华中科技大学高层建筑结构.ppt

第4章设计要求 教学提示 本章介绍了高层建筑结构平 立面布置的基本原则 不规则结构以及结构抗震的相关概念 说明了包括承载能力 侧移限制 舒适度及稳定等方面的总体设计要求 以及高层建筑荷载效应组合方法 教学要求 本章要求学生理解结构抗震的相关概念 熟悉高层建筑的设计要求 掌握荷载效应组合的基本原则 各种工况的区别及其应用 建筑体形指建筑的平面和立面 结构总体布置指结构构件的平面布置和竖向布置 建筑体形与结构总体布置对结构的抗震性能有决定性的作用 4 1建筑体形及结构布置的规则性 4 1 1震害及抗震概念设计 底层平面图 标准层平面 剖面图 马那瓜中央银行大厦 钢筋混凝土墙 填充墙 剖面图 图马那瓜美洲银行大厦 平面图 马那瓜中央银行大厦 试问 那一幢破坏严重呢 马那瓜美洲银行大厦 1972年12月23日南美洲马那瓜地震 烈度估计为8度 美洲银行大楼震害较轻 仅连梁出现斜裂缝 震后修复连梁即可使用 中央银行大楼破坏严重 五层框架柱严重开裂 纵筋压曲 墙体开裂 混凝土剥落 非结构构件破坏甚至倒塌 震害情况 砌体填充墙 钢筋混凝土墙 Olive View医院主楼剖面 六层结构 上部框 剪 下部框架 1971年震后 柱压碎 纵筋压曲 底层非弹性残余位移 600mm 震后拆除 根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想 进行建筑总体布置并确定细部构造的过程 场地选择 建筑选型 结构体系 刚度分布 构件延性 多道抗震防线等方面 建筑抗震概念设计 seismicconceptdesignofbuildings 主要内容 结构布置完成后形成的抗震结构体系应符合下列各项要求 1 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 结构体系受力明确 传力合理且传力路经不间断 使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现 对提高结构抗震性能十分有利 是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的因素之一 2 应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力 3 应具备必要的抗震承载力 良好的变形能力和消耗地震能量的能力 4 对可能出现的薄弱部位 应采取措施提高抗震能力 结构总体布置 同时 结构体系尚宜符合下列各项要求 1 宜有多道抗震防线 2 宜具有合理的刚度和承载力分布 避免因局部削弱或突变形成薄弱部位 避免产生过大的应力集中或塑性变形集中 3 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近 结构总体布置 高层建筑的外形可以分为板式和塔式 对抗风有利的建筑平面是简单规则的凸平面 对抗震有利的建筑平面形状是简单 规则 对称 长宽比不大的平面 外伸段较长时 外伸段与主体结构之间会出现相对运动的振型 4 1 2建筑平面和结构平面布置 西苑饭店的一个平面振型 结构平面布置应减少扭转的影响 在考虑偶然偏心影响的地震力作用下 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移 A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1 2倍 不应大于该楼层平均值的1 5倍 B级高度高层建筑 超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1 2倍 不应大于该楼层平均值的1 4倍 结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比 A级高度高层建筑不应大于0 9 B级高度高层建筑 超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0 85 注 当楼层的最大层间位移角不大于本规程第3 7 3条规定的限值的0 4倍时 该楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值可适当放松 但不应大于1 6 房屋高度超过50m时 框架 剪力墙结构 筒体结构及复杂高层建筑结构应采用现浇楼盖结构 剪力墙结构和框架结构宜采用现浇楼盖结构 楼盖结构布置 基本原则 高层结构中应保证楼盖结构平面内的整体刚度 以保证各个抗侧力构件能够共同承受水平力 共同变形协调工作 当楼板平面比较狭长 有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时 应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响 