第二章高层建筑的荷载作用与作用效应组合.

1、第4章高层建筑结构的计算分析和设计要求4.1高层建筑结构的计算分析(D随着高层的快速发展，层数多，高度大，平面布置和立面体形复杂，结 构计算分析越来越重要，采用计算机进行计算分析已成为不可或缺的手段。(2) 计算机技术和结构分析软件的普及，一方面使精度提高，另一方面为准 确地了解结构的性能提供了技术手段。因此，合理地选择计算分析方法，确定计算模型和相关参数，正确使用计算机分析软件，检验和判断计算结果的可靠性等对高层建筑结构至关重要。4.1.1结构计算分析方法高层建筑结构应根据不同材料的结构、不同的受力形式和受力阶段，采用相应的计算方法。主要有(1)线弹性分析方法(2) 考虑塑性内力重分布的分析

2、方法(3) 非线性分析方法(4) 模型试验分析方法。线弹性分析方法是最基本，也是最成熟的方法，目前大多采用该方法，实践证明，一般情况下该方法可以满足工程精度要求，对复杂的不规则结构或重要的结构，可考虑非线性分析方法和模型实验方法框架梁及连梁等构件可考虑局部塑性引起的内力重分布，如在竖向荷载作用下，对框架梁端负弯矩乘以调幅系数，装配整体式框架取0.70.8 ,现浇式框架取0.80.9 ;抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予 以折减，折减系数不宜小于0.5。理论分析、试验研究和工程实践表明，对高层建筑结构的承载能力极限状 态和正常使用极限状态，确保结构安全可靠。4.1.2结构计算模型

3、（一）计算模型高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系，应根据实际选取能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型。可选择（1）平面协同工作模型：平面和立面布置简单规则的框架结构、框架-剪力墙结构；（2）空间协同工作模型：（3）空间杆系模型：剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结构、框 架-剪力墙结构应采用空间分析模型（4）空间杆-薄壁杆系模型（5）空间杆-墙板元模型（6）有限元计算模型。针对这些力学模型，目前我国均有相应的结构分析软件。（二）计算假定：（1）楼盖（面）平面内刚度为无限大（2）考虑楼板平面内刚度为简化计算，可视楼（屋）面为水平放置的深梁， 具有很大的平面内刚度， 可近似认为其

4、平面内为无限刚性。可使自由度数减小，计算大为简化。实践证 明，对很多高层建筑结构可满足工程精度的要求。若采用了刚性楼（屋）面板假定，设计上应采取措施保证楼（屋）面的整 体刚度。如结构平面宜简单、规则、对称，平面长度不宜过长，突出部分长度 不宜过大；宜采用现浇钢筋混凝土楼板；对局部削弱的楼面，可采取楼板局部 加厚、设置边梁、加大楼板配筋等措施。对（1）楼板有效宽度较窄或有较大开洞搂面、（2）狭长外伸段楼面、（3）局部变窄产生薄弱连接的楼面、（4）连体结构的狭长连接体搂面等，楼板面内刚度有较大的削弱，楼板会产生明显的平面内变形，与刚性楼板假定相差较大，计算时应考虑楼板平面内变形的影响。考虑楼板平面

5、内的刚度可采用将楼板等效为剪弯水平深梁的简化方法，也可采用有限单元法进行计算。当需要考虑楼板平面内变形而采用楼板平面内刚度无限刚性的假定时，应将计算结果进行适当调整，一般可对楼板削弱部位的结构构件适当增大内力， 加强配筋和构造措施。（三）构件刚度与变形结构计算时，应考虑下列变形：（1 ）梁的弯曲、剪切、扭转变形，当考虑楼板平面内变形时，还有轴向 变形；（2）柱和墙的弯曲、剪切、轴向和扭转变形。柱、墙的轴向变形影响显 著，计算时应予以考虑。（3）对层数多的高层建筑，柱、墙轴向变形宜考虑施工过程的影响。施工过程的模拟可采用适当的方法，如结构刚度和竖向荷载逐层形成、逐层计算的方法，或结构竖向刚度一次

