高层建筑结构设计第四章设计要求

第4章设计要求高层建筑结构计算的一般步骤1.计算各种荷载作用下的内力和位移；2.按不同工况的荷载，组合最不利的计算内力及位移；3.进行结构设计。结构设计的目标1.满足结构的承载力及刚度要求，即保证结构的安全和正常使用；2.结构抗风及抗震对承载力及位移的要求不同，较高的结构还要考虑风荷下的舒适度要求；结构要满足抗震设防的延性要求。1、平面布置缺陷：平面尺寸过于狭长——横向抗侧能力较弱，变形较大；抗侧力构件偏心严重——远离刚度中心的构件所受扭转剪力较大；平面不规则、凹凸严重——建筑阴角、阳角易首先发生破坏；2、抗侧力构件的竖向布置缺陷：抗侧力构件在竖向不连续——传力受挫，易形成薄弱层(框支层、转换层等)抗侧力构件在竖向突变——刚度变化剧烈，易形成薄弱层；建筑顶部负重较大——鞭端效应严重。4.1建筑体形及结构总体布置的规则性•高层建筑上部结构缺陷导致的常见震害：4.1.1地震震害及抗震概念设计•抗震概念设计建筑、结构设计师们用抗震设计原则和思想，总体控制建筑体型，选择计算模型、构造设计：•进行建筑结构的合理选型;•确定计算模型、•确定构造处理方案。具体而言，抗震概念设计就是：有意识地控制结构总体系与分体系、分体系与构件之间的受力特征，使结构各部分协同工作，从而达到即安全可靠又经济合理的效果。随建造层数加多，结构材料用量也将有很大增加，但只要结构工程师和建筑师合作恰当，优化总体方案，那么材料用量是完全可以合理控制的。《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，高层建筑设计的总体原则（抗震概念设计的原则）：1.不应采用严重不规则（平面和立面）的结构体系。结构应具有必要的承载能力和变形能力；应避免因部分破坏而导致整个结构丧失承载能力；对可能的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。2.建筑抗震设防宜具有多道防线。3.竖向布置和水平布置宜采用合理的刚度和承载能力分布。应避免因刚度的局部突变和结构的扭转效应而形成薄弱部位；结构平面布置应均匀对称并具有较好的抗扭刚度；竖向布置应使结构刚度均匀无突变。1）采用规则结构，不应采用严重不规则结构。平面宜简单、规则、尽量对称；——避免过度凹凸；力求刚度中心和荷载中心重合——避免不规则引起的扭转；竖向宜连续、抗侧刚度分布均衡——避免结构刚度、承载力突变；2）具有明确的计算简图和传力路径；3）具有足够的承载力和抗侧刚度；4）具备良好的弹塑性变形能力和延性耗能能力，有一定的冗余度；•抗震高层建筑的建筑形体和结构布置原则6）多道设防，避免连续倒塌力求上部结构与基础的协同工作——避免不均匀沉降及地基的过度变形。尽量降低结构中心——有利于减小水平地震作用的影响，增强结构自稳定能力5）构件之间、构件与主体之间连接较好；加强结点设计——避免因点及面的破坏；4.1.2建筑平面和结构平面布置一、平面形状限值：•限值参数：(L/B)max、(l/Bmax)max、(l/b)max。二、楼面刚度：楼面刚度宜大，有利于荷载传递、内力重分布；三、抗侧构件：平面上对称、靠外、纵横向同时布时，有利于抗扭、抗侧；抗侧刚度中心宜与其质量中心接近，利于减小扭转效应；•塔式平面较板式平面利于抗震、抗风；•凸多边形有利于抗风；塔式平面各向较均衡，利于抗震、抗风；板式平面在偏心荷载下易于扭转，不利于抗震、抗风；有时应考虑设防震缝。4.1.3建筑立面和结构沿高度布置竖向抗侧构件布置的原则：•竖向抗侧构件应尽量连续布置；–限制采用底部框架-剪力墙结构，以避免荷载传递难、应力集中、刚度突变；–尽量将质量大的设备间、水箱间布置在低层，以减小地震作用的影响，避免鞭梢(端)效应。•竖向抗侧构件的刚度应变化均匀，否则易产生结构薄弱层。钢筋砼高规》规定：上部内收H1/H0.2时，宜B1/B0.75；上部外挑时宜B/B1≥0.9，宜B1－B≤4m。•底部框架-剪力墙结构中，框支层楼面应有足够的刚度，底部必须有足够的间距适宜的落地剪力墙，以保证楼面荷载的可靠传递、刚度的合理变化。4.1.4建筑结构不规则1、平面不规则：扭转不规则;楼面凹凸不规则;楼板不连续。