有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50 楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30 在扣除凹入或开洞后 楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m 且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m 艹 字形 井 字形等外伸长度较大的建筑 当中央部分楼板有较大削弱时 应加强楼板以及连接部位墙体的构造措施 必要时还可在外伸段凹槽处设置连接梁或连接板 对抗震有利的建筑立面应规则 均匀 从上到下外形变化不大 没有过大的外挑或内收 结构沿高度布置应连续 均匀 使结构的侧向刚度和承载力自下而上连续 逐渐减小 避免有刚度和承载力突然变小的楼层 4 1 3建筑立面和结构沿高度布置 基本原则 A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80 不应小于其相邻上一层受剪承载力的65 B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75 注 楼层抗侧力结构的层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上 该层全部柱 剪力墙 斜撑的受剪承载力之和 结构竖向布置 抗震设计时 结构竖向抗侧力构件宜上 下连续贯通 抗震设计时 当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0 2时 上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0 75倍 图a b 当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时 下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0 9倍 且水平外挑尺寸a不宜大于4m 图c d 结构竖向布置 不宜采用同一部位楼层刚度和承载力变化同时不满足侧向刚度和承载力前述要求的高层建筑结构 楼层侧向刚度变化 承载力变化及竖向抗侧力构件连续性不符合侧向刚度和承载力及竖向抗侧力构件连续性要求的 该楼层应视为薄弱层 其对应于地震作用标准值的剪力应乘以1 25的增大系数 并应符合规定的最小地震剪力系数要求 楼层质量沿高度宜均匀分布 楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1 5倍 结构顶层取消部分墙 柱形成空旷房间时 应进行弹性动力时程分析计算并采取有效的构造措施 结构竖向布置 不规则分类 4 1 4结构的规则性 两大类 平面不规则 竖向不规则 平面不规则类型 三种 扭转不规则 凹凸不规则 楼板局部不连续 立面布置规则与不规则的限值 三种 侧向刚度不规则 竖向不规则1 竖向抗侧力构件不连续 竖向不规则2 楼层承载力突变 竖向不规则3 抗震高层建筑不应采用严重不规则结构 有一项及以上超过上述不规则类型的指标的结构 不规则结构 有多项超过不规则类型的指标 或某一项超过不规则指标较多 具有较明显的抗震薄弱环节 可能引起不良后果者 特别不规则结构 形体复杂 多项不规则指标超过上述不规则类型的上限值或某一项大大超过规定值 具有现有技术和经济条件不能克服的严重抗震薄弱环节 可能导致地震破坏的严重后果者 严重不规则结构 特别不规则的项目举例 高层建筑不应采用严重不规则的结构体系 并应符合下列要求 1 应具有必要的承载能力 刚度和延性 2 应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载 风荷载和地震作用的能力 3 对可能出现的薄弱部位 应采取有效的加强措施 高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求 1 结构的竖向和水平布置宜使结构具有合理的刚度和承载力分布 避免因刚度和承载力局部突变或结构扭转效应而形成薄弱部位 2 抗震设计时宜具有多道防线 高层建筑结构宜采取措施减少混凝土收缩 温度变化 基础差异沉降等非荷载效应的不利影响 房屋高度不低于150m的高层建筑外墙宜采用各类建筑幕墙 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 多遇地震时 楼层水平地震标准值与该层及以上各层重力荷载代表值之和的比值 也称为剪重比 为防止计算所得的水平地震剪力过小 出于结构抗震安全的考虑 结构任一楼层的水平地震剪力VEK i i层剪力标准值 应满足下式要求 楼层最小地震剪力系数 注 1 基本周期介于3 5s和5s之间的结构 可取插入值 2 括号内数值分别用于设计基本加速度为0 