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1、,第四章 设计要求及荷载效应组合,设计高层建筑时，分别计算各种荷载作用下的内力和位移，然后从不同工况的荷载组合中找到最不利内力及位移，进行结构设计。设计要求：承载力验算；侧移限制；舒适度要求；稳定和抗倾覆；结构抗震性能设计(结构方案特殊，不符合 抗震概念设计，如特别不规则结构应进行抗震性能设计);抗连续倒塌设计(安全性等级为一级的高层建筑)。,1/56,4.1承载力验算,高层建筑结构构件承载力验算的一般表达式为：,无地震作用组合：,有地震作用组合：,式中，Sd为荷载效应组合的设计值；Rd为构件承载力设计值；为结构重要性系数，对安全等级为一级的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级的结构构件
2、，不应小于1.0。,为承载力抗震调整系数，见表4-1。,2/56,4.1承载力验算,表4-1 承载力抗震调整系数,3/56,4.1承载力验算,对构件承载力进行抗震调整，是考虑到地震作用是一种偶然作用，作用时间短，材料性能与静力作用不同，因此可靠度可略微降低。当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件的承载力调整系数均应取1.0。,4/56,4.2 侧移限制,在正常使用条件下，高层建筑结构应具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。,4.2.1 使用阶段层间位移限制,弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比应满足下式：,正常使用状态下,的限制值见表4-2。,正常使用条
3、件下的结构水平位移按本第3章规定的风荷载、地震作用(多遇地震）和弹性方法计算。,5/56,4.2 侧移限制,表4-2 正常使用情况下 的限制值,注：高度在150250m之间的钢筋混凝土高层建筑，限制值按a、b两类限制值插入计算。,6/56,4.2 侧移限制,在正常使用状态下，限制侧向变形的主要原因：要防止主体结构开裂、损坏；防止填充墙及装修开裂、损坏；过大的侧向变形会使人有不舒适感，影响正常使用；过大的侧移会使结构产生附加内力(效应)。,7/56,4.2 侧移限制,4.2.2 防止倒塌层间位移限制,为防止结构倒塌，规定罕遇地震作用下弹塑性层间位移 限值见表4-3。,表4-3,8/56,4.2
4、侧移限制,4.2.2 防止倒塌层间位移限制,对框架结构，当轴压比小于0.40时，可提高10%；当柱子全高的箍筋构造采用比本规程中框架柱最小配箍特征值大30%时，可提高20%，但累计提高不宜超过25%。,9/56,4.3 舒适度要求,高度不小于150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求。按现行国家标准建筑结构荷载规范规定的10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度不应超过表4-4的值。必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度。,表4-4 结构顶点最大加速度限值,10/56,4.3 舒适度要求,表 楼盖竖向振动加速度限值,楼盖结构应具
5、有适当的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，竖向振动加速度峰值不宜超过下表的值。楼盖结构竖向振动加速度按高规附录A计算。,11/56,4.4 稳定和抗倾覆,高层建筑在重力荷载作用下一般都不会出现整体丧失稳定的问题。在水平荷载作用下，某些情况下的高层建筑结构计算要考虑二阶效应(P-效应)，进行整体稳定计算。,12/56,4.4 稳定和抗倾覆,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算,在水平力作用下，当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。剪力墙结构、框架-剪力墙结构、板柱-剪力墙结构、筒体结构：,框架结构：,式中，为结构一个主轴方向的弹性等效侧向刚度
6、，可按倒三角形分布荷载作用下结构顶点位移相等的原则，将结构的侧向刚度折算为竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度。H为房屋高度；为第i楼层的弹性等效侧向刚度。此公式使结构的二阶效应对结构内力、位移的增量控制在5%左右。,13/56,4.4 稳定和抗倾覆,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算,高层建筑结构的稳定应符合下列要求(强制性条文)：剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求：,框架结构应符合下式要求：,从上式可以看出，刚重比对结构稳定性有决定性作用。,14/56,4.4 稳定和抗倾覆,4.4.2 高层钢结构的稳定验算,大部分钢结构计算需要考虑P-效应。,高钢规条 高层建筑钢结构同时