6、形成、竖向荷载逐层施加的计算方法。（四）计算要求（1）对体形复杂、结构布置复杂。如结构平面不规则、竖向不规则等， 应采用至少两个不同力学模型进行计算分析，相互比较和校核，确保可靠性。（2）带加强层或转换层、错层结构、连体和立面开洞结构、多塔楼结构 等均属复杂高层建筑结构，其竖向刚度变化大、受力复杂、易形成薄弱部位， 计算分析应从严要求。应符合下列要求：1）采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行计算；2） 抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算扭转效应，振型数不应小于15,对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍；3）应采用弹性时程分析法进行补充计算；4）宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层

7、弹塑性变形。（3 ）对受力复杂的结构构件，如复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构 件、错层构件、连接体及其相关构件等，除整体分析外，尚应按有限元等方法 进行局部应力分析，并据此进行截面配筋设计校核。（4 ）除选用可靠的结构分析软件外，还应对软件的计算结果从力学概念 和工程经验等方面加以分析判断，确认其合理、有效后方可采用。如对结构整体位移、楼层剪力、振型和位移形态、自振周期、超筋情况等计算结果进行工 程经验判断。4.2荷载效应和地震作用效应的组合高层建筑结构的荷载效应和地震作用效应的组合表达式如下：（1 ）无地震作用效应组合时S = LSGk *即 QQSQk +即 w；'wSwk（4-

8、2-1）式中S 荷载效应组合的设计值；G、 Q、w 永久荷载、楼面活荷载和风荷载的分项系数；SGk 永久荷载效应标准值；SQk 楼面活荷载效应标准值；'-Q、t w -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。表4.2.1无地震作用时的分项系数情况分项系数值永久荷载的分项系数yG其效应对结构不利且由可变荷载效应控制的组合1.2承载力其效应对结构不利且由永久荷载效应控制的组合1.35计算时其效应对结构有利1.0楼面活荷载的分项系数%1.4风荷载的分项系数丫w1.4位移计算时各

9、分项系数Y G、丫 Q1.0（2 ）有地震作用效应组合时S= gSge EhSEhk EvSEvk 宀 w wSwk（4.2.2）式中S荷载效应和地震作用效应组合的设计值；Sge重力荷载代表值的效应；SEhk 水平地震作用标准值的效应；SEvk竖向地震作用标准值的效应;y y y yG、 w、 Eh、 Ev 重力荷载、风荷载、水平地震作用、竖向地震作用的分项系数，承载能力计算时按表422采用，当重力荷载效应对结构承载力y有利时，表422中G不应大于1.0；位移计算时，各分项系数均取1.0o屮w 风荷载的组合系数，应取0.2o表422有地震作用效应组合时载荷和作用分项系数表所考虑的组合%；Eh；

10、/EvYw说明重力荷载及水平地震作用1.21.3不考虑不考虑重力荷载及竖向地震作用1.2不考虑1.3不考虑9度抗震设防时考虑；水 平长悬臂结构8度、9度 抗震设计时考虑重力荷载、水平地震及竖向地震作用1.21.30.5不考虑9度抗震设防时考虑；水 平长悬臂结构8度、9度 抗震设计时考虑重力荷载、水平地震 作用及风荷载1.21.3不考虑1.460m以上的高层建筑考 虑重力荷载、水平地震 作用、竖向地震作用 及风荷载1.21.30.51.460m以上的高层建筑考 虑;9度抗震设防时考虑； 水平长悬臂结构 8度、9 度抗震设计时考虑4.3高层建筑结构的设计要求4.3.1承载力要求非抗震设计时，结构构

