高层建筑结构设计(第四章)

第4章计算分析和设计要求第4章高层建筑结构计算分析和设计要求安徽工业大学建工学院土木工程系高层建筑结构设计标题第4章计算分析和设计要求本章主要内容：主要内容4.1高层建筑结构的计算分析（简介）4.2荷载效应和地震作用组合（重点）4.3高层建筑结构的设计要求（重点）4.4高层建筑结构的概念设计（简介）4.5超限高层建筑工程抗震设计（简介）第4章计算分析和设计要求4.1计算分析第4章高层建筑结构计算分析和设计要求结构设计程序选择某个结构体系结构布置计算荷载（竖向、水平）效应组合简化为某个力学模型进行内力计算满足设计要求承载力要求变形要求砼裂缝宽度要求其他要求，如抗震要求根据计算结果，对结构进行配筋设计，然后满足相应的构造要求第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析1、计算假定①弹性假定竖向荷载、风荷载及多遇地震作用下的内力和位移计算均基于弹性假定，但允许考虑结构的塑性内力重分布。弹性内力与实际内力不符；有意识地减少和增大某些部位配筋，以利于合理破坏机构和施工。考虑方法：内力调幅（调整）弹性计算的内力值乘以某系数（调幅系数）；弹性内力计算时，降低构件刚度。第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析1、计算假定②弹塑性假定理论不成熟，现有的计算无法普及，目前使用的较少；主要用于罕遇地震作用下的位移验算。（罕遇地震作用下，结构已经发生破坏，若再采用弹性假定，误差太大）③平面结构假定、空间结构假定基于结构计算精度要求、计算复杂、麻烦程度，权衡后选择某种假定进行相应的结构计算。第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析1、计算假定④楼板平面内无限刚性假定多数情况下，楼板平面内为无限刚性（水平方向上的楼板不变形，竖直方向上变形，在竖向荷载作用下发生变形）不考虑扭转效应：平面协同计算（正交方向抗侧力单元不参加工作）考虑扭转效应：空间协同计算（正交方向抗侧力单元参与抵抗扭矩）若楼板不满足假定要求，楼板发生变形则应进行：楼板有限刚度计算楼板刚性计算，适当调整内力空间计算第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析1、计算假定⑤构件刚度----弹性刚度（刚度与变形的考虑）轴向刚度---EA弯曲刚度---EI剪切刚度---GA高层建筑中不纯粹考虑杆件的弯曲变形EI，经常还涉及到EA、GA，高层结构中轴向变形影响不可忽视，而对于跨高比较大时，剪切变形不明显，但若跨高比较小时，则必须进行考虑。构件变形的考虑：忽略梁的轴向变形；结构高度H＞50m及H/B＞4时，考虑柱、墙的轴向变形；跨高比＞4时，忽略剪切变形的影响。第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析1、计算假定⑥水平力作用方向假定风荷载与地震作用的方向具有随机性，但进行结构计算时必须规定其作用方向，一般结构计算考虑纵向、横向两个方向。（1）只考虑结构两个正交（主轴）方向的水平力，各方向水平力全部由该方向抗侧力构件承担；（2）对有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。（斜向剪力墙）第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析1、计算假定上述六个假定中，现行结构设计使用较多的是：弹性假定、楼板平面内无限刚性假定、平面结构假定、正交方向（纵向、横向）水平作用方向假定。目前，结构设计是程序来进行计算，要注意选择计算假定（方便建立力学模型、满足工程精度要求）①弹性假定②弹塑性假定③平面结构假定、空间结构假定④楼板平面内无限刚性假定⑤构件刚度----弹性刚度（刚度与变形的考虑）⑥水平力作用方向假定第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析2、分析模型与方法高层建筑结构分析模型平面分析模型空间三维结构分析模型平面结构平面协同分析模型（不考虑扭转）平面结构空间协同分析模型（考虑扭转）空间杆---薄壁杆系空间杆---墙板元其他组合有限元第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析2、分析方法与方法高层建筑结构分析方法简化方法---平面结构协同分析（手算）程序计算方法杆件有限元方法有限元或有限条法空间协同分析方法三维杆件---薄壁杆件空间分析方法第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析2、分析方法与方法计算模型的选取：①当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀，不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；②当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分平面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用空间结构计算模型；③多、高层建筑钢结构的计算模型，可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析3、计算要求（1）对体型、结构布置复杂（如平面不规则、竖向不规则）的结构应至少采用两个不同的力学模型分别进行计算分析，相互比较和校核，确保计算结果的可靠性；（2）带加强层或转换层、错层结构、连体和立面开洞结构、多塔楼结构等属于复杂高层建筑结构，其竖向刚度变化大，受力复杂，易形成薄弱部位，计算分析应从严要求，应符合下列要求：①应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行计算；②抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算扭转效应，振型数不少于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍；③应采用弹性时程分析法进行补充计算；④宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.1高层结构计算分析3、计算要求（3）对受力复杂的结构构件，如复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构件、错层构件、连接体及相关构件等，除整体分析外，尚应按有限元方法进行局部应力分析，并据此进行截面配筋设计校核；（4）除选用可靠的结构分析软件外，还应对软件的计算结果从力学概念和工程经验等方面加以分析判断，确认其合理、有效后方可采用，如对结构整体位移、楼层剪力、振型和位移形态、自振周期、超筋情况等计算结果进行工程经验判断。