. Based on the experimental research reported by Lefas et al. (1990), the degradation of the stiffness after cracking 51 天津大学2006届本科生毕业设计 can vary from 40 to 70% of the original stiffness depending on the amount of reinforcement and the intensity of axial loads. In this study, the behavior of a shear wall after cracking is considered by introducing the degradation of the shear wall stiffness based on the observations made by Lefas et al. (1990). The shear wall is assumed to develop cracks when the tensile stress in concrete exceeds the prescribed , according to the American Concrete value. The rupture strength of concrete Institute (ACI, 1999) is assumed to be =7.53, where =the compressive strength of concrete. Once the explicit form of the stiffness matrix of shear walls is obtained using Eq. (4), the information can be incorporated in Eq.(1) to study the static behavior of the combined system. The finite-element representation of the RC shear walls is kept simple in order to minimize the number of basic random variables present in the SFEM formulation. More sophisticated methods can be attempted in future studies, if desired. One of the main objectives of this study is to demonstrate the advancement of the reliability evaluation of complicated structural systems, and in that context, the method is appropriate. Reliability evaluation procedures are emphasized in this paper. The governing equation of the combined system consisting of the frame and shear walls, i.e., Eq. (1), is solved using the modified Newton-Raphson method with arc-length procedure. Verification of Deterministic Finite-Element Method Formulation The success of any reliability method depends on the accuracy and efficiency of the deterministic method used. The basic deterministic method used in this study was discussed briefly in the previous section. A very sophisticated assumed stress-based nonlinear FEM algorithm was used to represent the steel frame. The shear walls are represented using information from experiments. The adequacy and accuracy of the FEM representation are necessary at this stage. A two-story two-bay frame structure with shear walls in each floor is considered, as shown in Fig. 1. All columns are made of a W12?58 section and all beams are made of a W18?60 section. The compressive strength of concrete in shear walls and its Poisson’s ratio are assumed to be 20.68 Mpa and 0.17, respectively. Principal stresses are calculated at node points. When the stress in the principal direction exceeds the prescribed tensile stress, the reduced modulus of elasticity of concrete is assumed to be 40% of for the element. All material and sectional properties required to analyze the combined system are given in Table 1. 52 天津大学2006届本科生毕业设计 The combined system is subjected to dead, live, and horizontal load applied statically to represent wind or seismic load. The pattern of loading is shown in Fig. 1 and the intensities are given in Table 1. A computer program denoted hereafter as Shdyn is specifically developed to implement the concept. The program provides the structural responses at each node in terms of displacement and force. For the verification of the deterministic algorithm considered in the study, the lateral displacements at locations a and f, as shown in Fig. 1, are evaluated. Member forces are also estimated in terms of axial force and bending moments of a beam(nodes d and e) and a column (nodes e and g), as shown in Fig. 1. The results are summarized in Table 2. Similar information was evaluated for the combined structural system using ABAQUS (Hibbit et al. 1998), a commercially available computer program. The results are shown in Table 2. The numerical procedures used in Shdyn and ABAQUS are different, but the structural responses are very similar. The example