高层建筑结构设计第四章设计计算的基本规定(叶)

1、,第4章 设计计算的基本规定,强度问题构件截面承载力验算 刚度问题正常使用条件下结构水平位移验算和风振舒适度验算 稳定问题结构稳定与抗倾覆验算 延性和耗能问题抗震结构的延性和耗能要求,高层建筑结构设计要点,高层混凝土结构宜采用高强高性能混凝土和高强钢筋,4.1 结构材料,混凝土强度不宜过低，也不宜过高,4.1 结构材料,强度过低：轴压比大，延性差,柱(墙)的轴压力设计值与柱(墙)的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值,强度过高：需要更严地控制剪压比，以保证延性,梁、柱截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值,高层混凝土结构宜采用高强高性能混凝土和高强钢筋,4.1 结构材料,混

2、凝土强度不宜过低，也不宜过高,钢筋采用抗震钢筋 （延性好）,高层混凝土结构宜采用高型钢混凝土、钢管混凝土构件,第一步：选择结构体系 第二步：选择分析计算模型 第三步：初步设计构件尺寸 第四步：刚重比须满足下限要求，弹性变形计算（可能需考虑重力二阶效应变形放大系数）,4.2 结构计算的一般规定,尽量采用空间分析模型 复杂高层和不规则结构应至少采用两个不同力学模型的结构分析软件,第五步：根据验算结果决定是否修正构件尺寸 第六步：分别计算水平荷载和竖向荷载作用下结构的内力并组合,4.2 结构计算的一般规定,竖向荷载作用下RC框架梁需考虑局部塑形变形引起的内力重分布,弯矩调幅 由于钢筋混凝土结构具有塑

3、性内力重分布性质，在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩，进行调幅，以减少负弯矩钢筋的拥挤现象。,4.2 结构计算的一般规定,?,塑性铰,塑性铰,在钢筋屈服截面，从钢筋屈服到达到极限承载力，截面在外弯矩增加很小的情况下产生很大转动，表现得犹如一个能够转动的铰，称为“塑性铰”。,P,Pu,Mu,Mu,P,4.2 结构计算的一般规定,塑性内力重分布的受力过程： 第一阶段：首先荷载较小，跨中、支座弯矩线形增加，支座弯矩大于跨中弯矩（支座弯矩始终是大于跨中弯矩的）。随着荷载增大，支座达到承载能力极限，形成塑性铰。 第二阶段：此时支座弯矩不变（事实上还有小许增加），跨中弯矩继续增加，最后跨中也出现塑性铰，

4、结构成为机动体系，结构破坏。,4.2 结构计算的一般规定,弯矩调幅通过调低支座弯矩，增加跨中弯矩来实现内力重分布的目的。,弯矩调幅：,4.2 结构计算的一般规定,弯矩调幅： 对于现浇框架，调幅系数可取0.80.9；装配整体式框架由于节点的附加变形，可取 =0.70.8。,4.2 结构计算的一般规定,弯矩调幅： 将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁的弯矩，则可得到梁的跨中弯矩: 调幅后的跨中弯矩不应小于简支情况下跨中弯矩的50。,4.2 结构计算的一般规定,弯矩调幅： 只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用下的梁端弯矩不能考虑调幅。 因此，必须先将竖向荷载作用下的梁端弯矩调幅后，再与水平荷载

5、产生的梁端弯矩进行组合。,4.2 结构计算的一般规定,第五步：根据验算结果决定是否修正构件尺寸 第六步：分别计算水平荷载和竖向荷载作用下结构的内力并组合,4.2 结构计算的一般规定,竖向荷载作用下RC框架梁需考虑局部塑形变形引起的内力重分布,根据刚重比，可能需考虑重力二阶效应内力放大系数,第七步：根据内力进行截面设计，应考虑材料弹塑性性质 第八步：根据结构抗震等级采取相应的抗震措施，以保证结构的延性 除此以外，高层建筑结构还须进行风振舒适度验算，部分情况下还需进行抗倾覆验算和罕遇地震下的弹塑性变形验算。,4.2 结构计算的一般规定,4.3.1 结构整体稳定验算 4.3.2 结构抗倾覆验算,4.

