[工学]高层建筑设计第4章 设计要求及荷载效应组合.ppt

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1、工学高层建筑设计第4章 设计要求及荷载效应组合 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望4.1 4.1 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合及最不利内力1、无地震作用组合：、无地震作用组合：4.1.1 4.1.1 荷载效应组合荷载效应组合S=GSGK+LQQSQK+WWSWk L考虑结构使用年限的荷载调整系数。考虑结构使用年限的荷载调整系数。50年时取年时取1.0；100年时取年时取1.12、有地震作用组合：、有地震作用组合：SE=GSGEGE+EhEhS

2、SEhkEhk+EvEvS SEvkEvk+WWWWS SWkWk注：抗震设计时，应同时考虑注：抗震设计时，应同时考虑无地震作用组合和无地震作用组合和有地震作用有地震作用组合。组合。4.1.2 4.1.2 竖向活荷载的布置竖向活荷载的布置2 2、活载布置活载布置v高高层层民民用用建建筑筑一一般般满满布布计计算算内内力力(图图4-4(d)，为为了了安安全起见，可以把框架梁的弯矩乘以全起见，可以把框架梁的弯矩乘以1.11.2的放大系数的放大系数.v在在贮贮藏藏、书书库库或或其其他他有有很很重重使使用用荷荷载载(q4kNm2)的的结构中，应考虑最不利荷载布置结构中，应考虑最不利荷载布置(图图4-4(

3、a)、(b)、(c)。1 1、恒载布置恒载布置全部作用在结构上全部作用在结构上。4.1.3 4.1.3 水平荷载的作用方向水平荷载的作用方向2 2、在在结结构构计计算算中中常常假假设设水水平平力力作作用用于于结结构构平平面面的的主轴方向主轴方向,且沿正且沿正(左左)、反、反(右右)两个方向两个方向。3 3、水平荷载作用下的内力计算见教材。水平荷载作用下的内力计算见教材。1 1、风风荷荷载载及及水水平平地地震震作作用用的的方方向向是是随随意意的的、不定的。不定的。4.1.4 4.1.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力1、梁、梁(1)(1)两端支座截面两端支座截面v最大负弯矩及最大剪力；

4、最大负弯矩及最大剪力；v在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩；在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩；v组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。组合前应经过换算求得柱边截面的弯矩和剪力。(2)(2)跨中截面跨中截面最大正弯矩。最大正弯矩。2、柱、柱v控控制制截截面面为为上上、下下两两个个端端截截面面，柱柱子子多多设设计计成成对对称配筋。要考虑下述四种可能组合：称配筋。要考虑下述四种可能组合：|M|max及相应的及相应的N；Nmax及相应的及相应的M；Nmin及相应的及相应的M。|M|比比较较大大（不不是是绝绝对对最最大大），但但N比比较较小小或或N比比较较大大（不是绝对最小或绝对最大）。（不是绝对

5、最小或绝对最大）。柱子还要组合最大剪力柱子还要组合最大剪力Vmax。4.1.5 4.1.5 内力调整内力调整1、竖向荷载下框架梁弯矩塑性调幅、竖向荷载下框架梁弯矩塑性调幅(1)(1)降低支座负弯矩，以减少配筋面积。降低支座负弯矩，以减少配筋面积。(2)(2)跨中弯矩乘以跨中弯矩乘以1.11.11.21.2增大系数。增大系数。(3)(3)调幅后各弯矩满足以下要求：调幅后各弯矩满足以下要求：M 00.5M 及及 0.5(M 1+M 2)+M 0M见图见图4-54-5v由由弹弹性性静静力力计计算算得得到到的的内内力力需需要要先先进进行行局局部部调调整整，然后进行内力组合然后进行内力组合2、水平力作用

