《高层建筑结构设计第四章设计要求ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高层建筑结构设计第四章设计要求ppt课件.ppt（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第4章 设计要求,高层建筑结构计算的一般步骤,计算各种荷载作用下的内力和位移；按不同工况的荷载，组合最不利的计算内力及位移；进行结构设计。,结构设计的目标,满足结构的承载力及刚度要求，即保证结构的安全和正常使用；结构抗风及抗震对承载力及位移的要求不同，较高的结构还要考虑风荷下的舒适度要求；结构要满足抗震设防的延性要求。,1、平面布置缺陷： 平面尺寸过于狭长横向抗侧能力较弱，变形较大；抗侧力构件偏心严重远离刚度中心的构件所受扭转剪力较大；平面不规则、凹凸严重建筑阴角、阳角易首先发生破坏； 2、抗侧力构件的竖向布置缺陷： 抗侧力构件在竖向不连续传力受挫，易形成薄弱层 (框支层、转换层等)抗侧力构件
2、在竖向突变刚度变化剧烈，易形成薄弱层；建筑顶部负重较大鞭端效应严重。,4.1 建筑体形及结构总体布置的规则性,高层建筑上部结构缺陷导致的常见震害：,4.1.1 地震震害及抗震概念设计,抗震概念设计 建筑、结构设计师们用抗震设计原则和思想，总体控制建筑体型，选择计算模型、构造设计： 进行建筑结构的合理选型; 确定计算模型、 确定构造处理方案。,具体而言，抗震概念设计就是：有意识地控制结构总体系与分体系、 分体系与构件之间的受力特征，使结构各部分协同工作，从而达到即安全可靠又经济合理的效果。 随建造层数加多，结构材料用量也将有很大增加，但只要结构工程师和建筑师合作恰当，优化总体方案，那么材料用量是
3、完全可以合理控制的。,高层建筑混凝土结构技术规程规定，高层建筑设计的总体原则（抗震概念设计的原则）：,不应采用严重不规则（平面和立面）的结构体系。结构应具有必要的承载能力和变形能力；应避免因部分破坏而导致整个结构丧失承载能力；对可能的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。建筑抗震设防宜具有多道防线。竖向布置和水平布置宜采用合理的刚度和承载能力分布。应避免因刚度的局部突变和结构的扭转效应而形成薄弱部位；结构平面布置应均匀对称并具有较好的抗扭刚度；竖向布置应使结构刚度均匀无突变。,1）采用规则结构，不应采用严重不规则结构。 平面宜简单、规则、尽量对称；避免过度凹凸； 力求刚度中心和荷载中心重合避免不规
4、则引起的扭转； 竖向宜连续、抗侧刚度分布均衡避免结构刚度、承载力突变；,2）具有明确的计算简图和传力路径；,3）具有足够的承载力和抗侧刚度；,4）具备良好的弹塑性变形能力和延性耗能能力，有一定的冗余度；,抗震高层建筑的建筑形体和结构布置原则,6）多道设防，避免连续倒塌 力求上部结构与基础的协同工作避免不均匀沉降及地基的过度变形。 尽量降低结构中心有利于减小水平地震作用的影响，增强结构自稳定能力,5）构件之间、构件与主体之间连接较好； 加强结点设计避免因点及面的破坏；,4.1.2 建筑平面和结构平面布置,一、平面形状限值：,限值参数： (L/B)max、 (l/B max)max、 (l/b)m
5、ax。,二、楼面刚度：楼面刚度宜大，有利于荷载传递、内力重分布；三、抗侧构件：平面上对称、靠外、纵横向同时布时，有利于抗扭、抗侧；抗侧刚度中心宜与其质量中心接近，利于减小扭转效应；,塔式平面较板式平面利于抗震、抗风；,凸多边形有利于抗风；,塔式平面各向较均衡，利于抗震、抗风；,板式平面在偏心荷载下易于扭转，不利于抗震、抗风；有时应考虑设防震缝。,4.1.3 建筑立面和结构沿高度布置,竖向抗侧构件布置的原则：,竖向抗侧构件应尽量连续布置；限制采用底部框架-剪力墙结构，以避免荷载传递难、应力集中、刚度突变；尽量将质量大的设备间、水箱间布置在低层，以减小地震作用的影响，避免鞭梢(端)效应。竖向抗侧构