6、3 稳定问题,重力二阶效应 P-效应：构件自身挠曲引起的附加重力效应 P-效应：结构在水平风荷载或水平地震作用下产生侧移后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应 高层建筑结构稳定设计，主要控制P-效应对结构性能降低的影响以及由此可能引起的结构失稳,4.3.1 P-效应稳定验算,P-效应的考虑方法： 1、简化的有限元法 2、内力和位移增大系数方法 （JGJ3-2010采用方法）,4.3.1 P-效应稳定验算,剪切型（框架结构）,高层建筑结构的变形特点：,4.3.1 P-效应稳定验算,弯曲型（筒体结构、剪力墙结构）,弯剪型（框架-剪力墙结构）,4.3.1 P-效应稳定验算,4.3.1 P-效应稳定验

7、算,考虑结构构件弹性刚度的折减（0.5）（弹塑形） 重力二阶效应的内力放大系数,剪切型结构刚重比,4.3.1 P-效应稳定验算,剪切型结构刚重比与侧向位移增幅关系曲线,剪切型结构（框架结构） 可保证P-效应影响在20%之内,4.3.1 P-效应稳定验算,剪切型结构刚重比与侧向位移增幅关系曲线,剪切型结构（框架结构） 可忽略P-效应,4.3.1 P-效应稳定验算,弯剪型结构（框架-剪力墙） 弯曲型结构（筒体、剪力墙结构） 位移放大系数: F1= 内力放大系数：F2=,4.3.1 P-效应稳定验算,等效侧向刚度： EJd,4.3.1 P-效应稳定验算,等效侧向刚度： EJd （代替悬臂杆的弯曲刚度

8、EJ） 近似按倒三角形分布荷载作用下结构顶点位移相等的原则，将结构的侧向刚度折算为竖向悬臂受弯构件的等效抗侧刚度,弯剪型结构（框架-剪力墙） 弯曲型结构（筒体、剪力墙结构） 位移放大系数: F1= 内力放大系数：F2=,4.3.1 P-效应稳定验算,等效抗侧刚度： EJd,刚重比： EJd/GH2,弯曲型结构刚重比与侧向位移增幅关系曲线,4.3.1 P-效应稳定验算,弯剪型结构（框架-剪力墙），弯曲型结构（筒体、剪力墙结构） 可保证P-效应影响在20%之内,弯曲型结构刚重比与侧向位移增幅关系曲线,4.3.1 P-效应稳定验算,弯剪型结构（框架-剪力墙），弯曲型结构（筒体、剪力墙结构） 可忽略P

9、-效应,小结,弯剪（曲）型结构（剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构） 刚重比EJd/GH2 0.14, 1.4, 2.7 剪切型结构（框架结构） 刚重比 1， 10， 20,4.3.1 P-效应稳定验算,高层建筑抗倾覆问题 在设计高层建筑时,一般都要控制高宽比(H/B),而且,在基础设计时, 高宽比大于4的高层建筑,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的高层建筑,基础底面零应力区面积不应超过基础底面积的15%。符合这些条件时,一般都不可能出现倾覆问题,因此通常不需要进行特殊的抗倾覆验算。,4.3.2 抗倾覆验算,一般不需验算，H/B5时宜进行抗倾覆验算。 抗倾覆验算： MM

10、 M稳定力矩=竖向荷载（ 50%楼面活载+90%恒载）对基础边缘取矩； M倾覆力矩=由风荷载或地震作用（或二者组合）计算的基础顶面处的最大倾覆力矩。,4.3.2 抗倾覆验算,作用效应包括： 构件截面的内力 （截面配筋设计） 水平荷载作用下结构层间位移 （控制截面尺寸）,4.4 作用效应组合,无地震作用效应组合,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；,4.4 作用效应组合,分别为永久荷载、 活荷载和风荷载分项系数；,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；,一般取1.4。,4.4 作用效应组合,分别为楼面活荷

11、载组合值系数和风荷载的组合值系数， 当永久荷载效应控制时，应分别取0.7和0.0； 当可变荷载效应控制时，应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。,4.4 作用效应组合,基本荷载工况有两种 永久（恒）荷载+活荷载 1.2永久荷载效应+1.4活荷载效应 1.35永久荷载效应+1.40.7活荷载效应,4.4 作用效应组合,永久荷载+活荷载+风荷载 1.2永久荷载效应+1.40.7活荷载效应+1.41.0风荷载效应（高层建筑） 1.2永久荷载效应+1.4活荷载效应+1.40.6风荷载效应（多层建筑）,4.4 作用效应组合,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；,分别为重力荷载代

12、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；,4.4 作用效应组合,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，一般取0.0，60m以上的高层建筑取0.2。,4.4 作用效应组合,高层建筑的基本工况,所有高层建筑 1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应 60m以上高层建筑（9度以外） 1.2 重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+1.40.2风荷载效应,4.4 作用效应组合,、 9度高层建筑 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 1.2重力荷载效应+1.3竖向地震作用效应 9度且60m以上高层建筑 1.2重力荷载效应+1

