高层建筑结构与抗震之荷载效应组合及最不利内力

荷载效应组合及最不利内力一、荷载效应组合表达式一般用途的高层建筑结构承受的竖向荷载有结构、填充墙、装修等自重（永久荷载）和楼面使用荷载、雪荷载等（可变荷载）；水平荷载有风荷载及地震作用。各种荷载可能同时出现在结构上，但是出现的概率不同。按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。所谓荷载效应，是指在某种荷载作用下结构的内力或位移。通常，在各种不同荷载作用下分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，以下简称为《荷载规范》）上给出的自重及使用荷载、雪荷载等值，以及风荷载及地震等效荷载值都称为荷载标准值。各种标准荷载独立作用产生的内力及位移称为荷载效应标准值，在组合时各项荷载效应应乘以分项系数及组合系数。分项系数是考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数，而组合系数则是考虑到某些荷载同时作用的概率较小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。例如，风荷载和地震作用同时达到最大值的概率较小，因此在风荷载和地震作用组合时，风荷载乘以组合系数0.2根据我国《荷载规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002，以下简称为《高规》）的规定，一般用途的高层建筑荷载效应组合的表达式如下：无地震作用效应组合时（1）式中S——无地震作用组合时荷载效应组合的设计值；——永久荷载分项系数，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；——楼面活荷载分项系数，一般情况下应取1.4；——风荷载的分项系数，应取1.4；——永久荷载效应标准值；——楼面活荷载效应标准值；——风荷载效应标准值；、——分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，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有地震作用效应组合时（2）式中——有地震作用组合时荷载效应组合的设计值；——重力荷载代表值产生的荷载效应标准值；重力荷载代表值包括下列荷载：100％自重标准值，50％雪荷载标准值，50％～80％楼面活荷载（在书库及档案库中取80％楼面活荷载）；、——分别为水平地震作用及竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；——风荷载效应标准值；、、、——分别为相应于上列各项荷载效应的分项系数；——风荷载组合系数，应取0.2。一般用途的高层建筑，其荷载效应组合应考虑表1中所列各种情况，表中还给出了在计算内力组合时各个分项系数的值。当重力荷载效应对结构承载力有利时，表中取为1.0。在进行位移组合时，所有分项系数都取1.0，即采用位移标准值进行组合。表1荷载效应组合情况及分项系数有些特殊用途的高层建筑可能还作用有其他荷载或特殊荷载，例如爆炸荷载等，则应按专门要求进行组合。关于表1，有几点需要说明：第1种组合通常只有在多层建筑中才可能成为不利组合。高层建筑的基本组合情况是2、3、6三种情况；在9度设防区才考虑4、5、7三种情况。二、内力组合及最不利内力由永久荷载、可变荷载、风荷载及地震作用分别计算内力后，按照上述方法进行荷载效应组合时，常常需要按一种以上的组合情况进行组合，因为在结构使用期限内，会出现多种可能。也就是说，对于同一个构件或同一个截面，多种组合产生的不同内力都可能出现，而设计时要按照可能与最不利原则进行挑选，找出最不利内力，进行构件截面设计，不同构件的最不利内力并不一定来自同一种组合。因此，如何选择构件截面的设计内力是内力组合的主要目的。在各种结构中，框架的内力组合是比较复杂的，下面各种讨论都是围绕框架进行的，其他结构可参照使用。1．控制截面及最不利内力类型在构件设计时，要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力，作为配筋设计的依据。首先要确定构件的控制截面，其次要挑选这些截面的最不利内力。所谓最不利内力，就是使截面配筋最大的内力。