第四章设计要求及荷载效应组合.pptx

4.1承载力验算承载力验算高层建筑结构构件承载力验算的一般表达式为：无地震作用组合：有地震作用组合：式中，Sd为荷载效应组合的设计值；Rd为构件承载力设计值；为结构重要性系数，对安全等级为一级的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级的结构构件，不应小于1.0。为承载力抗震调整系数，见表4-1。1/564.1承载力验算承载力验算表4-1 承载力抗震调整系数材料结构构件RE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0.85(偏压)、局部承压局部承压(1.0)各类受剪、偏拉构件0.85钢强度0.75稳定0.802/564.1承载力验算承载力验算 对构件承载力进行抗震调整，是考虑到地震作用是一种偶然作用，作用时间短，材料性能与静力作用不同，因此可靠度可略微降低。当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件的承载力调整系数均应取1.0。3/564.2 侧移限制侧移限制 在正常使用条件下，高层建筑结构应具有足够的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。4.2.1 使用阶段层间位移限制弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比应满足下式：正常使用状态下 的限制值见表4-2。正常使用条件下的结构水平位移按本第3章规定的风荷载、地震作用(多遇地震）和弹性方法计算。4/564.2 侧移限制侧移限制表4-2 正常使用情况下 的限制值 材料结构高度结构类型限制值钢筋混凝土结构a、不大于150m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1/1000b、不小于250m各种结构类型1/500钢结构各种结构类型1/250注：高度在150250m之间的钢筋混凝土高层建筑，限制值按a、b两类限制值插入计算。5/564.2 侧移限制侧移限制 在正常使用状态下，限制侧向变形的主要原因：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，影响正常使用；过大的侧移会使结构产生附加内力(效应)。6/564.2 侧移限制侧移限制4.2.2 防止倒塌层间位移限制 为防止结构倒塌，规定罕遇地震作用下弹塑性层间位移 限值见表4-3。表4-3 材料结构类型限制值钢筋混凝土结构框架1/50框架-剪力墙、框架-核心筒、板柱-剪力墙结构1/100剪力墙、筒中筒1/120除框架结构外的转换层1/120钢结构各种结构类型1/507/564.2 侧移限制侧移限制4.2.2 防止倒塌层间位移限制对框架结构，当轴压比小于0.40时，可提高10%；当柱子全高的箍筋构造采用比本规程中框架柱最小配箍特征值大30%时，可提高20%，但累计提高不宜超过25%。8/564.3 舒适度要求舒适度要求 高度不小于150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求。按现行国家标准建筑结构荷载规范规定的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不应超过表4-4的值。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 。表4-4 结构顶点最大加速度限值使用功能amax(m/s2)住宅、公寓0.15办公、旅馆0.259/564.3 舒适度要求舒适度要求 表 楼盖竖向振动加速度限值 楼盖结构应具有适当的舒适度。楼盖结构的竖向振楼盖结构应具有适当的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不宜小于动频率不宜小于3Hz，竖向振动加速度峰值不宜超过下表，竖向振动加速度峰值不宜超过下表的值。楼盖结构竖向振动加速度按高规附录的值。楼盖结构竖向振动加速度按高规附录A计算。计算。人员活动环境峰值加速度限值(m/s2)竖向自振频率不大于2Hz竖向自振频率不小于4Hz住宅、办公0.070.05商场及室内连廊0.220.1510/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆 高层建筑在重力荷载作用下一般都不会出现整体丧失稳定的问题。在水平荷载作用下，某些情况下的高层建筑结构计算要考虑二阶效应(P-效应)，进行整体稳定计算。11/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算 在水平力作用下，当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。剪力墙结构、框架-剪力墙结构、板柱-剪力墙结构、筒体结构：框架结构：式中，为结构一个主轴方向的弹性等效侧向刚度，可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侧向刚度。H为房屋高度；为第i楼层的弹性等效侧向刚度。此公式使结构的二阶效应对结构内力、位移的增量控制在5%左右。12/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算高层建筑结构的稳定应符合下列要求(强制性条文)：剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求：框架结构应符合下式要求：从上式可以看出，刚重比对结构稳定性有决定性作用。13/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.4.2 高层钢结构的稳定验算大部分钢结构计算需要考虑P-效应。