6、件的刚度应变化均匀，否则易产生结构薄弱层。 钢筋砼高规规定：上部内收 H1/H 0.2时，宜 B1/B 0.75； 上部外挑时 宜B/B10.9，宜 B1B4m。底部框架-剪力墙结构中，框支层楼面应有足够的刚度，底部必须有足够的间距适宜的落地剪力墙，以保证楼面荷载的可靠传递、刚度的合理变化。,4.1.4 建筑结构不规则,1、平面不规则：扭转不规则; 楼面凹凸不规则; 楼板不连续。,1)扭转不规则：,周期比 ： 结构以扭转为主的第一自振周期 结构以平动为主的第一自振周期 A级建筑，应 0.9， B级建筑，应 0.85。,严重扭转不规则；,一般扭转不规则,2)楼面凹凸不规则：B/Bmax 0.3
7、时,3)楼板不连续：楼板处，b/B 50% ，或楼板开洞率30%，或有较大错层。,较大错层,竖向不规则：,结构抗侧刚度: K=层剪力/弹性层间位移； 1) Ki0.7Ki+1， 或 Ki0.8(Ki+1+Ki+2+Ki+3)/3， 或 Bi/Bi-10.25(in)；,2)竖向抗侧力构件不连续下传，或在某层中断；,3)楼层层间受剪承载力变化过大 Qy, i 0.8 Qy, i +1,1、柱、墙的轴压比 应小于最大限值，以控制结构的延性；2、楼层剪力系数 应大于最小限值，即楼层地震剪力设计值 不低于最小限值，也称剪重比应满足最小值要求。 3、结构相邻楼层的抗侧刚度比 Ki/ Ki+1等应小于最大
8、限值：以避免结构竖向刚度突变，形成薄弱层。4、位移比（某楼层处，最大层间位移/平均层间位移）：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。控制比例为1.5。 5、周期比Tt1/ T1：Tt1、 T1分别为结构以扭转为主及以平动为主的第一自振周期，Tt1/ T1较小，有利于控制结构扭转效应， 6、刚重比：目的主要是控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆；7、剪跨比 M/(Vh0)： 梁，a/h0；柱，Hi/h0i。 7、剪压比梁柱 V/(fcbh0)：应保证梁柱的截面尺寸。 8、跨高比：梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于5和深梁都应按照深受弯构件进行计算的。 9、延性比：延性比即
9、为弹塑性位移增大系数。,高层混凝土结构设计中的几个重要控制参数：,高层建筑混凝土结构技术规程JCJ32002规定，高层建筑设计的总体原则（抗震概念设计的原则）：,不应采用严重不规则（平面和立面）的结构体系。结构应具有必要的承载能力和变形能力；应避免因部分破坏而导致整个结构丧失承载能力；对可能的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。建筑抗震设防宜具有多道防线。竖向布置和水平布置宜采用合理的刚度和承载能力分布。应避免因刚度的局部突变和结构的扭转效应而形成薄弱部位；结构平面布置应均匀对称并具有较好的抗扭刚度；竖向布置应使结构刚度均匀无突变。,4.2 楼层最小地震剪力系数及楼层地震剪力调整,4.2 .1
10、楼层最小地震剪力系数,抗震验算时，结构任一楼层i层的水平地震剪力应：,剪力系数，不应小于表5.2.5规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；,验算范围除6度建筑（IV类场地上的较高层除外）和规定可不进行验算的结构外，均应进行结构抗震验算。验算内容截面抗震承载力计算。抗震变形验算多遇地震作用下的弹性变形验算非结构构件的破坏罕遇地震作用下的弹塑性变形验算抗倒塌,1 强度问题构件截面承载力验算2 刚度问题正常使用条件下结构水平位移验算3 稳定问题结构稳定与抗倾覆验算4 延性问题抗震结构的延性要求5 经验问题抗震结构的概念设计要求,高层建筑结构设计的基本要求
