高层建筑结构设计(申彦利)第四章-设计要求及荷载效应组合

2020/4/22高层建筑结构设计DesignofHigh-riseBuilding2020/4/22第四章设计要求及荷载效应组合Chapter4Requirementofstructuraldesign&combinationsofloads思考题§4.2侧移限制Limitationsforstorydrift§4.6荷载效应组合及最不利内力Combinationsofloads&Leastfavorableforces§4.5抗震结构的延性要求和抗震等级Ductility&seismicdesigngrade§4.4稳定和抗倾覆Stable&anti-collapse§4.3舒适度要求Limitationsforcomfort§4.1承载力验算Strengthdesign2020/4/22与一般结构相同，设计高层建筑结构时，也应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。应当保证在荷载作用下结构有足够的承载力及刚度，以保证结构的安全和正常使用。结构抗风及抗震对承载力及位移有不同的要求，较高的结构抗风还要考虑舒适度要求，抗震结构还要满足延性要求等。下向将分别进行介绍。§4.0前言2020/4/22高层建筑结构设计应保证结构在可能向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SR有地震作用组合时/EERESR§4.1承载力验算2020/4/22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SR§4.1承载力验算2020/4/22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。由于在地震作用下，构件要受到反复作用力及变形，构件的承载力会降低，其计算公式在《结构抗震设计》等课程中学习γRE—抗震承载力调整系数。有地震作用组合时/EERESR§4.1承载力验算2020/4/22考虑到地震作用对结构是随机反复作用，由试验可知，在反复荷载作用下承载力会降低，抗震时受剪承载力RE就小于无地震时受剪承载力R。但是考虑到地震是一种偶然作用，作用时间短，材料性能也与静力作用下不同，因此可靠度可略微降低，我国《抗震规范》又采用了对构件的抗震承载能力调整的方法，将承载力又略微提高。式中系数（抗震调整系数）γRE都小于1．O，也就是说，该系数可提高承载力，是一种安全度的调整。受弯构件延性和耗能能力好，承载力可调整得多一些，γRE值较小，而钢筋混凝土构件受剪和偏拉时延性差，γRE较高。钢结构连接可靠度要求高，γRE值也高。规范给出的抗震承载力调整系数见下表。§4.1承载力验算2020/4/22承载力抗震调整系数γRE的取值材料结构构件γRE钢筋混凝土梁轴压比小于0.15的柱轴压比不小于0.15的柱剪力墙各类受剪、偏拉构件0.750.750.800.850.85钢梁、柱支撑梁节点、螺栓连接焊缝0.750.800.850.90§4.1承载力验算2020/4/22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：max(/)[/]uhuh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。§4.2侧移限制一、使用阶段层间位移限制2020/4/22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。§4.2侧移限制一、使用阶段层间位移限制2020/4/22（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。这是因为侧移后，建筑物上的垂直荷载会造成附加弯矩。侧移愈大，附加弯矩也愈大。§4.2侧移限制一、使用阶段层间位移限制2020/4/22正常使用情况下的层间转角Δu/h的限制材料结构高度结构类型限制值钢筋混凝土结构不大于150m框架1/550框架-剪力墙、框架-核心筒1/800剪力墙、筒中筒1/1000框支筒层1/1000不小于250m各种类型结构1/500钢结构各种类型结构1/300§4.2侧移限制一、使用阶段层间位移限制2020/4/22《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。但是，确切地找出结构的薄弱层(部位)以及薄弱层(部位)的弹塑性变形，目前还有许多困难。研究和震害表明，即便是规则的结构(体型简单、刚度和承载力分布均匀)，也是某些部位率先屈服并发展塑性变形，而非各部位同时进入屈服；对于体形复杂、刚度和承载力分布不均匀的不规则结构，弹塑性反应过程更为复杂。§4.2侧移限制二、防止倒塌层间位移限制2020/4/22因此，要求对每一栋高层建筑都进行弹塑性分析是不现实的，也没有必要。《高层规程》仅对有特殊要求的建筑、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。§4.2侧移限制二、防止倒塌层间位移限制2020/4/22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。这里所说的楼层屈服强度系数，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。