高钢规高钢规5.2.105.2.10条条 高层建筑钢结构同时符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定。一、结构各层柱子平均长细比和平均轴压比满足下式要求：式中，m楼层柱的平均长细比；Nm楼层柱的平均轴压力设计值；Npm楼层柱的平均全塑性轴压力；fy钢材屈服强度；Am柱截面面积的平均值。14/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.4.2 高层钢结构的稳定验算二、结构按一阶线性弹性计算所得的各楼层相对侧移值，满足下列公式要求：式中，u按一阶线性弹性计算所得的质心处层间侧移；h楼层层高；Fh计算楼层以上全部水平作用之和；Fv计算楼层以上全部竖向作用之和；15/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.4.2 高层钢结构的稳定验算高钢规高钢规5.2.11条条 对于不符合本规程第5.2.10条的高层建筑钢结构，可按下列要求验算整体稳定：(1)对于有支撑的结构，且u/h1/1000，按有效长度法计算。柱的计算长度可按现行国家标准钢结构设计规范(GBJ17)附录四附表4.1采用。支撑体系可以是钢支撑、剪力墙和核心筒等。(2)对于无支撑的结构和u/h1/1000的有支撑的结构，应按能反应二阶效应的方法验算结构的整体稳定。16/564.4 稳定和抗倾覆稳定和抗倾覆4.4.3 高层建筑抗倾覆问题 当高层、超高层建筑高宽比较大，如果高层建筑的侧移很大，其重力作用点合力移至基底平面范围以外，则建筑可能发生倾覆问题。通过控制高层建筑的高宽比，同时在基础设计时，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%。满足规范要求的正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。17/564.5 结构抗震性能设计结构抗震性能设计3.11.1 3.11.1 结构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用结构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用适宜的结构抗震性能目标，并采取满足预期的抗震性能目适宜的结构抗震性能目标，并采取满足预期的抗震性能目标的措施。标的措施。条文说明：条文说明：分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、分析结构方案在房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求，确定结构设场地条件或抗震设防标准等方面的特殊要求，确定结构设计是否需要采用抗震性能设计方法。计是否需要采用抗震性能设计方法。采用抗震性能设计的工程，一般表现为不能完全符合抗震采用抗震性能设计的工程，一般表现为不能完全符合抗震概念设计的要求；对特别不规则结构，应进行抗震性能设概念设计的要求；对特别不规则结构，应进行抗震性能设计，但需慎重选择抗震性能目标。计，但需慎重选择抗震性能目标。18/564.5 结构抗震性能设计结构抗震性能设计表表 预期性能目标预期性能目标 （抗震规范（抗震规范3.10.33.10.3条文说明）条文说明）地震水准性能1(A)性能2(B)性能3(C)性能4(D)多遇地震完好完好完好完好设防地震完好，正常使用基本完好，检修后继续使用轻微损坏，简单修理后继续使用轻微至接近中等损坏，变形303030303025框架四三三二二一一框架-剪力墙高度(m)60606060606050框架四三三二二一一剪力墙三二一一一剪力墙高度(m)80808080808060剪力墙四三三二二一一框支剪力墙非底部加强部位剪力墙四三三二二不应采用底部加强部位剪力墙三二二一框支框架二二一一筒体框架-核心筒框架三二一一核心筒二二一一筒中筒外筒三二一一内筒板柱-剪力墙板柱的柱三二一不应采用剪力墙二二一29/564.7.2 概念设计及抗震等级概念设计及抗震等级新旧规范框架新旧规范框架-剪力墙结构的抗震等级基本一致，框架结剪力墙结构的抗震等级基本一致，框架结构的抗震等级略有提高。下表给出新规范的构的抗震等级略有提高。下表给出新规范的A A级高度的框级高度的框架和框剪结构的抗震等级。架和框剪结构的抗震等级。30/564.7.2 概念设计及抗震等级概念设计及抗震等级31/564.7.2 概念设计及抗震等级概念设计及抗震等级B级高度高层建筑结构的抗震等级(旧)表4-6结构类型烈度6度7度8度框架-剪力墙框架二一一剪力墙二一特一剪力墙剪力墙二一一框支剪力墙非底部加强部位剪力墙二一一底部加强部位剪力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一32/564.7.2 概念设计及抗震等级概念设计及抗震等级33/56 为永久荷载分项系数；当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当其效应对结构有利时，应取1.0。4.8 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合及最不利内力4.8.1 荷载效应组合 荷载效应组合是指在所有可能同时出现的诸荷载组合下，确定结构或构件内产生的效应。其中最不利组合是指所有可能产生的荷载组合中，对结构构件产生总效应为最不利的一组。(1)无地震作用时的效应组合式中：S为荷载效应组合的设计值；分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值计算的荷载效应。