clearly demonstrates that the deterministic algorithm used 53 天津大学2006届本科生毕业设计 in the study is accurate in predicting the behavior of a combined system consisting of a frame and shear walls. This verified deterministic algorithm is extended to consider the presence of uncertainty in the following sections. Reliability Analysis Stochastic Finite-Element Formulation Haldar and Mahadevan (2000b)proposed a stochastic finite element-based algorithm to estimate the reliability of a complicated structural system where the limit-state function or the performance function is implicit. It is based on the first-order reliability method (Haldar and Mahadevan 2000a). This concept is extended here to evaluate the reliability of a complicated structural system under static loading conditions. Without losing any generality, the limit-state function g can be expressed in terms of the set of basic random variables x (e.g., loads, material properties, and structural geometry), the set of displacements u and the set of load effects s(except the displacements, such as internal forces). The displacement u,QD, where D is the global displacement vector and Q is a transformation matrix. The limit-state function can be expressed as g(x,u,s) ,0. For reliability computation it is convenient to transform x into the standard normal space y,y(x) such that the elements of y are statistically independent and have a standard normal distribution. An iteration algorithm is used to locate the design point (the most likely failure point)on the limit-state function using first-order approximation. During each iteration, the structural response and the response gradient vectors are calculated using finite-element models. The following iteration scheme can be used for finding the coordinates of the design point: where To implement the algorithm and assuming the limit-state equation has a general form of g(x,u,s)=0, the gradient of the limit-state function in the standard normal space can be derived as where =Jacobians of transformation (e.g., ). Once the coordinates of the design point y* are evaluated with a preselected convergence criterion, the reliability index b can be evaluated as The evaluation of Eq. (11) will depend on the problem underconsideration and the performance functions used. The essential numerical aspects of SFEM were just discussed in the evaluation of the three partial derivatives and four Jacobians in Eq. (11). They are evaluated in the following sections in the context of a frame and RC shear wall structural system. Performance Functions 54 天津大学2006届本科生毕业设计 The safety or reliability of a structural system is always estimatedwith respect to predetermined performance criteria. The performance criteria are usually expressed in the form of limit-state functions. Two types of limit-state functions are commonly used in the engineering profession: strength and serviceability. Strength Performance Functions According to the American Institute of Steel Construction’s (AISO) Load and Resistance Factor Design (LRFD) Design guidelines, the strength performance criteria for 2D steel frame members can be defined as and where =required tensile and compressive strength;=nominal tensile and compressive strength; =required flexural strength; and =nonminal flexural strength. and in Eqs. (13) and (14) are unfactored load effects. From the AISCs LRFD manual (1994), these parameters can be evaluated As =A?Fcr(compression) or=A?Fy(tension) (15) and where and 2where A=gross area of a member (in.); F=specified yield stress (ksi); E=modulus of y elasticity(ksi); k=effective length factor; l=unbraced length of a member(inch); and u r=governing radius of gyration about the plane of buckling (inch). Not all the members in the frame are connected to the shear walls. The shear walls are expected