设计要求及荷载效应组合

1、第3讲 高层建筑结构设计要求及荷载效应组合与一般结构相同，设计高层建筑结构时，分别计算各种荷载作用下的内力和位移，然后从不同工况的荷载组合中找到最不利内力及位移，进行结构设计。 应当保证在荷裁作用下结构有足够的承裁力及刚度，以保证结构的安全和正常使用。结构抗风及抗震对承载力及位移有不同的要求，较高的结构抗风还要考虑舒适度要求，抗震结构还要满足延性要求等。下面将分别进行介绍。1、承载力验算高层建筑结构设计应保证结构在可能同时出现的各种外荷载作用下，各个构件及其连接均有足够的承载力。我国建筑结构设计统一标准规定构件按极限状态设计，承载力极限状态要求采用由荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面

2、承裁力验算。结构构件承载力验算的一般表达式为：持久设计状况、短暂设计状况无地震作用组合时：有地震作用组合时：承载力抗震调整系数材料结构构件钢筋混凝土梁0.75轴压比小于0.15的柱0.75轴压比不小于0.15的柱0.80剪力墙/局部承压0.85/1.0各类受剪、偏拉构件0.85节点0.85钢梁、柱0.75支撑0.80梁节点、螺栓0.85连接焊缝0.902、侧移限制1）使用阶段层间位移限制结构的刚度可以用限制侧向变形的形式表达，我国现行规范主要限制层间位移：在正常使用状态下，限制侧向变形的主要原因有：要防止主体结构开裂、损坏；防止填充墙及装修开裂、损坏；过大的侧向变形会使人有不舒适感，影响正常使

3、用；过大的侧移会使结构产生附加内力(效应)。在正常使用状态下(风荷载和小震作用)，的限值按下表选用。2）结构薄弱层的弹塑性层间位移的简化计算弹塑性层间位移按下列公式计算或楼层屈服强度系数是指：楼房等建筑的各层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；对排架柱，指按实际配筋面积、材料强度标准值和轴向力计算的正截面受弯承载力与按罕遇地震作用标准值计算的弹性地震弯矩的比值。楼层屈服强度系数表示建筑的实际承载强度相对于其设计时罕遇地震的对建筑的作用力的大小。高层建筑混凝土结构技术规程中规定：79度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构，应该进

4、行罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算。（详见高层建筑混凝土结构技术规程2010版条）下列结构应进行弹塑性变形验算：（1）79度时层屈强系数小于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）采用隔振和效能减震设计的结构；（4）高度大于150m的结构。不超过12层且侧向刚度无突变的框架结构可采用简化计算方法；其余结构可采用弹塑性静力或动力分析方法。结构薄弱层位置按下列情况确定：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或相对较小处，一般不超过23处。结构的弹塑性位移增大系数0.50.40.31.82.

5、02.2罕遇地震作用下的限值按下表选用3、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，按照重现期为10年的风荷载计算结构顶点加速废，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，应满足下列要求：4、稳定和抗倾覆任何情况下，应当保证高层建筑结构的稳定和足够抵抗倾覆的能力。由于高层建筑的刚度一般较大，又有许多楼板作为横向隔板，在重力荷载下一般都不会出现整体丧失稳定的问题。但是在水平荷载作用下，出现侧移后，重力荷载会产生附加弯矩，附加弯短又增大侧移，这是一种二阶效应，也称为“效应”，它不仅会增加构件内力，严重时还会使结构位移逐渐加大而倒塌。初始弯矩为该楼

6、层地震剪力与楼层层高的乘积，即；重力附加弯矩为任一层以上全部重力荷载与该楼层地震产生的层间位移的乘积，即，亦称二阶弯矩。总弯矩为，结构由于使增加，同时又使二阶弯矩进一步增大，如此反复，对某些结构可能产生积累性的变形增大而导致结构失稳而倒塌。重力二阶弯矩与初始弯矩的比值为稳定系数，其值为：；当楼层稳定系数时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。因此，在某些情况下，高层建筑结构计算要考虑效应，也就是所谓的“结构整体稳定验算”。由于钢筋混凝土结构与钢结构变形性能不相同，要求进行稳定验算的条件也不相同。1）高层钢筋混凝土结构的稳定验算等效抗侧刚度的验算分为两类：(1)框架结构；(2)剪力墙、框架剪力墙和简

