设计要求及荷载效应组合建筑结构荷载计算.ppt

第 4 章 设计要求及荷载效应组合 主要内容（目录） 4.1 承载力计算 4.2 侧移限制 4.3 舒适度要求 4.4 稳定和抗倾覆 4.5 抗震结构延性要求和抗震等级 4.6 荷载效应组合及最不利内力 4.1承载力验算 按承载力极限状态验验算结构 构件截面： 足够大的承载能力 无地震作用效应组合时 r0sr r0 ：结构重要性系数 安全等级为二级或设计使用年限 50年，不小于1.0 安全等级为一级或设计使用年限 100年及以上，不小于1.1 s ：无地震作用效应组合时，构件截 面内力（效应）组合的设计值（与荷 载标准值和荷载效应分项系数的大小 有关） r：无地震作用组合时，构件截面 承载载力设计值（与材料分项系数的 大小有关） r0sr 有地震作用效应组合时 se ：有地震作用效应组合时，构件 截面内力（效应）组合的设计值 re ：有地震作用组合时，构件截面 承载力设计值 ：承载力抗震调整系数 材料 结结构构件 钢钢筋混凝土 梁 0.75 轴压轴压 比小于0.15的柱 0.75 轴压轴压 比大于0.15的柱 0.80 剪力墙墙 0.85 各类类受剪、偏拉构件 0.85 钢钢（强度破 坏）； 柱，支撑屈 曲，为为0.80 梁、柱 0.75（0.75） 支撑 0.80（0.75） 节节点板件、连连接螺栓 0.85（0.75） 连连接焊缝焊缝 0.90（0.75） 二阶段设计方法控制： 多遇地震（及风荷载下），要求主体 结构不受破坏，非结构构件没有过重破坏并 导致人员伤亡，保证建筑的正常使用功能； 罕遇地震作用下，主体结构遭受破 坏或严重破坏但不倒塌。 4.2 侧移限制（弹性层间位移角限值） 4.2 侧移限制（弹性层间位移角限值） 目的：防止风、小震作用下非结 构构件破坏： 防止主体结构开裂、损坏； 防止填充墙及装修开裂、破坏； 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）。 如何达到目的：结构有足够大的 刚度 参数：最大层间位移角 多遇地震（及风荷载下）， u：荷载效应标准值组合所得结构最 大层间位移； h：层高； u/h :最大层间位移角； u/h：弹性层间层间 位移角限值。 u/h u/h u/h：弹性层间位移角限值（使用阶段） 材料 结结构高度 结结构类类型 限值值 钢钢筋 混凝土 结结构 不大于 150m 框架 1/550 框架-抗震墙墙 板柱-抗震墙墙 框架-核心筒 1/800 抗震墙墙 筒中筒 1/1000 框支层层 1/1000 不小于 250m 各种类类型结结构 1/500 钢结钢结 构 各种类类型结结构 1/250 罕遇地震（防止倒塌） 薄弱层（部位）弹塑性层间位 移角限值 4.3 舒适度要求 高度超过150m： 10年一遇的风荷载，顶点 最大加速度限值 住宅、公寓：0.15m/s2 办公、旅馆：0.25m/s2 4.4 稳定和抗倾覆要求 p-效应： 侧移，重力荷载产生附加 弯矩，增大侧移和内力 4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算 实际上大部分钢筋混凝土结构 不需要计算p-效应。 4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算 如果需要计算，可按下述方法进 行计算： 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 4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算 结构位移增大系数： 框架结构 剪力墙结构、框架-剪力墙结构 、筒体结构 4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算 高层建筑结构的稳定应符合下列规定： 剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结 构应符合下式要求： 框架结构应符合下式要求 4.4.2 高层钢结构的稳定验算 钢结构构件的稳定性问题是钢结 构设计的重要内容，将在结构设 计中详细介绍。 此处的稳定主要是结构整体稳定 ，即重力作用下的二阶效应 p效应。 4.4.2 高层钢结构的稳定验算 高钢规下列条件下可不进行整体稳定性验收： 1）各层柱子平均长细比和平均轴压比满足一定要求； 2）按不考虑p效应的弹性计算所得的层间相对位移 小于某个值： 对于钢支撑、剪力墙或筒体的钢结构，且u/h1/1000 ，可不计算p效应，只按有效长度法计算柱的承载 力； 对于无支撑的钢结构（纯钢框架）和u/h1/1000的有 支撑钢结构，应按考虑p效应的方法计算结构内力 及侧移，侧移应不大于1/300。 