建筑结构荷载计算实用教案

1、主要(zhyo)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(ynxng)要求和抗震等级4.6 荷载效应组合及最不利内力第1页/共81页第一页，共82页。4.14.1承载力验算承载力验算 按承载力极限状态验算结按承载力极限状态验算结构构构件构件(gujin)(gujin)截面：截面：足够大的承载能力足够大的承载能力第2页/共81页第二页，共82页。无地震作用效应无地震作用效应(xioyng)(xioyng)组合时组合时 r0SR r0 ：结构重要性系数 安全等级为二级或设计使用(shyng)年限50年，不小于1.0 安全等级为一级或设

2、计使用(shyng)年限100年及以上，不小于1.1 第3页/共81页第三页，共82页。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(hzi)标准值和荷载(hzi)效应分项系数的大小有关） R：无地震作用(zuyng)组合时，构件截面承载力设计值（与材料分项系数的大小有关） r0SR第4页/共81页第四页，共82页。有地震作用有地震作用(zuyng)(zuyng)效效应组合时应组合时 REEERS/SE ：有地震作用(zuyng)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(zuyng)组合时，构件截面承载力设计值第5页/共81页第五页，共82页。：承

3、载力抗震调整(tiozhng)系数 RE材料材料 结构构件结构构件 钢筋混凝土钢筋混凝土梁梁 0.75轴压比小于轴压比小于0.150.15的柱的柱 0.75轴压比大于轴压比大于0.150.15的柱的柱0.80剪力墙剪力墙 0.85各类受剪、偏拉构件各类受剪、偏拉构件 0.85钢钢（强度破（强度破坏）；坏）；柱，支撑屈柱，支撑屈曲，为曲，为0.800.80梁、柱梁、柱 0.75（0.75）支撑支撑 0.80（0.75）节点板件、连接螺栓节点板件、连接螺栓 0.85（0.75）连接焊缝连接焊缝 0.90（0.75）RE第6页/共81页第六页，共82页。 二阶段设计方法控制：二阶段设计方法控制：多遇

4、地震（及风荷载下），要求主体多遇地震（及风荷载下），要求主体结构不受破坏，非结构构件没有结构不受破坏，非结构构件没有(mi (mi yu)yu)过重破坏并导致人员伤亡，保证过重破坏并导致人员伤亡，保证建筑的正常使用功能；建筑的正常使用功能；罕遇地震作用下，主体结构遭受破坏罕遇地震作用下，主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。或严重破坏但不倒塌。4.2 4.2 侧移限制侧移限制(xinzh)(xinzh)（弹性（弹性层间位移角限值）层间位移角限值）第7页/共81页第七页，共82页。4.2 4.2 侧移限制（弹性侧移限制（弹性(tnxng)(tnxng)层间位移角限值）层间位移角限值） 目的：防止风

5、、小震作用下非结构目的：防止风、小震作用下非结构构件破坏：构件破坏：防止主体结构开裂、损坏；防止主体结构开裂、损坏；防止填充墙及装修开裂、破坏；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，过大的侧向变形会使人有不舒适感，影响正常使用；影响正常使用；过大的侧移会使结构产生附加内力过大的侧移会使结构产生附加内力(nil)(nil)（P-P-效应）。效应）。 如何达到目的：结构有足够大的刚如何达到目的：结构有足够大的刚度度 参数：最大层间位移角参数：最大层间位移角多遇地震(dzhn)（及风荷载下），第8页/共81页第八页，共82页。uu：荷载效应(xioyng)(xioyng)标准值

6、组合所得结构最大层间位移；h h：层高；u/h :u/h :最大层间位移角； u/hu/h：弹性层间位移角限值。 u/hu/h u/hu/h 第9页/共81页第九页，共82页。 u/hu/h：弹性：弹性(tnxng)(tnxng)层间位移角限值（使层间位移角限值（使用阶段）用阶段） 材料材料 结构高度结构高度 结构类型结构类型 限值限值 钢筋钢筋混凝土混凝土 结构结构不大于不大于150m 150m 框架框架 1/550 1/550 框架框架- -抗震墙抗震墙板柱板柱- -抗震墙抗震墙框架框架- -核心筒核心筒 1/800 1/800 抗震墙抗震墙筒中筒筒中筒 1/1000 1/1000 框支层