7、体结构。具体计算方法及计算公式可参阅混凝土高规。（如下）在水平力作用下，当高层建筑结构满足下列规定时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。剪力墙、框架剪力墙和筒体结构 高层建筑结构如果不满足本规程第5.4.1条的规定时，应考虑重力二阶效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响。 高层建筑结构重力二阶效应，可采用弹性方法进行计算，也可采用对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑。结构位移增大系数F1、F1i以及结构构件弯矩和剪力增大系数F2、F2i可分别按下列规定近似计算。 高层建筑结构的稳定应符合下列规定（即结构的刚重比验算）：2）高层钢结构的稳定验算此处所说的稳定验算是指结构整体

8、稳定，也就是重力作用下的二阶效应效应。高钢规规定了可以不进行整体稳定验算的两个条件，一是各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足定要求，二是按不考虑效应的弹性计算所得层间相对位移小于某个值。具体要求如下：(1)对于有钢支撑、剪力墙或简体的钢结构，且，可不计算效应，只按有效长度法计算柱的承载力。(2)对于无支撑的钢结构(纯钢框架)和的有支撑钢结构，府按考虑效应的方法计算钢构内力及侧移，侧移应满足表42的要求。实际上大部分钢结构需要计算效应。3）高层建筑抗倾覆问题如果高层建筑的侧移很大，其重力作用合力点移至基底平面范围以外则建筑可能发生倾覆问题。事实上，正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。在设计高层建

9、筑时，一般都要控制高宽比()，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，其他建筑，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；5、抗震结构延性要求和抗震等级位于设防烈度6度及6度以上地区的建筑都要按规定进行抗震设计，除了满足抗震承载力及侧移限制要求外，都要满足延性要求和具有良好的耗能性能，这是实现“中震可修、大震不倒”的基本措施。钢结构的材料本身就具有良好的延性，而钢筋混凝土结构要通过延性设计，才能实现延性结构。1）延性结构的概念延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或

10、基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。塑性变形可以耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能。构件延性比 对于钢筋混凝土构件，当受拉钢筋屈服以后，即进入塑性状态，构件刚度降低，随着变形迅速增加，构件承载力略有增大，当承载力开始降低，就达到极限状态。构件延性比是指构件极限变形(曲率、转角、，或挠度)与屈服变形(、或)的比值，见下图。屈服变形定义是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低1020时的变形。结构延性比 对于一个钢筋混凝土结构，当某个杆件出现塑件铰时，结构开始出现塑性变形，但结构刚度只略有降低；当出现塑性铰的杆件

11、增多以后，塑性变形加大，结构刚度继续降低：当塑性铰达到一定数量以后，结构也会出现“屈服”现象，即结构进入塑性变形迅速增大而承载力略微增大的阶段，是“屈服”后的弹塑性阶段。“屈服”时的位移定为屈服位移。当整个结构不能维持其承载能力，即承载能力下降到最大承载力的8090时，达到极限位移，结构延性比通常是指达到极限时顶点位移与屈服时顶点位移的比值，见下图。在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，即在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，这种状态是中震“可修”状态：当合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性时，可做到在大震作用下结构不倒塌。高层建筑

12、各种体系都是由梁、柱框架和剪力墙组成，作为抗震结构都应该设计成延性框架和延性剪力墙。当设计成延性结构时，由于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。然而后者会多用材料，对于地震发生概率极小的抗震结构，延性结构是种经济的设计对策。抗震高层建筑的延性是通过合理选择结构体系、合理布置结构、对构件及其连接采取各种构造措施等多方面努力才能实现的，施工质量好坏对结构延性也有很大

13、影响。结构延性不能、也不是通过计算能够达到的。因此，通过设立抗震结构的抗震等级要求、加强构造措施的方法保证结构的延性。2）概念设计及抗震等级要设计延性结构，与很多因素有关； (1)选择延性材料。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，高层建筑不采用砌体结构。钢筋泥凝土则介于二者之间如果设计合理，钢筋混凝土结构可以有较好的延性。(2)进行结构概念设计。结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法，概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，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，分析结构薄弱部位，并采取相应措施，避免薄弱层

14、过早破坏。防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计的内容。(3)设计延性结构。要保证钢筋混凝土结构有一定的延性，就必须保证梁、柱、墙构件均具有足够的延性，要设计延性框架及延性剪力墙。具体设计方法将在后续章节中介绍。(4)钢筋混凝土结构的抗震构造措施及抗震等级。在不同情况下，构件的延性要求有所不同：地震作用强烈或对地震作用敏感的结构延性要求应该高一些，重要的、震害造成损失较大的结构，延性要求也应该高一些；反之，要求就可以降低一些。不过，由于计算结构延性比十分困难，也无法提出确切的延性比要求，