控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。对于框架横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。在梁端截面（指柱边缘处的梁截面），要组合最大负弯矩及最大剪力，也要组合可能出现的正弯矩。注意，由于内力分析结果都是轴线位置处的梁的弯矩及剪力，但在配筋计算时应采用柱边截面处的内力，因而在组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力，见图2。对于柱子，根据弯矩图可知，弯矩最大值在柱两端，剪力和轴力值在同一楼层内变化较小。因此，柱的设计控制截面为上、下两个端截面。注意，在轴线处的计算内力也要换算到梁上、下边缘处的柱截面内力，见图2。柱可能出现大偏压破坏，此时M愈大愈不利；也可能出现小偏压破坏，此时N愈大愈不利。此外，还应选择正弯矩或负弯矩中绝对值最大的弯矩进行截面配筋，因为柱子多数都设计成对称配筋。由以上分析可知，柱子弯矩和轴力组合要考虑下述四种可能情况：1）及相应的N；2）及相应的M；3）及相应的M；4）比较大（不是绝对最大），但N比较小或比较大（不是绝对最小或绝对最大）。有时绝对最大或最小的内力不见得是最不利的。对于大偏心受压构件，愈大，截面需要的配筋愈多。对于小偏压构件，如果N不是最大，但相应的M比较大时，配筋也会多一些。所以，组合时要找第4）种情况，而且常常是这种情况控制配筋。图2梁端控制截面内力图还应提出的是，在截面配筋计算时应采用构件端部截面的内力，而不是轴线处的内力。由图2可见，梁端弯矩较轴线处弯矩小（柱端亦如此）。因此在组合前要经过换算，求出端截面的弯矩和剪力，填入组合表内。为了验算斜截面承载力，柱子也要组合。2．竖向活荷载的布置恒载是长期作用在结构上的荷载，任何时候必须全部考虑，在计算内力时恒载必须满布。竖向活荷载是短暂作用的、可变的。各种不同的布置会产生不同的内力，因此，应该由最不利布置方式计算内力，以求得截面最不利内力。对于高层建筑，计算不利布置荷载的内力及内力组合工作量很大，而一般民用及公共高层建筑中竖向活荷载不会很大（活荷载1.5—2.5kN/m2），与恒载及水平荷载产生的内力相比，竖向活荷载产生的内力所占比重很小。因此，多数情况下，可不考虑活荷载的不利布置，只用满布活荷载一种情况计算内力，这样可以大大减小计算工作量。在竖向活荷载很大时（大于4kN/m2，如图书馆书库、多层工业厂房或仓库），必须考虑活荷载不利布置。具体布置方式，可参考有关文献，此处不再赘述。3．塑性调幅框架中允许梁端出现塑性铰。因此，在梁中可考虑塑性内力重分布，通常是降低支座弯矩，以减小支座处的配筋。对于现浇框架，支座弯矩的调幅系数采用0.8—0.9。对于装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不严等原因，节点容易产生变形，梁端弯矩较弹性计算结果会有所降低，因此支座弯矩调幅系数允许低一些，取0.7－0.8。支座弯矩降低后，必须相应加大梁跨中弯矩。这样，在支座出现塑性铰以后，不会导致跨中截面承载力不足。跨中弯矩应按平衡条件相应增大（图3）。为了保证梁的安全，跨中弯矩还必须满足图中所列的条件。图3框架梁塑性调幅塑性调幅主要是在竖向荷载作用下的内力调整，因此，要在组合前进行调幅，然后才和水平荷载作用下的内力进行组合。截面设计时，框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设计值的50％。4．水平荷载作用方向风载和地震作用可能沿任意方向，可以按平面结构计算方法，考虑作用在主轴方向，但可以是正方向，也可是负方向。在矩形平面结构中，正、负两方向作用荷载下内力大小相等，符号相反。因此只需作一次计算分析，将内力冠以正、负号即可。但在平面布置复杂或不对称结构中，一个方向的水平荷载可能对一部分构件形成不利内力，另一方向水平荷载对另一部分构件形成不利内力。这时要作具体分析，选择不同方向的水平荷载，分别进行内力分析，然后进行内力组合。3层梁的控制截面为1，2，3，4，5五个截面，见图4。表2（1）中所给竖向荷载下弯矩已经经过塑性调幅（调幅系数0.8），跨中弯矩也已按要求加大。此外，所有弯矩及剪力值都已换算到梁端截面。3层梁组合结果为⑤、⑥两栏，每个截面有几个内力，选择其中最大的正弯矩和负弯矩进行配筋计算，用最大的进行斜截面承载力验算。2层柱的控制截面为上下端截面，即图4中