15g和0 30g的地区 4 2 2楼层地震剪力调整 楼层地震剪力调整包括框架 剪力墙结构 钢框架 支撑结构 框架 核心筒结构 筒中筒结构 部分框支剪力墙结构的转换层及以下部分 框架 剪力墙结构 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按下列方法调整 1 剪力不调整 满足V 0 2V0要求的楼层 其框架总剪力不必调整 2 剪力须调整 不满足式V 0 2V0要求的楼层 其框架总剪力应按0 2V0和1 5V 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部总剪力 对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构 应取每段最下一层结构对应于地震作用标准值的底部总剪力 V 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 V 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 框架剪力调整后的框架内力 各层框架所承担的地震剪力调整后 应按调整前 后总剪力的比值调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力和端部弯矩 框架柱的轴力标准值可不调整 按振型分解反应谱法计算地震作用时 剪力调整可在振型组合之后 并满足楼层最小地震剪力系数的前提下进行 钢框架 支撑 延性墙板 结构 框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部地震总剪力标准值的10 即 V max 0 1V0当V max0 1V0时 应取V 0 15V0和1 5V max的较小值 框架 核心筒结构及筒中筒结构 框架部分的地震层剪力不小于结构底部总剪力的25 和框架部分计算最大层剪力1 8倍二者的较小值 结构构件承载力验算的一般表达式持久 短暂设计状况 0Sd Rd地震设计状况 Sd Rd RE式中 0为结构的重要性系数 对安全等级为一级的结构构件 不应小于1 1 对安全等级为二级的结构构件 不应小于1 0 RE 承载力抗震调整系数 Sd 作用组合效应设计值 Rd 构件承载力设计值 4 3承载力验算 设计要求 设计要求 抗震设计时 钢筋混凝土构件的承载力抗震调整系数应按表采用 当仅考虑竖向地震作用组合时 各类结构构件的承载力抗震调整系数均应取为1 0 承载力抗震调整系数 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 4 4变形验算 4 4 1使用阶段层间位移限制 层间位移限制 u h max u h 限制原因 正常使用情况下层间位移限值 按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比 u h宜符合以下规定 1 高度不大于150m的高层建筑 其楼层层间最大位移与层高之比 u h不宜大于下表的限值 楼层层间最大位移与层高之比的限值 正常使用情况下层间位移限值 2 高度不小于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 3 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的限值可按本条第1款和第2款的限值线性插入取用 注 楼层层间最大位移 u以楼层最大的水平位移差计算 不扣除整体弯曲变形 抗震设计时 本条规定的楼层位移计算可不考虑偶然偏心的影响 4 4 2防止倒塌层间位移限制 高层建筑结构在罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算 应符合下列规定 1 下列结构应进行弹塑性变形验算 1 7 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 位移要求 2 下列结构宜进行弹塑性变形验算 1 需要进行时程分析的且高规规定的竖向不规则高层建筑结构 2 7度 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 结构薄弱层 部位 层间弹塑性位移应符合下式要求 up p h式中 up 层间弹塑性位移 p 层间弹塑性位移角限值 可按下表采用 对框架结构 当轴压比小于0 40时 可提高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 可提高20 但累计不超过25 h 层高 层间弹塑性位移角限值 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 薄弱层 简化计算时结构薄弱层 部位 的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 