第4章-设计要求与荷载效应组合

第4章设计要求与荷载效应组合高层建筑结构设计应分别计算各种荷载作用下的内力和位移，然后从不同的荷载组合中找到最不利内力及位移，进行构件设计。4.l承载力验算根据承载力极限状态要求，应按荷载效应组合值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RS0式中，S是在不考虑地震作用的荷载效应组合值，即无地震作用组合的构件内力设计值。R是不考虑地震作用时构件的承载力设计值有地震作用组合时RERS/S是考虑地震作用的荷载效应组合值，即有地震作用组合的构件内力设计值。R是考虑地震作用时构件的承载力设计值。地震作用对结构是随机作用，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，材料动力性能也与静力性能不同，因此可靠度可略微降低。《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。RE就是承载力抗震调整系数（见表4-1），RE都小于1.0，是一种可靠度的调整。受弯构件延性和耗能能力好，承载力可调整得多一些，RE值较小，而钢筋混凝土构件受剪和偏拉时延性差，RE较高，为0.85，钢结构连接可靠度要求高，RE值也高。4.2侧移限制4.2.1使用阶段层间位移限制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：]/[)/(maxhuhu式中，Δu为正常使用极限状态的荷载效应组合计算所得结构楼层层间位移，h为该层层高，Δu/h为层间转角。应取各楼层中最大的层间转角，即（Δu/h）max，验算是否满足要求。上式右端是限制值。在正常使用状态下，限制结构层间变形的主要目的是（1）防止主体结构开裂、损坏；（2）防止填充墙及装修开裂、损坏；（3）防止人有不舒适感，影响正常使用；（4）防止结构产生附加内力（P－△效应）。在正常使用状态下（风荷载和小震作用），结构层间变形hu/的限值按表4-2选用。4.2.2防止倒塌层间位移限制在罕遇地震作用下，为防止结构倒塌，要限制结构的最大弹塑性层间侧移。罕遇地震作用下hu/的限值按表4-3选用。4.3舒适度要求在风荷载作用下，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，maxa应满足下列要求：住宅、公寓maxa不大于0.152/sm办公、旅馆maxa不大于0.252/sm4.3稳定和抗倾覆任何情况下，应当保证高层建筑结构的稳定和有足够抵抗倾覆的能力。一般高层建筑的刚度较大，又有许多楼板作为横向隔板，在重力荷载下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，在某些情况下，高层建筑结构计算要考虑P－Δ效应，也就是所谓的结构整体稳定验算。4.4.1高层钢筋混凝土结构的稳定验算《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，P－Δ效应较小（小于侧移的5％～10％），可以不必进行P－Δ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P－Δ效应。等效抗侧刚度的验算分为两类：（l）框架结构；（2）剪力墙、框架－剪力墙和筒体结构。具体计算方法及计算公式可查阅《混凝土高规》。4.4.2高层钢结构的稳定验算稳定验算是考虑重力作用下的二阶效应（P－Δ效应）的钢结构整体稳定验算。《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－Δ效应的弹性层间相对位移小于某个值。具体要求如下：（1）对于有钢支撑、剪力墙或筒体的钢结构，且Δu/h≤1／1000，可不计算P－Δ效应，只按有效长度法计算柱的承载力。（2）对于无支撑的钢结构（纯钢框架）和Δu/h＞1／1000的有支撑钢结构，应按考虑P－Δ效应的方法计算结构内力及侧移，侧移应满足表4-2的要求。实际上大部分钢结构需要计算P－Δ效应。4.4.3高层建筑抗倾覆问题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，则建筑可能发生倾覆问题。事实上，正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。在设计高层建筑时，一般都要控制高宽比（H／B），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部不允许出现零应力区。其他建筑基础底面零应力区面积不应超过基础底面积的15%。符合这些条件时，—般都不可能出现倾覆问题，因此通常不需要进行特殊的抗倾覆验算。4.5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，还要满足延性要求，并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。4.5.1延性结构的概念延性是指构件或结构屈服后，保持承载能力基本不变阶段，所具有的塑性变形能力。结构的延性越好耗散地震能量的能力就越强。延性一般指极限变形与屈服变形之比，延性有截面、构件和结构三个层次。对钢筋混凝土结构来说，截面的延性取决于破坏形式(是剪切破坏还是弯曲破坏)，弯曲破坏时截面的延性取决于受压区高度，受压区高度越小截面的转动就越大，截面延性越好；构件的延性取决于构件的约束条件、塑性铰出现的次序和截面的延性；结构的延性取决于构件的延性以及各构件之间的强度对比。截面与构件的延性yuyuff构件延性系数截面延性系数截面或构件的延性系数为极限变形与屈服变形的比值结构的延性结构延性系数当某个杆件出现塑性铰时，结构“屈服”，位移为结构屈服位移Δy。当塑性铰达到一定数量以后，结构进入塑性变形迅速增大，这就是“屈服”后的弹塑性阶段。当整个结构不能维持其承载能力，即承载能力下降到最大承载力的80％～90%时，达到结构极限位移Δu。