实际上大部分钢结构需要计算p效应。 4.4.3 高层建筑抗倾覆问题 高层建筑侧移过大，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现象。 正常设计的高层建筑不会出现倾 覆问题。 4.4.3 高层建筑抗倾覆问题 控制高宽比； 高宽比大于4的建筑，在地震作 用下基础底面不允许出现零应力 区； 高宽比不大于4的建筑，基底零 应力区面积不应超过基础底面积 的15。 设设防烈度6度及6度以上的抗震结结构 4.5 延性要求与抗震等级 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。 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 率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。 oa: 弹性设计，承载力抗震 obc和ode: (承载力延性)抗震 两种抗震设计方法 （构件屈服，局部破坏） 具有足够大延性和耗能能力 延性 材料、截面、构件或结构保持一定的强 度或承载力时的非弹性（塑性）变形能力 用延性系数度量： y和u分别为屈服值和极限值 定义：没有规定 材料应变延性 不同强度等级混凝土 不同配箍特征值 碳纤维约束混凝土 钢筋或钢材 截面曲率延性 截面弯短曲率关系 屈服时截面应变分布 极限状态时截面应变分布 构件位移延性 悬臂构件的弯矩、曲率和位移的关系 悬臂构件位移延性系数与截面曲率延性系数的关系式 结构位移延性 顶点位移延性系数或层间位移延性系数 影响rc构件截面曲率延性的主要因素 截面曲率延性系数 截面的名义屈服曲率 截面有效高度 钢钢筋屈服应变应变 （小，有利） 混凝土受压压区高度（小，有利） 纵筋屈服时 名义屈服时 截面的极限曲率 受压区边缘混凝土极限压应变 （大，有利） 混凝土受压压区高度（小，有利） （1）混凝土强度等级 强度等级高,下降快 提高混凝土强度 等级可以在不加 大截面尺寸的情 况下提高轴压比 ，并且随着混凝 土强度等级提高 ，混凝土的极限 压应变变小，变 形能力变差，对 构件的延性将产 生不利的影响。 （2）箍筋 不同配箍特征值应力应变关系 影响混凝土极限压应变 它包括含箍 率、箍筋形 式、箍筋间 距等。其中 ，含箍率越 高，塑性铰 区截面核心 混凝土的受 约束程度越 高。 （3）轴压比（n/fca） 影响混凝土相对受压区高度 轴压比大，相对受压区高度大，延性小 极限曲率低轴压比 / 极限曲率高轴压比 1.0 相对受压区高度 与曲率延性比关系 在高轴压比情况下，在水平荷载施加之 前，柱子己经产生了较大的预压应变， 预压应变降低截面的塑性转动能力，使 构件的延性变差，所以轴压比限值不能 定的过高 轴压比大，相对受压区高度大，延性小 （4）纵向钢筋 梁：受拉钢筋配筋率过高延性小 增加受压钢筋延性大 柱：纵筋的屈服强度高屈服曲率大 受压纵筋增大截面的曲率延性 提高配筋率提高截面的轴压承 载力，降低轴压比 （5）截面几何形状 箍筋对混凝土的约束作用： 圆形截面最强，方形截面次 之，矩形截面再次之，异形截 面最差 对于一个结构： 截面曲率延性系数 构件转角（位移）延性系数 结构位移延性系数 弹塑性层间位移角限值 目的：防止罕遇地震时结构倒塌 通过抗震构造措施，使结构构件具 有足够大的延性，满足弹塑性层间 位移角限值的要求 弹塑性层间层间 位移角限值 材料结结构类类型 限值值 钢钢筋混凝 土结结构 框架 1/50 框架-剪力墙墙 框架-核心筒 1/100 剪力墙墙 筒中筒 1/120 框支层层 1/120 钢结钢结 构 各种类类型结结构 1/50 耗能能力 滞回曲线的形状、面积 耗能能力大、小，难以量化 4.5.2 概念设计及抗震等级 （1）选择延性材料和结构； （2）概念设计； （3）设计延性结构； （4）抗震措施及抗震等级。 选择延性材料和结构 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； 钢筋混凝土，介于上述两者之间 ，设计合理，可有较好的延性。 概念设计 选择有利于抗震的结构方案和布置； 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； 分析薄弱部位，避免过早破坏； 防止局部破坏引起连续倒塌； 避免设计为静定结构； 采取多道防线措施；等等。 