13、.3水平地震作用效应+0.5 竖向地震作用效应+ 1.40.2风荷载效应,4.4 作用效应组合,可不考虑竖向活荷载的不利布置, 用满布活荷载计算内力,4.4 作用效应组合,位移计算时，所有分项系数取1.0,只考虑两个正交（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 新修订：某些结构须考虑两个正交（主轴）方向的水平力同时作用,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1.1,4.5 构件承载力计算,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

14、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，构件截面承载力设计值（与材料分项系数的大小有关）,r0SR,4.5 构件承载力计算,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,4.5 构件承载力计算,：承载力抗震调整系数,：承载力抗震调整系数,4.5 构件承载力计算,延性：屈服（峰值）后强度或承载力没有显著降低时的塑性变形能力。 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。 延性的作用：减少地震作用，消耗地震能量,延性与耗能,延性的度量：延性系数（延性比）,最大允许变

15、形， 屈服变形,对于实测荷载变形曲线，如何确定其屈服变形和最大允许变形，国内外尚无统一标准。,延性与耗能,一般倾向于：对应取理想弹塑性结构开始屈服时的变形 ，作为屈服变形，取实际结构极限荷载下降10时的变形（ 或 ）作为最大允许变形。,延性与耗能,地震对结构输入能量，结构通过弹塑性变形耗散能量。 可以用截面、构件或结构的力变形滞回曲线的面积来度量耗能的大小。,耗能,延性与耗能,钢构件,延性与耗能,地震对结构输入能量，结构通过弹塑性变形耗散能量。 可以用截面、构件或结构的力变形滞回曲线的面积来度量耗能的大小。 滞回环饱满，耗能能力好；滞回环狭窄，耗能能力差。,耗能,延性与耗能,钢构件,钢筋混凝土

16、构件,延性与耗能,延性是通过抗震构造措施 来保证的，而具体的抗震构造措施由结构抗震等级确定。,延性与耗能,抗震等级 不同高度、不同烈度、不同体系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。,结构抗震等级,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,结构抗震等级,结构抗震等级,结构抗震等级,次要的抗侧力结构单元的抗震要求可以低于主要的抗侧力结构单元。 当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等

17、级，否则按框架结构确定等级。 区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%。,结构抗震等级,表中的烈度： 确定抗震等级的烈度，不一定是设防烈度，需要调整 与下列因素有关: 建筑类别（甲，乙，丙） 设防烈度 场地类别,结构抗震等级,建筑抗震设防分类 抗震设计的高层建筑应根据建筑使用功能的重要性分类: 甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑； 乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，如医院、通信枢纽等； 丙类建筑：除甲、乙类以外的一般建筑。大部分高层建筑属于丙类。,结构抗震等级,确定抗震等级的烈度,抗震构造措施调整烈度建筑类别，设防烈度，场

18、地,结构抗震等级,4.6.1 弹性变形计算 4.6.2 风振舒适度,4.6 正常使用条件下的水平位移验算和舒适度要求,弹性变形计算 目的：保证主体结构基本处于弹性受力状态；防止风、小震作用下非结构构件破坏 方法：足够大的刚度 刚度：单位变形（位移、转角等）所需的力，包括：侧向刚度和扭转刚度。,4.6.1 弹性变形计算,弹性变形计算,作用标准值效应组合产生的楼层 最大弹性层间位移（风、地震）,弹性层间位移角限值,计算楼层层高,4.6.1 弹性变形计算,弹性层间位移角限值,4.6.1 弹性变形计算,舒适度要求 在风荷载作用下，高度超过150m的高层建筑，应满足人使用的舒适度要求。 此时，按照重现期

19、为10年的风荷载计算结构顶点加速度，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度max应满足下列要求： 住宅、公寓 max不大于0.15m/s2 办公、旅馆 max不大于0.25m/s2,4.6.2 风振舒适度,目的：防止罕遇地震时结构倒塌。 方法：通过延性实现弹塑性变形，满足弹塑性层间位移角限值的要求。,4.7 罕遇地震下的弹塑性变形验算,高规规定，下列高层建筑结构应进行弹塑性变形验算： 79度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架和框排架结构； 高度大于150m的结构； 甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构； 采用隔震和消能减震设计的结构。,罕遇地震下的弹塑性变形验算,4.7 罕遇地震下的弹塑性变形验算,罕遇地震下的弹塑性变形验算,结构弹塑性层间位移的简化计算方法:,结构薄弱层的确定,弹塑性层间角限值（P97）,楼层实际抗剪承载力,罕遇地震作用下的层间剪力,4.7 罕遇地震下的弹塑性变形验算,弹塑性层间位移角限