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1、第4章,荷载效应组合与最不利内力,钢筋凝土结构设计过程概要,方案设计结构选型 高层建筑(要结合建筑和结构考虑)结构布置高层建筑的重点内容(概念设计)抗震等级（重要性等级、高度等级、场地类别)高层建筑抗震结构初选结构尺寸和材料混凝土结构设计结构布置图平面图和剖面图注：要通过适用、技术、经济等各方面的比较和计算最终确定方案。结构设计和计算手工和程序计算确定荷载各种荷载的标准值和设计值荷载和设计方法结构计算计算恒、活、风、震的荷载效应S。混凝土结构设计 变形验算整体变形、层间变形高层建筑与抗震结构结构构件设计配筋与截面承载力SR/RE荷载效应组合与调幅荷载效应组合设计值荷载和设计方法，高层建筑与抗震
2、结构 S配筋计算(SR)混凝土原理抗震验算(SR)抗震结构讲框架。高层建筑讲剪力墙构造措施(SR)混凝土结构设计抗震结构中讲解结构施工图(配筋图)其它承重构件设计楼梯、阳台、雨蓬等混凝土结构设计地基和基础设计土力学与地基基础与抗震结构,本章讲授内容提要,4.1 承载力验算4.2 侧移的限值4.3 舒适度要求4.4 稳定和抗倾覆4.5 抗震结构延性要求和抗震等级延性抗震等级4.6 荷载效应组合与最不利内力调幅问题,4.1 承载力验算,注意：结构的抗震承载力小于静承载力。同时考虑地震作用的偶然性和持续时间短，所以对可靠性要求降低。所以承载力调整系数是一个小于1的数。,有地震作用的内力组合设计值,抗
3、震承载力设计值,承载力调整系数,4.2 侧移的限值(P.75),限制顶部位移限制层间位移,使用阶段层间位移限值-目的,风和多遇地震层间侧移的限值(正常使用状态),层间位移：两楼层楼板的相对水平位移。层间位移大会导致非结构构件的破坏。,PKPM计算结果(WDisp.out),=工况 2=X 双向地震作用下的楼层最大位移 Floor Tower Jmax Max-(X)Ave-(X)Ratio-(X)h JmaxD Max-Dx Ave-Dx Ratio-Dx Max-Dx/h DxR/Dx Ratio_AX 13 1 1330 15.23 15.03 1.01 3300.1327 0.81 0.
4、81 1.00 1/4063.0.5%0.83 12 1 1243 15.62 14.83 1.05 3000.1232 0.83 0.75 1.10 1/3615.20.8%0.84 11 1 1138 14.98 14.16 1.06 3000.1123 0.98 0.92 1.07 1/3056.18.3%1.01 10 1 1030 14.16 13.33 1.06 3000.1016 1.14 1.09 1.04 1/2626.14.5%1.12 9 1 923 13.14 12.33 1.07 3000.909 1.30 1.26 1.03 1/2315.11.1%1.13 8 1
5、 816 11.94 11.15 1.07 3000.802 1.43 1.41 1.02 1/2096.8.0%1.07 7 1 709 10.57 9.82 1.08 3000.709 1.55 1.53 1.01 1/1933.5.2%1.01 6 1 602 9.05 8.35 1.08 3000.602 1.66 1.62 1.02 1/1812.2.3%0.96 5 1 495 7.42 6.79 1.09 3000.495 1.72 1.67 1.03 1/1742.1.3%0.91 4 1 388 5.71 5.16 1.11 3000.388 1.74 1.66 1.05 1
6、/1726.6.3%0.85 3 1 281 3.98 3.54 1.12 3000.281 1.68 1.56 1.08 1/1785.15.5%0.78 2 1 174 2.30 2.01 1.14 3000.174 1.48 1.32 1.12 1/2030.44.3%0.66 1 1 64 0.82 0.70 1.17 3000.64 0.82 0.70 1.17 1/3650.91.7%0.40 X方向最大值层间位移角:1/1726.,符号说明,Floor:层号 Tower:塔号 Jmax:最大位移对应的节点号 JmaxD:最大层间位移对应的节点号 Max-(Z):节点的最大竖向位移
7、 h:层高 Max-(X)，Max-(Y):X,Y方向的节点最大位移 Ave-(X)，Ave-(Y):X,Y方向的层平均位移 Max-Dx，Max-Dy:X,Y方向的最大层间位移 Ave-Dx，Ave-Dy:X,Y方向的平均层间位移 Ratio-(X),Ratio-(Y):最大位移与层平均位移的比值 Ratio-Dx,Ratio-Dy:最大层间位移与平均层间位移的比值 Max-Dx/h，Max-Dy/h:X,Y方向的最大层间位移角 DxR/Dx,DyR/Dy:X,Y方向的有害位移角占总位移角的百分比例 Ratio_AX,Ratio_AY:本层位移角与上层位移角的1.3倍及上三层平均位移角的1.
