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1、高层建筑结构设计,第4章-设计要求,1,第四章 设计要求,4.2 承载力验算,4.4 荷载效应组合及最不利内力,4.3 变形验算,4.1 建筑形体及结构布置的规则性,4.5 延性与耗能,4.6 舒适度,4.7 重力二阶效应及结构稳定,4.8 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅,第4章-设计要求,2,抗震概念设计包括正确的场地选择，合理的结构选型和布置、正确的构造措施等。,4.1,建筑形体及结构布置的规则性,4.1.1 抗震概念设计,强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性和结构计算假定与实际情况的差异。这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力、变形情况，并确保结构安全可靠。,第4章-设计要求,3
2、,马那瓜中央银行大厦,试问：那一幢破坏严重呢？,马那瓜美洲银行大厦,第4章-设计要求,4,马那瓜中央银行大厦,1）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规则塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m 1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、
3、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。,第4章-设计要求,5,1971年美国圣菲南多地震，Olive-View医院位于9度区，主楼遭到严重破坏。它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑的典型震例，其教训值得借鉴。该主楼是六层钢筋混凝土房屋，其剖面如图11所示。该幢建筑三层以上为框架剪力墙体系，底层和二层为框架体系，而二层有较多的砖隔墙。该结构上、下层的侧向层间刚度相差约为10倍。地震后，上面几层震害很轻，而底层严重偏斜，纵向侧移达600mm，横向侧移约600mm，角柱出现严重的受压酥碎现象。,OliveView医院主楼剖面,第4章-设计要求,6,第4章-设计要求,7,
4、1）采用规则建筑，不应采用严重不规则的建筑。2）具有明确的计算简图、合理的地震作用传递路径和不间断的传力路线。3）具有足够大的承载力和刚度。4）具备良好的弹塑性变形能力和大的消耗地震能量的能力。5）具有整体牢固性。6）构件与构件之间、结构与结构之间，或是牢固连接，或是彻底分离，避免似连接非连接、似分离非分离的不确定状态。7）设置多道抗震防线。,抗震高层建筑的建筑形体和结构布置原则,第4章-设计要求,8,1、基本要求 高层建筑的结构平面布置，应有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力直接，力求均匀对称，减少扭转的影响。,高层建筑结构总体布置：结构平面布置和结构竖向布置,结构平面布置,1)在高
5、层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。,第4章-设计要求,9,平面不规则的类型,第4章-设计要求,10,平面不规则的类型,凹凸不规则,第4章-设计要求,11,平面不规则的类型,局部不连续,错层,第4章-设计要求,12,第4章-设计要求,13,2）高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。对抗风有利的平面形状是简单、规则的凸平面。例如：圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状，如形，形、形、弧形等平面。,第4章-设计要求,14,3）抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜简单、规则
6、、对称，减少偏心；平面长度 L 不宜过长，突出部分长度 l 不宜过大；不采用角部重叠或细腰形平面图形。,第4章-设计要求,15,4)抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。5)结构平面布置应减少扭转的影响。平面不规则、质量中心与刚度中心偏心较大和抗扭刚度太弱的结构，其震害严重。,第4章-设计要求,16,4.1.2 结构竖向布置高层建筑结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀、连续,不应突变。竖向布置应符合下列要求：1）竖向宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收；侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化；不应采用竖向布置严重不规则的结构
7、。,第4章-设计要求,17,竖向不规则的类型,第4章-设计要求,18,竖向不规则的类型,第4章-设计要求,19,2）当结构上部楼层相对于下部楼层有收进、或外挑时，应满足：（1）当上部楼层有收进，且 H1/H之比大于 0.2 时，B1不宜小于B的 0.75 倍；（2）当上部楼层有外挑时，B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的 0.9 倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。,第4章-设计要求,20,3）为防止结构出现 弱层，A 级高度高层建筑楼层层间的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的 65%；B 级高度高层建筑楼层层间的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的 75%