设计延性结构 延性构件； 延性结构。 不同高度、不同烈度、不同体系等 的钢筋混凝土房屋建筑结构，延性与 耗能要求不同，通过抗震等级，区分 对结对结 构的延性与耗能的不同要求 不同抗震等级，采取不同抗震措施 抗震等级 计算措施地震作用计算和抗力计 算以外的计算，主要是调整或放大 组合的内力计算值，用调整或放大 后的内力作为设计值 抗震构造措施保证结构构件具有 足够的延性与耗能的构造措施 抗震措施 a级高度：一、二、三、四级 （一级要求最高） b级高度：特一、一、二级 （特一级要求最高） 抗震等级划分 烈度 结构类型 两种结构单元时，重 要程度不同 房屋高度 确定抗震等级的参数 注： 1 建筑场地为i类时，除6度外应允许按表内降 低一度所对应的抗震等级采取构造措施，但 相应的计算要求不应降低； 2 接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不 规则程度及场地、地基条件确定抗震等级； 3 大跨度框架指跨度不小于18m的框架； 4 高度不超过60m的框架-核心筒结构按框架- 抗震墙的要求设计时，应按表中框架-抗震墙 结构的规定确定其抗震等级。 表中的烈度： 确定抗震等级的烈度 与下列因素有关: 建筑类别 设防烈度 场地 建筑类别 场地 设防烈度 6 7 8 9 甲类、乙类 6 7 8 9 7 8 9 9* 丙类 6 6 7 8 6 7 8 9 丁类 6 6 7 8 6 7- 8- 9- 确定抗震等级的烈度 钢筋混凝土框架剪力墙房屋结构 ，高60m, 丙类建筑，8度设防。确 定： 类场地时，框架、剪力墙的抗震 等级； 类场地时，框架、剪力墙的抗震 等级。 思考题 4.6 效应组合及最不利内力 s荷载效应组合的设计值； 分别为永久荷载、 活荷载和风荷载效应标准值； 4.6.1 无地震作用效应组合 承载力计算时： 可变荷载效应控制时取1.2，永 久荷载效应控制时取1.35，对结 构有利时取1.0 一般取1.4，小于3kn/m2时取1.3 一般取1.4 分别为永久荷载、 活荷载和风荷载分项系数 活荷载组载组 合值系数 永久荷载效应控制时分别取0.7 可变荷载效应控制时分别取1.0 、 风风荷载载的组组合值系数，取1.0 注意多层时取0.6。 基本荷载工况有两种 永久（恒）荷载载+活荷载载 1.2永久荷载载效应应+1.4活荷载载效应应 1.35永久荷载载效应应+1.40.7活荷载载效 应应 承载力计算时 永久荷载载+活荷载载+风风荷载载 1.2永久荷载载效应应+1.4活荷载载效 应应+1.41.0风风荷载载效应应（高层层建 筑） 荷载工况公式中各分项系数取1.0 位移计算时 4.6.2 有地震作用效应组合时 s 荷载效应和地震作用效应组合 的设计值； e e 分别为别为 重力荷载载代表值值、水平地 震作用标标准值值、竖竖向地震作用标标准 值值、风风荷载载标准值的效应； 分别为上述各种荷载和地震 作用分项系数； 风荷载的组合值系数，取0.2。 60m以上的高层建筑： 风荷载效应和地震作用效应组合 9度时： 竖竖向地震作用的效应组应组 合 所有高层层建筑 1.2重力荷载载效应应+1.3水平地震 作用效应应 60m以上高层层建筑（9度以外） 1.2 重力荷载载效应应+1.3水平地震 作用效应应+1.40.2风风荷载载效应应 高层建筑效应组合的基本工况 、 9度高层层建筑 1.2重力荷载载效应应+1.3水平地震 作用效应应+0.5竖竖向地震作用效应应 1.2重力荷载载效应应+1.3竖竖向地震 作用效应应 9度且60m以上高层层建筑 1.2重力荷载效应+1.3水平地震 作用效应+0.5 竖向地震作用效应 + 1.40.2风风荷载载效应应 竖向活荷载的布置 可不考虑活荷载的不利布置 , 用满布活荷载计算内力 正、反方向作用，按两个方向 的较大值采用 体型复杂的高层建筑，考虑风 向角的影响 风的作用方向 风的方向 一般情况下，两个主轴方向分别计算 有斜交抗侧力构件的结构，相交角度大 于15度时，分别计算各抗侧力构件方向的 地震作用 明显不对称、不均匀的结构，计算双向 水平地震下的扭转影响 其它情况：计算单向水平地震下的扭转 影响 地震的方向（强制） 控制截面:验算承载力的截面，通常 是内力最大的截面 框架梁:两端截面，跨中截面 连梁:两端截面 框架柱、墙肢:两端截面 4.6.3 控制截面及最不利内力 梁端截面： 最大正弯矩，最大负负弯矩，最大 剪力 梁跨中截面： 最大正弯矩 柱、墙： 大偏压压时弯矩大不利 小偏压压时轴轴力大不利 最不利内