6、下框一剪结构中框架内力调整、水平力作用下框一剪结构中框架内力调整(1)(1)框架内力一般要比弹性计算值大，在于：框架内力一般要比弹性计算值大，在于：v楼板在水平力作用下会有变形；楼板在水平力作用下会有变形；v在地震作用下，剪力墙会出现塑性变形而刚度降低。在地震作用下，剪力墙会出现塑性变形而刚度降低。(2)(2)框框 架架 内内 力力 一一 般般 按按 下下 列列 方方 法法 调调 整整(pp129)：vVFi0.2V0的楼层，不调整。的楼层，不调整。vVFi 0.2V0的楼层，的楼层，按下两式按下两式中的较小值调整中的较小值调整Vfi。见图见图4-64-64.2 4.2 承载力计算承载力计算(

7、1)(1)按极限状态设计要求，构件承载力计算表达式为按极限状态设计要求，构件承载力计算表达式为：v不考虑地震作用的组合时：不考虑地震作用的组合时：0 0SRSRv不考虑地震作用的组合时：不考虑地震作用的组合时：SERE/RE或：或：RESERE(2)(2)地地震震作作用用下下，构构件件承承受受反反复复作作用用力力及及变变形形，承承载载力力R RE E要降低要降低(见表见表4-1)4-1)；(3)(3)抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数。(4.2-1)(4.2-2)注：抗震设计时，应同时按式注：抗震设计时，应同时按式(4.2-1)、(4.2-2)进行承

8、载力计进行承载力计算。算。4.3 4.3 侧移限值侧移限值4.3.1 4.3.1 使用阶段层间位移限制使用阶段层间位移限制(1)(1)正正常常使使用用条条件件下下的的结结构构水水平平位位移移，考考虑虑风风荷荷载载和和地地震震作作用用(见图见图4-1)4-1)，用弹性方法计算。，用弹性方法计算。(2)(2)以楼层层间最大位移以楼层层间最大位移与层高与层高h之比作为限制条件，即：之比作为限制条件，即：(3)(3)为什么限制结构侧向位移？为什么限制结构侧向位移？/h/h /h/h见表见表4-24-24.3.2 4.3.2 防止倒塌的层间位移限制防止倒塌的层间位移限制(1)(1)验算范围：验算范围：v

9、7 79 9度设防的、楼层屈服强度系数度设防的、楼层屈服强度系数y y小于小于0.50.5的框架结构；的框架结构；v采用隔震和消能减震技术的建筑结构；采用隔震和消能减震技术的建筑结构；v7 79 9度时的甲类建筑和度时的甲类建筑和9 9度时的乙类建筑结构；度时的乙类建筑结构；v房屋高度大于房屋高度大于150m的结构。的结构。(2)(2)要求要求：up p hp=/h 见表见表4-3(3)(3)结构层间弹塑性变形的计算结构层间弹塑性变形的计算v不不超超过过1212层层且且刚刚度度无无突突变变的的框框架架结结构构、填填充充墙墙框框架架结结构构可以采用下述简化方法验算：可以采用下述简化方法验算：计算

10、罕遇地震时楼层的层剪力计算罕遇地震时楼层的层剪力Ve；确定结构的薄弱层；确定结构的薄弱层；楼层屈服强度系数楼层屈服强度系数y y定义为定义为：y y=V=Vyaya/V/Ve e计算薄弱层的层间弹塑性位移：计算薄弱层的层间弹塑性位移：up =p p ue 或或 up=uy =uyp p/y yv除除上上述述情情况况以以外外的的高高层层建建筑筑结结构构，可可采采用用静静力力弹弹塑塑性性或或动动力力弹弹塑塑性性分分析析方方法法计计算算结结构构的的层层间间位位移移，时时程程分分析析方方法法是是一一种直接动力法。种直接动力法。4.4 4.4 舒适度要求舒适度要求使用功能使用功能amaxmax(m(ms