为结构设计使用年限的调整系数，为结构设计使用年限的调整系数，100年取年取1.1。34/564.8 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合及最不利内力4.8.1 荷载效应组合 为楼面活荷载分项系数，一般情况下取1.4，活荷载标准值大于4.0kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载取1.3。为楼面活荷载组合值系数，由永久荷载控制的组合取0.7，由活荷载起控制时取1.0，由风荷载起控制时取0.7。为风荷载的分项系数取1.4。为风荷载的组合系数，永久荷载起控制时取0.0，楼面活荷载起控制时取0.6，风荷载起控制时取1.0。位移计算时，为正常使用状态，各分项系数均取1.0。35/564.8 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合及最不利内力4.8.1 荷载效应组合高层建筑无地震作用组合基本的荷载工况有：永久荷载效应对结构不利时：永久荷载效应对结构不利时：恒荷载起控制，无风 1.35恒载效应+0.71.4活载效应活荷载起控制，有风 1.20恒载效应 +1.01.4活载效应0.61.4风荷载风荷载起控制，有风 1.20恒载效应 +0.71.4活载效应1.01.4风荷载永久荷载效应对结构有利时：永久荷载效应对结构有利时：活荷载起控制，有风 1.0恒载效应 +1.01.4活载效应0.61.4风荷载风荷载起控制，有风 1.0恒载效应 +0.71.4活载效应1.01.4风荷载36/564.8 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合及最不利内力4.8.1 荷载效应组合(2)有地震作用的荷载效应组合高规5.6.3条 有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用组合的设计值应按下式确定：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，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；G重力荷载分项系数；w风荷载分项系数；Eh水平地震作用分项系数；Ev竖向地震作用分项系数；w风荷载的组合值系数，应取0.2。37/564.8 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合及最不利内力4.8.1 荷载效应组合(2)有地震作用的荷载效应组合高规5.6.4条 有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应的分项系数应按下列规定采用：1 承载力计算时，分项系数应按表5.6.4采用。当重力荷载效应对结构承载力有利时，表5.6.4中的G不应大于1.0；38/564.8.1 4.8.1 荷载效应组合荷载效应组合(2)有地震作用的荷载效应组合表5.6.4 有地震作用效应组合时荷载和作用分项系数(旧)所考虑的组合GEhEvw说明重力荷载及水平地震作用1.21.3重力荷载及竖向地震作用1.21.39度抗震设计时考虑；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1.21.30.59度抗震设计时考虑；水平长悬臂结构8度、9度抗震设计时考虑重力作用、水平地震作用及风荷载1.21.31.460m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，9度抗震设计时考虑；水平长悬臂结构8度、9度抗震设计时考虑39/56(2)有地震作用的荷载效应组合表5.6.4 地震设计状况时荷载和作用分项系数(新)所考虑的组合GEhEvw说明重力荷载及水平地震作用1.21.3抗震设计的高层建筑结构均应考虑重力荷载及竖向地震作用1.21.39度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7度(0.15g)、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1.21.30.59度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7度(0.15g)、8度、9度抗震设计时考虑重力作用、水平地震作用及风荷载1.21.31.460m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，9度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7度(0.15g)、8度、9度抗震设计时考虑1.20.51.31.4水平长悬臂和大跨度结构，7度(0.15g)、8度、9度抗震设计时考虑40/564.8.2 水平荷载的方向水平荷载的方向 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，如图4-2所示。在平面布置复杂或不对称的结构中，应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。图4-2 水平荷载作用下的内力41/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力 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)；对于框架柱或墙肢，各层柱(墙肢)的两端为控制截面。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。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。