第3章高层建筑结构荷载作用与结构设计原则

1第三章高层建筑结构设计的一般原则3.1基本假定3.2荷载效应及地震作用效应组合3.3构件承载力计算、结构稳定验算和抗倾覆验算3.4高层建筑结构水平位移限值3.5罕遇地震作用下薄弱层抗震变形验算3.6最优设防水平决策3.7设计要点及程序框图23.1基本假定钢筋混凝土高层建筑结构工作行为并非体现弹性匀质性质，精确计算十分困难，为了简化计算，要突出主要因素，忽略次要因素。弹性变形假定结构主体处于弹性工作状态，内力与位移采用弹性工作方法计算，只对某些构件（框架梁及连梁）考虑局部塑性变形（内力调幅）刚性楼板假设同层各竖向抗侧移构件水平位移相等，楼板在平面内刚度无限大，平面外刚度为零。平面抗侧力假设任何一片抗侧力结构只能承受其平面内的侧向力，其平面外的刚度为零根据假定2，水平荷载按抗侧移刚度分配；根据假定3，将空间结构简化为平面结构，求得各抗侧力构件分配的水平力；根据假定1，求得内力和位移。对于平面和立面规则的高层建筑结构，基本能满足基本假定；对于平面和立面不规则的高层建筑结构，宜按空间整体工作计算，并考虑构件的弯曲、剪切、轴向、扭转变形；33.2荷载效应及地震作用效应组合1.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：（3.1)式中S——荷载效应组合的设计值；γG——永久荷载分项系数；γQ——楼屋面活荷载分项系数；γw——风荷载的分项系数；SGK——永久荷载效应标准值；SQk——面活荷载效应标准值；Swk——风荷载效应标准值；ψQ、ψw——分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0.0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。注：对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房，本条楼面活荷载组合值系数取0.7的场合应取为0.9。wkwwQkQQGkGSSSS43.2荷载效应及地震作用效应组合1.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：（3.1)wkwwQkQQGkGSSSS楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数ψQψw当可变荷载效应起控制作用时1.00.7（0.9)0.61.0当永久荷载效应起控制作用时0.7（0.9)0.05荷载分项系数应按下列规定采用：γＧγＱγｗ其效应对结构不利时其效应对结构有利时承载力计算时当可变荷载效应起控制作用时1.21.01.4楼面活荷载大于4.0的工业房屋，取1.31.4当永久荷载效应起控制作用时1.35位移计算时1.01.01.062.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：取0.2（3.2)wkwwEvkEvEhkEhGEGSSSSSw7中S——荷载效应和地震作用效应组合的设计值；SGE——重力荷载代表值的效应；SEvk——水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数SEhk——竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；γG——重力荷载分项系数；γw——风荷载分项系数；γEh——水平地震作用分项系数；γEv——竖向地震作用分项系数；ψw——风荷载的组合值系数，应取0.2。8(1)承载力计算时:（２）位移计算时，各分项系数均应取1.0抗震设计时应同时考虑两个公式9例题：某框架结构为50米，梁端弯矩如下：恒荷载-50KN.M，活荷载-80KN.M，风荷载+-65KN.M，水平地震+-110KN.M，求梁端的最大正负弯矩。（恒荷载、活荷载作用下的弯矩已调幅；计算重力荷载代表值时，活荷载组合值系数取0.5）103.3构件承载力计算、结构稳定验算和抗倾覆验算3.3.1构件承载力计算无地震作用组合：（3.3)有地震作用组合：（3.4)γ0——结构重要性系数，γRE——构件承载力抗震调整系数。RS0SRRE/11γRE——构件承载力抗震调整系数当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件的承载力抗震调整系数均应取为1.0构件类别梁轴压比小于0.15的柱轴压比不小于0.15柱剪力墙各类构件节点受力状态受弯偏压偏压偏压局部承压受剪、偏拉受剪γRE0.750.750.800.851.00.850.85123.3.2结构稳定验算（刚重比）（强制性条文）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，其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不致过大，刚重比（刚度与重力荷载之比）是影响重力Ｐ－Δ效应的主要参数，满足（3.5)、（3.6)要求时，，重力Ｐ－Δ效应可控制在20%以内。当结构的设计水平力较小，如计算的楼层剪重比（楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值）小于0.02时，结构刚度虽能满足水平位移要求，但往往不能满足本条的稳定要求。133.3.2结构稳定验算（刚重比）（高规5.4）1剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求：（3.5)2框架结构应符合下式要求：（3.6)niidGHEI127.2niidGHEI124.1)...3,2,1(10nihGDnijiji)...3,2,1(20nihGDnijiji14结构抗倾覆验算（3.7)ＭＳ—稳定力矩，计算时，恒载取90%，楼面活荷载取50％；Ｍ０－倾覆力矩，按风荷载或水平地震作用计算其设计值如不满足，可增大基底面积。0.10MMs153.4高层建筑结构水平位移限值原因：1、要求高层建筑结构具有足够的刚度，保证在正常使用条件中，主体结构基本处于弹性受力状态；2、过大水平位移会使主体结构开裂过大以至破坏。3、过大的水平位移会使填充墙、隔墙及幕墙等非结构构件开裂或损坏，电梯轨道变形。4、过大的水平位移会使建筑中的人感觉不舒服，影响正常使用。5、过大的水平位移会使结构产生附加内力，严重时会加速结构倒塌。163.4高层建筑结构水平位移限值1.高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大弹性位移与层高之比△u/h不宜大于表3.2的限值表3.2楼层层间最大位移与层高之比的限值结构类型△u/h限值框架1/550框架-剪力墙、框架-核心筒、板柱-剪力墙1/800筒中筒、剪力墙1/1000框支层1/1000172.