7、符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定。一、结构各层柱子平均长细比和平均轴压比满足下式要求：,式中，m楼层柱的平均长细比；Nm楼层柱的平均轴压力设计值；Npm楼层柱的平均全塑性轴压力；,fy钢材屈服强度；Am柱截面面积的平均值。,15/56,4.4 稳定和抗倾覆,4.4.2 高层钢结构的稳定验算,二、结构按一阶线性弹性计算所得的各楼层相对侧移值，满足下列公式要求：,式中，u按一阶线性弹性计算所得的质心处层间侧移；h楼层层高；Fh计算楼层以上全部水平作用之和；Fv计算楼层以上全部竖向作用之和；,16/56,4.4 稳定和抗倾覆,4.4.2 高层钢结构的稳定验算,高钢规条 对于不符合本规程第条的高
8、层建筑钢结构，可按下列要求验算整体稳定：(1)对于有支撑的结构，且u/h1/1000，按有效长度法计算。柱的计算长度可按现行国家标准钢结构设计规范(GBJ17)附录四附表4.1采用。支撑体系可以是钢支撑、剪力墙和核心筒等。(2)对于无支撑的结构和u/h1/1000的有支撑的结构，应按能反应二阶效应的方法验算结构的整体稳定。,17/56,4.4 稳定和抗倾覆,4.4.3 高层建筑抗倾覆问题,当高层、超高层建筑高宽比较大，如果高层建筑的侧移很大，其重力作用点合力移至基底平面范围以外，则建筑可能发生倾覆问题。通过控制高层建筑的高宽比，同时在基础设计时，高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜
9、出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。满足规范要求的正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。,18/56,4.5 结构抗震性能设计,3.11.1 结构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用适宜的结构抗震性能目标，并采取满足预期的抗震性能目标的措施。条文说明：分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求，确定结构设计是否需要采用抗震性能设计方法。采用抗震性能设计的工程，一般表现为不能完全符合抗震概念设计的要求；对特别不规则结构，应进行抗震性能设计，但需慎重选择抗震性能目标。,19/56,4.5 结构抗
10、震性能设计,表 预期性能目标（抗震规范条文说明）,20/56,4.5 结构抗震性能设计,3.11.1 每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。,21/56,4.5 结构抗震性能设计,3.11.2 结构抗震性能可按表进行宏观判别。,注：“关键构件”是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏；“普通竖向构件”是指“关键构件”之外的竖向构件；“耗能构件”包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。,22/56,4.5 结构抗震性能设计,3.11.3 第1性能水准的结构，应满足弹性设计要求。在多遇地震作用下，其承载能力和变形应符合本规程的有关规定；在设防烈度地震作
11、用下，结构构件的抗震承载力应符合下式规定：,SGE：重力荷载代表值的效应；S*Ehk：水平地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗震等级有关的增大系数；S*Evk：竖向地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗震等级有关的系数。,23/56,4.6 抗连续倒塌设计基本要求,3.12.1 安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求，有特殊要求时，可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。3.12.2 抗连续倒塌概念设计应符合如下规定：主体结构宜采用多跨规则的超静定结构；结构构件应具有一定的反向承载能力；周边及边跨框架的柱距不宜过大；钢结构框架梁柱宜刚接；钢筋混凝土结构梁柱宜刚接，梁顶、底钢筋
12、在支座处宜按受拉要求连续贯通；独立基础之间宜采用拉梁连接。,24/56,4.7 抗震结构延性要求和抗震等级,抗震结构要满足延性要求和具有良好的耗能性能，这是实现“中震可修、大震不倒”的基本措施。,4.7.1 延性结构的概念,延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。一般用延性比表示延性。,25/56,4.7 抗震结构延性要求和抗震等级,4.7.1 延性结构的概念,当设计成延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升，内力也不会再加大，因此，具有延性的结构可降低对结构的承载力要求。如果延性不好，则必