7、框支层 1/10001/1000不小于不小于250m250m各种类型结构各种类型结构 1/5001/500钢结构钢结构 各种类型结构各种类型结构 1/250 1/250 第10页/共81页第十页，共82页。罕遇地震（防止(fngzh)倒塌）薄弱(b ru)层（部位）弹塑性层间位移角限值第11页/共81页第十一页，共82页。4.3 4.3 舒适度要求舒适度要求(yoqi)(yoqi) 高度超过150m：10年一遇的风荷载，顶点最大加速度限值 住宅(zhzhi)、公寓：0.15m/s2 办公、旅馆：0.25m/s2第12页/共81页第十二页，共82页。4.4 4.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆(qn

8、gf)(qngf)要求要求P-效应： 侧移，重力荷载产生(chnshng)附加弯矩，增大侧移和内力第13页/共81页第十三页，共82页。4.4.1 4.4.1 高层高层( (o cno cn) )钢筋混凝土结构的稳定验算钢筋混凝土结构的稳定验算实际上大部分钢筋(gngjn)混凝土结构不需要计算P-效应。第14页/共81页第十四页，共82页。4.4.1 4.4.1 高层钢筋混凝土结构高层钢筋混凝土结构(jigu)(jigu)的稳定验算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(zhngl)二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑第15页/共81页

9、第十五页，共82页。4.4.1 4.4.1 高层钢筋混凝土结构高层钢筋混凝土结构(jigu)(jigu)的稳定验算的稳定验算结构位移增大(zn d)系数：框架结构剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构第16页/共81页第十六页，共82页。4.4.1 4.4.1 高层钢筋高层钢筋(gngjn)(gngjn)混凝土结构的稳定验算混凝土结构的稳定验算高层建筑结构的稳定应符合(fh)下列规定： 剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应符合(fh)下式要求： 框架结构应符合(fh)下式要求第17页/共81页第十七页，共82页。4.4.2 4.4.2 高层钢结构的稳定高层钢结构的稳定(wndng)(wnd

10、ng)验算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(zhngt)稳定，即重力作用下的二阶效应P效应。第18页/共81页第十八页，共82页。4.4.2 4.4.2 高层高层( (o cno cn) )钢结构的稳定验算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(xingdu)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/h1/100

11、0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。第19页/共81页第十九页，共82页。4.4.3 4.4.3 高层建筑抗倾覆高层建筑抗倾覆(qngf)(qngf)问题问题高层建筑侧移过大，其重力作用合力(hl)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。第20页/共81页第二十页，共82页。4.4.3 4.4.3 高层建筑抗倾覆高层建筑抗倾覆(qngf)(qngf)问题问题控制高宽比；高宽比大于4的建筑，在地震(dzhn)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

12、力区面积不应超过基础底面积的15。第21页/共81页第二十一页，共82页。设防烈度(lid)6(lid)6度及6 6度以上的抗震结构4.5 4.5 延性要求延性要求(yoqi)(yoqi)与抗与抗震等级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(yuy)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

13、。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。 第22页/共81页第二十二页，共82页。OA:OA:弹性(tnxng)(tnxng)设计，承载力抗震OBCOBC和ODE:ODE:( (承载力延性) )抗震 两种抗震两种抗震(kngzhn)设设计方法计方法（构件屈服，局部(jb)破坏）具有足够大延性和耗能能力具有足够大延性和耗能能力 第23页/共81页第二十三页，共82页。延性延性 材料、截面、构件材料、截面、构件(gujin)或结构或结构保持一定的强度或承载力时的非弹性保持一定的强度或承载力时的非弹性（塑性）变形能力（塑性）变形能力 用延性系数度量：用延性