11、件截面承载力设计表达式为：Y°S 兰 R(4.3.1)式中，°结构重要性系数，对安全等级为一级、二级和三级的结构构件，可分别取1.1, 1.0和0.9 o抗震设计时，其设计表达式为SR/ RE(4.3.2)式中，RE为承载力抗震调整系数，对钢筋混凝土构件，应按表4.3.1的规定采用，当仅考虑竖向地震作用组合时，承载力抗震调整系数均应取为1.0o从理论上来讲，抗震设计中采用的材料强度设计值应高于非抗震设计时的 材料强度设计值。为了应用方便，在抗震设计中仍采用非抗震设计时的材料强 度设计值，而是通过引入承载力抗震调整系数RE来提高其承载力。另外，对轴压比小于0.15的偏心受压柱

12、，因柱的变形能力与梁相近，故其承载力抗震 调整系数与梁相同。表4.3.1承载力抗震调整系数构件类别梁轴压比小于0.15的柱轴压比不小于0.15柱剪力墙各类构件节点受力状态受弯偏压偏压偏压局部承压受剪、偏拉受剪Vr RE0.750.750.800.851.00.850.854.3.2水平位移限制和舒适度要求1.弹性位移验算高层建筑层数多、高度大，应对其层间位移加以控制。这个控制实际上是 对构件截面大小、刚度大小控制的一个相对指标。为了保证高层结构在多遇地震作用下基本处于弹性受力状态，以及填充 墙、隔墙和幕墙等非结构构件基本完好，应限制结构的层间位移；考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标，为

13、便于应用，可采用层间最大位移与层高之比厶 u/h，即层间位移角B作为控制指标。在风荷载或多遇地震作用下，楼层层间最大位移应符合下式要求：Ue Wpeh(4.3.3)式中 Ue 风荷载或多遇地震作用标准值产生的楼层最大的层间弹性位移； h 计算楼层层高；0 e 弹性层间位移角限值，宜按表4.3.2采用。表4.3.2 弹性层间位移角限值结构类型钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架-抗震墙，板柱-抗震墙，框架-核心筒钢筋混凝土抗震墙，筒中筒钢筋混凝土框支层9 e 1/5501/8001/10001/10001/300多、高层钢结构剪力墙结构和筒中筒结构1/120框支层1/120验算范围：（1） 79度时，楼

14、层屈服强度系数小于0.5的框架结构；甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；采用隔震和消能减震技术的建筑结构均11（2）弹塑性变形计算的弹塑性分析法注意：（1）因变形计算属正常使用极限状态，故在计算弹性位移时，各分 项系数均取1.0,钢筋混凝土构件的刚度可采用弹性刚度。（2）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。（3）抗震设计时，楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。（4）当高度> 150m时，弯曲变形产生的侧移有较快增长，所以超过250m高度时，层间位移角限值按1/500作为限值。150250m之间的高层建筑按线性插入考虑。2.弹塑性位移限值和验算震害表明，如果

15、存在薄弱层，结构薄弱部位将产生较大的弹塑性变形，导 致结构构件严重破坏甚至引起房屋倒塌。结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移 应符合下式要求：Up <pph（4.3.4）式中Up层间弹塑性位移；邛层间弹塑性位移角限值，可按表 4.3.3采用；对框架结构，当 轴压比小于0.40时，可提高10% ;当柱全高的箍筋构造采用比规定的框架柱 箍筋最小含箍特征值大 30%时，可提高20%，但累计不超过 25%。表4.3.3层间弹塑性位移角限值V p 结构类别日。框架结构1/50框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、板柱-剪力墙结构1/100应进行弹塑性变形验算。（2）竖向不规则高层建筑结构；7度川、W类场

16、地和 8度抗震设防的乙类建筑结构；板柱-剪力墙结构等宜进行弹塑性变形验算：楼层屈服强度系数 E y按下式计算：E y=Vy/M（4.3.5 ）式中：vy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；ve为按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力。（1）弹塑性变形计算的简化方法适用于不超过12层且层侧向刚度无突变的框架结构。结构的薄弱层或薄 弱部位，对楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；对楼层屈服 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）和相对较 小的楼层，一般不超过 23处。“Upp 认（4.3.6）n%'' u .Uy（4.3.6b）_ y

