高层建筑结构设计第四章设计计算的基本规定(叶)

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”。PPuMuMuP4.2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，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β可取0.8～0.9；装配整体式框架由于节点的附加变形，可取β=0.7～0.8。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4.3稳定问题重力二阶效应P-δ效应：构件自身挠曲引起的附加重力效应P-Δ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-Δ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4.3.1P-Δ效应稳定验算P-Δ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）4.3.1P-Δ效应稳定验算剪切型（框架结构）

高层建筑结构的变形特点：4.3.1P-Δ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）

柱的侧向刚度4.3.1P-Δ效应稳定验算失稳重力二阶效应的位移放大系数4.3.1P-Δ效应稳定验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4.3.1P-Δ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-Δ效应影响在20%之内4.3.1P-Δ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-Δ效应4.3.1P-Δ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=

4.3.1P-Δ效应稳定验算

等效侧向刚度：EJd4.3.1P-Δ效应稳定验算

等效侧向刚度：EJd（代替悬臂杆的弯曲刚度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=

4.3.1P-Δ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4.3.1P-Δ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-Δ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4.3.1P-Δ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-Δ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

1，10，204.3.1P-Δ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/B>5时宜进行抗倾覆验算。抗倾覆验算：M≤[M][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①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+1.4×0.7×活荷载效应4.4作用效应组合②永久荷载+活荷载+风荷载

1.2×永久荷载效应+1.4×0.7×活荷载效应+1.4×1.0×风荷载效应（高层建筑）1.2×永久荷载效应+1.4×活荷载效应+1.4×0.6×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①所有高层建筑

1.2×重力荷载效应+1.3×水平地震作用效应②60m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+1.4×0.2×风荷载效应4.4作用效应组合③、④9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⑤9度且60m以上高层建筑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+1.4×0.2×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

r0S≦R

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1.14.5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）r0S≦R4.5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

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轴压比大于0.15的柱0.80剪力墙

0.85各类受剪、偏拉构件

0.85钢梁、柱

0.75支撑

0.80节点板件、连接螺栓

0.85连接焊缝

0.904.5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，场地结构抗震等级建筑类别场地类别设防烈度67(0.1g)7(0.15g)8(0.2g)8(0.3g)9甲、乙类I677889ⅡⅢⅣ788999*丙类I666778Ⅱ677889ⅢⅣ6788994.6.1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hΔu4.6.1弹性变形计算弹性层间位移角限值

材料

结构类型

限值

钢筋混凝土结构

框架

1/550

框架-剪力墙框架-核心筒

1/800

剪力墙筒中筒

1/1000

框支层

1/1000钢结构

各种类型结构

1/250

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αmax应满足下列要求：住宅、公寓αmax不大于0.15m/s2办公、旅馆αmax不大于0.25m/s24.6.2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：7～9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:

结构薄弱层的确定结构薄弱层弹塑性层间位移简化计算结构薄弱层的抗震变形验算楼层屈服强度系数弹塑性层间位移弹塑性层间角限值（P97）

楼层实际抗剪承载力

罕遇地震作用下的层间剪力弹塑性层间位移增大系数（P95）4.7罕遇地震下的弹塑性变形验算

弹塑性层间位移角限值

材料结构类型

限值

钢筋混凝土结构

框架

1/50

框架-剪力墙框架-核心筒

1/100

剪力墙筒中筒

1/120

框支层

1/120钢结构

各种类型结构1/504.7罕遇地震下的弹塑性变形验算结构抗震性能设计的主要工作分析结构方案中不符合抗震概念设计的情况与程度选用抗震性能目标4.8结构抗震性能设计4.8结构抗震性能设计结构抗震性能设计的主要工作分析结构方案中不符合抗震概念设计的情况与程度选用抗震性能目标4.8结构抗震性能设计结构抗震性能设计的主要工作分析结构方案中不符合抗震概念设计的情况与程度选用抗震性能目标分析论证结构设计与结构抗震性能目标的符合性4.8结构抗震性能设计结构连续倒塌局部结构破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致更大范围的倒塌破坏。4.9抗连续倒塌设计基本要求4.9抗连续倒塌设计基本要求伦敦Ronan

Point公寓是22层的装配式钢筋混凝土板式结构体系。1968年5月16日，住在18层一单元住户在厨房清晨点火煮水时因夜间煤气泄漏引起爆炸。爆炸压力破坏了该单元一侧的外墙板和局部楼板，上层的墙板、楼板在失去支承后也同时坠落，坠落的构件依次撞击下层造成连续破坏，使得22层高楼的一个角区从上到下一直坍到底层的现浇结构为止概念设计法拉结强度法拆除构件法关键构件法4.9抗连续倒塌设计基本要求结构抗连续倒塌设计的一般方法间接设计方法直接设计方法第一步：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