高层

第四章高层建筑结构分析本章重点介绍结构计算分析的基本规定、基本假定以及计算模型，高层结构设计时水平位移控制方法，重力二阶效应和结构稳定，结构扭转的近似计算方法。第四章高层建筑结构分析4.1高层建筑结构计算分析的基本假定4.2高层建筑结构水平位移控制4.3重力二阶效应及结构稳定性4.4结构扭转的近似计算方法4.1高层建筑结构分析的基本假定1、结构分析一般规定⑴结构内力与位移可按弹性方法计算，截面设计考虑材料的弹塑性；⑵高层建筑结构一复杂的三维空间受力体系；⑶楼板刚度无限大；⑷应考虑荷载的组合效应；⑸施工荷载逐渐形成；⑹风荷载应考虑两个方向。4.1高层建筑结构分析的基本假定2、高层结构分析基本假定⑴弹性工作状态；⑵高层建筑结构应考虑整体共同工作；⑶楼板在自身平面内的刚度无限大；平面外刚度可以不考虑。楼板开洞、外伸等引起楼板变形较大，应对刚性假定进行修正。4.1高层建筑结构分析的基本假定3、结构分析模型⑴平面结构分析模型⑵空间结构分析模型⑶空间-薄壁杆系计算模型⑷空间组合结构计算模型4.1高层建筑结构分析的基本假定⑴平面结构分析模型4.1高层建筑结构分析的基本假定⑵空间结构分析模型4.1高层建筑结构分析的基本假定⑶空间-薄壁杆系计算模型⑷空间组合结构计算模型4.2结构水平位移控制水平位移限值在正常使用条件下，限制高层结构层间位移的目的有二点：1.保证主结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构来讲，要避免墙或柱出现裂缝；同时，将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内。2.保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好，避免产生明显损伤。考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标，为便于设计人员在工程设计中应用，《规范》采用了层间最大位移与层高之比，即层间位移角θ作为控制指标。4.2结构水平位移控制1、水平侧移限制控制层间变形的参数有三种：即层间位移与层高之比（层间位移角）；有害层间位移角；区格广义剪切变形。1）层间位移与层高之比（简称层间位称角）2）有害层间位移角3）区格的广义剪切变形（简称剪切变形）iiiiiihuuhu14.2结构水平位移控制水平位移限值楼层层间最大位移与层高之比的限值结构体系限值框架结构1/550框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构、板柱—剪力墙结构1/800筒中筒结构、剪力墙结构1/1000框支层1/10004.2结构水平位移控制2、薄弱层弹性验算震害表明，结构如果存在薄弱层，在强烈地震作用下结构薄弱部位将产生较大的弹塑性变形，会引起结构严重破坏甚至倒塌。因此，对某些抗震设计的高层建筑结构，就要求进行结构在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算。结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合下式要求。4.2结构水平位移控制3、舒适度的验算舒适度要求高层建筑物在风荷载作用下将产生振动，过大振动加速度将使在高楼内居住或办公的人们感觉不舒适，甚至不能忍受。对照国外的研究成果和有关标准，《规范》规定：对于高度超过150m的高层建筑结构应满足舒适度的要求，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）（以下简称《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的结构顶点最大加速度不应超过表2.12规定。4.3重力二阶效应及结构稳定1、重力二阶效应的概念重力二阶效应包括两个部分：一是构件自身挠曲引起的附加重力效应，即P—δ效应；二是结构在水平荷载作用下产生侧移变位后，重力荷载由于该位移引起的附加重力效应，即P—△效应。高层建筑结构中要有水平侧移，就会引起重力荷载作用下侧移二创效应，即P—△效应。4.3重力二阶效应及结构稳定二阶效应稳定系数：重力二阶效应弯矩与初始弯矩的比值。iinjjiihVG14.3重力二阶效应及结构稳定2、重力效应P-Δ估算有关重力二阶效应计算框架结构剪力墙、框架—剪力墙、筒体结构212.7ndiiEJHGnijjjinihGD),.....,2,1(204.3重力二阶效应及结构稳定3、结构稳定性验算结构整体稳定应符合下列规定框架结构剪力墙、框架—剪力墙、筒体结构nijjjinihGD),.....,2,1(10niidGHEJ124.14.3重力二阶效应及结构稳定4、结构等效刚度近似计算结构结构侧向等效刚度,可按倒三角形分布荷载作用下结构顶点位移相等的原则进行计算411120dqHEJ4.4扭转的近似计算一、刚度中心抗侧移刚度是使抗侧力结构的层间产生单位相对侧移所需施加的水平力。对于框架或壁式框架，D值就是结构抗侧移刚度。对于剪力墙，其抗侧移刚度Dw可按下式确定：式中表示墙肢所承受的剪力；Δu表示层间相对侧移。uVDwwwVu4.4扭转的近似计算4.4扭转的近似计算结构刚度中心xjjxjykkykVyVyVxVx00yykykxxjxjuDVuDVxjjxjykkykDyDyDxDx004.4扭转的近似计算二、偏心距如图所示结构平面布置，由于建筑对称，质量均匀分布，水平荷载的合力通过结构质量中心O1。从剪力墙布置看，对y轴说，墙a对称，墙b不对称；对Χ轴说，墙a对称，墙b不对称。所以，结构的刚度中心OD较质中心O1偏左、偏下，分别以eχ，ey表示χ方向和y的偏心距。对无抗震设防要求或设防烈度为6,7,8度时，计算偏心距e按实际计算得偏心距取值；设计烈度为9度时，计算偏心距按下式取代：Lee05.004.4扭转的近似计算三、考虑扭转的修正水平荷载的合力不通过刚度中心时，荷载分配的计算采用如下假定：⑴忽略层间与层间的`相互影响，即各层平面中单独考虑；⑵楼板在自身平面内的刚度无穷大，可视为一个整体刚性盘；⑶各榀抗侧力结构只在自身平面内产生抗力；⑷楼板因扭转而产生的相对转角比较小故而可近似取，。sin1cos4.4扭转的近似计算根据上述假定一，可把各层平面逐层加以分析。图(a)为任一层的平面示意图，设该层总外剪力Vy距刚度中心的距离为eχ。根据上述假定二，同一楼面只产生平移和刚体转动。4.4扭转的近似计算根据假定3和4，如y方向第k榀抗侧力结构距刚度中心的距离为，则沿y方向的层间侧移Δuyk为：如方向第j榀抗侧力结构距刚度中心距离为yi，则沿Χ方向的层间相对侧移为Δuχj为：kyykxuujxjyu4.4扭转的近似计算可以得到：yykykjxjkykykkxykVDDyDxDDxeV221yykykykykVDDaV221jxjkykykkxykyDxDDxea4.4扭转的近似计算同理可得：xxjxjxjxjVDDaV221jxjkykxjyxjyDxDDyjea4.4扭转的近似计算由上式可见，αyk和αχj表示考虑扭转后对抗侧力结构所受剪力的修正系数，简称扭转修正系数。由于各榀侧力结构的坐标位置不同，因而可能出现α1和α1两种情况。这表明结构受扭后，部分抗侧力结构的剪力增大，另一部分的剪力则减小，结构设计中只考虑α1的情况。