8、。4）抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。,第4章-设计要求,21,高层建筑结构设计应保证结构在可能同时出现的各种外荷载作用下，各个构件及其连接均有足够的承载力。我国建筑结构设计统一标准规定构件按极限状态设计，承载力极限状态要求采用由荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承载力验算。结构构件承载力验算的一般表达式为：,无地震作用组合时,有地震作用组合时,第4章-设计要求,22,式中：S 是在不考虑地震作用时，通过荷载效应组合后 的构件内力设计值；R 是无地震作用组合时构件的承载能力。不同的构件，要采用不同的承载能力计算公式，如：抗弯承载力、抗剪承载力、抗压承载力等。可以参考有
9、关钢筋混凝土基本构件计算以及钢结构构件计算的有关教材。,无地震作用组合时,第4章-设计要求,23,式中：SE 是考虑地震作用时，通过荷载效应组合后得到的构件内力设计值；RE 地震作用下构件的承载能力。RE 抗震承载力调整系数。,有地震作用组合时,第4章-设计要求,24,承载力抗震调整系数RE的取值,第4章-设计要求,25,在正常使用状态下（风荷载和小震作用），限制结构水平变形主要原因有：（l）过大的侧向变形会使人不舒服，影响正常使用。（2）过大的侧向变形，特别是过大的层间变形会使填充墙及一些建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形或玻璃破损。,一、使用阶段层间位移限制,第4章-设计要求,26
10、,（3）过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝甚至破损。限制结构裂缝宽度就要限制结构的侧向变形及层间变形。（4）过大的侧向变形会使结构产生附加内力，严重时会加速倒塌。,一、使用阶段层间位移限制,第4章-设计要求,27,结构的刚度可以用限制侧向变形的形式表达，我国现行规范主要限制层间位移：,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，u/h为层间转角，应取各楼层中最大的层间转角，即(u/h)max，验算是否满足要求。上式右端是限制值。,一、使用阶段层间位移限制,第4章-设计要求,28,正常使用情况下的层间转角u/h的限制,一、使用阶段层间位移限制,第4章-设计要求,29,高层规程仅对有
11、特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构做了两阶段设计要求，对这些结构还要进行薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的抗震设防要求。,二、防止倒塌层间位移限制,抗震规范规定，弹塑性变形验算是第二阶段抗震设计的内容，以实现“大震不倒”的设防目标。,第4章-设计要求,30,应进行弹塑性变形验算的高层建筑结构有：(1)、7-9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构；(2)、甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；(3)、采用隔震和消能减震技术的建筑结构。,二、防止倒塌层间位移限制,楼层屈服强度系数，是指按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承
12、载力与按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值。,第4章-设计要求,31,罕遇地震作用下，为防止结构倒塌，要限制结构薄弱层部位）的弹塑性层间侧移。要符合下式要求：,式中：up层间弹塑性位移；层间弹塑性位移角限值，可按下表采用；h层高,二、防止倒塌层间位移限制,第4章-设计要求,32,弹塑性层间位移角（=u/h）的限制,二、防止倒塌层间位移限制,第4章-设计要求,33,第4章-设计要求,34,无地震作用效应组合时，荷载效应组合的设计值应按下式确定:,1、无地震作用时的效应组合,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,35,高层建筑的无地震作用组合基本的荷载工况有两种：恒载+活载：1.2 恒载
13、效应+1.4 活载效应 1.35 恒载效应+1.40.7 活载效应恒载+活载+风荷载：高层结构：1.2 恒载效应+1.4 活载效应+1.4 1.0 风荷载,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,36,有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应组合的设计值应按下式确定：,2、有地震作用时的效应组合,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,37,有地震作用效应组合时荷载作用分项系数,注：表中“”表示组合中不考虑该项荷载或作用效应,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,38,高层建筑的有地震作用组合的基本工况有：、对于所有高层建筑 1.2 重力荷载效应+1.3 水平地震作用效应、对于60m以上高层建筑 1
14、.2 重力荷载效应+1.3 水平地震作用效应+1.4 0.2 风荷载效应,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,39,、9度设防高层建筑 1.2 重力荷载效应+1.3 水平地震作用效应+0.5 竖向地震作用效应、9度设防高层建筑 1.2 重力荷载效应+1.3 竖向地震作用效应、9度设防高层建筑、且为60m以上高层建筑 1.2 重力荷载效应+1.3 水平地震作用效应+0.5 竖向地震作用效应+1.4 0.2 风荷载效应,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,40,一、荷载效应组合,第4章-设计要求,41,恒荷载是长期作用在结构上的，在计算内力时必须满布。竖向活荷载是可变的，不同的布置会产生不同的内力