14、系数度量：/uy y和u分别(fnbi)为屈服值和极限值定义：没有规定 第24页/共81页第二十四页，共82页。0204060800.0000.0050.0100.0150.0200.025/MPaZ8Z9Z10Z11Z12Z13材料应变材料应变(yngbin)延性延性 不同强度(qingd)等级混凝土 不同(b tn)配箍特征值 碳纤维约束混凝土钢筋或钢材 /uy第25页/共81页第二十五页，共82页。截面截面(jimin)曲率延性曲率延性 截面弯短曲率(ql)关系 屈服时截面应变分布 极限状态时截面应变分布 /uy第26页/共81页第二十六页，共82页。构件位移构件位移(wiy)延性延性

15、悬臂构件的弯矩、曲率(ql)和位移的关系/uy2(1)13 (0.5 )ppllll 悬臂(xunb)构件位移延性系数与截面曲率延性系数的关系式 第27页/共81页第二十七页，共82页。结构位移结构位移(wiy)延性延性 /uy 顶点(dngdin)位移延性系数或层间位移延性系数 第28页/共81页第二十八页，共82页。影响影响RC构件截面曲率构件截面曲率(ql)延性的主延性的主要因素要因素截面曲率截面曲率(ql)延性延性系数系数/uy第29页/共81页第二十九页，共82页。截面(jimin)的名义屈服曲率 /0.85yy0/()yyyhxy0hyyx截面(jimin)有效高度钢筋屈服(qf)

16、应变（小，有利）混凝土受压区高度（小，有利） 纵筋屈服时名义屈服时第30页/共81页第三十页，共82页。截面的极限(jxin)曲率 /ucuuxu受压区边缘混凝土极限压应变(yngbin) （大，有利） ux混凝土受压区高度(god)（小，有利） cu第31页/共81页第三十一页，共82页。（1 1）混凝土强度）混凝土强度(qingd)(qingd)等级等级 强度(qingd)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(bngqi)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。第32页/共81页第三十二页，共82页

17、。（2 2）箍筋）箍筋不同(b tn)配箍特征值应力应变关系影响混凝土极限(jxin)压应变cu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(hxn)混凝土的受约束程度越高。 第33页/共81页第三十三页，共82页。（3 3）轴压比（）轴压比（N/fcAN/fcA） 影响混凝土相对(xingdu)受压区高度第34页/共81页第三十四页，共82页。轴压比大，相对(xingdu)受压区高度大，延性小 极限(jxin)曲率低轴压比 / 极限(jxin)曲率高轴压比 1.01221/cuuucuuuCCCC相对受压区高度相对受压区高度(god)与曲率延性比关系与曲率延性比关系

18、 第35页/共81页第三十五页，共82页。 在高轴压比情况下，在水平荷载施加之前，柱子己经产生(chnshng)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(xingdu)受压区高度大，延性小 第36页/共81页第三十六页，共82页。（4 4）纵向）纵向(zn(zn xin xin) )钢钢筋筋梁：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(qf)强度高屈服(qf)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 第37页/共81页第三十七页，共82页。（5 5）截面几何）截面几何

19、(j (j h) h)形状形状箍筋对混凝土的约束作用： 圆形截面(jimin)最强，方形截面(jimin)次之，矩形截面(jimin)再次之，异形截面(jimin)最差第38页/共81页第三十八页，共82页。对于(duy)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 第39页/共81页第三十九页，共82页。弹塑性层间位移弹塑性层间位移(wiy)(wiy)角限值角限值 目的：防止罕遇地震时结构目的：防止罕遇地震时结构(jigu)(jigu)倒塌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(wiy)(wiy)角限值的要求第40页/共81页第四十页，共

20、82页。 弹塑性层间位移(wiy)(wiy)角限值 材料材料结构类型结构类型 限值限值 钢筋混凝钢筋混凝 土结构土结构 框架框架 1/50 1/50 框架框架- -剪力墙剪力墙框架框架- -核心筒核心筒 1/100 1/100 剪力墙剪力墙 筒中筒筒中筒 1/120 1/120 框支层框支层 1/1201/120钢结构钢结构 各种类型结构各种类型结构 1/501/50第41页/共81页第四十一页，共82页。耗能能力耗能能力(nngl) 滞回曲线(qxin)的形状、面积 耗能能力大、小，难以量化-60-40-20020406080-100-50050100梁端荷载(KN)梁端位移（mm）J1第4