5.13)2(2.112212时，相当于1)扭转不规则：•周期比：——结构以扭转为主的第一自振周期——结构以平动为主的第一自振周期A级建筑，应≤0.9，B级建筑，应≤0.85。•严重扭转不规则；•一般扭转不规则5.13)2(2.112212时，相当于3)2(5.112212时，相当于1TTt1TtT1TTt1TTt2)楼面凹凸不规则：B/Bmax0.3时3)楼板不连续：楼板处，b/B≥50%，或楼板开洞率≥30%，或有较大错层。较大错层•竖向不规则：结构抗侧刚度:K=层剪力/弹性层间位移；1)Ki0.7Ki+1，或Ki≤0.8[(Ki+1+Ki+2+Ki+3)/3]，或Bi/Bi-1≤0.25(i≠n)；2)竖向抗侧力构件不连续下传，或在某层中断；3)楼层层间受剪承载力变化过大Qy,i0.8Qy,i+11、柱、墙的轴压比应小于最大限值，以控制结构的延性；2、楼层剪力系数应大于最小限值，即楼层地震剪力设计值不低于最小限值，也称剪重比应满足最小值要求。3、结构相邻楼层的抗侧刚度比Ki/Ki+1等应小于最大限值：以避免结构竖向刚度突变，形成薄弱层。4、位移比（某楼层处，最大层间位移/平均层间位移）：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。控制比例为1.5。5、周期比Tt1/T1：Tt1、T1分别为结构以扭转为主及以平动为主的第一自振周期，Tt1/T1较小，有利于控制结构扭转效应，6、刚重比：目的主要是控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆；7、剪跨比M/(Vh0)：梁，a/h0；柱，Hi/h0i。7、剪压比[梁柱V/(fcbh0)]：应保证梁柱的截面尺寸。8、跨高比：梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于5和深梁都应按照深受弯构件进行计算的。9、延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。•高层混凝土结构设计中的几个重要控制参数：AfNncnijjEKGVnijjEKGV/《高层建筑混凝土结构技术规程》JCJ3—2002规定，高层建筑设计的总体原则（抗震概念设计的原则）：1.不应采用严重不规则（平面和立面）的结构体系。结构应具有必要的承载能力和变形能力；应避免因部分破坏而导致整个结构丧失承载能力；对可能的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。2.建筑抗震设防宜具有多道防线。3.竖向布置和水平布置宜采用合理的刚度和承载能力分布。应避免因刚度的局部突变和结构的扭转效应而形成薄弱部位；结构平面布置应均匀对称并具有较好的抗扭刚度；竖向布置应使结构刚度均匀无突变。4.2楼层最小地震剪力系数及楼层地震剪力调整4.2.1楼层最小地震剪力系数抗震验算时，结构任一楼层i层的水平地震剪力应：λ——剪力系数，不应小于表5.2.5规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；•验算范围–除6度建筑（IV类场地上的较高层除外）和规定可不进行验算的结构外，均应进行结构抗震验算。•验算内容–截面抗震承载力计算。–抗震变形验算•多遇地震作用下的弹性变形验算——非结构构件的破坏•罕遇地震作用下的弹塑性变形验算——抗倒塌1强度问题——构件截面承载力验算2刚度问题——正常使用条件下结构水平位移验算3稳定问题——结构稳定与抗倾覆验算4延性问题——抗震结构的延性要求5经验问题——抗震结构的概念设计要求高层建筑结构设计的基本要求•抗震设计时，框架-剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力应符合下列规定：1.