第4章计算分析和设计要求4.1计算分析4.2荷载效应和地震作用效应的组合（略）4.3高层建筑结构的设计要求高层结构设计主要解决问题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倒塌问题---弹塑性位移验算④稳定问题---结构稳定与抗倾覆验算⑤延性问题---抗震结构延性要求⑥经验问题---抗震结构的概念设计要求第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.1承载力要求1）非抗震设计时，结构构件截面承载力设计表达式为：式中，对安全等级为一级、二级和三级结构，分别取1.1、1.0、0.9。2）抗震设计时，其设计表达式为：式中，为承载力抗震调整系数，对钢筋混凝土构件，按《高规》表3.8.2或《抗规》表5.4.2规定采用，当仅计算竖向地震作用时，各类结构构件承载力抗震调整系数均应采用1.0。0SR0RESRRE第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.1承载力要求构件类别梁轴压比小于0.15的柱轴压比不小于0.15的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0.750.750.80.85（1.0）0.850.85表3.8.2承载力抗震调整系数RE第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求1.弹性位移验算弹性层间位移验算，实际上是对构件截面大小、刚度大小进行控制的一个相对指标；弹性层间位移验算，可保证结构在多遇地震作用下基本处于弹性状态，以及非结构构件的基本完好（填充墙、隔墙和幕墙等）；风荷载、多遇地震作用下，楼层层间最大位移与层高之比应符合下式要求：①高度不大于150m的高层建筑，其不宜大于表3.7.3的限值；②高度不小于250m的高层建筑，其不宜大于1/500；③高度在150m~250m之间的高层建筑，其的限值按线性内插取用。euheuheuheuheeuh第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求1.弹性位移验算结构体系限值框架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除框架结构外的转换层1/1000表3.7.3楼层层间最大位移与层高之比的限值《抗规》表5.5.1弹性层间位移角限值也进行了相应的规定。euh第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求2.弹塑性位移验算高层建筑结构在罕遇地震作用下，结构防倒塌，特别是对存在薄弱层的结构楼层应进行弹塑性位移验算；《高规》规定：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采用隔震和消能减震设计的建筑结构；④房屋高度大于150m的结构。第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求2.弹塑性位移验算结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合下式规定：式中：---层间弹塑性位移；---层间弹塑性位移角限值，按表3.7.5采用；对框架结构，当轴压比小于0.4时，可提高10％。ppuhpup当柱全高的箍筋构造比规定的最小体积配箍率大30％时，可提高20％，但累计不超过25％。第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求2.弹塑性位移验算结构体系框架1/50框架-剪力墙、框架-核心筒板柱-剪力墙1/100筒中筒、剪力墙1/120除框架结构外的转换层1/120表3.7.5层间弹塑性位移角限值p第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求2.弹塑性位移验算在预估的罕遇地震作用下，高层建筑结构薄弱层（部位）弹塑性变形计算可采用方法：（1）弹塑性变形计算的简化计算方法适应于不超过12层且层侧移刚度无突变的框架结构；结构薄弱层（部位）的为位置可按下列情况确定：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（部位）和相对较小的楼层，一般不超过2~3处。第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求2.弹塑性位移验算（1）弹塑性变形计算的简化计算方法弹塑性层间位移可按下式计算：式：---罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移（mm）---弹塑性位移增大系数，按表5.5.3采用。0.50.40.31.82.02.2表5.5.3结构的弹塑性位移增大系数ppeuueuppy第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求2.弹塑性位移验算（2）弹塑性变形计算的弹塑性分析法常用的有：静力弹塑性分析方法（如Push-over方法）弹塑性动力时程分析方法必须输入地震波，地震波的选择应符合规范4.3.5条规定由于水平地震作用模式和本构关系较为复杂，且现有的分析软件还不够完善，因此弹塑性分析方法的普遍应用还受到较大的限制。第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求3.舒适度的要求高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高层建筑内居住的人们感觉不舒服，甚至不能忍受。不舒适的程度建筑物的加速度无感觉＜0.005g有感觉0.005g~0.015g扰人0.015g~0.05g十分扰人0.05g~0.15g不能忍受＞0.15g表4.3.6舒适度与风振加速度关系第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.2水平位移限值和舒适度要求3.舒适度的要求《高规》规定，高度超过150m的高层建筑结构，按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计算值不应超过表3.7.6的限值使用功能alim（m/s2）住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25表3.7.6结构顶点风振加速度限值alim第4章计算分析和设计要求4.3设计要求4.3.3整体稳定和倾覆问题1.重力二阶效应及结构稳定重力二阶效应一般包括两部分：（1）一是由于构件自身挠曲引起的附加重力效应，即P-δ效应，二阶内力与