21、2页/共81页第四十二页，共82页。4.5.2 4.5.2 概念设计及抗震概念设计及抗震(kngzhn)(kngzhn)等级等级（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(cush)及抗震等级。第43页/共81页第四十三页，共82页。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(ji y)上述两者之间，设计合理，可有较好的延性。第44页/共81页第四十四页，共82页。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(b r

22、u)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。第45页/共81页第四十五页，共82页。设计(shj)延性结构延性构件；延性结构。第46页/共81页第四十六页，共82页。 不同高度(god)(god)、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抗震(kngzhn)(kngzhn)等级等级第47页/共81页第四十七页，共82页。计算措施地震(dzhn)(dzhn)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

23、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抗震(kngzhn)措施措施 第48页/共81页第四十八页，共82页。A A级高度(god)(god)：一、二、三、四级 （一级要求最高）B B级高度(god)(god)：特一、一、二级 （特一级要求最高）抗震抗震(kngzhn)等等级划分级划分 第49页/共81页第四十九页，共82页。 烈度 结构(jigu)(jigu)类型 两种结构(jigu)(jigu)单元时，重 要程度不同 房屋高度确定抗震等级确定抗震等级(dngj)的的参数参数第50页/共81页第五十页，共82页。第51页/共81页第五十一页，共82页。注：1 建筑

24、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(chngd)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。第52页/共81页第五十二页，共82页。表中的烈度： 确定抗震等级的烈度 与下列因素(yn s)(yn s)有关: : 建筑类别 设防烈度 场地第53页/共81页第五十三页，共82页。 建筑类别(libi) 场地 设防烈度 6 7 8 9 甲类、乙类 6

25、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-确定抗震等级确定抗震等级(dngj)的的烈度烈度第54页/共81页第五十四页，共82页。 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(chngd)时，框架、剪力墙的抗震等级； 类场地(chngd)时，框架、剪力墙的抗震等级。思考题第55页/共81页第五十五页，共82页。4.6 4.6 效应组合及最不利效应组合及最不利(bl)(bl)内力内力 S荷载效应组合(zh)的设计值； 分别(fnbi)为永久荷载、活荷载和风荷载效应标准值；4.6.1 4.6.1

26、无地震作用效应组合无地震作用效应组合wkwwkQQQGkGSSSS111GkSkQS1wkS第56页/共81页第五十六页，共82页。wG1QG承载力计算(j sun)时：w可变荷载效应(xioyng)控制时取1.2，永久荷载效应(xioyng)控制时取1.35，对结构有利时取1.0一般(ybn)取1.4，小于3kN/m2时取1.3一般取1.4G1Q分别为永久荷载、活荷载和风荷载分项系数wkwwkQQQGkGSSSS111第57页/共81页第五十七页，共82页。活荷载组合值系数永久(yngji)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、w1Q风荷载的组合(zh)值系数，取1.0注

27、意多层时取0.6。第58页/共81页第五十八页，共82页。基本荷载工况有两种永久(yngji)(yngji)（恒）荷载+ +活荷载 1.2 1.2永久(yngji)(yngji)荷载效应+1.4+1.4活荷载效应 1.35 1.35永久(yngji)(yngji)荷载效应+1.4+1.40.70.7活荷载效应承载力计算承载力计算(j sun)时时第59页/共81页第五十九页，共82页。永久荷载+活荷载+风荷载 1.2永久荷载效应(xioyng)+1.4活荷载效应(xioyng)+1.41.0风荷载效应(xioyng)（高层建筑） 第60页/共81页第六十页，共82页。荷载工况公式(gngsh)