15、。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。因此，混凝土高规及高钢规均规定，高层建筑结构计算时可不考虑活荷载的不利布置，而用满布活荷载计算内力。但如果设计的结构竖向活荷载很大时，例如图书馆书库等，仍应考虑活荷载不利布置。,二、竖向活荷载的布置,第4章-设计要求,42,实际风荷载和水平地震都可能沿任意方向。设计时假定只考虑主轴方向的水平荷载，但是水平荷载可以是正方向，也可以是负方向。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，如下页图所示。,三、水平荷载的方向,第4章-设计要求,43,水平荷载作用下结构内力
16、图,三、水平荷载的方向,第4章-设计要求,44,结构设计时，分别对各个构件进行内力组合，而且是针对各构件控制截面进行组合，获得控制截面上的最不利内力作为该构件的配筋设计依据。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。,四、控制截面及最不利内力,第4章-设计要求,45,梁支座截面的最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。,四、控制截面及最不利内力,第4章-设计要求,46,柱(墙)是偏压构件。大偏压时弯矩愈大愈不
17、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：及相应的N；及相应的M；及相应的M；较大及N较大(小偏压)或较小(大偏压)。柱（墙）还要组合最大剪力V。,四、控制截面及最不利内力,第4章-设计要求,47,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，如图所示。,四、控制截面及最不利内力,第4章-设计要求,48,位于设防烈度6度及6度以上地区的建筑都要按规定进行抗震设计，除了满足抗震承载力及侧移限制要求外，都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。钢结构的材料本身就具有良好的延性，而钢
18、筋混凝土结构要通过延性设计，才能实现延性结构。,前言,第4章-设计要求,49,在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，即在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，这种状态是中震“可修”状态：当合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性时，可做到在大震作用下结构不倒塌。高层建筑各种体系都是由梁、柱框架和剪力墙组成，作为抗震结构都应该设计成延性框架和延性剪力墙。,一、延性结构的含义,第4章-设计要求,50,第4章-设计要求,51,风工程学者通过大量试验研究后认为，结构的风振加速度是衡量人体对风振反应的最好尺度。高层建筑物在风荷载作用下将产生振动，过
19、大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒适，甚至不能忍受，两者的关系见下表，其中g为重力加速度。,第4章-设计要求,52,1、二阶效应（即P效应）,计算分析表明，对混凝土结构，随着结构刚度的降低，重力二阶效应的不利影响呈非线性增长。因此，对结构的弹性刚度和重力荷载作用的关系应加以限制。,第4章-设计要求,53,当高层建筑结构满足下列规定时，可使结构按弹性分析的二阶效应对结构内力、位移的增量控制在5左右，则弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。,1）剪力墙结构、框架-剪力墙结构、板柱-剪力墙结构、筒体结构：,2）框架结构：,式中：结构一个主轴方向的弹性等效侧向刚度，可按倒三角形分布
20、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；房屋高度；分别为第i、j 楼层重力荷载设计值，取1.2 倍的永久荷载标 准值与1.4 倍的楼面可变荷载标准值的组合值；第i楼层层高；第i楼层的弹性等效侧向刚度，可取该层剪力与层间位移的比值；n 结构计算总层数。,第4章-设计要求,54,EJd结构等效侧向刚度,第4章-设计要求,55,位移增大系数,内力增大系数,位移增大系数,内力增大系数,当不满足上述要求时，高层建筑结构的重力二阶效应可采用有限元方法进行计算；也可采用对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以下述增大系数的方法近似考虑。,第4章-设计要求,56,2
21、、结构稳定验算,高层建筑结构的整体稳定性要求：1）剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构要求：,2）框架结构要求：,高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应（重力P效应）不致过大，以此避免结构的失稳倒塌。影响重力P效应的主要参数是结构的刚度和重力荷载之比（刚重比）。,若结构的刚重比进一步减小，则重力P效应将会呈非线性关系急剧增长，直至引起结构的整体失稳。如不满足上式的要求，应调整并增大结构的侧向刚度。,如结构的刚重比满足上式要求，结构的稳定则具有适宜的安全储备。,第4章-设计要求,57,为
22、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下页图所示。,第4章-设计要求,58,现浇框架支座负弯矩调幅系数为0.80.9；装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不严等原因，节点容易产生变形，梁端实际弯矩比弹性计算值会有所降低，因此支座负弯矩调幅系数为0.70.8。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。,第4章-设计要求,59,框架梁在竖向荷载作用下的弯矩调幅,第4章-设计要求,60,跨中弯矩应满足下列要求：,式中：M1、M2、M0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,第4章-设计要求,61,