8、2倍的比值的大者 X-Disp，Y-Disp，Z-Disp:节点X,Y,Z方向的位移,罕遇地震层间侧移的限值,作用：防止倒塌,4.3 舒适度要求,目的：保证人的舒适对象：高度超过150m的建筑需要验算荷载：采用重现期为10年的风荷载。内容：是风荷载作用下的顶点加速度amax,4.4 稳定和抗倾覆,整体稳定和倾覆问题是水平荷载的效应本节请自行阅读。仅仅讲解P-效应,P-效应,概念：水平荷载P作用下，侧向变形和重力荷载导致附加弯矩。钢筋混凝土结构不需要考虑P-效应。大部分钢结构需要考虑P-效应,4.5 抗震结构延性要求和抗震等级,钢筋混凝土结构要通过延性设计才能实现较好的延性。延性结构可以通过合理
9、的设计实现,提高承载力:只能推迟结构进入塑性阶段；提高延性:削减地震反应，提高结构抵御地震的能力。,4.5 抗震结构延性要求和抗震等级,延性：结构/构件在进入塑性状态以后，具有较大的塑性变形能力，同时又能基本维持承载力。结构延性的度量：延性比延性比=维持结构承载力的框架顶点最大位移/屈服时框架顶点的位移。设计延性结构的目的：避免出现无先兆的脆性破坏；利用结构/构件的延性(而不是承载力)在地震中耗能，减轻震害；实现“中震可修、大震不倒”。措施：合理选择结构体系、合理布置结构、根据不同抗震等级加强构造措施。,延性的概念,注意：强度高的材料延性不一定好(往往不好)同样的材料，不同形式的破坏延性也不同
10、,延性比-延性的度量指标结构不同部位的延性要求,延性比：结构(构件或材料)破坏前极限变形与最大弹性变形之比。注：变形是广义的，可以是应变、挠度、曲率或转角。相应地就有所谓，曲率延性系数；转角延性系数；总位移延性系数和楼层相对位移延性系数等。延性系数越大，表明延性越好。脆性材料，延性系数为1。,总体结构延性：用结构的“顶点侧移比”或结构的“平均侧移比”表达。楼层延性：以一个楼层的层间侧移比表达。构件延性：指整个结构中某一构件（如一榀框架或一片墙体）的延性。杆件延性：指一个构件中某一杆件（框架的梁、柱，墙中的连梁或墙肢）的延性。从 到 延性的要求依次增高,延性的类型及其度量,在结构竖向：重点提高可
11、能出现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性。在结构平面：着重提高房屋周边转角处、平面突变处及复杂平面各翼相接处的构件延性。对多道抗震防线的抗侧力体系，着重提高第一道防线中构件的延性。同一组合构件：着重提高关键杆件的延性。同一杆件：着重提高预期首先屈服部位的延性。,提高结构延性的原则,4.6 荷载效应组合与最不利内力,荷载效应来自恒、活、风、震四种荷载。四种荷载均采用了”最大值”极限状态设计中只考虑工程意义上可能的极限状态工况。荷载效应组合的目的：在所有有意义的(可能的)工况中找出最不利荷载效应用以确定荷载效应设计值,恒,活,风,震,恒+活+风+震,S恒+活+风+震,S恒,S活,S风,S震,S恒