to prevent local and lateral torsional buckling of steel members, thus improving their strength. To consider the strength failure probability of the weakest steel members, this study considers the failure of steel members where shear walls are mnot present. Serviceability Performance Functions For the serviceability criterion, the limit-state function is represented as wherδ,calculated displacement component and δ,prescribed maximum value of limit the displacement component. As will be elaborated later, the vertical deflection at the midspan of beams and the lateral displacements at the top of the frame are considered to be the two serviceability performance functions in this study. 55 天津大学2006届本科生毕业设计 Implementation of Proposed SFEM to the Combined System To implement the concept, the three partial derivatives and four Jacobians in Eq. (11) need to be evaluated in terms of random variables x, u, and s for all the performance functions to be considered. Evaluation of Partial Derivatives The three partial derivatives in Eq. (11), namely, andfor the strength limit states are evaluated first. Neither g function in Eqs. (13) and (14) contains any explicit displacement component, therefore,0. In order to evaluatethe basic random variables in the limit-state functions need to be defined. The Young’s modulus E, area A, yield stress F, plastic modulus Z , and the y x moment of inertia of a cross-section I along with the external force F are considered to be basic random variables. Therefore, it can be shown that Thus, substituting Eqs. (15)and (16)into Eqs. (13) and (14), each term of Eq.(21) can be evaluated. can also be derived by taking the partial derivatives withrespect to P and u M as u As discussed earlier, only steel members where RC shear walls are not present are checked for the strength limit states. The steel members are expected to be weaker in strength in this case. Thus, although the parameters in Eqs. (13) and (14) are expected to be influenced by the presence of shear walls, the partial derivatives with respect to the random variables related to shear walls, namely, E and ν, need not be c evaluated. For the serviceability limit state represented by Eq. (20), for the steel frame elements it can be shown that and where. For the serviceability limit state, the partial derivatives with respect to E and ν c of the RC shear walls are zero. Therefore, the partial derivatives need not be calculated. Evaluation of Jacobians As discussed previously, the four Jacobians in Eq. (11)need to be computed. J and y,x its inverse are easy to compute due to the triangular nature of the transformation. Since s is not an explicit function of x, J=0. However, the other two Jacobians of the s,x transformation, i.e., J and J, are not easy to compute since s, D, and x are implicit s,DD,x functions of each other. The adjoint variable method (Arora and Haug 1979; Ryu et al. 1985) is used to compute the product of the second term in Eq. (11) directly, instead of evaluating its constituent parts. An adjoint vector λ can be introduced such that 56 天津大学2006届本科生毕业设计 where K=K+K and K and K were defined in Eqs. (2)and (4). Tshsh It can be shown that (Gao 1994) For the strength performance criteria represented in Eqs. (13) and (14), =0, and is already derived in Eq. (22). J needs to be evaluated at this stage. s,D Normally, when the strength performance functions are considered, the internal force vector σ is the only contribution to the load effect s and can be expressed as s,Aσ, where A is the transformation matrix with constant elements. Thus, one can obtain where d is the nodal displacement vector in the global coordinate for the element and can be expressed as From the knowledge of the deterministic finite-element algorithm, the relationship between s and d can be shown to be Where where (i,1,2),rotation at two nodes; and ,displacements of an element in the two global coordinates; and l=the original length of a member. Using Eq. (29), the derivative of the internal force with respect to the displacements can be defined as Where (33) (34) where L=deformed length and can be calculated as L=All the other variables were defined earlier.Thus, Eq.