高层建筑结构设计要求及荷载效应组合

第四章荷载效应组合及设计要求高层结构的设计要求2荷载效应组合1主要内容荷载效应组合1无地震作用有地震作用竖向荷载：结构、填充墙、装修等自重和楼面使用荷载、雪荷载；水平荷载：风荷载和地震作用。按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律组合。荷载标准值：风荷载、地震等效荷载。分项系数：考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数。组合系数：考虑到某些荷载同时作用的概率较小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。几个概念：工程结构设计时应区分下列设计状况（工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008第4.2.1条）：①持久设计状况：适用于结构使用时的正常情况；②短暂设计状况：适用于结构出现的临时情况，包括结构施工和维修时的情况等；③偶然设计状况：适用于结构出现的异常情况，包括结构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等；④地震设计状况：适用于结构遭受地震时的情况，在抗震设防地区必须考虑地震设计状况。WKWWQKQQLGKGdSSSS—dS1.1、持久设计状况和短暂设计状况下（无地震作用组合）当荷载与荷载效应按线性关系考虑时，按下式：—、、WKQKGKSSS分项系数；荷载组合的效应设计值；永久荷载、楼面活荷载、风荷载标准值；—、、WQG—L考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，设计使用年限为50年时取1.0，设计使用年限为100年时取1.1；W、Q楼面活荷载和风荷载组合系数。SGE——重力荷载代表值的效应，1.0自重+0.5雪荷载+（0.5-0.8）活荷载1.2、地震设计状况下当作用与作用效应按线性关系考虑时，荷载效应组合按下式确定：WkWWEVkEVEhkEhGEGdSSSSSSEhk——水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数、调整系数；SEvk——竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数、调整系数；分项系数；—、、、WEvEhGW风荷载组合系数。高层结构的设计要求2承载力要求侧移要求舒适度要求稳定性和抗倾覆延性要求高层建筑结构构件的承载力应按下列公式验算：①持久设计状况、短暂设计状况（无地震作用）0Sd≤Rd②地震设计状况Sd≤Rd/rRE2.1、承载力要求考虑地震作用的偶然性与短时性。钢筋混凝土构件的承载力抗震调整系数RE型钢（钢管）混凝土构件的承载力抗震调整系数RE钢构件承载力抗震调整系数RE当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件承载力抗震调整系数rRE均应取1.0。高层建筑应具备必要的刚度，在正常使用条件下，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。2.2、侧移限制1、使用阶段层间位移限制在风荷载或多遇地震标准值作用下，结构按弹性计算的楼层层间最大水平层位移与层高之比△u/h应满足：⑴高度≤150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比，不宜大于下表的限值：结构体系框架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除框架结构外的转换层1/1000hu/楼层层间最大位移与层高之比的限值⑵高度≥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；⑶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，按上述限值线性插值取用。限制侧移的原因：防止主体结构开裂、破坏；防止填充墙和装修开裂、破坏；过大的变形会使电梯等无法正常工作；并使人有不舒适感；过大的侧移还会使结构产生附加应力。2、罕遇地震作用下的弹塑性层间位移限制——大震不倒在罕遇地震作用下，为防止倒塌，高层建筑要限制结构的最大弹塑性层间侧移——即薄弱层的弹塑性变形验算。⑴下列结构应进行弹塑性变形验算：①7～9度时楼层屈服强度系数ξy＜0.5的框架结构；②7～9度甲类建筑和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。④房屋高度大于150m的结构。ykiyieiVV楼层屈服强度系数，为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，与按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力的比值。计算结构楼层或构件的受剪承载力标准值，取决于实际结构的破坏机制。由于地震作用的随机性，结构在强震下的破坏机制很难预估。因此，一般只能假设在一定破坏机制条件下估计其楼层受剪承载力。较简化的实用计算方法有“拟弱柱化法”、“节点失效法”、“节点平衡法”等。⑵下列结构宜进行弹塑性变形验算：①符合下表所列范围且竖向不规则的高层建筑结构；②7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构；③板柱—剪力墙结构。在罕遇地震作用下，大多数结构进入弹塑性状态，变形较大，验算结构层间变形是否超过限值。