15、我国抗震规范采用了对钢筋混凝土结构区分抗震等级的办法，不同抗震等级的构造措施不同，从宏观上区别对结构的不同延性要求。高层建筑结构在构件设计时要按照结构的抗震等级进行配筋和构造设计，是保证结构延性的主要措施。高层建筑结构抗震等级确定步骤：（1）确定结构抗震类别（甲类、乙类、丙类、丁类）；（2）根据结构所处地区和建筑场地类别，确定结构设防烈度（6、7、8、9度）；（3）根据建筑高度级别（A级高度、B级高度）和抗侧力体系类别查表确定结构抗震等级（共分一级、二级、三级、四级）。抗震等级属于抗震措施内容，结构截面设计及结构和构件的构造措施与抗震等级相关。抗震等级的确定与建筑物的类别相关，不同的建筑物类别

16、在考虑抗震等级时取用的抗震烈度与建筑场地类别有关，也就是考虑抗震等级时取用烈度与抗震计算时的设防烈度不一定相同下表列出了乙、两类抗震钢筋混凝土结构在不同设防烈度下的确定抗震等级的对应烈度。按调整后的抗震等级烈度建筑类别场地设防烈度6789甲、乙、7899*丙、6789下表分别列出了A级高度和B级高度高层钢筋混凝土结构在抗震构造措施烈度下对应的抗震等级，特一级抗震等级延性要求最高(只有B级高度高层建筑才要求)，然后依次为一、二、三、四级。在构件设计时要按照结构的抗震等级进行配筋和构造设计。A高度的高层建筑结构抗震等级结构类型烈度6789框架结构三二一一框架-剪力墙结构高度（米）框架四三三二二一一

17、剪力墙三二一一剪力墙结构高度（米）剪力墙四三三二二一一部分框支剪力墙结构非底部加强部位剪力墙四三三二二/底部加强部位剪力墙三二二一一框支框架二二一一筒体结构框架-核心筒框架三二一一核心筒二二一一筒中筒内筒三二一一外筒板柱-剪力墙结构高度/框架、板柱及柱上板带三二二二一一剪力墙二二二一二一 B级高度的高层建筑结构抗震等级 结构类型烈度6度7度8度框架抗震墙框架二一一抗震墙二一特一 抗震墙抗震墙二一一框支抗震墙非底部加强部位抗震墙二一一底部加强部位抗震墙一一特一框支框架一 特一特一框架核心筒框架二一一筒体二一 特一筒中筒外筒二一 特一内筒二一 特一6、荷载效应组合及最不利内力在截面承载力验算及位移

18、验算的公式中，左边各项就是组合的内力和位移。它们是由恒载、活载、风载、地震作用分别计算内力及位移后，进行组合，然后选择得到的最不利内力和位移。因为在使用期限内可能出现多种组合情况(有时称为“工况”)，设计时要将可能出现的、对结构不利情况都考虑到，也就是要做不同工况组合。不同构件的最不利内力或位移不一定来自同一工况。荷载效应组合是满足规范可靠度要求的基本方法，是结构设计的重要环节，又是一种技术性很强而又十分烦琐的工作，在高层建筑结构设计中已不用人工进行组合了，都是靠计算程序完成，但是作为结构工程师，应当了解荷载效应组合的要求与方法，必要时可以进行检查与校核，判断程序正确性。作为程序编制者，更要仔

19、细与慎重。1）荷载效应组合内力组合是要组合构件的控制截面处的内力，位移组合主要是组合水平荷载作用下的结构层间位移。组合工况分为持久设计状况和短暂设计状况的无地震作用组合及有地震作用组合两类。 由于承载力验算是极限状态验算，在内力组合时，根据荷载性质不同，荷载效应要乘以各自的分项系数和组合系数。（1）持久设计状况和短暂设计状况下，荷载基本组合的效应设计值由下式确定：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；和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取0.7和0.0。当可变荷载效应起控制作用时，如风荷载为主

20、要可变荷载、楼面活荷载为次要可变荷载时，和分别取0.7和1.0。对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房等楼面活荷载较大且相对固定时，。当楼面活荷载为主要可变荷载、风荷载为次要可变荷载时，和分别取1.0和0.6。：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取1.2，对由永久荷载效应控制的组合取1.35；当其效应对结构有利时，取1.0.一般取1.4；应取1.4.位移计算时，中各项系数应取1.0.（2）地震设计状况下，当作用与作用效应按线性考虑时，荷载和地震作用组合的效应设计值按下式确定：应乘以相应的增大系数、调整系数。风荷载的组合系数，应取0.2。有地震作用组合时荷载和