12、+活+风+震,SE,荷载效应组合方法基本思路,不同构件的最不利内力或位移可能来自不同工况。同一构件的不同截面的最不利内力也不一定来自同一工况。同一截面的不同内力同样不一定来自同一工况。最不利内力与地震有关有地震作用组合最不利内力与地震无关无地震作用组合配筋可能受承载能力极限状态控制工况，也可能采用正常使用的极限状态控制。,荷载组合的实例-低温建筑技术2006年第6期,某建筑位于上海市闵行区为科研办公楼，地上5层，一层为5.2m层高，其它各层为4.2m层高，结构体系为现浇框架结构。乙类建筑，框架抗震等级二级中柱600700，边柱600600，主框架梁350800，350700，其它框架梁为300
13、600，次粱250500，混凝土强度等级为C30。主要采用HRB400钢筋,各层起控制作用的组合设计值控制荷载的实例,下部各层所承受地震力比较大，地震组合在承载能力极限状态中起控制作用。在上部各层所承受地震力比较小，荷载效应的基本组合在承载能力极限状态中起控制作用，在上部各层承受水平地震力比较小，轴力起控制作用，而轴力作用下，配筋主要由最小配筋率控制，而与钢筋强度无关。在正常使用极限状态下，起作用的也是荷载效应的标准组合。,基于概率的极限状态设计法,直接把4种荷载效应直接相加是极端的极限状态。基于概率不是考虑数学上所有可能的极限状态工程设计思想：小概率事件认为是不可能事件。只考虑有一定工程意义
14、(发生概率比较大)的事件。方法：4种可能的荷载效应分别乘以不同 0，1的系数再相加工况：相加的过程称为组合，其结果称为工况。组合设计值：所有工况中的最不利值。调整后的设计值基于概念设计获得实际采用的设计值。,荷载效应组合与分项系数,注：重力荷载恒荷载0.5活荷载重力荷载用于有地震作用组合。,内力组合设计值SE(建议毕业设计中采用)（1）1.2恒+1.4活(无地震作用组合)（2）1.35恒+0.98活(无地震作用组合)（3）1.2恒+1.4(活+风)(无地震作用组合)（4）1.2（恒+0.5活）+1.3震(有地震作用组合)注意：高层建筑一般不考虑或荷载的最不利位置。按满布活荷载计算内力。,内力组
15、合(P.81),组合的应用,承载力计算基本组合由可变荷载控制的组合(有简化形式)由永久荷载控制的组合偶然组合包括含地震作用的组合裂缝宽度和地基承载力验算标准组合结构与地基的变形验算标准组合准永久组合,基本组合,标准组合、准永久组合和频遇组合,PKPM中的荷载组合,左图为JCCAD中显示的当前组合。右上为基础设计所需标准组合输出右图为修改组合参数的对话框注意：组合由程序自动进行不需人工干预,抗震设计各项内容的适用范围,1.抗震概念设计：所有结构必须满足其要求2.抗震构造措施：所有结构必须满足其要求3.抗震验算：根据具体情况按规范要求进行结构变形验算(非强制性条文)所有结构均需进行多遇地震的变形验
16、算。特殊结构进行罕遇地震下薄弱层塑性变形验算。截面抗震验算(强制性条文)可不验算：6度(不含IV类场地高层)，满足构造要求即可无地震作用组合：非抗震设计或不需进行地震作用计算(6度，四级)必须验算：7度区及6度区IV类场地的高层。内力设计值的调整：凡需验算者均需调整(除非注明不需)截面承载力验算(P.81-82)有地震作用组合：需要计算地震作用计算时采用(除以RE，其中个别系数有所不同。SR/RE,例：剪压比验算的两个公式：,荷载效应组合有无地震作用,无地震作用时的效应组合该工况中不含地震非抗震设计和6度设防、但不需要进行地震作用计算的结构。竖向荷载分别考虑恒、活。水平荷载考虑风荷载。有地震作