及相对较小的楼层 一般不超过2 3处 up p ue或 弹塑性层间位移可按下列公式计算 式中 up 弹塑性层间位移 uy 层间屈服位移 楼层延性系数 ue 罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移 p 弹塑性位移增大系数 当薄弱层 部位 的屈服强度系数不小于相邻层 部位 该系数平均值的0 8时 可按上表采用 当不大于该平均值的0 5时 可按上表内相应数值的1 5倍采用 其他情况可采用内插法取值 y 楼层屈服强度系数 结构的弹塑性位移增大系数 p 1 持久 短暂设计状况效应组合Sd GSGk L Q QSQk w wSwk式中 Sd 荷载组合的效应设计值 SGk SQk SWk 分别为恒载 楼面活载和风荷载标准值的效应 G Q W 分别为恒荷载 活荷载和风荷载效应分项系数 Q1 W 分别为活荷载和风荷载的组合系数 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 4 5荷载效应组合及最不利内力 4 5 1荷载效应组合 规范对应考虑的各种工况的分项系数和组合系数作如下规定 组合系数 Q和 W 当永久荷载效应起控制作用时应分别取0 7和0 0 当可变荷载效应起控制作用时应分别取1 0和0 6或0 7和1 0 永久荷载的分项系数 G 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合应取1 2 对由永久荷载效应控制的组合应取1 35 当其效应对结构有利时 应取1 0 楼面活荷载的分项系数 Q 一般情况下应取1 4 风荷载取 W 1 4 位移计算时 为正常使用状态 各分项系数均取1 0 2 根据组合一般规律 高层建筑的短暂 持久组合工况有两种 永久荷载效应起控制作用 1 35 恒载效应 1 4 0 7 活载效应 可变荷载效应起控制作用 当风荷载作为主要可变荷载 楼面活荷载作为次要可变荷载时 1 2 恒载效应 0 7 1 4 活载效应 1 0 1 4 风载效应当楼面活荷载作为主要可变荷载 风荷载作为次要可变荷载时 1 2 恒载效应 1 0 1 4 活载效应 1 4 0 6 风载效应 2 地震设计状况Sd GSGE EhSEhk EvSEvk w wSwk式中 SE 荷载和地震作用组合的效应设计值 SGE SEhk SEvk SWk 分别为重力荷载代表值的效应 水平和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 风荷载标准值的效应 G Eh Ev W 分别为上述各种荷载作用的分项系数 W 风荷载的组合系数 一般结构取0 0 风荷载起控制作用的高层建筑应取为0 2 有地震作用组合时荷载和作用的分项系数 根据一般表达式 对于高层建筑 地震设计状况的基本工况如下 对于所有高层建筑 1 2 重力荷载效应 1 3 水平地震作用效应 2 对于60m以上高层建筑增加此项 1 2 重力荷载效应 1 3 水平地震作用效应 1 4 0 2 风荷载效应 3 9度设防高层建筑 水平长悬臂和大跨度结构7度 8度 9度抗震设计时 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 4 9度设防高层建筑 水平长悬臂和大跨度结构7度 8度 9度抗震设计时 1 2 重力荷载效应 1 3 竖向地震作用效应 5 9度设防且为60m以上高层建筑 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 4 0 2 风荷载效应 6 水平长悬臂和大跨度结构7度 8度 9度抗震设计时 1 2 重力荷载效应 0 5 水平地震作用效应 1 3 竖向地震作用效应 1 4 0 2 风荷载效应 高层结构计算时可不考虑活荷载的不利布置 按满布活荷载计算内力 若竖向活荷载很大时 应考虑活荷载的不利布置 4 5 2竖向活荷载的布置 4 5 3水平荷载的方向 由于风荷载和地震荷载都是随机作用 所以可能沿任何方向 设计假定只考虑主轴方向的水平荷载 但应双向考虑 这两种内力大小相等 方向相反 若有斜交结构 当斜交方向与主轴方向之间的夹角大于15 时 尚应计算斜交方向的水平地震作用 控制截面 控制构件承载力的截面 如内力最大的截面 截面尺寸变化处 配筋数量变化处 梁 支座截面 最大负弯矩 最大剪力 和跨中 最大正弯矩 柱 墙 上下两端 其不利内力组合方式有 1 2 3 4 及相应的N 及相应的M 及相应的M 较大及N较大 小偏压 或较小 大偏压 4 5 4控制截面和最不利内力 4 6抗震设防类别 建筑应根据其使用功能的重要性分为四个抗震设防类别 即 特殊设防类 甲类 重点设防类 乙类 标准设防类 丙类 适度设防类 丁类 抗震等级是抗震设计的钢筋混凝土结构 钢结构及钢 混凝土混合结构的重要设计参数 结构抗震等级根据抗震设防类别 