21、作用的分项系数所考虑组合说明重力荷载和水平地震作用1.21.3-重力荷载和竖向地震作用1.2-1.3-9度时；水平长悬臂和大跨度7、8、9度重力荷载和水平地震作用和竖向地震作用1.21.30.5-9度时；水平长悬臂和大跨度7、8、9度重力荷载和水平地震作用和风荷载1.21.3-1.460m以上高层建筑重力荷载和水平地震作用竖向地震作用和风荷载1.21.30.51.460m以上高层建筑，9度时；水平长悬臂和大跨度7、8、9度1.20.51.31.4水平长悬臂和大跨度7、8、9度注：地震设计状况作用基本组合的效应，地震作用效应标准值应首先乘以相应的调整系数、增大系数，然后再进行效应组合。如薄弱层剪

22、力增大、楼层最小地震剪力系数（剪重比）调整、框支柱地震轴力的调整、转换构件地震内力放大、框架-剪力墙结构和筒体结构有关地震剪力调整。 对非抗震设计的高层建筑结构，应按计算荷载效应组合；对抗震设计的高层建筑结构，应同时按和计算荷载效应和地震作用效应组合，并按有关规定（如强柱弱梁、强剪弱弯等）对组合内力进行必要的调整。同一构件的不同截面或不同设计要求，可能对应不同的组合工况，应分别进行验算。2）水平荷载的方向实际风荷载和水平地震都可能沿任意方向。设计假定只考虑主轴方向的水平荷载，但是可以是正方向，也可以是负方向。在矩形平面的结构中，正负两个方向荷载相等，符号相反，因此内力大小相等，符号相反，如下图

23、所示。只需作一次计算，将内力冠以正负号即可。但是，在平面布置复杂或不对称的结构中，一个方向的水平荷载可能对一部分构件形成不利内力，另一方向的水平荷载可能对另一部分构件形成不利内力，这时要选择不同方向的水平荷载(荷载大小也可能不同)分别进行内力分析，然后按不同工况分别组合。3）控制截面及最不利内力结构设计时，是分别按各个构件进行内力组合，而且是针对各构件控制截面进行组合，获得控制截面上的最不利内力作为该构件的配筋设计依据。控制截面通常是内力最大的截面。对于框架梁或连梁，两个支座截面及跨中截面为控制截面(短连梁只有支座截面为控制截面)。梁的内力组合 （1） 梁端负弯矩正截面抗弯=0.75（2）梁端

24、正弯矩 = (=1.0) （3）梁跨内弯矩 有震时梁跨内弯矩计算： -50的活荷载 (0) =对于框架柱或墙肢，各层柱(墙肢)的两端为控制截面。柱的内力组合框架结构在重力与某一方向地震水平作用下的截面承载力可按单向偏压设计必要时按双向偏压设计。 组合目标：与相应的；与相应的；与相应的；与相应的。 对称的框架结构： 边柱： 中柱： 时，； 时，； 时，； 时，； F 重力荷载作用 地震水平荷载作用截面配筋计算时，应采用构件端部截面的内力，而不是轴线处的内力。 梁支座截面的最不利内力为最大正弯矩及最大负弯矩，以及最大剪力。跨中截面的最不利内力为最大正弯矩，有时也可能出现负弯矩。 柱(墙)是偏压构件

25、。大偏压时弯矩愈大愈不利小偏压时轴力愈大愈不利。因此要组合几种不利内力，取其中配筋最大者设计截面。可能有四种不利的M、N内力：应当说明的是，在计算地震作用下的内力时，经过振型组合方法求出的内人M、N、V都不是“相对应”的，并不同时发生，上述几种不利内力，是从概率统计意义上的不利内力。7、钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅为了减少钢筋混凝土框架梁支座处的配筋数量，在竖向荷载作用下可以考虑框架梁塑性内力重分布，主要是降低支座负弯矩，以减小支座处的配筋，跨中则应相应增大弯矩。混凝土高规对调幅系数作了规定，并规定竖向荷载作用下的弯矩应先调幅，再与其他荷载效应进行组合。框架梁柱竖向荷载作用下的弯矩调幅如下图所示。现浇框架支座负弯炬调幅系数为0.80.9；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，梁端实际弯矩比弹性计算位会有所降低，因此支座负弯矩调幅系数为0.70.8。支座负弯矩降低后，跨中弯矩应加大，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩：这样，在支座出现塑性