(27) can be evaluated at this stage. In Eq. (29), is easy to obtain since the explicit dependence of F on the basic random variables is known, assuming the external load is not affected by the structural response, and can be derived by modifying Eq. (3) as Where and can be expressed as 57 天津大学2006届本科生毕业设计 Since and R are not functions of the basic random variables, the derivative of d0 R with respect to x can be expressed as Where can be expressed for a beam-column frame element as Where (39) and The λ evaluated from the serviceability and strength performance criteria can then be associated with the FEM algorithm by substituting λ into the last part of Eq. (26). As a result, the second part of Eq. (26) yields known quantities which are required to evaluate the gradient of the performance functions in Eq. (9) . To consider the presence of shear walls, the derivatives of internal forces, in Eq. (26), with respect to E and ν need to be evaluated. They can be derived as c where E and ν=modulus of elasticity and Poisson’s ratio for shear walls, respectively, c and each derivative of Eq. (42) can be shown to be and where 58 天津大学2006届本科生毕业设计 All the matrices and parameters in Eqs. (43) and (44)were defined in Eqs. (5) through (8). The gradient of a limit-state function is now available in explicit form for a frame and shear wall structural system. Therefore, the reliability index and the corresponding probability of failure can be evaluated using the FORM analysis presented in Eqs. (9) through (12). Numerical Examples To investigate the effect of shear walls on the overall reliability, both a frame without shear walls and a frame with shear walls are studied in this study. All loads are applied statically. The reliability of the frame with and without shear walls is evaluated using the proposed algorithm. The accuracy of the proposed algorithm is established using Monte Carlo simulations. Reliability Analysis of Frame without Shear Walls A two-story two-bay frame shown in Fig. 2 (Fig. 1 without the shear walls) is considered first. A36 steel is used. The statistical characteristics of the cross-sectional and material properties required for the reliability analysis are given in Table 3. The frame is subjected to dead, live, and horizontal loads. The statistical properties of these loads are given in Table 3. For the strength limit state, the reliability of the most critical beam at node e and the most critical column at node c are evaluated using the proposed algorithm with the performance functions represented by Eqs. (13) and (14). For the serviceability limit state, the horizontal drift of the top floor at node a and the vertical deflection of the beam at the midspan at node d are checked. In Eq. (20), the prescribed horizontal drift at the top floor is considered to not exceed h/400, where h is the height 006Ff the frame. Thus, is equal to 1.83cm in this example. Similarly, the prescribed vertical deflection in the midspan of the beam is considered to be l/360 under the unfactored live load, where l is the span length of the beam. In this case, is considered to be 2.54cm. 59 天津大学2006届本科生毕业设计 Considering all the random variables given in Table 3, the corresponding reliability indexes and the probabilities of failure at different node points are evaluated. The results are summarized in Table 4. For the frame without shear walls, the probability of failure of the beam is found to be 0.0039, and 10,000 simulations were used to capture this behavior. For the horizontal drift, the probability of failure is close to zero. Considering the practical aspects of supercomputer utilization, 100,000 simulations were used to capture this behavior: The Monte Carlo simulation results are summarized in Table 4. 