结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合下式要求：hupp][△up——层间弹塑性位移；h——层高；——层间弹塑性位移角限值，按下表采用：结构类别框架结构1/50框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构、板柱—剪力墙结构1/100剪力墙结构和筒中筒结构1/120除框架外的转换层1/120层间弹塑性位移角限值][pp对框架结构，当轴压比＜0.40时，可将表中数值提高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配箍特征值大30％时，可将表中数值提高20％，但累计不宜超过25％。影响高层建筑舒适度的主要两个方面：一是结构在风的作用下，出现过于明显的变速振动；二是楼盖的竖向振动频率和加速度。1、风载下结构顶点最大加速度限值高度较大的高层建筑，在风载下易产生风振。过大的振动加速度，会使人产生不适甚至不能忍受。2.3、舒适度要求舒适度与风振加速度的关系：《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，高度超过150m的高层建筑具有良好的使用条件，满足舒适度的要求。在《建筑结构荷载规范》规定的10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的顺风向和横风向振动最大加速度不应超过下表限值。使用功能住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25结构顶点最大加速度lim(/)ams22、楼盖竖向振动加速度限值《高层规程》中规定楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，竖向振动加速度不应超过下表的限值。结构整体稳定性是高层建筑设计的基本要求。研究表明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体丧失稳定的可能性很小。稳定性设计主要是控制在风荷载或水平地震力作用下，重力荷载产生的二阶效应（P-Δ）不致过大，以免引起结构的失稳、倒塌。P-Δ效应：在水平荷载作用下，高层建筑出现侧移后，重力荷载会产生附加弯矩，附加弯矩又会增大侧移，这种二阶效应称为P-Δ效应。由此可见，结构整体稳定性问题，实际上是结构抗侧移刚度和重力大小的问题。结构抗侧移刚度和重力荷载之比（简称刚重比）是影响重力P-Δ效应的主要参数。2.4、稳定性与抗倾覆1、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。1）剪力墙、框架—剪力墙结构、筒体结构2）框架结构：式中：EJd—结构在一个主轴方向的等效侧向刚度。H—房屋高度Gi,Gj—分别为第i,j楼层的重力荷载设计值Di—第i楼层的弹性等效侧向刚度，可取该层剪力与层间位移的比值。n—结构总层数。niidGHEJ127.2nijijihGD/202、高层建筑结构的稳定应符合下列规定1）剪力墙、框架—剪力墙结构、筒体结构2）框架结构：（i=1,2,…,n)niidGHEJ124.1nijijihGD/103、抗倾覆控制：⑴、控制高宽比H/B；⑵、控制基底零应力区面积，15％总面积。1、延性的概念—一般是指材料的塑性变形能力对于构件和构件截面来讲，延性是指保持承载力情况下的塑性变形能力。以钢筋混凝土适筋梁为例MouyyMuM加载至钢筋屈服加载至极限荷载利用延性吸收地震能延性比＝uy2.5、延性的要求2、延性——塑性变形带来的变化⑴有利方面：出现塑性变形后，结构的刚度减小、周期变长，结构所受到的地震作用明显减小。这对抵抗地震作用、尤其是大震过后的余震是非常有利的；⑵不利方面：出现塑性变形，意味着混凝土构件要出现塑性铰、较大的裂缝和永久变形。会影响到结构的稳定。结构的继续使用需要修复。从抗震角度来看，出现超过设防烈度的地震是不可避免的，结构应该具备足够的塑性变形能力。但是结构过早地出现塑性变形也是十分不利的。结构在小震、甚至风荷载作用下就出现塑性变形，必然导致裂缝和变形过大，将影响到建筑物的正常使用。正是基于上述原因，《建筑抗震设计规范》采用了“三个水准”的抗震设计原则：小震不坏——结构处于弹性状态；中震可修——结构出现塑性变形；大震不倒——结构应保持整体稳定。3、构件的延性控制——抗震等级由此可见，延性是必须的，但延性的利用是有代价的。因此，重要性不同构件，应有不同的延性控制。而且影响延性的因素是比较复杂的。以最简单的梁端塑性铰为例：压区高度材料变形能力塑性变形中不能剪坏计算和构造我国《规范》依据设防分类、设防烈度、结构类型、房屋高度，划分了结构的抗震等级。一级要求最高，延性很好，二级、三级次之，四级要求最低。不同抗震等级，对应不同的延性要求。设计时采取不同的计算和构造措施。对钢筋混凝土结构，如下表所示：⑴甲、乙类建筑：应按本地区的抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；当建筑场地为I类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。⑵丙类建筑：应按本地区的抗震设防烈度确定其抗震措施；当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。注：当本地区抗震设防烈度为9度时，A级高度：⑴甲类建筑，应采取更有效的抗震措施；⑵乙类建筑，抗震等级应按特一级考虑。抗震设防标准：思考题1、什么是荷载组合效应？有地震作用组合和无地震作用组合的区别是什么？2、限制结构侧向位移的原因？3、各类建筑的抗震设防标准？