13、须要有足够大的承载力抵抗地震，这样会多用材料。对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。,26/56,4.7.2 抗震等级,我国抗震规范采用了对钢筋混凝土结构区分抗震等级的办法，不同抗震等级的构造措施不同，从宏观上区别对结构的不同延性要求。根据设防烈度、结构类型和房屋高度区分为不同的抗震等级，采用相应的计算和构造措施，抗震等级的高低，体现了对结构抗震性能要求的严格程度。抗震等级分：特一级（最高）、一级、二级、三级、四级。,27/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,表4-4列出了乙、丙类抗震钢筋混凝土结构在不同设防烈度下确定抗震等级的对应烈度，表4-5、表4-6分别给出了A
14、级高度和B级高度高层钢筋混凝土结构对应的抗震等级。,确定高层建筑结构抗震等级时的对应烈度,28/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,3.9.1 各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求：(1)甲类、乙类建筑：应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施(含构造措施和内力调整措施等)，但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；当建筑场地为I类时，应允许扔按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(2)丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施；当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。3.9.2 当建筑场地为
15、III、IV类时，对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，宜分别按抗震设防烈度为8度(0.20g)和9度(0.40g)时各类建筑的要求采取抗震构造措施。,29/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,30/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,新旧规范框架-剪力墙结构的抗震等级基本一致，框架结构的抗震等级略有提高。下表给出新规范的A级高度的框架和框剪结构的抗震等级。,31/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,32/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,33/56,4.7.2 概念设计及抗震等级,34/56,为永久荷载分项系数；当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.
16、2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当其效应对结构有利时，应取1.0。,4.8 荷载效应组合及最不利内力,4.8.1 荷载效应组合,荷载效应组合是指在所有可能同时出现的诸荷载组合下，确定结构或构件内产生的效应。其中最不利组合是指所有可能产生的荷载组合中，对结构构件产生总效应为最不利的一组。,(1)无地震作用时的效应组合,式中：S为荷载效应组合的设计值；分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值计算的荷载效应。,为结构设计使用年限的调整系数，100年取1.1。,35/56,4.8 荷载效应组合及最不利内力,4.8.1 荷载效应组合,为楼面活荷载分项系数，一般情况下取1.4，活荷载标准值大于4.0
17、kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3。,为楼面活荷载组合值系数，由永久荷载控制的组合取0.7，由活荷载起控制时取1.0，由风荷载起控制时取0.7。,为风荷载的分项系数取1.4。,为风荷载的组合系数，永久荷载起控制时取0.0，楼面活荷载起控制时取0.6，风荷载起控制时取1.0。,位移计算时，为正常使用状态，各分项系数均取1.0。,36/56,4.8 荷载效应组合及最不利内力,4.8.1 荷载效应组合,高层建筑无地震作用组合基本的荷载工况有：永久荷载效应对结构不利时：恒荷载起控制，无风 1.35恒载效应+0.71.4活载效应活荷载起控制，有风 1.20恒载效应+1.01.4活载效应0.61
