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1、第四章 荷载效应组合及设计要求,掌握荷载效应组合各种工况的区别应用。理解无地震组合及有地震组合时承载力验算与位移限制的区别。掌握确定结构抗震等级的方法；理解抗震结构的延性要求与构造措施的关系。主要内容 一、承载力验算二、侧移限制 三、舒适度要求四、稳定和抗倾覆五、抗震结构延性要求和抗震等级六、荷载效应组合及最不利内力,一、承载力验算,要求荷载效应组合构件最不利内力承载力极限状态设计表达式无地震作用组合 有地震作用组合 关于S抗震结构与有无地震作用组合高层建筑结构荷载组合表达式关于R抗震结构抗弯承载能力=非抗震结构抗弯承载能力抗震结构抗剪承载能力=非抗震结构抗剪承载能力*80%,注：1、仅8、9
2、度时的大跨和长悬臂结构及9度抗震结构考虑；2 仅60m以上的高层结构考虑；3 仅60m以上的9度抗震结构和60m以上8、9度时的长悬臂结构考虑。,二、侧移限制,（uh）maxuh式中，u为荷载效应组合所得结构楼层层间位移，h为该层层高，uh为层间转角。应取各楼层中最大的层间转角，即（uh）max验算是否满足要求。右端是限制值,二、侧移限制,目的防止主要结构开裂、损坏防止填充、装修开裂、损坏防止过大侧移，以引发人的不适、影响正常使用、产生附加内力表达式双控（弹性位移）层间位移 u/hu/h顶点位移 u/H u/H荷载组合不考虑重力荷载引起的侧移各水平荷载单独作用荷载分项系数取1.0位移限值地震作
3、用下的位移限值略宽松,三、舒适度要求,在风荷载作用下，高度超过l50m的高层建筑，应满足人使用的舒适度要求。此时，按照重现期为10年的风荷载计算结构顶点加速度，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，max应满足下列要求：住宅、公寓max不大于0.15ms2办公、旅馆max不大于0.25ms2,四、稳定和抗倾覆,高层建筑在重力荷载下一般都不会出现整体丧失稳定的问题。但是在水平荷载作用下，出现侧移后，重力荷载会产生附加弯矩，附加弯矩又增大侧移，这是一种二阶效应，也称为“P效应”，它不仅会增加构件内力，严重时还会使结构位移逐渐加大而倒塌。因此，高层建筑结构计算要考虑P效应，也就是所谓的结
4、构整体稳定验算。由于钢筋混凝土结构与钢结构变形性能不相同，要求进行稳定验算的条件也不相同。,四、稳定和抗倾覆,一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算 一般不必进行P效应的计算，只需在钢筋混凝土柱承载力验算时考虑挠曲影响的偏心距增大系数。二、高层钢结构的稳定验算 高钢规规定了可以不进行整体稳定验算的两个条件，一是各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足一定要求，二是按不考虑P效应的弹性计算所得层间相对位移小于某个值。,四、稳定和抗倾覆,三、高层建筑抗倾覆问题 在设计高层建筑时，一般都要控制高宽比（HB），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允许出现零应力区，其他建筑，基础底面零应力
5、区面积不应超过基础底面积的15。符合这些条件，因此通常不需要进行特殊的抗倾覆验算。,四、稳定和抗倾覆,一般不需验算H/B5时宜验算抗倾覆验算表达式 MMM稳定力矩=竖向荷载（50%楼面活载+90%恒载）对基础边缘取矩M倾覆力矩=由风荷载或地震作用（或二者组合）计算的基础顶面 处的最大倾覆力矩整体稳定性验算表达式 GteEIeq/(8H2)Gte顶端等效重力荷载设计值=GiHi2/H2EIeq验算方向的抗侧力构件等效刚度和Gi第i层重力荷载设计值,Gte HGi EIeqHi,五、抗震结构延性要求和抗震等级,位于设防烈度6度及6度以上地区的建筑除了满足抗震承载力及侧移限制要求外，要满足延性要求和
6、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。钢结构的材料本身就具有良好的延性，而钢筋混凝土结构要通过延性设计，才能实现延性结构。,五、抗震结构延性要求和抗震等级,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、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。构件延性比是指极限变形（曲率u、转角u或挠度fu，）与屈服变形（y、y或fy）的比值。屈服变形定义是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低10%20%时的变形。结构延性比是指达到极限时顶点位移与屈服时顶点位移的比值。,五、抗震结构延性要求和抗震等级,结构抗震等级确定方法根据确定
7、抗震等级的设防烈度、结构类型、结构高度确定延性结构设计原则四项措施提高构件延性强柱（墙）弱梁强剪弱弯强节点（锚固）弱构件罕遇地震作用下的弹塑性变形验算一般不验算，但须采取构造措施验算需验算结构的界定（范围）表达式单控（弹塑性）up/hup/h 验算方法简化方法或时程分析法,五、抗震结构延性要求和抗震等级,概念设计根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为概念设计。结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计内容。,概念设计要点选择有利场地和地基，选择延