结构类型 烈度和房屋高度确定 划分抗震等级的目的 为了体现不同抗震设防类别 不同烈度下 不同结构体系 不同高度房屋结构弹塑性变形能力的不同 以及同一种构件在不同结构类型中弹塑性变形能力的不同 4 7抗震等级 A级高度的高层建筑结构抗震等级 注 1 接近或等于高度分界时 应结合房屋不规则程度及场地 地基条件适当确定抗震等级 2 底部带转换层的筒体结构 其框支框架的抗震等级应按表中部分框支剪力墙结构的规定采用 3 当框架 核心筒结构的高度不超过60m时 其抗震等级允许按框架 剪力墙结构采用 4 乙类建筑及 类场地且设计基本地震加速度为0 15g和0 30g地区的丙类建筑 当高度超过表中上界时 应采用特一级的抗震构造措施 B级高度的高层建筑结构抗震等级 注 底部带转换层的筒体结构 其框支框架和底部加强部位筒体的抗震等级应按表中框支剪力墙结构的规定采用 抗震设计的高层建筑 当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时 地下一层的抗震等级应按上部结构采用 地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级 但不应低于四级 地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分 其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级 抗震设计时 与主楼连为整体的裙房的抗震等级 除应按裙房本身确定外 相关范围不应低于主楼的抗震等级 主楼结构在裙房顶板上 下各一层应适当加强抗震构造措施 裙房与主楼分离时 应按裙房本身确定抗震等级 裙房与主楼相连的 相关范围 概念 一般指主楼周边外延三跨的裙房结构 相关范围以外的裙房可按裙房自身的结构类型确定抗震等级 裙房偏置时 其端部有较大扭转效应 也需要加强 延性 构件和结构屈服后 在承载力基本不降低的前提下 一般取承载力的85 结构 构件 的变形能力 一般用延性系数 延性比 表示 延性系数 极限变形与屈服变形之比 延性包括材料 截面 构件和结构的延性 抗震结构应设计成延性结构 通过结构延性吸收能量 抵抗罕遇地震作用 延性结构是一种经济的设计对策 4 8延性与耗能 延性的概念 结构延性 耗能能力可以用结构或构件力 变形滞回曲线包含的面积来度量 弯曲破坏 压弯破坏 4 8 1材料应变延性 材料的应变延性系数可定义为 u y式中 y 材料的屈服应变 u 材料强度没有明显降低时的极限应变 抗震结构采用的钢筋应有足够大的延性和伸长率 以保证结构构件有足够的塑性变形能力 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度的实测值不应过小 以保证钢筋屈服 形成塑性铰后 有足够大的转动能力和耗能能力 钢筋屈服强度实测值与标准值的比值不应过大 以保证实现强柱弱梁 强剪弱弯的实现 箍筋约束混凝土的峰值应力和应变均明显高于非约束混凝土 且曲线下降平缓 箍筋配置量越多 曲线下降越平缓 说明约束混凝土的延性较好 方形箍筋及环形螺旋筋的约束作用 a 方形箍筋 b 环形螺旋筋 4 8 2截面曲率延性 截面曲率延性系数的计算式为 u y式中 截面曲率延性系数 y u 分别为截面屈服曲率和极限曲率 影响钢筋混凝土构件截面曲率延性的主要因素有 混凝土强度 箍筋 轴压比 纵向钢筋 截面几何形状等 纵向钢筋 受拉钢筋为高强钢筋时 曲率延性降低 配置受压钢筋可以增大截面的曲率延性 截面形状 方形 矩形截面柱截面曲率延性大于T形 L形等异形截面柱 4 8 3构件位移延性 悬臂柱在水平力作用下的顶点延性系数为 u y式中 悬壁柱顶点位移延性系数 y u 分别是顶点屈服位移和极限位移 4 8 4结构位移延性 结构位移延性可以用层间位移延性系数或顶点位移延性系数表示 层间位移延性系数按下式计算 u uu uy式中 u 结构层间位移延性系数 uy uu 分别为结构层间屈服位移和极限位移 目前可以用来计算结构位移延性系数的手段是对整体结构进行静力弹塑性分析 对截面延性的要求高于对构件延性的要求 对构件延性的要求高于对结构的延性要求 两者的关系与结构塑性铰形成后的破坏机制有关 住宅 公寓amax不大于0 15m s2办公 旅馆amax不大于0 25m s2 4 9舒适度要求 房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求 在现行国家标准 建筑结构荷载规范 GB50009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计算值不应超过以下的限值 舒适度要求 舒适度要求 楼盖结构宜具有适宜的刚度 质量及阻尼 其竖向振动舒适度应符合下列规定 1 钢筋混凝土楼盖结构竖向频率不宜小于3Hz 2 不同使用功能 不同自振频率的楼盖结构 其振动峰值加速度不宜超过下