18、.4风荷载风荷载起控制，有风 1.20恒载效应+0.71.4活载效应1.01.4风荷载永久荷载效应对结构有利时：活荷载起控制，有风 1.0恒载效应+1.01.4活载效应0.61.4风荷载风荷载起控制，有风 1.0恒载效应+0.71.4活载效应1.01.4风荷载,37/56,4.8 荷载效应组合及最不利内力,4.8.1 荷载效应组合,(2)有地震作用的荷载效应组合,高规条 有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用组合的设计值应按下式确定：,式中，S荷载效应和地震作用效应组合的设计值；SGE重力荷载代表值的效应；SEhk水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk竖向地震作
19、用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；G重力荷载分项系数；w风荷载分项系数；Eh水平地震作用分项系数；Ev竖向地震作用分项系数；w风荷载的组合值系数，应取0.2。,38/56,4.8 荷载效应组合及最不利内力,4.8.1 荷载效应组合,(2)有地震作用的荷载效应组合,高规条 有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应的分项系数应按下列规定采用：1 承载力计算时，分项系数应按表采用。当重力荷载效应对结构承载力有利时，表中的G不应大于1.0；,39/56,4.8.1 荷载效应组合,(2)有地震作用的荷载效应组合,表5.6.4 有地震作用效应组合时荷载和作用分项系数(旧),40/56,
20、(2)有地震作用的荷载效应组合,表5.6.4 地震设计状况时荷载和作用分项系数(新),41/56,4.8.2 水平荷载的方向,在矩形平面的结构中，正负两个方向荷载相等，符号相反，因此内力大小相等，符号相反，如图4-2所示。在平面布置复杂或不对称的结构中，应选择不同方向的水平荷载(荷载大小也可能不同)分别进行内力分析，然后按不同工况分别组合。,图4-2 水平荷载作用下的内力,42/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,控制截面通常是内力最大的截面。对于框架梁或连梁，两个支座截面及跨中截面为控制截面(短连梁只有支座截面为控制截面)；对于框架柱或墙肢，各层柱(墙肢)的两端为控制截面。梁支座截面的最
21、不利内力为最大正弯矩及最大负弯矩，以及最大剪力；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。,柱(墙)是偏压构件。大偏压时弯矩愈大愈不利，小偏压时轴力愈大愈不利。因此要组合几种不利内力，取其中配筋最大者设计截面。可能有四种不利的M、N内力。,(1),及相应的N；,(2)Nmax及相应的M；,(3)Nmin及相应的M；,(4),较大及N较大。,43/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,柱还要组合最大剪力。,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。,图4-3 构件验算截面,44/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,正截面承载力Nu-Mu的相关曲
22、线及其应用1 对称配筋矩形截面偏心受压构件的Nu-Mu相关曲线 对于给定的一个偏心受压构件正截面，它的受压承载力设计值Nu与正截面受弯承载力设计值Mu之间的关系如图所示。在小偏心受压情况下，随着轴向压力的增加，正截面受弯承载力随着减小，但在大偏心受压情况下，轴向压力的增加反而使构件正截面受弯承载力提高。在界限破坏时，正截面受弯承载力达到最大值。,45/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,46/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,整个曲线分为大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两个曲线段：Mu=0，Nu最大；Nu=0时，Mu不是最大：界限破坏时，N=Nb，Mu最大。对称配筋时，如果截面形状和尺
23、寸相同，混凝土强度等级和钢筋级别也相同，但配筋量不同，则在界限破坏时，它们的Nu是相同的(因为Nu=afcbxb)，因此各条N-M曲线的界限破坏点在同一水平处。,正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用,47/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,2 对称配筋情况下最不利内力组合的确定 当有几组M、N组合时，要进行配筋计算，首先要解决的问题是选择最不利一组内力。(1)大、小偏心受压的区分 当NNb时为小偏心受压；当NNb时为大偏心受压；,正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用,48/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,小偏心受压时，弯矩M和轴力N均为最大的一组为最不利内力；大偏心受压时