(1)及相应的N；(2)Nmax及相应的M；(3)Nmin及相应的M；(4)较大及N较大。42/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力 柱还要组合最大剪力。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，见图4-3。图4-3 构件验算截面43/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用1 对称配筋矩形截面偏心受压构件的Nu-Mu相关曲线 对于给定的一个偏心受压构件正截面，它的受压承载力设计值Nu与正截面受弯承载力设计值Mu之间的关系如图5.3.12所示。在小偏心受压情况下，随着轴向压力的增加，正截面受弯承载力随着减小，但在大偏心受压情况下，轴向压力的增加反而使构件正截面受弯承载力提高。在界限破坏时，正截面受弯承载力达到最大值。44/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力45/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力整个曲线分为大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两个曲线段：Mu=0，Nu最大；Nu=0时，Mu不是最大：界限破坏时，N=Nb，Mu最大。对称配筋时，如果截面形状和尺寸相同，混凝土强度等级和钢筋级别也相同，但配筋量不同，则在界限破坏时，它们的Nu是相同的(因为Nu=afcbxb)，因此各条N-M曲线的界限破坏点在同一水平处。正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用46/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力2 对称配筋情况下最不利内力组合的确定 当有几组M、N组合时，要进行配筋计算，首先要解决的问题是选择最不利一组内力。(1)大、小偏心受压的区分 当NNb时为小偏心受压；当NNb时为大偏心受压；正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用47/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力小偏心受压时，弯矩M和轴力N均为最大的一组为最不利内力；大偏心受压时，弯矩M大、轴力N小的一组内力为最不利内力。(a)小偏心受压 (b)大偏心受压 正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用48/564.6.4 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力例：最不利内力组合的判断（大偏压）条件：采用对称配筋的钢筋混凝土大偏心受压柱，在下列四组内力作用下：(A)M=100kNm，N=150kN；(B)M=100kNm，N=500kN；(C)M=200kNm，N=150kN；(D)M=200kNm，N=500kN。答案：选(C)正截面承载力Nu-Mu的相关曲线及其应用49/564.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅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，可对竖向荷载作用下梁端弯矩进行调幅。混凝土高规规定现浇框架支座负弯矩调幅系数为0.80.9；装配整体式框架支座负弯矩调幅系数为0.70.8；同时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。框架梁在竖向荷载作用下的调幅见图4-4。图4-4 框架梁在竖向荷载作用下的弯矩调幅50/564.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅 支座负弯矩降低后，跨中弯矩应加大，调幅后的跨中弯矩应满足下列要求：式中，分别为调幅后梁两端负弯矩及跨中正弯矩；为按简支梁计算的跨中弯矩。51/564.7 算例算例例 框架梁的最不利弯矩组合(H60m)条件:今有一高48m、三跨、十二层的钢筋混凝土框架结构，经计算已求得第六层横梁边跨边端的弯矩标准值如表所示。荷载类型永久荷载楼面荷载风荷载地震作用弯矩值-25kNm-9kNm18kNm30kNm要求：确定该处进行截面配筋时有地震作用效应组合时的弯矩设计值。52/564.7 算例算例答案：(1)因总高H=48m60m，根据高规规定，应同时考虑风荷载和地震作用的组合，且应考虑风荷载及地震作用可能出现正反方向。左-M=-1.250.65-1.3226.25-1.40.231.8=-363.81kNm；左+M=-1.050.65+1.3226.25+1.40.231.8=252.38kNm 右-M=-1.270.62-1.3175.65-1.40.224.7=-320.0kNm 右+M=-1.070.62+1.3175.651.40.224.7=164.64kNm 跨中M=1.277.74+1.325.30+1.40.23.6=127.19 kNm 剪力V=1.298.60+1.371.80+1.40.210.1=214.49 kN56/564.8 作业作业题1 框架梁的最不利弯矩组合(H60m)条件：今有一高64m、三跨、十六层的钢筋混凝土框架结构，经计算已求得第六层边跨边端的弯矩标准值如表所示。荷载类型永久荷载楼面活载风荷载地震作用弯矩值-25 kNm-9 kNm18kNm30kNm要求：确定该处进行截面配筋时有地震作用效应组合时所需的弯矩设计值。57/56