60 天津大学2006届本科生毕业设计 Reliability Analysis of Frame with Shear Walls The frame shown in Fig. 2 is reinforced with shear walls as shown in Fig. 1. The statistical properties of two additional variables related to the shear walls, E and ν, c are given in Table 3. The building is assumed to contain five similar frames connected by rigid diaphragms at the floor levels. Only the center frame of the building is assumed to have shear walls. Although the physical thickness of the shear wall is 12.7cm,considering the presence of five similar frames and the rigid behavior of diaphragms, the effective thickness per frame is assumed to be 2.54 cm in this study. The combined system is subjected to the three static loads given in Table 3. After the tensile stress of each shear wall exceeds the prescribed tensile stress of concrete, the degradation of the shear wall stiffness is assumed to be reduced to 40% of the original stiffness. The probability of failure of the combined system is calculated using the proposed algorithm. For the strength limit state, the probability of failure of a column, represented by Node eg in Figs. 1 and 2, is estimated. For the serviceability limit state, the horizontal deflection at the top of the combined system (point a in Figs. 1 and 2) is evaluated. The results are summarized in Table 4. As before, 10,000 simulations are used for the strength limit state and 100,000 simulations are used for the serviceability limit state. For both the strength and serviceability limit states, the reliability indexes estimated by the proposed algorithm and the Monte Carlo simulation technique are similar. The results clearly indicate that the proposed algorithm can be used to estimate the probability of failure of a combined system consisting of frame and shear walls under static loading. The reliability of the column did not change significantly due to the presence of shear walls. However, the horizontal drift at the top of the frame reduced significantly and the probability of failure of the combined system in serviceability became almost zero. This is expected. For the combined system, the controlling limit state has changed from serviceability to strength. This simple example clearly demonstrates the beneficial effect of shear walls in carrying horizontal loads. It also demonstrates that the proposed algorithm can be used to estimate the reliability of a complicated structural system under static loading conditions, broadening the application potential of reliability methods. Conclusions An efficient and accurate algorithm is developed to evaluate the reliability of a steel frame and RC shear wall structural system. The steel frame is represented by beam-column elements and the shear walls are represented by plate elements. A stochastic finite element-based approach consisting of the reliability approach, the first-order reliability analysis procedure, and the finite-element method is proposed. The reliability of a frame with and without shear walls is evaluated for the strength and serviceability performance functions. The results are verified using the Monte Carlo simulation technique. The proposed stochastic finite-element-based algorithm is reasonable for evaluating the reliability of a combined system consisting of frame and shear walls for static loading. It gives similar results for both the strength and serviceability performance functions compared to the results from Monte Carlo Simulation. As expected, this