11、,抗震设计时，框架-剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力应符合下列规定：1. （4-3） 满足上式要求的楼层，其框架总剪力不必调整；不满足要求的楼层，其框架总剪力应按0.2V0和1.5Vm,max二者的较小值采用；V0对框架柱数量从下至上基本不变的结构，应取对应于地震作用标准值的结构底层总剪力；对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，应取每段底层结构对应于地震作用标准值的总剪力；Vf对应于地震作用标准值且未经调整的各层（或某一段内各层）框架承担的地震总剪力；Vf,max对框架柱数量从下至上基本不变的结构，应取对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值；对框架
12、柱数量从下至上分段有规律变化的结构，应取每段中对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值。,4.2 .2 楼层地震剪力调整,4.3 承载力验算,承载力极限状态要求按荷载效应的最不利组合验算，其一般表达式为：无地震作用时 0SR 有地震作用时 0SERE /RE抗震规范采用承载力抗震调整系数RE 调整结构的效应计算值。 RE1.0，其主要原因是：在荷载的反复作用下，结构承载力会降低；地震是一种偶然作用，其持续时间一般较短，材料性能在短期荷载作用下时略优于长期荷载作用时，且结构对可靠度的要求可略低些。RE的意义及特点：适度降低了结构的可靠度；受弯构件的延性和耗能能力好，RE
13、值较小, RE=0.75 ；钢筋混凝土构件受剪和偏拉时延性差，RE=0.85；钢结构连接可靠度要求高，RE值也高, RE=0.750.90 。,地震作用下的作用效应组合,内力基本组合设计值,抗震承载力设计值,承载力调整系数,使用阶段层间位移限制,44 变形验算,目的： 1）防止主要结构开裂、损坏； 2）防止填充、装修开裂、损坏； 3）防止过大侧移，以引发人的不适、影响正常使用、产生附加内力。双控表达式：1）层间位移 u/hu/h ； 2）顶点位移 u/H u/H。荷载组合 1）不考虑重力荷载引起的侧移； 2）各水平荷载单独作用； 3）荷载分项系数取1.0。位移限值 地震作用下的位移限值略宽松,
14、正常使用情况下，建筑结构层间位移限值(/h, ),44.1 弹性变形验算,罕遇地震作用下的弹塑性层间位移uh限值钢筋混凝土框架结构 1/50 钢筋混凝土框架-剪力墙、框架-核心筒 1/100钢筋混凝土筒中筒、剪力墙结构、框支层结构 1/120钢结构 1/50,罕遇地震作用下，要限制结构的最大弹塑性层间侧移，以防止结构倒塌。,4.4.2 弹塑性变形限值,防止倒塌的层间位移限制（/h, ),4.5 荷载效应组合及最不利内力,荷载效应组合是满足规范可靠度要求的基本方法，是结构设计的重要环节，又是一种技术性很强而又十分烦琐的工作，结构工程师应当了解荷载效应组合的要求与方法，以便对设计进行检查与校核，判
15、断程序的正确性。,荷载组合：考虑结构设计使用期限内可能出现多种荷载共存的情况，将各种荷载(也称为“工况”)的单独作用效应（内力、位移等）按一定权值进行组合，用组合后的效应值进行结构配筋等设计，使结构能经受可能遭遇的各类不利条件。注意：结构的不同效应应取不同的工况组合； 不同构件的最不利内力或位移不一定来自同一工况。,451 荷载效应组合,内力组合对构件的控制截面处的活荷载内力、位移等按某种方式组合，以得到该截面设计的最不利内力或位移值。 组合工况内力组合时，活荷载同时出现的状况。 分无地震作用组合、有地震作用组合。 由于按极限状态法计算，所以内力组合时，根据荷载性质的不同，荷载效应在荷载标准值
16、效应的基础上乘以各自的分项系数和组合系数。,1. 无地震作用时的效应组合,1)适用范围：非抗震设计及低于6度抗震设防不作地震作用计算时，表达式： S=GSGk +Q1Q1SQ1K +wwSwk（4-6）S=GSGk+Q1Q1SQ1K +QiciSQik S：荷载效应组合设计值；Q1、w：最显著活荷载、风荷载的组合系数。SGk、SQ1K、Swk用恒载、活荷载、风荷载标准值计算的荷载标准值效应；G、Q1、w恒载、第一个显著活荷载、风荷载效应的分项系数；,恒载 活荷载 风荷载,表5.6.4 地震设计状况时荷载和作用的分项系数,注：l，g为重力加速度；2，“一”表示组合中不考虑该项荷载或作用效应。,2