17、式中，Up为层间弹塑性位移；：uy为层间屈服位移；"为楼层延性系数； ue 为罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移；p为弹塑性位移增大系数。表4.3.4 结构的弹塑性位移增大系数 n py0.50.40.3np1.82.02.2当弹塑性变形计算的简化方法不适用时，可采用此方法。一般可采用的方法有静力弹塑性分析方法(如Push-over方法)和弹塑性动力时程分析方法。但由于水平地震作用力模式和本构关系较为复杂，且现有的分析软件还不够完善，计算工作量大，计算结果的整理、分析、判断和使用也都比较复杂， 因此，弹塑性分析方法的普遍应用还受到较大的限制。采用弹塑性动力分析方法时，应按建筑场地类别

18、和设计地震分组选用不少 于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线；且地震波持续时间不宜少于12s,;输入地震波的最大加速度，可按表435采用。表4.3.5弹塑性动力时程分析时输入地震加速度的最大值Amax十分扰人不能忍受0.05g0.15g>0.15g参照国外研究成果，高层规程规定，高度超过150m的高层建筑结构，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度amax不应超过表437的限值。必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大 加速度amax。抗震设防烈度7度8度9度Amax Cm/s )220(310)400(510)620注：

19、7、8度时括号内数值分别对应于设计基本加速度为0.15g和0.30g使用功能a max ( m s )住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25表4.3.7结构顶点最大加速度限值amax的地区。3 舒适度要求高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高层建筑内居住的人们感觉不舒服，甚至不能忍受，表436为两者之间的关系。表4.3.6舒适度与风振加速度关系不舒适的程度建筑物的加速度无感觉<0. 005g有感觉0.005g 0.015g扰人0.015g0.05g4.3.3整体稳定和倾覆问题1 .重力二阶效应及结构稳定重力二阶效应一般包括两部分：(1) 一是由于构件自身挠曲引起的附加重

20、力效应，即P-、；效应，二阶内 力与构件挠曲形态有关，一般是构件的中间大，两端为零；(2) 二是在水平荷载作用下结构产生侧移后，重力荷载由于该侧移而引 起的附加效应，即 P-厶效应。分析表明，挠曲二阶效应的影响相对较小，而重力荷载因结构侧移产生的P-效应相对较大，可使结构的内力和位移增加，甚至导致结构失稳。因此，高层建筑结构构件的稳定设计，主要是控制和验算结构在风或地震作用下，重力P -效应。2 .高层建筑结构的整体倾覆问题当高层建筑的高宽比较大、水平作用较大、地基刚度较弱时，则可能出 现倾覆问题。在设计高层建筑结构时，一般都要控制高宽比。在设计基础时，对高宽比大于4的高层建筑，在地震作用效应

21、标准组合下，基础底面不宜出现零应力区；高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%当满足上述条件时，高层建筑结构的抗倾覆能力有足够的安全储备，不 需进行专门的抗倾覆验算。4.3.4结构延性和抗震等级在地震区，结构除承载力和刚度外，还要求它具有良好的延性。延性比口是衡量结构或构件塑性变形的能力，是结构抗震性能的一个 重要指标；对于延性比大的结构，在地震作用下结构进入弹塑性状态时， 能吸收、耗散大量的地震能量，此时结构虽然变形较大，但不会出现超出 抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。若结构延性较差，在地震作用下容易 发生脆性破坏，甚至倒塌。在不同的情况下，地震反