24、，弯矩M大、轴力N小的一组内力为最不利内力。,(a)小偏心受压(b)大偏心受压,正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用,49/56,4.6.4 控制截面及最不利内力,例：最不利内力组合的判断（大偏压）条件：采用对称配筋的钢筋混凝土大偏心受压柱，在下列四组内力作用下：(A)M=100kNm，N=150kN；(B)M=100kNm，N=500kN；(C)M=200kNm，N=150kN；(D)M=200kNm，N=500kN。答案：选(C),正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用,50/56,4.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅,为了减少钢筋混凝土框架梁支座处的配筋数量，可对竖向荷载作用下
25、梁端弯矩进行调幅。混凝土高规规定现浇框架支座负弯矩调幅系数为0.80.9；装配整体式框架支座负弯矩调幅系数为0.70.8；同时规定竖向荷载作用下的弯矩应先调幅，再与其他荷载效应进行组合。框架梁在竖向荷载作用下的调幅见图4-4。,图4-4 框架梁在竖向荷载作用下的弯矩调幅,51/56,4.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅,支座负弯矩降低后，跨中弯矩应加大，调幅后的跨中弯矩应满足下列要求：,式中，分别为调幅后梁两端负弯矩及跨中正弯矩；为按简支梁计算的跨中弯矩。,52/56,4.7 算例,例 框架梁的最不利弯矩组合(H60m)条件:今有一高48m、三跨、十二层的钢筋混凝土框架结构，经计算已求得第
26、六层横梁边跨边端的弯矩标准值如表所示。,要求：确定该处进行截面配筋时有地震作用效应组合时的弯矩设计值。,53/56,4.7 算例,答案：(1)因总高H=48m60m，根据高规规定不考虑风荷载参与组合。(2)根据高规楼面活荷载的组合值系数取0.5。(3)G=1.2，Eh=1.3。(4)根据高规，梁端弯矩设计值 Mmin=1.2-25+0.5(-9)+1.3(-30)=-74.4kNm Mmax=1.0-25+0.5(-9)+1.330=9.5kNm,54/56,4.7 算例,例2 框架梁的无地震作用组合和有地震作用组合条件：某框架-剪力墙结构，高82m，其中框架为三跨，经计算得梁左边跨的内力标准
27、值如表所示。,要求：确定最不利内力设计值。,55/56,4.7 算例,答案：（1）无地震作用组合 左端弯矩 M=-1.3543.84-0.71.413.62-0.01.431.80=-72.53 kNm M=-1.243.84-1.01.413.62-0.61.431.80=-88.38 kNm M=-1.243.84-0.71.413.62-1.01.431.80=-110.27 kNm 右端弯矩：M=-1.3561.12-0.71.418.99-0.01.424.7=-101.12 kNm M=-1.261.12-1.01.418.99-0.61.424.7=-120.68 kNm M=-
28、1.261.12-0.71.418.99-1.01.424.7=-126.53kNm 跨中弯矩：M=1.3567.28+0.71.420.90+0.01.43.6=111.31 kNm M=1.267.28+1.01.420.90+0.61.43.6=113.02 kNm M=1.267.28+0.71.420.90+1.01.43.6=106.26kNm 剪力：V=1.3585.64+0.71.426.51+0.01.410.1=141.59 kN V=1.285.64+1.01.426.51+0.61.410.1=148.01 kN V=1.285.64+0.71.426.51+1.01.
29、410.1=142.53 kN 最不利的组合：M左=-110.27 kNm M右=-126.53 kNm M中=113.02 kNm V=148.01kN,56/56,4.7 算例,(2)有地震作用组合 因H=82m60m，根据高规规定，应同时考虑风荷载和地震作用的组合，且应考虑风荷载及地震作用可能出现正反方向。左-M=-1.250.65-1.3226.25-1.40.231.8=-363.81kNm；左+M=-1.050.65+1.3226.25+1.40.231.8=252.38kNm 右-M=-1.270.62-1.3175.65-1.40.224.7=-320.0kNm 右+M=-1.070.62+1.3175.651.40.224.7=164.64kNm 跨中M=1.277.74+1.325.30+1.40.23.6=127.19 kNm 剪力V=1.298.60+1.371.80+1.40.210.1=214.49 kN,57/56,4.8 作业,题1 框架梁的最不利弯矩组合(H60m)条件：今有一高64m、三跨、十六层的钢筋混凝土框架结构，经计算已求得第六层边跨边端的弯矩标准值如表所示。,要求：确定该处进行截面配筋时有地震作用效应组合时所需的弯矩设计值。,58/56,
