中国石油大高层课件7

1、多层与高层建筑结构设计中国石油大学建筑工程系第七章第七章 荷载效应组合及设计要求荷载效应组合及设计要求高福聚博士 副教授第七章第七章 荷载效应组合及设计要求荷载效应组合及设计要求 荷载效应组合荷载效应组合 结构设计要求结构设计要求 内力组合及最不利内力内力组合及最不利内力通过本章学习，了解荷载效应组合的方法。掌握承载力验算和侧向变形验算的方法。了解抗震等级的影响因素。掌握罕遇地震作用下的变形验算的原则、方法。了解框架梁、柱的控制截面位置以及最不利内力类型。了解竖向活荷载的布置原则。了解塑性调幅的方法和需要满足的条件。掌握内力组合的方法，并能进行内力组合的计算。荷载效应组合荷载效应组合结构设计时

2、，要考虑可能发生的各种荷载的最大值以及它们同时作用在结构上产生的综合效应，荷载不同，其发生的概率和对结构的作用也不同，荷载规范规定必须采用荷载效应组合的方法来考虑结构的荷载的作用。荷载效应：在某种荷载作用下结构的内力和位移。通常，对各种不同的荷载作用分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。例如：不考虑地震作用组合时：考虑地震作用组合时：其中：重要性系数。根据建筑物重要性相应取为1.1，1.0或0.9； 永久荷载、使用荷载、雪荷载等标准值产生的荷载效应； 风荷载标准值产生的荷载效应； 抗震计算时重力荷载标准值产生的荷载效应，重力荷载包括全部自重、50雪荷载、5080使

3、用荷载； 水平荷载作用以及竖向地震作用产生的荷载效应； 与上述各种荷载相应的荷载分项系数；风荷载与其他荷载组合时的组合系数；SGSGkQQSQkwwSwk SGSGEEhSEhkEvSEvkwwSwk上表给出了多层以及高层建筑需要考虑的各种组合情况及相应的系数取值。注意：注意：内力组合计算，各分项系数用表中的值，位移效应组合，各分项系数取为内力组合计算，各分项系数用表中的值，位移效应组合，各分项系数取为1.0高层建筑：2、3、4项是基本组合情况，5、6、7中考虑了竖向地震作用，只有在9度设防区才需要考虑。在6度设防区，除了IV类场地以外，可以不进行抗震计算，此时不需要与地震作用效应组合，即1、

4、2项。当选定可能出现的几种可能的组合情况后，要选最不利的S值作为构件设计值。结构设计要求结构设计要求设计要求1、与一般结构设计相同，多、高层建筑结构设计应保证在荷载作用下结构具有足够的承载能力和刚度，保证结构的安全与正常使用；2、在使用荷载及风荷载作用下，多、高层建筑结构应处于弹性阶段或仅有微小的裂缝出现，结构应满足承载能力及限制侧向位移的要求；3、地震作用下，用两阶段设计方法进行设计，要求要达到三水准目标（第二章第2节）。第一阶段：采用相应设防烈度小震参数进行设计，除了要满足承载力及侧向位移限制要求外，还要通过采取一系列抗震措施来满足延性要求。第二阶段：采用相应设防烈度大震参数进行设计，要求

5、结构满足弹塑性层间变形的限制要求。一、承载力计算一、承载力计算按极限状态设计的要求，承载力验算的一般表达式为：无地震作用组合时： S R 其中： S 采用第一节中的公式，通过荷载效应组合后的构件内力； R 无地震作用组合时构件的承载能力。不同的构件，要采用不同的承载能力计算公式，如：抗弯承载力、抗剪承载力等。可以参考有关钢筋混凝土基本构件计算以及钢结构构件计算的有关教材。有地震作用组合时： SE RE/RE 其中： SE 采用第一节中的公式，考虑地震作用通过荷载效应组合后的构件内力； RE地震作用下构件的承载能力。由于在地震作用下，构件要受到反复作用力及变形，构件的承载力要降低，其计算公式将在

6、第八、九章中给出； RE抗震承载力调整系数。主要是考虑到地震作用是一种偶然作用，而且作用时间很短，材料性能也与静力作用下不同，因此，根据可靠度理论，对抗震设计的承载能力作相应的调整。规范给出的抗震承载力调整系数见下表。二、侧移变形限制二、侧移变形限制结构的刚度要求用限制侧向变形的形式表达，即：顶点变形及层间变形其中： 、结构的顶点水平位移及层间变形； H、h结构总高度及层高。上面公式均是在使用状态下的设计要求，因此， 、都是荷载标准值产生的位移组合效应，即组合时取分项系数为1.0，上述公式右端为限制值。限制结构水平变形主要原因有：1过大的侧向变形会使人不舒服，影响正常使用；2过大的侧向变形，特