17、）规范对工况、分项系数、组合系数的规定,A 恒载的效应分项系数GA、荷载效应对结构不利时 可变荷载控制的组合，G=1.2；永久荷载控制的组合，G=1.35； B、荷载效应对结构有利时， 一般情况, 取G=1.0， 倾覆、滑移或漂浮验算时，取G=0.9。 B 楼面活荷载效应分项系数Q 一般取Q=1.4；QK4kN/m2时, Q=1.3；风荷载，一般取w=1.4。C 楼面活荷载组合系数Q1：可变荷载控制的组合，Q1=1.0； 永久荷载控制的组合，Q1=0.7风荷载组合系数： 高层建筑w=1.0； 多层建筑w=0. 6。D 竖向恒荷载效应控制时，不记风荷载，即w =0,位移计算属正常使用极限状态的验
18、算，各分项系数均取1.0，即按标准组合计算。,恒载+活载： 1.2SGk+1.4SQ1K； 1.35SGk+1.4*0.7*SQ1K恒载+活载+风荷载：高层建筑， 1.2SGk+1.4SQ1K +1.4*1.0*Swk,3）高层建筑无地震作用组合基本的两种荷载工况,2 . 有地震作用的荷载效应组合,SE=GSGE +EhSEhk +EvSEvk +wwSwk （4-7）SE：有地震作用荷载效应组合的设计值；SGE、G：重力荷载代表值(恒载与活载的一种组合值)的效应及其分项系数； 通常，G=恒载+活载(=0.50.85)；G=1.2， 重力荷载效应对构件承载力有利时，取G=1.0； SEhk、E
19、h：水平地震作用标准值的荷载效应及其分项系数； SEvk、Ev：竖向地震作用标准值的荷载效应及其分项系数； Swk、W、w：风荷载标准值的荷载效应、分项系数及其组合值系数。高层建筑中，w =0.2。,恒载 水平地震作用 竖向地震作用 风荷载,水平地震作用，Eh=1.3；竖向地震作用：仅与竖向荷载组合时，Ev=1.3； 与重力荷载、水平地震作用组合时Ev=0.5；位移计算时，所有分项系数取1.0。,2) 高层建筑有地震作用组合的基本工况：,一般高层建筑： 1.2SGk+1.3SEhk； 60m以上高层建筑另增加的项目： 1.2SGE+1.3SEhk+1.4*0.2Swk 9度设防的高层建筑增加项
20、： 1.2SGE+1.3SEhk+0.5* SEvk 9度设防高层建筑增加项： 1.2SGE+1.3SEvk9度60m以上高层建筑： 1.2SGE+1.3SEhk+0.5* SEvk+1.4*0.2Swk,取较大值,4.5.2 竖向活荷载的布置,永久荷载是长期作用的，计算内力时必须满布。竖向活荷载是可变的，理论上应按最不利布置计算截面最不利内力。但一般高层建筑的活荷载不大，它产生的内力所占比重较小。混凝土高规及高钢规均规定：除结构的竖向活荷载很大时，应考虑活荷载不利布置外，高层建筑结构总体计算时可不考虑活荷载的不利布置；但竖向活荷载很大时，仍应考虑活荷载不利布置。,4.5.3 水平荷载的方向,
21、风荷载、水平地震作用的方向是随机的。但设计时考虑主轴及其正交方向的水平荷载，应以正、负号区分方向。在矩形平面的结构中，正负两个方向荷载相等，符号相反；内力大小相等，符号相反。,在平面布置复杂或不对称的结构中，不同方向的水平荷载可能对不同构件形成不一致的内力效果，所以要选择不同方向的水平荷载，分别分析，最后按不同工况分别组合。,4.5.4 控制截面及最不利内力,结构设计可以分别按每个构件的控制截面进行内力组合，并做配筋设计。控制截面:内力最大或结构最不利的截面。 梁支座截面的最不利内力为最大剪力及最大负弯矩；1-1，3-3梁跨中截面的最不利内力为最大正弯矩，有时也可能出现负弯矩；2-2柱(墙)是偏压构件，四种不利的M、N内力：,截面配筋计算时，应采用构件端部截面的内力，而不是轴线处的内力，见图4-3。,(M)max及相应的N；(N)max及相应的M；(N)min及相应的M； M较大时，N较大(小偏压) 或N较小(大偏压)。柱(墙)还要组合最大剪力V。,