study showed that the reliability of a frame for horizontal deflection could be significantly improved with the help of shear walls. The proposed algorithm to evaluate the reliability of a combined system consisting of steel frames and RC shear walls for static loading is very unique. It produces accurate and 61 天津大学2006届本科生毕业设计 efficient results, and can be used in the future to evaluate the reliability of complicated structural systems. The proposed algorithm demonstrates how reliability methods can be applied to evaluate the risk of a real structural system capturing its realistic mechanical behavior. The procedure will be useful in the performance-based design guidelines under development by the profession. Acknowledgments This paper is based on work partly supported by the National Science Foundation under Grant No. CMS-9526809. Financial support received from the American Institute of Steel Construction (AISC) Chicago, is appreciated. Any opinions, findings, conclusions, or recommendations expressed in this publication are those of the writers and do not necessarily reflect the views of the sponsors. 62 天津大学2006届本科生毕业设计 中文译文 静荷载作用下框架剪力墙的可靠性 摘要:一种新的精确有效的计算方法已经被发现用来评价钢筋混凝土框架剪力墙结构在受到静荷载作用时的可靠性。在一位同僚的论文中，这种方法已经被用来计算包括地震在内的动荷载。它将有限元和第一可靠性原则结合起来，产生了一种基于有限随机的要素的方法。 在这种确定性的有限元表示法中，柱体现了钢框架体系而板体现了强力墙体系。组合在一起的体系的刚度矩阵就形成了。这种确定性的有限元方法可以用计算机程序来检验。它可以被延用于考虑随机情况下的不确定因素。是否有剪力墙 加固工事的钢框架的可靠性被用来确定在结构在发挥作用时的强度和适用性。这种方法在数字上体现出对剪力墙的正面效果，特别是在侧向偏差令人满意而框架性能很弱的时候。它可以用于对受静荷载作用的任何材料和结构形式的复杂结构的可靠性的评估。职业一点来说，这种方法对于指导尚欠发展的设计工作是很有用的。 关键词:极限状态，模拟，剪力墙，静荷载，钢框架，有限元。 绪 论 对各种由不同的体系和材料组成的复杂结构的实际可靠性的分析是对我们专业人员的挑战。在大部分情况下，对结构的可靠性可由极限状态和正常状态(荷载和相关反力之间不确定的符合相关规范的一种函数关系)的暗示中得到结果。这种经常会被用于获取由不同材料组成的结构体系发挥作用信息的方法就是有限元法。有限元就是一种普通应用于许多工程领域，适用于简单和复杂结构体系的强大分析工具。使用这种方法，对于复杂几何结构、各种非线性问题、不同的材料和传力途径的问题的分析将是直截了当的。但是，确定性(限制性)有限元不能分析可变结构。因此不能被用作稳定性分析。另一方面，可靠性方法不能真实地描述结构。如果基本变量不能确定，那么用这种分析方法计算的结构也是可靠的。如果在分析的每步中，通过基本量的变化将反应中的不确定性限制住，那么这种可靠性分析方法在当前还是能普遍使用的。为了获得这两种方法令人满意的结果，必须要将它们结合起来，这样就有了随机有限元的产生。 这种框架结构的随机有限元法则已经经过几个研究人员的发展了。然而其主要缺点是不能有效地传递水平荷载(比如风荷载、地震荷载和海浪等)。他们是和结构的柔韧性有关的。为了增强其侧向刚度，支撑和剪力墙是必需的。Haldar和Gao试图将支撑用于钢框架中。他们在模型中使用了很多构架。但是，他们没有考虑尝试使用在S随机有限元的文章中提到的可以用二维平面描述的剪力墙。 很长时间以来，剪力墙就被用来提高钢框架的侧向刚度。在那篇文章中混凝 63 天津大学2006届本科生毕业设计 土剪力墙的使用被特别的提出来。在这篇文章当中，并不是简单的将可以被描述成为一维杆系元的钢框架和可以被表现为二维平面元的混凝土剪力墙组成一种混合结构。此外，在建立混合结构模型时，对不确定性因素的考虑时具有挑战性的。在这种混合结构在静力荷载作用时的随机有限元分析程序将在本篇提出。而由Lee和Haldar在2003年所著的姊妹篇中讨论了同种结构在动力荷载包括地震荷载作用下不确定因素存在时的情况。 确定性有限元法 在这个法则中用有限元来表示框架剪力墙结构是第一步。基本框架用二维杆系元表示，剪力墙则表示为四结点平面受压元。组合机构的静力平衡方程可以用数列表示为: 其中，，，，分别表示框架切向刚度矩阵，剪力墙切向刚度矩阵，位移增量，第n个外力荷载的大小;和则表示第n-1个钢框架和第n-1个剪力墙的内力大小。利用这种假定有限元的方法，框架的切向刚度矩阵可以定义为: 其中表示弹性矩阵，它是和面积，长度，转动惯量以及早期系数相关的函数;和分别表示变换矩阵和几何刚度矩阵。在等式(1)中相应的框架内力矢量可以表示为: 其中表示相同部分节点内力的矢量， 表示的是微变形矢量。从式(1)到式(3)中详细框架矩阵的计算在1995年Gao和Haldar已经提供了，为了节省篇幅这里就不赘述了。 过去一直使用思维平面应力元来考虑在框架结构中剪力墙的共同作用。对有效的可靠性分析来说，板刚度矩阵的显式是很必要的。为此，剪力墙的形状只能做成直角形的。水平和竖直方向的两个自由度都被用在所有节点的位移上。这就是二维平面应力元。在专家们有关有限元的广大文献和讨论的基础上，得出了节点的的旋转没有被注意到的结论。人们都希望组合结构的节点旋转很小，而且在以后可以用商用计算机的软件来独自地得到。为了将剪力墙地刚度和框架结构地结合起来，在(1)式中剪力墙的刚度矩阵可以直接加到框架的刚度矩阵中去。四结点平面受压元的刚度矩阵的显式可以由Lee在2000年的下式得到: 64 天津大学2006届本科生毕业设计 其中2a和2b分别表示剪力墙直角的长度和宽度，t表示墙的厚度，g表示b和a之比，即g=b/a。矩阵A、B、C、E分别是: 其中表示弹性系数，表示剪力墙的比率。各种类型的剪力墙都在实践阶段，但是在本文中主要讨论混凝土加固剪力墙。因此，两种附加的参数即弹性系数和混凝土的比率在明确表示的式(8)中式很有必要的。混凝土的抗张能力和它的收缩能力一样很小。剪力墙在加固前后受力破坏的区别很明显，而且在对剪力墙的作用发挥时必须予以考虑。对加固板的破坏也有了广泛的研究。剪力墙在破坏后刚度的退化也被我们注意到，而且可以通过减小剪力墙的弹性系数来有效地降低它。基于Lefas et al.在1990年的一份实验研究报告表明，由于剪力墙加固的数量和内力的大小的差异，在破坏后剪力墙刚度会减少到原来的40,70%。在本文中，剪力墙刚度的退化也是同样考虑的。在混凝土的张应力超过规定值时，剪力墙就被假设是产生裂缝的原因。根据ACI的规定，混凝土的断裂力,7.53，其中是混凝土的抗压强度。只要由式(4)得到了剪力墙矩阵的显式，就可以通过他们在(1)的组合来评价组合结构的作用效应了。关于加固的剪力墙的有限元方法使得在S随机有限元的公式中减少不必要的变量变得很简单了。如果有必要的话，更多更好的方法会被运用到将来的研究中。这种研究的主要目的之一就是为了体现出对组合结构可靠性评估的高度发达的状况，如果是那样的话，这种方法就是适当的。在本文中，可靠性评估的程序是重中之重。 如(1)式的由框架和剪力墙组合起来的组合结构的控制方程，可以通过修 65 天津大学2006届本科生毕业设计 正的Newton-Raphson方法进行解答。 确定性有限元方法的论证论述 所有可靠性分析方法的兴起都是依靠准确和有效的确定性方法的运用。在本文中提到的基本的确定性方法只是暂时用先前的方法进行讨论。