7、别是过大的层间变形会使填充墙以及一些建筑整修出现裂缝或损坏，同时也会使电梯轨道变形或玻璃破损；3过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝甚至破损。限制结构裂缝宽度就要限制结构的侧向变形及层间变形；4过大的侧向变形会使结构产生附加内力，严重时会加速倒塌。这是因为侧移后，建筑物上的垂直荷载会造成附加弯矩。侧移越大，附加弯矩就越大。上述各种因素对不同的结构体系，不同材料的结构的作用不尽相同。下表给出高层建筑结构设计规程上规定的限制值，它是通过总结过去的设计经验及综合各种要求得到的。/H/H； /h/h三、抗震措施三、抗震措施在中等地震烈度下，允许结构的某些部位进入屈服状态，形成塑性铰，此时结构进入弹塑性阶

8、段，结构变形加大。但在这个阶段，结构可以通过塑性变形耗散地震能量，但是必须保证结构的承载能力，结构不能破坏，这种性能被称为延性。延性越好，抗震能力越强。延性影响因素：截面的应力性质、构件材料及截面配筋量、配筋构造等。延性在设计中的体现：对结构或构件采取一系列抗震措施，可分为四个等级，称为抗震等级。一级最高，延性要求也最高，二、三、四级要求依次减少。一般而言，抗震设防烈度高，建筑物高度高，抗震等级也高。可能出现较大变形的结构，抗震等级也相应提高，比较重要的建筑，抗震等级也相应提高。下表为在各设防烈度下，选择抗震措施等级时应考虑的烈度：下表为根据抗震措施烈度规定的抗震措施等级：四、罕遇地震作用下的

9、变形验算四、罕遇地震作用下的变形验算一般情况下，经过小震地震作用计算后，采用若干抗震措施即可满足“大震不倒”这个第三水准设计目标。需要进行罕遇地震作用下的变形计算的情况：1. 79度设防的、楼层屈服强度系数 y 小于0.5的框架； 屈服强度系数2. 79度设防的、高度较大且沿高度结构的刚度和质量分布很不均匀的高层建筑；3. 特别重要的建筑罕遇地震作用下，大多数结构都已进入弹塑性状态，变形加大，主要要验算结构层间变形是否超过限制，计算方法有如下两种：1反应谱方法：采用底部剪力法或者振型分解法来计算弹塑性层间变形。适用范围：不超过12层，且沿高度刚度无突变的框架结构。计算方法：采用书中表26中给出

10、的罕遇地震作用下的 max 值，用底部剪力法或者振型分解法求出结构楼层层剪力。首先找出框架结构的薄弱层，再对薄弱层的层间变形进行验算。薄弱层为底层或者是屈服强度最小或相对较小的楼层。然后计算薄弱层的层间弹塑性位移：其中： 在罕遇地震的等效地震荷载下，由弹性计算得到的层间位移； 弹塑性位移增大系数，当薄弱层的屈服强度系数不小于相邻层该系数的0.8时，按下表取值；当不大于相邻层该系数的0.5时，按下表中数值的1.5倍取值，在0.50.8之间时，可用插入法求出 。最后验算是否满足限制的要求，框架结构： ，其中 h 薄弱层层高2时程分析法：通过逐步积分，求解结构运动微分方程来进行结构的弹塑性分析。适用

11、范围：适用于所有的结构情况。计算方法：根据结构的质量和刚度，把结构简化为度自由度的振动体系，列出如下的运动微分方程：通过在基底出输入地面运动加速度波 ，将时间分隔为很短的t时间，对动力方程进行逐步积分，得到各点的位移、速度和加速度反应，然后在各层位移反应中找到最大的层间反应。注意：注意：当结构进入弹塑性以后，要考虑结构弹塑性性能，因此在进行分析时，应每一步要改变结构的当结构进入弹塑性以后，要考虑结构弹塑性性能，因此在进行分析时，应每一步要改变结构的刚度。刚度。上述方法需要由计算机进行计算。gxmkxxcxm 内力组合及最不利内力内力组合及最不利内力对各种荷载（恒载、活载、风荷载及地震作用）分别

12、计算内力后，进行荷载效应组合时，往往需要按一种以上的组合情况（工况）进行组合。这是因为在结构使用期限内，可能出现多中的组合情况。也即对于同一个构件或者同一个截面，多种组合产生的不同内力都可能出现，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个组合，因此，如何选择构件截面的设计内力是内力组合的关键。一、控制截面及最不利内力类型一、控制截面及最不利内力类型构件设计：需要先找出控制截面，然后找出控制截面上的最不利内力，以此作为配筋设计的依据；构件设计：需要先找出控制截面，然后找出控制截面上的最不利内力，以此作为配筋设计的依据；控制截面：通

