第4章设计要求及荷载效应组合.

第4章高层建筑结构设计要求4.1建筑体型和结构总体布置4.2高层建筑结构的概念设计4.3楼层最小地震剪力系数及楼层地震剪力调整4.4荷载效应组合及最不利内力4.5承载力验算4.6侧移限值4.7舒适度要求4.8稳定和抗倾覆4.9抗震结构延性要求和抗震等级4.10结构抗震性能设计**4.11抗连续倒塌设计基本要求**4.1建筑体型和结构总体布置4.1.1结构总体布置原则(1)满足使用要求，便于施工(2)控制结构高宽比H/B(3)选择合理的结构平面形状(4)在地震区，尽可能采用对抗震有利的结构布置形式(5)合理设缝（6）高层建筑的结构体系尚宜符合下列规定：结构的竖向和水平布置宜使结构具有合理的刚度和承载力分布，避免因刚度和承载力局部突变或结构扭转效应而形成薄弱部位；抗震设计时宜具有多道防线。4.1.2结构平面布置要求(1)平面布置简单、规则、对称对抗震有利。(2)要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，以减少扭转，通常偏心距e不宜超过垂直于外力作用线边长的5％。(3)刚度要均匀对称，要注意钢筋混凝土剪力墙的位置，也要注意砖填充墙的位置。(4)凸出部分的尺寸不宜太大（pp94~95图4-4、表4-1）。(5)应避免在拐角、端部等处布置楼电梯间。4.1.3结构竖向布置要求(1)结构竖向布置应注意刚度均匀而连续，无突变。(2)抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。(3)抗震设防的高层建筑，竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑和内收（pp95图4-5）。(4)结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化(框架结构当某楼层侧向刚度小于上层时，不宜小于相邻上部楼层的70％，不宜小于相邻上部三层平均值的80％)。(5)A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80％，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65％；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75％。(6)高层建筑结构宜设置地下室。(7)上下层结构轴线布置或者结构形式发生变化时，要设置结构转换层。高层建筑结构的概念设计是指结构设计人员运用所掌握的理论知识和工程经验，在方案阶段及初步设计阶段，从宏观上、总体上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的一些最基本、最本质也是最关键的问题：4.2高层建筑结构的概念设计结构方案的选定和布置；荷载和作用传递路径的设置；关键部位和薄弱环节的判定和加强；结构整体稳定性保证和耗能作用的发挥；承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配；结构分析理论的基本假定(如楼板平面内刚度无限大时的工程实现，主体结构与连接结构的可靠连接，在地震作用下整体结构能够发挥耗散能量作用，不会因极少数薄弱部位提早破坏而倒塌)等。高层建筑结构的概念设计的要点:(1)结构简单、规则、均匀；高层建筑结构的概念设计是非常重要的。(2)刚柔适度、延性好；(3)加强连接，整体稳定性强；(4)轻质高强、多道设防。4.2.1结构简单、规则、均匀结构简单包含有三方面的要求：1：结构的类别划分、计算模型清楚；2：各结构构件力学功能分工，在荷载和作用下传力路径直接、明确；3：结构受力、薄弱环节及抗震性能估计把握容易，精细分析程序可靠。结构规则、均匀要求含平面和立面两部分，包括刚度、承载力和传力途径三个方面。1：在竖向建筑造型和结构布置上均匀，刚度、承载力和传力途径均无突变，从而限制应力集中、过大变形和敏感薄弱部位的出现。2：建筑平面布置须考虑有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，做到受力明确，传力集中，尽可能减少扭转影响。