一种成熟的假设的非线性随机有限元方法已被用来描绘钢框架。通过试验得来的信息可以描述剪力墙的情况。这时，随机有限元方法的适当性和精确性是非常必要的。 图一 如图一所示，对一个各层都有剪力墙的两层的两边简支框架结构进行分析。所有柱子的截面均为12?58，梁截面为18?60。混凝土的抗压强度是20.68 MPa，泊松比为0.17。各个节点的主应力已经计算出来了。当主应力超过规定值时，混凝土的折合弹性系数假定是原来的40,。所有必需的材料和道具的信息都在表一中。组合结构受到得的风荷载和地震荷载可以用静态恒荷载、活荷载、水平荷载来模拟。组合形式和设防烈度分别在图一和表一中。 就如Shdyn编制的一个电脑程序一样，他们被特定地发展用来解决这种情 况。这种程序能提供结构各个节点在位移和内力改变时的反应。为了证明在本文中考虑到确定性方法，a点和f点的位移(如图一所以)已计算出来了。内力也通过梁(d点和e点)和柱(e点和g点)的内力图和弯矩图得到。最后的结果已简要的列在表二中。类似的复杂结构体系的信息也用一种叫做ABAQUS的程序分析过。相应的信息已经列在了表二中。两者的具体步骤是不一样的，但是它们得到的结果却很相似。在研究中的确定性方法明显地能预测各种框架剪力墙结 66 天津大学2006届本科生毕业设计 构体系的作用情况。这种确定性方法能够延用于考虑相应部件不定性因素的出现。 表一:材料组成和性质 材料组成 )24类别 面积(cm) 转动惯量(cm 规格 113.6 40957 框架 梁 18?60 柱 109.7 19770 12?58 v (Mpa) 剪力墙 ,0.4 8550 0.17 荷载 恒载D(kN/m) 活载L(kN/m) 水平荷载H(kN/m) 29.20 17.52 97.90 表二:计算结果对比 挠度 节点 Shdyn ABAQUS 1.06 1.06 水平位移(毫米) 节点a 竖直位移(毫米) ,0.61 ,0.61 转动(毫弧度) 1.34 1.35 0.90 0.91 水平位移(毫米) 节点 f 竖直位移(毫米) ,0.41 ,0.41 转动(毫弧度) 0.81 0.81 构件内力 Shdyn ABAQUS 构件 轴力(kN) ,109.30 ,110.94 梁de 水平弯矩(kN?m) ,3816.51 ,3820.67 1653.70 1652.73 竖直弯矩(kN?m) 轴力(kN) ,213.35 ,214.40 2114.90 2119.13 柱eg 水平弯矩(kN?m) 竖直弯矩(kN?m) ,2695.89 ,2700.77 可靠性分析 随机有限元法的论述 Haldar和Mahadevan在2000年提出用于评估组合结构在极限状态或正常使用状态下的随机有限元方法是含蓄的。它建立在一阶可靠性方法的的基础上。它也被延用于静荷载作用下的组合结构的评估上。 67 天津大学2006届本科生毕业设计 在不是一般性的情况下，极限状态函数g可以用含基本变量x(如荷载，材料特性和几何结果)位移变量u和内力荷载效应s(除了位移的内力作用)等随机变量来表示。位移u=QD，其中D球状的位移向量，Q是变换矩阵。极限状态可以表示为g(x,u,s) ,0。 为了进行可靠性分析，将x转换为服从正常分布如正态分布的函数y,y(x)。一种通过一次代换的迭代法可以用于查找出设计点(最可能遭破坏的点)的准确位置。在每次的迭代中，可以通过有限元模型计算出结果的反应和梯度向量。下面的迭代公式就可以计算出设计点的位置: 其中 为了上式的成立，我们假设极限状态方程为g(x,u,s)=0，标准间隔的极限状态梯度 可以表示为: 其中，是导数行列式的变换(比如)。当设计点的坐标y*通过预定的收敛准则得到后，可靠性指数β可表示为: 式(11)的计算取决于具体的情况和性能函数的使用。当中随机有限元的数字信息可以通过三个偏导数和四个函数行列式得出。我们将在下面篇幅的框架和钢筋混凝土剪力墙结构体系中计算。 性能函数 结构体系的安全性和可靠性通常是用假定的标准和规定来衡量的。这些标准往往都是在极限状态下考虑的。强度和适用性这两中极限状态是经常用到的。 强度性能函数 根据AISO和LRFD的知道方针，二维的钢筋框架构件的强度性能可以表示为: 其中，是设计抗张和抗压强度，是标准抗张和抗压强度，是设计 68 天津大学2006届本科生毕业设计 抗弯强度，是标准抗弯强度。在(13)和(14)式中的和是未修正的荷载效应。根据1994年的AISCs LRFD手册，这些修正参数可以用以下式子计算 =A?Fcr(compression) or=A?Fy(tension) (15) 其中 2其中，A表示构件的总面积(单位)，F为标准屈服强度(ksi)，E表示弹性y 模量(ksi)，k为有效长度系数，l表示构件的自由长度(inch)，r为调整的弯曲平面u 的回转半径。并不是所有的剪力墙构件都会连接到框架上。可以想到，剪力墙会防止钢筋构件的局部和侧向扭曲破坏，从而改善结构的强度。为了考虑薄弱钢构件的强度失效概率，本文只考虑没有剪力墙的钢构件的强度失效概率。 适用性性能函数 为了考虑适用性的准则，极限状态可以假设为: 其中，δ表示位移分量，δ表示给定位移分量的最大值。正如本文下面阐limit 述的一样，梁跨中的挠度和框架顶面的侧向位移被认为是考查适用性的两个性能函数。 组合结结构的随机有限元分析 为了执行这个方案，式(11)中的三个偏导数和四个函数行列式必须要为所有的性能函数来计算随机变量x, u, and s。 偏导数的计算 为了计算强度极限，式(11)中的三个偏导数，即，必须要先计算出来。不管在式(13)和式(14)中是否包含任何的位移分量，始终为零。为了计算，极限状态的随机变量都必须要重新定义。杨氏模量E，面积A，屈服应力F ,塑性模量Z，横截面惯性模量I和外力F都是随机变量。yx 因此可以表示为: 因此取代式(13)、式(14)、式(15)和式(16)，式(21)中的每一项都能计算出来。 69 天津大学2006届本科生毕业设计 还可以用含P和M 的偏导数来计算: uu 就如上文中提到的，为了保证极限状态的承载力只需核算没有钢筋混凝土剪力墙加固的钢构件。这种情况下，钢构件的强度越高越好。因此，虽然在式(13) )中的参数可能会因为剪力墙的存在有所影响，但是与随机变量(即E和式(14c和ν)相关的偏导数并不用重新计算。 根据式(20)描述的正常使用极限状态和钢结构原理，可以用下式表示: 。 其中 考虑到正常使用极限状态，与钢筋混凝土剪力墙的E和ν相关的偏导数视为c 零。因此，此时不用计算偏导数。 函数行列式的计算 如前所述，式(11)中的四个偏导数必须计算出来。J和它的逆可以轻易y,x 的由三角变换得出。因为s不是x的显函数，所以J恒为零。但是另外两个偏导s,x 数变换即J和J却因为s, D和x之间的隐函数关系而难以计算。伴随变量的方法s,DD,x 可以直接用于计算式(11)的二次结果，而不用分析它的组成。伴随变量λ可以定义为: 其中K=K+K，K和K见式(2)和(4)。 Tshsh 在Gao1994年的著作中有 因为在式(13)和(14)中表示的强度作用衡准，有为零，而则在式(22)中已推导出。这时J必须要计算出来。通常当考虑到强度作用函数s,D 时，内力矢量σ是与内力作用s唯一有关的变量，而且可以表示为s,Aσ，这里A变换矩阵常数。因此，可以得到 其中d表示构件在球坐标中的点位移矢量，而且可以表示为 70 天津大学2006届本科生毕业设计 从对确定性计算方法知识的认识，s和d之间的关系可以表示为 其中 (i,1,2)为两点的旋度;和为构件在不同球坐标中的位移;l为构其中 件的原长。结合式(29)，与位移相关的内力偏导数可以表示为 其中 (33) (34) 其中L为构件变形后的长度，可以用L=来计算。其他的变量如前。从而，式(27)这时就能计算出来了。在式(29)中，假设外荷载不会因结构的反应而改变因为与F相关的显性关系的随机变量已计算出来，就可以容易的得到了。而且可以通过对式(3)的修正得到 其中，并且 因为和R不是基本变量的函数，所以与x相关的R可以表示为 d0 71 天津大学2006届本科生毕业设计 其中作为梁柱构件而表示为 其中 (39) 由正常使用和强度作用标准得到的λ和使用有限元法利用λ替代式(26)的后半部分是有关联的。因此，式(26)的另外一部分能得出在式(9)中需要用来计算性能函数梯度的已知量。 为了考虑剪力墙的存作用，式(26)中与E和ν相关的内力偏导数必须c 要计算出来。经推导得到 其中E和ν分别表示弹性模量和剪力墙的泊松比，其它偏导数可以表示为 c 其中 式(43)和(44)中的变量和参数均在式(5)至(8)中定义过。极限状态 72 天津大学2006届本科生毕业设计 的梯度现在可以用来描述框架剪力墙结构体系了。因此，可靠性指标和失效概率可以通过式(9)至(12)的分析得到。 算例 为了研究剪力墙系统对于结构体系的整体可靠性所起到的作用，在本次研究中我们将以一个不带剪力墙系统的框架结构和一个带剪力墙系统的框架结构为研究对象，对比他们的实验结果。