8、性好结构体系与材料规则结构，减少扭转，避开地震动反应谱特征周期，避免薄弱层设置多道抗震防线，实现合理屈服耗能机制提高整体性，减轻自重,六、荷载效应组合及最不利内力,荷载效应：在某种荷载作用下结构的内力和位移。荷载效应组合：按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。内力组合是要组合构件的控制截面处的内力。位移组合主要是组合水平荷载作用下的结构层间位移。组合工况分为无地震作用组合及有地震作用组合两类。结构设计时，要考虑可能发生的各种荷载的最大值以及它们同时作用在结构上产生的综合效应，荷载不同，其发生的概率和对结构的作用也不同，荷载规范规定必须采用荷载效应组合的方法
9、来考虑结构的荷载的作用。,六、荷载效应组合及最不利内力,1、无地震作用组合时 式中S荷载效应组合设计值；SGK、SQ1K、SWK分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值计算的荷载效应；G、Q1、W分别为上述各荷载效应的分项系数；Q1、W分别为活荷载及风荷载的组合系数。通常，对各种不同的荷载作用分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。,六、荷载效应组合及最不利内力,2、在地震作用组合时 所有要求进行地震作用计算的结构要进行有地震作用的荷载组合，其一般表达式为：式中SE有地震作用荷载效应组合的设计值；SGE、SEhK、SEVK、SWK分别为重力荷载代表值、水平地震作用标准值、
10、竖向地震作用标准值、风荷载标准值的荷载效应；G、Eh、EV、W分别为上述各种荷载作用的分项系数；W风荷载的组合值系数，高层建筑中，组合系数取02。,六、荷载效应组合及最不利内力,荷载分项系数及荷载效应组合系数,六、荷载效应组合及最不利内力,对各种荷载（恒载、活载、风荷载及地震作用）分别计算内力后，进行荷载效应组合时，往往需要按一种以上的组合情况（工况）进行组合。这是因为在结构使用期限内，可能出现多种的组合情况。也即对于同一个构件或者同一个截面，多种组合产生的不同内力都可能出现，设计时要按照可能与最不利原则进行挑选，找出最不利内力进行构件截面设计。,六、荷载效应组合及最不利内力,1、控制截面及最
11、不利内力类型 最不利内力就是使截面配筋最大的内力。控制截面：通常是内力最大的截面，但是，不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一个截面达到最大值，因此一个构件很有可能同时有几个控制截面。框架横梁：两个支座截面以及跨中截面通常为控制截面。支座截面是最大负弯矩以及最大剪力作用的截面，而跨中截面一般为最大正弯矩作用截面。内力组合时要找出构件上最大正弯矩和最大负弯矩，用以计算上部及下部配筋，还要找到最大剪力，用以计算斜截面承载力，配置箍筋。柱子：由框架弯矩图可以知道，弯矩最大值都在上、下两个端截面，剪力和轴力在同一层中变化也不大，因此各层柱的控制截面可以取两个端截面。,六、荷载效应组合及最不利内力,2
12、、控制截面及最不利内力类型 柱子是偏压构件，可能出现大偏压破坏，也可能出现小偏压破坏。大偏压情况下，弯矩越大越不利；小偏压情况下，弯矩越小越不利。所以，对柱子要组合几种不利内力，从中判断出最不利内力作为配筋的依据。有时要用试算才能找出最大配筋。由于柱子一般为对称配筋，因此组合时只需找出绝对值最大的弯矩。,六、荷载效应组合及最不利内力,不利内力可以归纳为如下四种：,六、荷载效应组合及最不利内力,为了减少钢筋混凝土框架梁支座处的配筋数量，在竖向荷载作用下可以考虑框架梁塑性内力重分布，主要是降低支座负弯矩，以减小支座处的配筋，跨中则应相应增大弯矩。混凝土高规对调幅系数作了规定，并规定竖向荷载作用下的
13、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弯矩调幅如图 框架梁在竖向荷载作用F的弯矩调幅 现浇框架支座负弯矩调幅系数为0809；装配整体式框架，支座负弯矩调幅系数为0708,六、荷载效应组合及最不利内力,支座负弯矩降低后，跨中弯矩应加大，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩。这样，在支座出现塑性铰后，不会导致跨中截面承载力不足。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；M按简支梁计算的跨中弯矩,七、结构设计要求,设计要求：1、结构具有足够的承载能力和刚度；2、结构应处于弹性阶段或仅有微小的裂缝出现，结构应满足承载能力及限制侧向位移的要求；3、地震作用下，用两阶段设计方法进行设计，要求要达到三水准目标。第一阶段：除了要满足承载力及侧向位移限制要求外，还要通过采取一系列抗震措施来满足延性要求。第二阶段：进行罕遇地震作用下的计算，以满足弹塑性层间变形的限制要求。,