弯曲耗能曲线压弯耗能曲线剪切耗能曲线结构耗能曲线比较地震作用与塑性变形的关系在“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。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（惯性力）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，也可以说，延性结构是用它的变形能力（而不是承载力）抵抗罕遇地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。然而后者会多用材料，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。抗震高层建筑的延性是通过合理选择结构体系、合理布置结构、对构件及其连接采取各种构造措施等多方面努力才能实现的，施工质量好坏对结构延性也有很大影响。结构延性不能、也不是通过计算能够达到的。因此，通过设立建筑结构的抗震等级，加强构造措施的方法保证结构的延性。4.5.2概念设计及抗震等级建筑结构抗震概念设计的要点是（l）选择延性材料。钢是一种延性很好的材料，钢结构是一种延性很好的结构。砖石砌体构延性很差，高层建筑不能采用砌体结构。钢筋混凝土则介于二者之问，如果设计合理，钢筋混凝土结构可以有较好的延性。（2）进行结构概念设计。结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法，概念设计内容广泛，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转作用和加强抗扭刚度的措施，针对结构薄弱部位采取相应构造措施，防止薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁反应，避免设计成为静定结构，采用二道防线措施等等。应该说从方案、布置、结构计算到构件设计、构造措施，每个设计步骤中都贯穿了抗震慨念设计的内容。（3）设计延性结构。要保证钢筋混凝土结构有一定的延性，就必须保证梁、柱、墙构件均具有足够的延性，要设计延性框架及延性剪力墙。（4）钢筋混凝土结构的抗震等级及抗震构造措施。地震作用强烈或对地震作用敏感的结构延性要求更高；重要的、震害造成损失较大的结构，延性要求也更高；由于计算结构延性比十分困难，也无法提出确切的延性比要求，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，从宏观上对不同结构提出的不同延性要求。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的确定抗震等级的对应烈度，表4-5、表4-6分别列出了A级高度和B级高度高层钢筋混凝土结构在抗震构造措施烈度下对应的抗震等级，特一级抗震等级延性要求最高（只有B级高度高层建筑才有要求），然后依次为一、二、三、四级。在构件设计时要按照结构的抗震等级进行配筋和构造设计。A级高度的高层建筑结构抗震等级表4－5烈度结构类型6度7度8度9度高度（m）≤30＞30≤30＞30≤30＞30≤25框架框架四三三二二一一高度（m）≤60＞60≤60＞60≤60＞60≤50框架四三三二二一一框架–抗震墙抗震墙三二一一一高度（m）≤8080≤80＞80≤80＞80≤60抗震墙抗震墙四三三二二一一非底部加强部位抗震墙四三三二二底部加强部位抗震墙三二二一框支抗震墙框支框架二二一一不应采用框架三二一一框架–核心筒核心筒二二一一筒体筒中筒内外筒三二一一板柱的柱三二一板柱抗震墙抗震墙二二二不应采用注：1接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级；2底部带转换层的筒体结构，其框支框架的抗震等级应按表中框支抗震墙结构的规定采用；3板柱–抗震墙结构中框架的抗震等级应与表中“板柱的柱”相同。B级高度的高层建筑结构抗震等级表4－6烈度结构类型6度7度8度框架二一一框架–抗震墙抗震墙二一特一抗震墙抗震墙二一一非底部加强部位抗震墙二一一底部加强部位抗震墙一一特一框支抗震墙框支框架一特一特一框架二一一框架–核心筒筒体二一特一外筒二一特一筒中筒内筒二一特一注：底部带转换层的筒体结构，其框支框架和底部加强部位筒体的抗震等级应按表中框支抗震墙结构采用。对甲、乙、丁类建筑，先调整设防烈度，再确定抗震等级。但当设防烈度为9度时，A级高度乙类建筑应按特一级采用，甲类建筑应采取更有效的抗震措施4.6荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合是满足规范可靠度要求的基本方法，是结构设计的重要环节，又是一种技术性很强而又十分烦琐的工作，在高层建筑结构设计中已不用人进行组合了，都是靠计算程序完成，但是作为结构工程师，应当了解荷载效应组合的要求与方法，必要时可以进行检查与校核，判断程序正确性。作为程序编制者，更要仔细与慎重。4.6.1荷载效应组合内力组合是对构件的控制截面处的内力进行组合，位移组合主要是对水平荷载作用下的结构层间位移进行组合。组合工况分为无地震作用组合及有地震作用组合两类。承载力极限状态组合时，根据荷载性质不同，荷载效应要乘以各自的分项系数和组合系数。1.无地震作用时的荷载效应组合无地震作用组合应用于非抗震设计及6度抗震设防、但不要求作地震作用计算的结构，其一般表达式为：GkGSSWkWWQkQQSS式中S——荷载效应组合的设计值；G------永久荷载分项系数；Q------楼面活荷载分项系数；w------风荷载分项系数。GkS------永久荷载效应标准值；QkS------楼面活荷载效应标准值；WkS------风荷载效应标准值。永久荷载分项系数G考虑三种工况：（1）可变荷载效应控制组合，取G＝l.2；（2）永久荷载效应控制组合，取G＝1.35；（3）当其效应对结构有利时，取G＝1.0。楼面活荷载分项系数一般情况下取Q＝1.4，风荷载分项系数取W＝1.4。组合系数Q和W要考虑两种情况：（1）可变荷载效应控制