在这两种结构上施加的荷载全部是静力荷载。在评定这两种带剪力墙和不带剪力墙的框架结构体系的可靠性时都采用建议的计算方法。这种计算方法的精确度经过了蒙特卡罗模拟法的验证。 无剪力墙框架的可靠性分析 首先我们考虑一个双跨双层的框架，见图2(图2由图1去掉剪力墙得来)。此框架采用A36级钢。结构的横断面规格和材料性质等在结构可靠性分析时所必须用到的结构特征都统计在表3中。分别在框架结构上施加恒载，活载和水平荷载。这些荷载的统计资料在表3中也已给出。 在承载力极限状态下的测试中，对于位于节点e的最接近临界状态的梁和位于节点c的最接近临界状态的柱的可靠性的评定使用在Eqs.(13)和(14)中建议的计算方法。在正常使用极限状态下的测试中，对顶层在节点a处的水平位移和位于节点d处的横梁跨中的竖向挠度需要检查。在Eq.(12)中规定了对于框架结构 drift 顶层的水平位移最多不能够超过h/400, h是框架的高度。因此在本例子中δ等limit于1.83 cm。类似地，规定框架横梁跨中的竖向挠度在未考虑折减的活载作用下 deflection 最多不能超过l/360，l是横梁的跨度。在本例子中，δ就等于2.54 cm。 limit 在评定不同节点处的相应的可靠性指数和结构破坏的可能性时考虑了在表3中列出的所有的随机变量。在表4中列出了可靠性分析的结果。对于不带剪力墙的框架结构体系，框架梁的破坏的可能性为0.0039，这个数据是在做了一万次模拟实验后得出来的。而由于水平位移过大而导致的结构破坏的可能性为零，考虑到超大型计算机的实际应用特点，为得出这个数据做了十万次模拟实验。通过蒙特卡罗模拟法得出的实验结果列在表4中。当得出的结构破坏机率比较大时，对于这两种极限状态的分析结果非常接近。然而，当得出的结构破坏机率相对小时，两种实验结果的差别就比较明显了，从结果中可以看出建议的计算方法可以应用于估计复杂结构体系的可靠性。结构框架中的横梁和柱的可靠性指数一般都可以满足结构的承载力极限状态。关于结构横梁的竖向挠度的可靠性也可以满足结构的承载力极限状态。然而，框架结构在水平荷载的作用下的弯曲程度相当严重。 73 天津大学2006届本科生毕业设计 框架结构的结构破坏机率的主要因素就是由于节点a处的水平位移太大而引起的。因此，在这种情况下框架结构就必须在水平方向做强化处理，否则是不可接受的，而此时对结构起控制作用的极限状态时正常使用极限状态。 表三:基本的随机变量 项目 变量 额定值 额定系数 变异系数 分布 注释 E(Mpa) 2.00E+05 1.0 0.06 对数常态 —— 2A(cm) 113.6 1.0 0.05 对数常态 梁截面18?60 b I(cm4) 40957 1.0 0.05 对数常态 —— b Zb(cm3) 2015 1.0 0.05 对数常态 —— 框架 Ac(cm2) 109.7 1.0 0.05 对数常态 柱截面12?58 Ic(cm4) 19770 1.0 0.05 对数常态 —— Zc(cm3) 1415.8 1.0 0.05 对数常态 —— Fy(Mpa) 248.21 1.05 0.10 对数常态 —— Ec(Mpa) 2.14E+04 1.0 0.18 Fc=20.68(Mpa) 对数常态 剪力墙 ν 0.17 1.0 0.10 对数常态 —— D(KN/m) 29.2 1.0 0.10 对数常态 —— 荷载 L(KN/m) 17.52 1.0 0.25 类型? —— H(KN) 125.53 0.78 0.37 类型? —— 注:b,梁，c,柱。 表四:有剪力墙框架和无剪力墙框架的实验结果 SFEM 蒙特卡罗模拟法 执行标准 位置 β Pf Pf 无剪力墙的框架 2.659 0.0039 0.0134 节点cd 承载力标准 2.231 0.0129 0.0282 节点eg 0.060 0.4761 0.4740 节点a 正常使用标准 5.341 0.0 节点d ?0.0 有剪力墙的框架 3.166 0.00076 0.00212 承载力标准 节点eg 5.290 0.0 正常使用标准 节点a ?0.0 注:β,安全指数，Pf,结构破坏几率 74 天津大学2006届本科生毕业设计 有剪力墙的结构框架体系的可靠性分析 将图2中的框架结构用剪力墙系统加强后就变成了图1中的结构体系。对于剪力墙系统，我们要考虑两种与剪力墙相关的附加变量，Ec和v，在表3中已经给出这两种变量的统计信息。我们假定本结构是由五个在每一个楼层平面都采用刚接的相同的框架组成，并且只有本建筑中心的框架带有剪力墙系统。虽然剪力墙的结构层厚度设定为12.7cm，但是考虑到此结构共包括五个相同的框架再加上每层楼板的刚性效应，因此本例中剪力墙最后分到每榀框架的实际有效厚度假定为2.54cm。在这个框剪联合系统上将要施加三种静力荷载，在表3中也已给出。在每个剪力墙上的横向张拉应力超出了混凝土的规定抗拉强度之后，剪力墙系统的刚度就被削弱，减少到了初始刚度的40%。 在计算此框剪联合系统的结构破坏可能性时采用了建议的计算方法。在承载力极限状态下的测试中，需要测试的是框架柱的结构破坏指数，在本例中以图1和图2中节点e g为代表。在正常使用极限状态下的测试中，需要测试此联合系统的顶部(在图1和图2的节点a处)的水平位移所导致的结构破坏指数。本次测试的结果记录在表4中。 同上文一样，在承载力极限状态下的测试中共做了一万次实验，在正常使用极限状态下的测试中共做了十万次实验。对于这两种极限状态的测试，由建议的计算方法和通过蒙特卡罗模拟法得出的结构的可靠性指数实验结果基本相同。因此通过本次实验结果可明显得出如下结论:建议的计算方法可以应用于对框架,剪力墙联合结构体系在静力载荷作用下的结构破坏可能性的分析当中。剪力墙系统的使用并没有对框架柱的可靠性产生任何影响。 然而，由于剪力墙的作用使得框架结构顶部的水平位移显著地减小了，从而使得这种联合体系在正常使用极限状态下的结构破坏机率几乎减小到零。这才是剪力墙系统的作用所在。对于这种联合结构体系，起控制作用的极限状态从正常使用极限状态变成了承载力极限状态。这个简单的例子清晰的证明了剪力墙系统在结构承受水平荷载时是相当有益的。同时它也证明了建议的计算方法可以应用于在静力载荷作用下的复杂结构体系的结构可靠性分析当中，从而扩展了结构可靠性计算方法的选用范围。 总结 本次研究成功的开发出了一个具有足够精确度的高效的计算方法用以评定钢框架和钢筋混凝土剪力墙联合结构体系的可靠性。在本算法当中钢框架采用框架梁,柱单元来表示，钢筋混凝土剪力墙采用平板单元来表示。本文中还建议大家使用一个随机的立足于有限单元法的研究方法，包括结构可靠性分析方法、一级可靠度结构的分析步骤和有限单元法。无论是带剪力墙系统的框架结构体系还 75 天津大学2006届本科生毕业设计 是一个不带剪力墙系统的框架结构体系，在评定他们的结构可靠性时都需要同时考虑对结构承载力极限和满足正常使用功能的要求。本文中得出的结果都经过蒙特卡罗模拟法的验证。 本文中建议的基于有限单元法的随机计算方法对于分析一个框架,剪力墙联合结构体系在静力荷载作用下的系统可靠性是非常合适的。无论是对于结构的承载力极限状态还是正常使用极限状态的分析，采用本方法所得出来的结论与采用蒙特卡罗模拟法的出的结果是一样的。与最初设想的一样，本次研究表明了剪力墙系统对于框架结构体系与水平位移相关的结构可靠度的提高是有好处的。本文建议的计算方法对于评定一个钢框架和钢筋混凝土剪力墙联合结构体系的结构可靠性这一领域的作用是独一无二的。这种计算方法能提供筋骨阿的高效的结果，而且还可以应用于评定复杂结构体系的可靠性当中。这种计算方法说明了为什么可靠性算法可以被应用于评定一个真实的结构体系的破坏机率并且得出结构真实的力学属性。这种计算方法在今后的基于实际工程设计指导方针的行业发展进程当中将起到一定的积极作用。 声明 本篇论文的编写过程中的部分工作得到了国家科学基金会的资助(赠款编号为No. CMS-9526809)。同时感谢芝加哥美国钢结构协会(AISC)的财力支持。本篇论文当中的任何观点、探讨、结论或者所建议的内容等等都是本文作者的观点，并不代表任何赞助人的观点。 76 天津大学2006届本科生毕业设计 致 谢 本论文是在王秀芬老师的无私关怀和精心指导下完成的。王老师有着宽厚的胸怀，一丝不苟的工作态度以及忘我的敬业精神，这些使作者受益匪浅。在设计的过程中，王老师对我们严格要求，精益求精，让我体会到了做学问的真正境界。她的这种态度和精神为我今后的工作和学习提供了动力，指明了方向。在此论文完成之际，我谨向王秀芬老师表以最诚挚的感谢和最崇高的敬意～ 在完成论文期间，还得到了天津大学建筑设计研究总院储乃东老师的细心关怀和帮助，在此向他致以忠心的感谢～ 另外还得感谢我的同学梁战场、张新、张江、张世越、姚开明的帮助，在此一并对他们表示感谢。 最后，我要特别感谢我的学校，感谢我的父母，是你们养育了我，为了我你们付出了太多的辛勤和汗水。在此也让我为你们送上诚挚的祝福～ 77