11、 s2 2)住宅、公寓住宅、公寓 0.15 0.15 办公、旅馆办公、旅馆 0.25 0.25(1)(1)高度超过高度超过150m150m的高层建筑结构应满足风振舒适度的要求的高层建筑结构应满足风振舒适度的要求。(2)(2)顶顶点点最最大大加加速速度度amaxmax，可可按按荷荷载载规规范范规规定定的的1010年年一一遇遇的风荷载标准值计算，或通过风洞试验确定。的风荷载标准值计算，或通过风洞试验确定。(3)(3)顺顺风风向向与与横横风风向向结结构构顶顶点点最最大大加加速速度度amaxmax不不应应超超过过下下表表的的限值。过大的侧向位移会使结构产生附加内力。限值。过大的侧向位移会使结构产生附加

12、内力。n1、水平向风振舒适度、水平向风振舒适度n2、楼盖舒适度、楼盖舒适度楼盖结构应具有适宜的舒适度；楼盖结构应具有适宜的舒适度；楼盖结构的竖向振动频率不宜小于楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz；竖向振动加速度峰值不应超过下表的限值。竖向振动加速度峰值不应超过下表的限值。4.5 4.5 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.5.1 4.5.1 稳定验算稳定验算整体稳定一般易满足；整体稳定一般易满足；构件的构件的P-效应要保证效应要保证(1)(1)高高层层钢钢筋筋混混凝凝土土结结构构的的稳稳定定验验算算计计算算柱柱的的承承载载力时考虑偏心距增大系数力时考虑偏心距增大系数，可不再计算，可不再计算P-P-效

13、应。效应。(2)(2)高层钢结构的稳定验算高层钢结构的稳定验算(pp77)(pp77)各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足一定要求；各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足一定要求；/h满足一定要求时可不考虑满足一定要求时可不考虑P-效应。效应。4.5.2 4.5.2 抗倾覆问题抗倾覆问题(1)(1)控制高宽比控制高宽比(2)(2)基底零应力区满足一定要求时基底零应力区满足一定要求时不需要进行抗倾覆不需要进行抗倾覆验算验算(pp77)。4.6 4.6 抗震结构延性要求和抗震等级抗震结构延性要求和抗震等级(1)(1)延性的概念延性的概念v延延性性结结构构(截截面面)能能维维持持承承载载能能力力而而又

14、又具具有有较较大大的的塑性变形的能力。塑性变形的能力。如图如图4-2：截面开始屈服截面开始屈服 My、y、fy、y截面破坏截面破坏 Mu、u、fu、u v截面和构件的塑性变形能力常常用构件延性比截面和构件的塑性变形能力常常用构件延性比来衡量：来衡量：构件位移延性比：构件位移延性比：f=fu/fy 截面曲率延性比：截面曲率延性比：=u/y顶点位移延性比顶点位移延性比:=u/y4.6.1 4.6.1 延性结构的概念延性结构的概念v延性延性比越大，延性越好。比越大，延性越好。(2)(2)延性结构设计基本措施延性结构设计基本措施v钢筋混凝土结构的钢筋混凝土结构的“塑性铰控制塑性铰控制”理论基本要点：理

15、论基本要点：允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量；允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量；控制塑性铰出现部位控制塑性铰出现部位选择合理截面形式及配筋构造；选择合理截面形式及配筋构造；塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力；塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力；塑性铰能使结构具有较大的延性。塑性铰能使结构具有较大的延性。v实现抗震高层建筑延性的措施：实现抗震高层建筑延性的措施：合理选择结构体系；合理选择结构体系；合理布置结构；合理布置结构；对构件及其连接采取各种构造措施；对构件及其连接采取各种构造措施；控制施工质量。控制施工质量。(见见图图4-3)4.6.2

16、4.6.2 抗震等级抗震等级v抗抗震震等等级级是是结结构构抗抗震震计计算算(指指内内力力调调整整)和和采采取取抗抗震震措措施施的的依依据据，与与设设防防烈烈度度、房房屋屋高高度度、建建筑筑类类别别、结结构构类类型型及及构构件的重要性等有关。件的重要性等有关。v抗抗震震等等级级共共分分为为特特一一及及一一、二二、三三、四四级级(PP80(PP80表表4-54-5表表4-4-6)6)，其其划划分分考考虑虑了了技技术术要要求求和和经经济济条条件件及及科科技技和和经经济济水水平平的的提高。提高。v房房屋屋结结构构的的建建筑筑类类别别按按其其重重要要性性分分为为甲甲、乙乙、丙丙三三类类，其其抗震等级与设