22、应会有很大的差别， 对抗震的要求则不相同。 为了对不同的情况能够区别对待以及方便设计， 对一般建筑结构延性要求的 严格程度可分为四级：很严格（一级） 、严格（二级）、较严格（三级）和一般 （四级），这称之为结构的抗震等级。高层建筑更柔一些， 地震作用下的变形就更大一些， 因而对延性的要求就 更高一些。因此，高层规程对设防烈度为 9度时的A级高度乙类建筑以及 B级高度丙类建筑钢筋混凝土结构又增加了“特一级”抗震等级。抗震设计时，高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。抗震等级的高低，体现了对结构抗震性能要求的严格程度。特殊

23、要求时则提升至特一级，其计算和构造措施比一级更严格。结构类型框架I高度（m）6度7度8度9度>30< 30>30< 30>30< 25烈 度30表438 A级高度的高层建筑结构抗震等级框架四三三-二二-二二-框架-剪力 墙高度（m）60>60< 60>60< 60>60< 50框架四三三-二二-二二一一剪力墙三-二二*一一剪力墙高度（m）80>80< 80>80< 80>80< 60剪力墙四三三-二二-二二-一框支剪力 墙非底部加强部位剪力墙四三三-二二-二二不应 采用底部加强部位剪力

24、墙三-二二-二二-框支框架-二二-二二-一-筒体框架-核心 筒框架三-二二-一核心筒-二二-二二-一筒中筒内筒三-二二-一外筒板柱-剪力 墙板柱的柱三二二-不应 采用剪力墙-二二-二二-二二注：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框支剪力墙结构的规定采用;结构类型烈 度6度7度8度框架-剪力墙框架二二-一-一剪力墙-二二-一特一表4.3.9 B级高度的高层建筑结构抗震等级3、板柱-剪力墙结构中框架的抗震等级应与表中板柱的柱”相同。剪力墙剪力墙-二二-一-一-框支剪力墙非底部加强部位剪力 墙-二二

25、-一-一-底部加强部位剪力墙-一-一-特-框支框架-一-特一特一框架-核心筒框架-二二-一-一-筒体-二二-一-特-筒中筒外筒-二二-一-特一内筒-二二-一-特一注：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。需要注意，表中的烈度不完全等于房屋所在地区的设防烈度，应根据建筑物的重要性确定。(1)甲类、乙类建筑：当抗震设防烈度为68度时，应提高一度；当设防烈度为 9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；当建筑场 地为I类时，应允许按抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(2)丙类建筑:应符合本地区抗震设防烈度的要求；当建筑场地为I类时，除6度外，

26、应允许按抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。4.4高层建筑结构的抗震概念设计概念设计是运用人的思维和判断力，可以通过力学规律、震害教训、试验 研究、工程实践经验等，从宏观上决定结构设计中的基本问题。从方案、结构 布置到计算简图的选取，从构件截面配筋到配筋构造等都存在概念设计的内 容。高层建筑结构抗震概念设计时应注意以下几方面内容。(1 )选择有利的场地，避开不利的场地，采取措施保证地基的稳定性。(2)结构体系和抗侧刚度的合理选择。一般来说，RC框架结构抗震能力较差；框架-剪力墙结构性能较好；剪力墙结构和筒体结构具有良好的空间整 体性，历次地震中震害都较小。还应考虑场地条件， 硬土地基上的结构可柔一些，软土地基上的结构可刚一些。可通过改变高层建筑结构的刚度调整结构的自振周期，使其偏离场地的卓越周期，较理想的结构是自振周期比场地卓越周期更低；如果不可能，则应 使其比场地卓越周期短得较多。(3 )结构平面布置力求简单、规则、对称，尽量减少应力集中的凸出、 凹进和狭长等复杂平面；结构平面布置应使结构的“刚心”与质心靠近，减少 地震作用下的扭转。(4) 结构竖向宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的体型，抗侧刚度应 当沿高度均匀，或沿高度逐渐减小。(5) 结构的承载力、变形能力和刚度要均匀连续分布，适应结构的地震 反应要求。某一部分过