§4.2侧移限制二、防止倒塌层间位移限制2020/4/22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：hupp式中：△up——层间弹塑性位移；θｐ——层间弹塑性位移角限值，可按下表采用；对框架结构，当轴压比小于0.4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箍筋最小含箍特征值大30％的，可提高20％，但累计不超过25％；h——层高§4.2侧移限制二、防止倒塌层间位移限制2020/4/22弹塑性层间位移角θｐ（=Δu/h）的限制材料结构类型限制值钢筋混凝土结构框架1/50框架-剪力墙、框架-核心筒1/100剪力墙、筒中筒1/120框支筒120钢结构各种类型结构1/50§4.2侧移限制二、防止倒塌层间位移限制2020/4/22§4.3舒适度要求工程实例和研究表明，在超高层建筑中，必须考虑人体的舒适度，不能用水平位移控制来代替。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。2020/4/22在风荷载作用下，高度超过150m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，amax应满足下列要求：住宅、公寓amax不大于0.15m/s2办公、旅馆amax不大于0.25m/s2§4.3舒适度要求2020/4/22在任何情况下，应当保证高层建筑结构的稳定和有足够抵抗倾覆的能力。由于高层建筑的刚度一般较大，又有许多楼板作为横向隔板，在重力荷载下高层建筑一般都不会出现整体丧失稳定的问题。但在某些情况下，高层建筑结构计算要考虑二阶效应也就是所谓的结构整体稳定验算。§4.4稳定与抗倾覆一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算2020/4/22结构的整休稳定分析主要是考虑二阶效应的结构分析。下面以竖向悬臂杆为例说明二阶理论的概念。如图所示的竖向悬臂杆，在其自由端有竖向力P和水平剪力V0的作用。按一阶理论分析时，其截面A的弯矩为§4.4稳定与抗倾覆一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算1、重力二阶效应与结构稳定2020/4/22若考虑杆件变位后的几何关系，即按二阶理论分析时，则截面A的弯矩为§4.4稳定与抗倾覆一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算式中右边第二项P[(h一y)+u]为按二阶理论分析的附加效应，通常称为二阶效应。该项效应实际上由两部分组成：一为轴力P乘以它到通过弦线BC上A1点的竖线的距离(h一y)所产生的弯矩P(h一y)，这部分通常称为轴力一变位效应，或简称重力P—Δ效应；2020/4/22若考虑杆件变位后的几何关系，即按二阶理论分析时，则截面A的弯矩为一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算§4.4稳定与抗倾覆二为轴力P乘以弦线BC上A1点到杆件截面形心的距离u所产生的弯矩Pu，这就是通常所指的梁一柱效应，这是由于构件自身挠曲引起的附加重力效应，即P—δ效应，二阶内力与构件挠曲形态有关，一般中段大、端部为零。上述概念可表示如下：2020/4/22§4.4稳定与抗倾覆若考虑杆件变位后的几何关系，即按二阶理论分析时，则截面A的弯矩为一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算2020/4/22分析表明，对一般高层建筑结构而言，由于构件的长细比不大，其挠曲二阶效应的影响相对很小，一般可以忽略不计；由于结构侧移和重力荷载引起的P—Δ效应相对较为明显，可使结构的位移和内力增加，当位移较大时甚至导致结构失稳。因此，高层建筑混凝土结构的稳定设计，主要是控制、验算结构在风或地震作用下，重力荷载产生的P—Δ效应对结构性能降低的影响以及由此可能引起的结构失稳。§4.4稳定与抗倾覆一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算2020/4/22《混凝土高规》规定，如果高层钢筋混凝土结构的等效抗侧刚度足够大，二阶效应较小，小于侧移的5%-10%，可以不必进行二阶效应的计算，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。实际上大部分钢筋混凝土结构不需要计算二阶效应。§4.4稳定与抗倾覆一、高层钢筋混凝土结构的稳定验算2020/4/22§4.4稳定与抗倾覆2、刚重比结构的侧向刚度和重力荷载是影响结构稳定和重力P—Δ效应的主要因素，侧向刚度与重力荷载的比值称之为结构的刚重比。刚重比的最低要求就是结构稳定要求，称之为刚重比下限条件，当刚重比小于此下限条件时，重力P—Δ效应急剧增加，可能导致结构整体失稳；当结构刚度增大，刚重比达到一定量值时，结构侧移变小，重力P—Δ效应的影响不明显，计算上可以忽略不计，此时的刚重比称之为上限条件；在刚重比的下限条件和上限条件之间，重力P—Δ效应应予以考虑。2020/4/22钢结构构件的稳定问题是钢结构设计的重要内容，此处所说的稳定验算是指结构整体稳定，也就是重力作用下的二阶效应——P—△效应。《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，二是按不考虑二阶效应的弹性计算所得层间相对位移小于某个值。§4.4稳定与抗倾覆二、高层钢结构的稳定验算2020/4/22具体要求如下：(1)、对于有钢支撑、剪力墙或筒体的钢结构，且△u/h1/1000,可不计算二阶效应，只按有效长度法计算柱的承载力。(2)、对于无钢支撑的钢结构和△/h1/1000的有支承钢结构,应按考虑二阶效应的方法计算结构内力及侧移，侧移应满足有关要求。实际上大部分钢结构需要计算二阶效应。§4.4稳定与抗倾覆二、高层钢结构的稳定验算2020/4/22如果高层建筑的侧移很大，其重力作用合力点移至基底平面范围以外，则建