（4-3）满足上式要求的楼层，其框架总剪力不必调整；不满足要求的楼层，其框架总剪力应按0.2V0和1.5Vm,max二者的较小值采用；V0——对框架柱数量从下至上基本不变的结构，应取对应于地震作用标准值的结构底层总剪力；对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，应取每段底层结构对应于地震作用标准值的总剪力；Vf——对应于地震作用标准值且未经调整的各层（或某一段内各层）框架承担的地震总剪力；Vf,max——对框架柱数量从下至上基本不变的结构，应取对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值；对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，应取每段中对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值。4.2.2楼层地震剪力调整02.0VVf4.3承载力验算•承载力极限状态要求按荷载效应的最不利组合验算，其一般表达式为：–无地震作用时γ0S≤R–有地震作用时γ0SE≤RE/γRE•《抗震规范》采用承载力抗震调整系数γRE调整结构的效应计算值。γRE≤1.0，其主要原因是：–在荷载的反复作用下，结构承载力会降低；–地震是一种偶然作用，其持续时间一般较短，材料性能在短期荷载作用下时略优于长期荷载作用时，且结构对可靠度的要求可略低些。•γRE的意义及特点：–适度降低了结构的可靠度；–受弯构件的延性和耗能能力好，γRE值较小,γRE=0.75；–钢筋混凝土构件受剪和偏拉时延性差，γRE=0.85；–钢结构连接可靠度要求高，γRE值也高,γRE=0.75~0.90。地震作用下的作用效应组合组合类型地震作用用途多遇地震作用下作用效应的基本组合多遇地震截面抗震验算多遇地震作用下短期效应多遇地震弹性变形验算罕遇地震作用下短期效应罕遇地震弹塑性变形验算khkEhEECShkEhsECSREEERS内力基本组合设计值抗震承载力设计值承载力调整系数使用阶段层间位移限制4．4变形验算•目的：1）防止主要结构开裂、损坏；2）防止填充、装修开裂、损坏；3）防止过大侧移，以引发人的不适、影响正常使用、产生附加内力。•双控表达式：1）层间位移Δu/h≤[Δu/h]；2）顶点位移u/H≤[u/H]。•荷载组合1）不考虑重力荷载引起的侧移；2）各水平荷载单独作用；3）荷载分项系数取1.0。•位移限值地震作用下的位移限值略宽松正常使用情况下，建筑结构层间位移限值(△μ/h,)H≤150m的钢筋砼结构框架结构1/550框架-剪力墙、框架-核心筒1/800剪力墙、筒中筒、框支层结构1/1000H≥250m的钢筋砼结构1/500钢结构1/300huee][4．4.1弹性变形验算罕遇地震作用下的弹塑性层间位移Δu／h限值钢筋混凝土框架结构1/50钢筋混凝土框架-剪力墙、框架-核心筒1/100钢筋混凝土筒中筒、剪力墙结构、框支层结构1/120钢结构1/50•罕遇地震作用下，要限制结构的最大弹塑性层间侧移，以防止结构倒塌。4.4.2弹塑性变形限值huPP][•防止倒塌的层间位移限制（△μ/h,)4.5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，结构工程师应当了解荷载效应组合的要求与方法，以便对设计进行检查与校核，判断程序的正确性。•荷载组合：考虑结构设计使用期限内可能出现多种荷载共存的情况，将各种荷载(也称为“工况”)的单独作用效应（内力、位移等）按一定权值进行组合，用组合后的效应值进行结构配筋等设计，使结构能经受可能遭遇的各类不利条件。注意：①结构的不同效应应取不同的工况组合；②不同构件的最不利内力或位移不一定来自同一工况。4．5．1荷载效应组合•内力组合——对构件的控制截面处的活荷载内力、位移等按某种方式组合，以得到该截面设计的最不利内力或位移值。•组合工况——内力组合时，活荷载同时出现的状况。分无地震作用组合、有地震作用组合。•由于按极限状态法计算，所以内力组合时，根据荷载性质的不同，荷载效应在荷载标准值效应的基础上乘以各自的分项系数和组合系数。1.无地震作用时的效应组合1)适用范围：非抗震设计及低于6度抗震设防不作地震作用计算时，表达式：S=γGSGk+γQ1ψQ1SQ1K+ψwγwSwk（4-6）[S=γGSGk+γQ1ψQ1SQ1K+∑ψQiγciSQi