宜选择简单、规则、对称、长宽比不大、平面外伸长度小的平面形式；4.2.2刚柔适度、延性好对高层建筑结构来说，通常是地震或风等水平作用控制着结构构件截面尺寸和配筋大小；高层建筑结构的结构性能主要指其抗震抗风能力；要求承载力足够、刚柔适度和延性好三个方面。(1)高层建筑结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度、结构承载力和结构延性。(2)结构刚柔适度指结构刚度选择既要考虑场地特征、错开结构自振周期和地震动卓越周期，减少地震作用效应；又要考虑p一△效应，控制结构变形；同时更要注重结构刚度的合理配置，以保证高层建筑结构有足够的抗扭转振动的能力——需要限制结构扭转为主的第一振型周期与平动为主的第一周期之比值，。(3)结构的延性是指保证结构承载力条件下的结构变形性能，反映结构吸收地震能量后的变形能力。延性好的结构能吸收较多的地震能量并能经受住较大的变形。4.2.3加强连接，整体稳定性强高层建筑结构的整体稳定性，主要取决于楼盖、结构节点、结构与基础连接的可靠性等。(1)楼板是保证高层建筑结构整体性最重要的构件——提供足够的平面内刚度和抗力，协同各抗侧力子结构共同工作。大多数高层建筑结构计算程序都假定楼板在平面内刚度无限大，因此楼盖设计应采用现浇形式，尽量避免平面狭长、跨度或外伸长度较大，平面不规则，楼盖开大洞等情况。(2)高层建筑应满足强节点弱构件的要求，确保在地震作用下，节点承载力大于相连接构件的承载力。高层建筑结构最好采取加强连接而不是分离的方法，尽量避免似分不分，似连不连的结构方案，防止因振动不同步产生震害。(3)基础不仅要有足够的整体性，而且与上部结构也要有可靠的连接，同时还必须有足够的埋置深度。4.2.4建筑结构的规则性1规则结构——体型(平面和立面)规则；结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀、无突变。实际工程设计中，要使结构方案规则往往比较困难，有时会出现平面不规则或竖向不规则的情况。2不规则结构——混凝土房屋、钢结构房屋和钢-混凝土混合结构房屋存在表4.2.4-1所列举的某项平面不规则类型或表4.2.4-2所列举的某项竖向不规则类型以及类似的不规则类型，应属于不规则的建筑。对不规则建筑，应按不规则的类型和程度，采取不同的抗震措施。3不规则程度的三种划分方法：不规则——指的是超过表4.2.4-1和表4.2.4-2中不多于两项的不规则指标；特别不规则——指具有较明显的抗震薄弱部位，可能引起不良后果者。通常有三类：其一，同时具有表4.2.4-1和表4.2.4-2所列六个主要不规则类型的三个或三个以上；其二，具有表4.2.4-3所列的一项不规则；其三，具有表4.2.4-1和表4.2.4-2所列两个方面的基本不规则且其中有一项接近表4.2.4-3的不规则指标。严重不规则——指的是形体复杂，多项不规则指标超过上限值或某一项大大超过规定值，具有现有技术和经济条件不能克服的严重的抗震薄弱环节，可能导致地震破坏的严重后果者。4不规则结构的设计要求不规则的建筑应采用空间结构计算模型；平面不规则而竖向规则的建筑，应计入扭转影响，或计入楼板局部变形的影响等；平面规则而竖向不规则的建筑，刚度小的楼层的水平地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数，提高构件的承载能力；平面不规则且竖向不规则的建筑，应根据不规则类型的数量和程度，有针对性地采取不低于前两条要求的各项抗震措施。特别不规则的建筑，应经专门研究，采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方法。4.3楼层最小地震剪力系数及楼层地震剪力调整4.3.1楼层最小地震剪力系数楼层水平地震剪力系数——多遇地震时，高层建筑任一楼层的水平地震剪力标准值与该层及以上各层重力荷载代表值之和的比值（也称为剪重比）。抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求：nijjEkiGV—楼层水平地震剪力系数，不应小于表4.3.1(pp100表4-2)规定的值。4.3.2楼层地震剪力调整钢筋混凝土框架—剪力墙中框架剪力调整：(1)框架内力一般要比弹性计算值大，在于：楼板在水平力作用下会有变形；在地震作用下，剪力墙会出现塑性变形而刚度降低。(2)框架地震层剪力调整方法(pp101)：VFi≥0.2V0的楼层，不调整。