第三讲设计要求及荷载效应组合

第3讲高层建筑结构设计要求及荷载效应组合与一般结构相同，设计高层建筑结构时，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。应当保证在荷裁作用下结构有足够的承裁力及刚度，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。下面将分别进行介绍。1、承载力验算高层建筑结构设计应保证结构在可能同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裁力验算。结构构件承载力验算的一般表达式为：持久设计状况、短暂设计状况无地震作用组合时：RS0有地震作用组合时：REEERS/承载力抗震调整系数材料结构构件RE钢筋混凝土梁0.75轴压比小于0.15的柱0.75轴压比不小于0.15的柱0.80剪力墙/局部承压0.85/1.0各类受剪、偏拉构件0.85节点0.85钢梁、柱0.75支撑0.80梁节点、螺栓0.85连接焊缝0.902、侧移限制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：huhu//max在正常使用状态下，限制侧向变形的主要原因有：要防止主体结构开裂、损坏；防止填充墙及装修开裂、损坏；过大的侧向变形会使人有不舒适感，影响正常使用；过大的侧移会使结构产生附加内力(P效应)。在正常使用状态下(风荷载和小震作用)，hu/的限值按下表选用。2）结构薄弱层的弹塑性层间位移的简化计算弹塑性层间位移按下列公式计算eppuu或yypypuuu楼层屈服强度系数是指：楼房等建筑的各层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和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值；对排架柱，指按实际配筋面积、材料强度标准值和轴向力计算的正截面受弯承载力与按罕遇地震作用标准值计算的弹性地震弯矩的比值。楼层屈服强度系数表示建筑的实际承载强度相对于其设计时罕遇地震的对建筑的作用力的大小。《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定：7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构，应该进行罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算。（详见《高层建筑混凝土结构技术规程》2010版3.7.4条）下列结构应进行弹塑性变形验算：（1）7~9度时层屈强系数小于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）采用隔振和效能减震设计的结构；（4）高度大于150m的结构。不超过12层且侧向刚度无突变的框架结构可采用简化计算方法；其余结构可采用弹塑性静力或动力分析方法。结构薄弱层位置按下列情况确定：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或相对较小处，一般不超过2~3处。结构的弹塑性位移增大系数py0.50.40.3p1.82.02.2罕遇地震作用下hu/的限值按下表选用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废，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，max应满足下列要求：4、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，在重力荷载下一般都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，附加弯短又增大侧移，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。初始弯矩为该楼层地震剪力与楼层层高的乘积，即hFMe1；重力附加弯矩为任一层以上全部重力荷载与该楼层地震产生的层间位移的乘积，即PM2，亦称二阶弯矩。总弯矩为21MMM，结构由于2M使增加，同时又使二阶弯矩进一步增大，如此反复，对某些结构可能产生积累性的变形增大而导致结构失稳而倒塌。重力二阶弯矩与初始弯矩的比值为稳定系数，其值为：iinijjiihVGu；当楼层稳定系数1.0i时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。因此，在某些情况下，高层建筑结构计算要考虑P效应，也就是所谓的“结构整体稳定验算”。由于钢筋混凝土结构与钢结构变形性能不相同，要求进行稳定验算的条件也不相同。1）高层钢筋混凝土结构的稳定验算等效抗侧刚度的验算分为两类：(1)框架结构；(2)剪力墙、框架—剪力墙和简体结构。具体计算方法及计算公式可参阅《混凝土高规》。（如下）在水平力作用下，当高层建筑结构满足下列规定时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。剪力墙、框架—剪力墙和筒体结构5.4.2高层建筑结构如果不满足本规程第5.4.1条的规定时，应考虑重力二阶效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响。5.4.3高层建筑结构重力二阶效应，可采用弹性方法进行计算，也可采用对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑。结构位移增大系数F1、F1i以及结构构件弯矩和剪力增大系数F2、F2i可分别按下列规定近似计算。5.4.4高层建筑结构的稳定应符合下列规定（即结构的刚重比验算）：2）高层钢结构的稳定验算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—定要求，二是按不考虑P效应的弹性计算所得层间相对位移小于某个值。具体要求如下：(1)对于有钢支撑、剪力墙或简体的钢结构，且1000/1/hu，可不计算P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1000/1/hu的有支撑钢结构，府按考虑P效应的方法计算钢构内力及侧移，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效应。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(BH/)，而且，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面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。一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；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，都要满足延性要求和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。1）延性结构的概念延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。塑性变形可以耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能。构件延性比对于钢筋混凝土构件，当受拉钢筋屈服以后，即进入塑性状态，构件刚度降低，随着变形迅速增加，构件承载力略有增大，当承载力开始降低，就达到极限状态。构件延性比是指构件极限变形(曲率u、转角u、，或挠度uf)与屈服变形(y、y或yf)的比值，见下图。屈服变形定义是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低10％—20％时的变形。结构延性比对于一个钢筋混凝土结构，当某个杆件出现塑件铰时，结构开始出现塑性变形，但结构刚度只略有降低；当出现塑性铰的杆件增多以后，塑性变形加大，结构刚度继续降低：当塑性铰达到一定数量以后，结构也会出现“屈服”现象，即结构进入塑性变形迅速增大而承载力略微增大的阶段，是“屈服”后的弹塑性阶段。“屈服”时的位移定为屈服位移y。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，达到极限位移u，结构延性比通常是指达到极限时顶点位移u与屈服时顶点位移y的比值yu，见下图。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小的抗震结构，延性结构是—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，通过设立抗震结构的抗震等级要求、加强构造措施的方法保证结构的延性。2）概念设计及抗震等级要设计延性结构，与很多因素有关；(1)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。砖石砌体的延性很差，高层建筑不采用砌体结构。钢筋泥凝土则介于二者之间．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，概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应措施，避免薄弱层过早破坏。防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计的内容。(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。具体设计方法将在后续章节中介绍。(4)钢筋混凝土结构的抗震构造措施及抗震等级。在不同情况下，构件的延性要求有所不同：地震作用强烈或对地震作用敏感的结构延性要求应该高一些，重要的、震害造成损失较大的结构，延性要求也应该高一些；反之，要求就可以降低一些。不过，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，从宏观上区别对结构的不同延性要求。高层建筑结构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，是保证结构延性的主要措施。高层建筑结构抗震等级确定步骤：（1）确定结构抗震类别（甲类、乙类、丙类、丁类）；（2）根据结构所处地区和建筑场地类别，确定结构设防烈度（6、7、8、9度）；（3）根据建筑高度级别（A级高度、B级高度）和抗侧力体系类别查表确定结构抗震等级（共分一级、二级、三级、四级）。抗震等级属于抗震措施内容，结构截面设计及结构和构件的构造措施与抗震等级相关。抗震等级的确定与建筑物的类别相关，不同的建筑物类别在考虑抗震等级时取用的抗震烈度与建筑场地类别有关，也就是考虑抗震等级时取用烈度与抗震计算时的设防烈度不一定相同下表列出了乙、两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。按调整后的抗震等级烈度建筑类别场地设防烈度6789甲、乙Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7899*丙Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ6789下表分别列出了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