17、用时的效应组合该工况中含有地震竖向荷载合并为重力荷载恒0.5活荷载效应组合设计值基本计算公式：SE=1.2重力荷载1.3水平地震作用效应有地震作用时同时，要同时考虑以上两种组合中的最不利内力进行截面设计。,例题,更详细的例题在钢筋混凝土结构设计和抗震结构设计中给出。此处仅仅给大家一个概念。,截面2和5为跨中。截面2的弯矩最大配筋采用截面3的剪力最大，用做斜截面配筋计算。,4种荷载,3种工况,4.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅,塑性内力重分配：在超静定结构中，构件的内力与刚度大小有关。构件出现塑性铰后刚度降低，该杆件的内力分配比例减小，另一些构件内力增大。设计时考虑塑性内力重分配的内力调整
18、方法有两种：1、调幅 一方面为了使计算较为符合实际，另一方面也是利用这种性质，使某个部位内力降低，减少配筋，可采用“调幅”方法调整内力，一些构件内力降低，另一些构件内力增大。降低了内力的部位就会早出裂缝，或早进入屈服，调幅愈大，裂缝出得愈早。2、调整内力 考虑到在地震作用下，某些部位先屈服，则未屈服部位必然内力增大，为了后者的安全，有意加大其内力，但前者内力并不减少。,4.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅,高规规定：竖向荷载所产生的弯矩要进行调幅，然后再参与组合。注意：水平荷载不调幅；竖向荷载产生的剪力不调幅。,跨中弯矩增大,梁端弯矩减小,4.6.4 控制截面和最不利内力,控制截面：设计时
19、，只需要计算控制截面在竖向荷载和水平荷载下出现最大内力的截面。不需对梁柱等构件的所有截面进行验算。控制截面上的内力作为全部截面配筋设计的计算依据。框架梁：梁端(支座)跨中连梁：长连梁同框架梁；短连梁为支座框架柱、剪力墙：上下两端,控制截面上的最不利内力,控制截面上最不利内力是该截面上的需配筋最大的内力(不是最大内力)。梁：梁端弯矩和剪力跨中弯矩。用最大弯矩进行正截面设计，最大剪力进行斜截面设计。大偏压柱(墙)：弯矩相等时，轴力越小，配筋越多。小偏压柱(墙)：弯矩相等时，轴力越大，配筋越多。两种情况下均有：轴力相等时，弯矩越大配筋越多。结论：偏心受压柱(墙)，要同时考虑轴力的大小确定最不利内力。
20、具体为：最大正负M与对应的N和V最大及最小N和对应的M和V最大V和对应的M和N,截面配筋所采用内力的位置,计算框架结构时，梁柱结点在简图中没有尺寸。但是在配筋时则要考虑结点的尺寸。配筋计算时的内力位置在梁端和柱端，而不在梁柱轴线的交点处。,结构计算时得到的弯矩和剪力。,框架梁荷载效应组合与控制截面总结,一个梁的所有截面中的最大弯矩作为设计依据则梁肯定是安全的。三个控制截面是可能发生最大弯矩的位置，所以只考虑控制截面就可以。每一个控制截面上的最大弯矩是所有可能工况中弯矩最大的一个。,作业,1.为什么要设计延性结构？2.什么是P-效应？3.框架剪力墙结构再多遇地震和罕遇地震层间侧移的限值各为多少？4.进行抗震设计的结构为什么也有采用无地震作用组合的可能？,END,