13、常是内力最大的截面，但是，不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一个截面达到最大值，因此一个构件很有可能同时有几个控制截面。框架横梁：两个支座截面以及跨中截面通常为控制截面。支座截面是最大负弯矩及最大剪力作用的截面，而跨中截面一般为最大正弯矩作用截面。内力组合时要找出构件上最大正弯矩和最大负弯矩，用以计算上部及下部配筋，还要找到最大剪力，用以计算斜截面承载力，配置箍筋。柱子：由框架弯矩图可以知道，弯矩最大值都在上、下两个端截面，剪力和轴力在同一层中变化也不大，因此各层柱的控制截面可以取两个端截面。柱子是偏压构件，可能出现大偏压破坏，也可能出现小偏压破坏。大偏压情况下，弯矩越大越不利；小偏压情况

14、下，弯矩越小越不利。所以对柱子要组合几种不利内力，从中判断出最不利内急作为配筋的依据。有时要用试算才能找出最大配筋。由于柱子一般为对称配筋，因此组合时只需找出绝对值最大的弯矩。不利内力可以归纳为如下四种：1|Mmax| 与相应的N；2Nmax 与相应的M； 3Nmin与相应的M；4|M| 比较大（不是最大），但N 比较小或比较大（不是绝对最大或最小）；有时，绝对最大或最小的内力不见得时最不利的，对于大偏心受压构件，弯矩越大，配筋越多。但对于小偏心受压构件，虽然 N 不是最大，但相应的弯矩 M 比较大时，配筋也会多一些。所以，组合时要找到这种情况，而且往往这种情况控制配筋。为了验算斜截面承载力，

15、柱也要组合Vmax 注意：在进行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。注意：在进行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。由上图可以看出，梁端弯矩较轴线处弯矩小（柱端情况一样），因此要在组合前经过换算，求出端截面的弯矩与剪力，然后再填入组合表中。梁端控制截面弯矩及剪力二、竖向活荷载的布置二、竖向活荷载的布置恒载：长期作用在结构上的荷载，任何时候必须全部考虑，在计算内力时也必须满布，如下图所示：永久荷载分布竖向活荷载：短暂作用的、可变的，各种不同的布置会产生不同的内力，所以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

16、的内力及内力组合工作量太大，而一般民用及公共过程建筑中竖向活载不会很大（一般1.52.5kN/m2），与恒载以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，故通常不考虑竖向活荷载的不利布置，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（比如：图书馆书库，多层工业厂房或仓库），这时就必须要考虑活荷载的不利布置。三、塑性调幅三、塑性调幅框架中允许梁端出现塑性铰，因此，在梁中可以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。调幅系数：注意：塑性调幅主要是在竖向荷载下的内力调整，故要在组合前进行调幅，然后再和水平荷载作用下注意：塑性调幅主要

17、是在竖向荷载下的内力调整，故要在组合前进行调幅，然后再和水平荷载作用下的内力进行组合。的内力进行组合。框架梁塑性调幅支座弯矩降低后，为了避免当支座出现塑性铰后，跨中截面承载力不足，必须相应加大跨中设计弯矩。通常，跨中弯矩可以乘以1.11.2的调整系数。为了保证梁的安全，跨中弯矩还必须满足右图的条件：现浇框架：支座弯矩调幅系数采用0.80.9；装配整体式框架：由于钢筋焊接或者接缝不严等原因，节点容易产生变形，梁端弯矩较弹性计算结果会有所降低，故支座弯矩调幅系数可采用0.80.9；四、水平荷载作用方向四、水平荷载作用方向风荷载和地震作用可能沿任意方向。第二章第3节中指出一般只考虑作用在主轴方向，但

18、可以是正方向，也可以是负方向。矩形平面结构，正、负方向作用荷载下内力大小相等，符号相反，只需进行一次计算分析。当结构平面布置复杂或不对称结构中，一个方向的水平荷载可能只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，这时应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。水平荷载作用内力五、内力组合五、内力组合按前面的荷载布置要求，分别计算结构内力，并将处理后的控制截面内力填入组合表内，分别按照可能出现的组合类型进行内力叠加，然后在几种内挑选最不利内力。注意：不同的内力组合类型中，分项系数不同，应按表注意：不同的内力组合类型中，分项系数不同，应按表71的要求选用。的要求选用。作作 业业 练练 习习1什么是荷载效应组合？有地震作