VFi＜0.2V0的楼层，按下两式中的较小值调整Vfi。0max2.05.1VVVVFiFFi见图4-6钢框架—支撑结构的框架地震层剪力调整(pp101)：VFi≥0.25V0的楼层，不调整。VFi＜0.25V0的楼层，按下两式中的较小值调整Vfi。0max25.08.1VVVVFiFFi4.4荷载效应组合及最不利内力1、无地震作用组合：4.4.1荷载效应组合Sd=GSGK+LψQQSQK+ψWWSWkL——考虑结构使用年限的荷载调整系数。50年时取1.0；100年时取1.12、有地震作用组合：Sd=GSGE+EhSEhk+EvSEvk+ψWWSWk注：抗震设计时，应同时考虑无地震作用组合和有地震作用组合。4.4.2竖向活荷载的布置2、活载布置高层民用建筑一般满布计算内力(图4-4(d))，为了安全起见，可以把框架梁的弯矩乘以1.1~1.2的放大系数.在贮藏、书库或其他有很重使用荷载(q4kN／m2)的结构中，应考虑最不利荷载布置(图4-4(a)、(b)、(c))。1、恒载布置——全部作用在结构上。4.4.3水平荷载的作用方向2、在结构计算中常假设水平力作用于结构平面的主轴方向,且沿正(左)、反(右)两个方向。体型复杂的高层建筑，应考虑风向角的不利影响。3、不同结构体系水平荷载作用下的内力和侧移计算见教材。1、风荷载及水平地震作用的方向是随意的、不定的。4.4.4控制截面及最不利内力1、梁(1)两端支座截面最大负弯矩及最大剪力；在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩；组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。(2)跨中截面——最大正弯矩。2、柱控制截面为上、下两个端截面，柱子多设计成对称配筋。要考虑下述四种可能组合：|M|max及相应的N；Nmax及相应的M；Nmin及相应的M。|M|比较大（不是绝对最大），但N比较小或N比较大（不是绝对最小或绝对最大）。柱子还要组合最大剪力Vmax。4.4.5内力调整1、竖向荷载下框架梁弯矩塑性调幅(pp121)(1)降低支座负弯矩，以减少配筋面积。装配整体式框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.7～0.8；现浇框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.8～0.9；(2)框架梁端负弯矩调幅后，梁跨中弯矩应相应增大；跨中弯矩乘以1.1～1.2增大系数；调幅后各弯矩满足以下要求：M0≥0.5M及0.5(M1+M2)+M0≥MM——按简支梁计算的跨中弯矩。见图4-5由弹性静力计算得到的内力需要先进行局部调整，然后进行内力组合2、水平力作用下框-剪结构中框架内力调整(1)框架内力一般要比弹性计算值大，在于：楼板在水平力作用下会有变形；在地震作用下，剪力墙会出现塑性变形而刚度降低。(2)框架内力一般按下列方法调整(pp101)：VFi≥0.2V0的楼层，不调整。VFi＜0.2V0的楼层，按下两式中的较小值调整Vfi。0max2.05.1VVVVFiFFi见图4-64.5承载力计算(1)按极限状态设计要求，构件承载力计算表达式为：不考虑地震作用的组合时：γ0Sd≤Rd不考虑地震作用的组合时：Sd≤Rd/RE或：RESd≤Rd(2)地震作用下，构件承受反复作用力及变形，承载力RE要降低，用承载力抗震调整系数考虑(pp103表4-3)(见表4-1)；(3)抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。(4.5-1)(4.5-2)注：抗震设计时，应同时按式(4.5-1)、(4.5-2)进行承载力计算。4.6侧移限值4.6.1使用阶段层间位移限制(pp103表4-3)(1)正常使用条件下的结构水平位移，考虑风荷载和地震作用(见图4-1)，用弹性方法计算。(2)以楼层层间最大位移δ与层高h之比作为限制条件，即：(3)为什么限制结构侧向位移？δ/h≤[δ/h]见表4-24.6.2罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形限制(1)验算范围：7～9度设防的、楼层屈服强度系数ξy小于0.5的框架结构；采用隔震