17、防烈度有关抗震等级与设防烈度有关。v决决定定抗抗震震等等级级时时考考虑虑的的设设防防烈烈度度可可以以不不同同于于计计算算地地震震作作用用时时的的设设防防烈烈度度,见见表表4-44-4。在在同同等等的的设设防防烈烈度度和和房房屋屋高高度度的的情情况下，重要性不同的构件，抗震要求可不相同。况下，重要性不同的构件，抗震要求可不相同。本章结束，谢谢听讲！本章结束，谢谢听讲！表表4-1 4-1 承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数RERE构件构件类别类别梁梁柱柱剪力墙剪力墙各类构各类构件件节节点点轴压比小轴压比小于于0.150.15轴压比不轴压比不小于小于0.150.15受力受力状态状态受受弯弯 偏偏

18、压压 偏偏 压压偏压偏压局部承局部承压压受剪偏受剪偏拉拉受受剪剪RERE0.750.750.750.750.800.800.850.851.01.00.850.850.850.85图图4-1风荷载引起的侧移与摆动风荷载引起的侧移与摆动地震作用下的振动地震作用下的振动表表4-2 4-2 使用阶段层间位移限制值使用阶段层间位移限制值材材 料料高高 度度结构类结构类 型型/h钢筋混钢筋混凝土结凝土结构构150m框框 架架1550框架一剪力墙、框架一剪力墙、框架框架核心筒、核心筒、板柱板柱剪力墙剪力墙1800筒中筒、剪力墙筒中筒、剪力墙11000框支层框支层11000250m各类结构各类结构1500钢

19、结构钢结构各类结构各类结构1300高度在高度在150m250m之间的钢筋混凝土高层建筑，其楼层层间最大位移之间的钢筋混凝土高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比与层高之比u/h的限值按线性插入取用的限值按线性插入取用 表表4-3 4-3 罕遇地震作用下薄弱层弹塑性罕遇地震作用下薄弱层弹塑性层间位移限制值层间位移限制值材材 料料结构类结构类 型型/h钢筋混钢筋混凝土结凝土结构构框框 架架150框架一剪力墙、框架一剪力墙、框架框架核心筒、核心筒、板柱板柱剪力墙剪力墙1100筒中筒、剪力墙筒中筒、剪力墙1120除框架结构外的转除框架结构外的转换层换层1120钢结构钢结构各类结构各类结构150图图4-

20、2图图4-3马那瓜美洲银行大楼在马那瓜美洲银行大楼在1972年年12月月23日南美洲马那瓜地震震后情日南美洲马那瓜地震震后情况况马那瓜美洲银行大楼平面图、立面图马那瓜美洲银行大楼平面图、立面图18层，层，结构系统均匀对称；结构系统均匀对称；基本抗侧力的系统为四个基本抗侧力的系统为四个L形的筒体，对称地由连梁连结起来；形的筒体，对称地由连梁连结起来；由于管道口在连梁中心，连梁的抗剪能力只有抗弯能力的由于管道口在连梁中心，连梁的抗剪能力只有抗弯能力的35%，马那瓜美洲银行大楼动力分析马那瓜美洲银行大楼动力分析表表4-4 4-4 结构确定抗震等级时的烈度表结构确定抗震等级时的烈度表建筑类别建筑类别丙类丙类甲、甲、乙类乙类设防烈度设防烈度6 6度度 7 7度度 8 8度度 9 9度度 6 6度度 7 7度度 8 8度度 9 9度度确定抗震等级确定抗震等级时考虑的烈度时考虑的烈度类场地类场地6 66 67 78 86 67 78 89 9类场地类场地6 67 78 89 97 78 89 99 9*图图4-44-4（d）图图4-54-5图图4-54-5图图4-64-6