高度等于或大于250m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于1／500;3.高度在150～250m之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h的限值按本条第1款和第2款的限值线性插入取用。4、位移值以楼层最大水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形，直接采用内力位移计算的位移值。不考虑偶然偏心的影响。装配式结构位移值乘以1.2的增大系数。183.5罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算验算范围：1下列结构应进行弹塑性变形验算：1)7～9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构；2)高度大于150m的结构；3)甲类建筑和9度时乙类建筑建筑；4)采用隔震和消能减震设计的结构。5)8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架；19楼层屈服强度系数力计算的楼层弹性地震剪按罕遇地震作用标准值受剪承载力强度标准值计算的楼层按构件实际配筋和材料y202下列结构宜进行弹塑性变形验算：1)采用时程分析的房屋(8度I、II类场地和7度房屋高度超过100m,8度III、IV类场地房屋高度超过80m,9度房屋高度超过60m,)和属于竖向不规则的结构，带有转换层的高层结构；2)7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑；3)板柱-抗震墙结构和底部框架砖房；21验算内容：结构薄弱层(部位)弹塑性层间位移应符合：uhpp[]结构类型[θp]单层钢筋混凝土柱排架1/30钢筋混凝土框架1/50底部框架砖房中的框架-抗震墙1/100钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒1/100钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/120框支层1/12022[θp]—弹塑性层间位移角限值；对钢筋混凝土框架结构，当轴压比小于0.40时，可提高10％；当柱子全高的箍筋构造比规范规定的最小配箍特征值大30%时，可提高20％，但累计不超过25％。h—薄弱层楼层高度或单层厂房上柱高度。23罕遇地震作用下薄弱层(部位)弹塑性变形计算方法：1不超过12层且层侧向刚度无突变的钢筋混凝土框架结构可采用简化计算法；结构薄弱层(部位)的位置：1)楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；2)楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层(部位)和相对较小的楼层，一般不超过2～3处；弹塑性变形计算的简化计算法：uuppeuuupypyy或24表3.5弹塑性层间位移增大系数ηＰξｙ0.50.40.3ηＰ1.82.02.2式中△uＰ－弹塑性层间位移；△uｙ－层间屈服位移；μ－楼层延性系数；△Uｅ－罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移（表3.4）；ηＰ－弹塑性层间位移增大系数，当薄弱层(部位)的屈服强度系数不小于相邻层(部位)该系数平均值的0.8时（较均匀），可按表3.5采用。当不大于该平均值的0.5时，可按表内相应数值的1.5倍采用；其它情况可采用内插法取值；ξｙ－楼层屈服强度系数。252除1款以外的建筑结构，可采用静力弹塑性分析方法(pushover)或弹塑性时程分析法等。3规则结构可采用弯剪层模型或平面杆系模型，不规则结构应采用空间结构模型。26采用弹塑性时程分析法应符合：应按建筑场地类别、所处地震动参数区划的特征周期选用不少于两条实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线；地震波延续时间不少于结构自振周期的5倍和15ｓ，时间间距取0.01或0.02s；输入地震波的最大加速度，按表3.6采用；表3.6弹塑性时程分析时输入地震波加速度的峰值抗震设防烈度7度8度9度加速度峰值（ｃｍ／ｓ２）220(310)400(510)620273.6结构抗震性能设计结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。结构抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准。表3.7结构抗震性能目标性能目标性能水准地震水准ABCD多遇地震1111设防烈度地震1234预估的罕遇地震234528表3.8各性能水准结构预期的震后性能状况结构抗震性能水准宏观损毁程度损坏部位继续使用的可能性普通竖向构件关键构件耗能构件第1水准完好、无损坏无损坏无损坏无损坏一般不需修理即可继续使用第2水准基本完好、轻微损坏无损坏无损坏轻微损坏稍加修理即可继续使用第3水准轻度损坏轻微损坏轻微损坏轻度损坏部分中度损坏一般修理后才可继续使用第4水准中度损坏部分构件构件中度损坏轻度损坏中度损坏部分比较严重损坏修复或加固后才可继续使用第5水准比较严重损坏部分构件比较严重损坏中度损坏比较严重损坏需排险大修注：“普通竖向构件”是指“关键构件”之外的竖向构件；“关键构件”是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏；“耗能构件”包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。29结构弹塑性计算分析应符合下列要求：（1）高度不超过150米的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法，高度超过200米时应采用弹塑性时程分析方法，高度在150-200米时可视结构的不规则程度选择静力或时程分析方法。高度超过300米的结构或新型结构或特别复杂的结构，应由两个不同单位进行独立的计算校核。（2）弹塑性计算分析应以混凝土构件的实际配筋、型钢和钢构件的实际截面规格为基础，不应以估算的配筋和钢构件代替。（3）复杂结构应进行施工模拟分析，应以施工全过程完成后的内力为初始状态。（4）弹塑性时程分析宜采用双向或三向地震输入，计算结果宜取多组波计算结果的包络值。（5）应对计算分析结果进行和理性判断。30说明：高层建筑结构应具有在偶然作用发生时适宜的抗连