28、中各分项系数取1.0位移位移(wiy)计算时计算时第61页/共81页第六十一页，共82页。4.6.2 4.6.2 有地震作用效应有地震作用效应(xioyng)(xioyng)组合时组合时G GEEh EhkEv Evkw wwkSSSSS S S 荷载效应(xioyng)(xioyng)和地震作用效应(xioyng)(xioyng)组合 的设计值； EE第62页/共81页第六十二页，共82页。分别为重力(zhngl)荷载代表值、水平地震作用标准值、竖向地震作用标准值、风荷载标准值的效应； wkEvkEhkGESSSS，G GEEh EhkEv Evkw wwkSSSSS 第63页/共81页第六

29、十三页，共82页。分别为上述各种荷载和地震作用(zuyng)分项系数； GEhEvw，风荷载(hzi)的组合值系数，取0.2。 wG GEEh EhkEv Evkw wwkSSSSS 第64页/共81页第六十四页，共82页。60m60m以上的高层建筑：以上的高层建筑： 风荷载效应和地震作用风荷载效应和地震作用(zuyng)(zuyng)效应组合效应组合9 9度时：度时： 竖向地震作用竖向地震作用(zuyng)(zuyng)的效应组的效应组合合第65页/共81页第六十五页，共82页。所有高层建筑 1.2 1.2重力荷载(hzi)(hzi)效应+1.3+1.3水平地震作用效应60m60m以上高层建

30、筑（9 9度以外） 1.2 1.2 重力荷载(hzi)(hzi)效应+1.3+1.3水平地震作用效应+1.4+1.40.20.2风荷载(hzi)(hzi)效应高层建筑效应高层建筑效应(xioyng)组合的基本组合的基本工况工况第66页/共81页第六十六页，共82页。、 9 9度高层建筑1.21.2重力(zhngl)(zhngl)荷载效应+1.3+1.3水平地震作用效应+0.5+0.5竖向地震作用效应 1.21.2重力(zhngl)(zhngl)荷载效应+1.3+1.3竖向地震作用效应第67页/共81页第六十七页，共82页。 9 9度且60m60m以上高层建筑1.21.2重力荷载(hzi)(hz

31、i)效应+1.3+1.3水平地震作用效应+0.5 +0.5 竖向地震作用效应+ 1.4+ 1.40.20.2风荷载(hzi)(hzi)效应 第68页/共81页第六十八页，共82页。竖向活荷载的布置竖向活荷载的布置(bzh) (bzh) 可不考虑活荷载的不利布置, , 用满布活荷载计算(j sun)(j sun)内力 第69页/共81页第六十九页，共82页。 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(fngxing)角的影响风的作用风的作用(zuyng)方向方向第70页/共81页第七十页，共82页。风的方向(fngxing)第71页/共81页第七十一页，共82页。 一

32、般情况下，两个(lin )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地震的方向(fngxing)（强制）（强制）第72页/共81页第七十二页，共82页。控制截面控制截面: :验算承载力的截面，通常验算承载力的截面，通常(tngchng)(tngchng)是内力最大的截面是内力最大的截面框架梁框架梁: :两端截面，跨中截面两端截面，跨中截面连梁连梁: :两端截面两端截面框架柱、墙肢框架柱、墙肢: :两端截面两端截面 4.6.3 4.6.

33、3 控制截面控制截面(jimin)(jimin)及最及最不利内力不利内力第73页/共81页第七十三页，共82页。梁端截面(jimin)(jimin)： 最大正弯矩，最大负弯矩，最大剪力 梁跨中截面(jimin)(jimin)： 最大正弯矩柱、墙： 大偏压时弯矩大不利 小偏压时轴力大不利 最不利最不利(bl)内内力力第74页/共81页第七十四页，共82页。 及相应(xingyng)的N 及相应(xingyng)的M 及相应(xingyng)的M 较大及N较大或 较大及N较小MmaxNmaxNminM柱、墙最不利柱、墙最不利(bl)(bl)内力内力M第75页/共81页第七十五页，共82页。端部截面端部截面(jimin)(jimin)，不是轴线，不是轴线截面截面(jimin)(jimin)构件验算构件验算(yn sun)截面截面第76页/共81页第