設計計算的基本規(guī)定

第4章

設計計算的基本規(guī)定●宜采用高強高性能混凝土和高強鋼筋；構件內力較大或抗震性能有較高要求時，宜采用型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱。●各類結構用混凝土的強度等級均不應低于C20且應符合相關規(guī)定P77。●按一、二、三級抗震等級設計的框架和斜撐構件，其縱向受力鋼筋應采用專用抗震鋼筋。24.1結構材料5●抗震設計時混合結構中鋼材的實測屈服強度與抗拉強度的比值不應大于0.85；伸長率不應小于20％；鋼材應有良好的焊接性和合格的沖擊韌性。注：①混合結構：由兩種或兩種以上不同材料的承重結構所共同組成的結構體系均為混合結構②屈強比：材料的屈服點（屈服強度）與抗拉強度的比值，稱為屈強比。能反映鋼材的利用率和結構的安全可靠性，屈強比愈小，反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性愈大，因而結構的安全性愈高。③伸長率：伸長的長度與原來構件長度的比率●混合結構中的型鋼混凝土豎向構件的型鋼及鋼管混凝土的鋼管宜采用Q345和

Q235鋼材，也可采用Q390、Q420或其他符合結構性能要求的其他鋼材；型鋼梁宜采用Q235和Q345鋼材。注：Q345----屈服值為345MPa4.2結構計算的一般規(guī)定1、計算原則（1）內力與變形可按彈性方法計算，截面設計則應考慮彈塑性性質。注：①彈性、塑性、彈塑性:可變形固體在外力作用下將發(fā)生變形。根據變形的特點，固體在受力過程中的力學行為可分為兩個明顯不同的階段：當外力小于某一限值（通常稱之為彈性極限荷載）時，在引起變形的外力卸除后，固體能完全恢復原來的形狀，這種能恢復的變形稱為彈性變形，固體只產生彈性變形的階段稱為彈性階段；當外力一旦超過彈性極限荷載時，這時再卸除荷載，固體也不能恢復原狀，其中有一部分不能消失的變形被保留下來，這種保留下來的永久變形就稱為塑性變形，這一階段稱為塑性階段.根據上述固體受力變形的特點，所謂彈性，就定義為固體在去掉外力后恢復原來形狀的性質；而所謂塑性，則定義為在去掉外力后不能恢復原來形狀的性質。（2）對于比較柔軟的結構，要考慮重力二階效應的不利影響。注：重力二階效應：側向剛度較柔的建筑物，在風荷載或水平地震作用下將產生較大的水平位移△，由于結構在豎向荷載P的作用下，使結構進一步增加側移值且引起結構內部各構件產生附加內力。這種使結構產生幾何非線性的效應，稱之為重力二階效應。由于P—△效應的影響，將降低結構的承載力和結構的整體穩(wěn)定。（3）對于復雜的不規(guī)則結構或重要結構（如甲類建筑和9度抗震設計的乙類建筑），應該驗算其在罕遇地震下薄弱層的彈塑性變形注：根據高層建筑抗震設計規(guī)范，抗震設計的宗旨是“大震不倒，小震不壞”，抗震設計的要求是“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點、強錨固”。也就是說，在地震時，柱子所受的影響比梁要大，構件所受的剪力比彎矩大，節(jié)點部位的影響比非節(jié)點大。所以薄弱環(huán)節(jié)在柱子、節(jié)點（梁柱交接處）、以及鋼筋有錨固的地方。（4）框架梁及連梁等構件可考慮局部塑性變形引起的內力重新分布。注：①在結構內力計算中，考慮地震時連梁的剛度降低（連梁按折減后的剛度計算）及框架梁端的塑性內力重新分布（如按彈性方法計算后對梁端彎矩調整幅度，并相應調整梁的跨中彎矩）對結構內力的影響。②在結構變形計算中，結構剛度按照彈性方法計算，不考慮結構構件如連梁、框架等由于塑性發(fā)展而引起的剛度降低，也不考慮由于鋼筋混凝土構件實際配筋對構件剛度的影響，變形計算屬于一種近似計算的范疇，變形計算的數值的大小是對結構剛度的大致判斷，實際工程中不必對具體數值過分追究。2、計算模型高層建筑的常用模型有：

——平面結構空間協(xié)同模型；

——空間桿系模型；

——空間桿-薄壁桿系模型；——空間桿-墻板元模型

——其他組合有限元模型。注：體形復雜、結構布置復雜的高層建筑結構，應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算，包含兩層含義，一個是比較適合的不同的兩個計算模型；另一個是兩個不同的計算軟件。3、結構構件剛度（1）樓蓋和屋蓋結構剛度

1）不開洞樓面、屋面自身平面內的剛度可視為無限大。

2）樓面內變形會使樓層內抗側剛度較小的構件位移和受力加大。

3）當需要考慮樓板面內變形而計算中采用樓板面內為無限剛性假定時，應對所得的計算結果進行適當調整。一般對樓板削弱部位的抗側剛度相對較小的結構構件，適當增大其計算內力，加強配筋和構造措施。4）無梁樓蓋樓板較厚，應考慮其平面外剛度平面內就是指和載荷作用方向一致的方向，平面外就是和載荷作用方向垂直的方向，無梁樓蓋樓板承受水平方向來的風荷載或者是地震荷載，在豎直方向上產生的剛度就是平面外剛度。

（2）連梁剛度

對于連梁的剛度，在抗震設計時，可考慮在不影響其承受豎向荷載能力的前提下，允許其適當開裂而把內力轉移到墻體等其他構件上，通常，設防烈度低時連梁剛度可以少折減一些，設防烈度高時可以多折減一些，抗震設防烈度為6、7度時，折減系數可取0.7；8、9度時可取0.5。（3）樓蓋梁的抗扭效應樓板對梁有約束作用，樓面梁的扭轉效應較小。（4）地下室頂板剛度地下室頂板剛度較大，當滿足以下條件時，可作為上部結構的嵌固端：

1）采用現澆梁板結構；

2）抗側剛度不小于相鄰上部樓層的2倍；

3）厚度不小于180mm，混凝土強度等級不低于C30，采用雙層雙向配筋。4、計算簡圖結構計算簡圖既要符合工程實際，又要棄繁就簡，滿足工程精度要求，保證結構安全。（1）構件偏心和剛域長度的計算①實際工程中的三種構件偏心情況---P80②剛域長度的計算公式--P80公式4.1-4.4注：剛域：指計算中，在桿件端部其彎曲剛度按無限大考慮的區(qū)域，此區(qū)域構件不發(fā)生彎曲和剪切變形，但仍保留軸向變形和扭轉變形。（2）密肋樓蓋和無梁樓蓋①無梁樓蓋需考慮平面外剛度②密肋梁可以等效為柱上框架梁：等效框架梁的截面寬度可取密肋梁截面寬度之和等效框架梁的截面高度可取密肋梁的截面高度（3）復雜平面和立面剪力墻選擇合適的計算模型并對模型進行必要的處理（4）結構嵌固部位---固定端，即對作為主體結構嵌固部位地下室樓層的整體剛度和承載能力加以控制。施工洞是為了施工的方便，在墻上預留孔洞，這樣方便運送材料，人員的輸送，好像在施工作業(yè)中是不可少的。一般規(guī)定，洞的尺寸，寬不大于一米，高不大于兩米，（超過的要加過梁，實際施工中，一般的洞都加的有過梁。）5、各類構件應考慮的變形注：結構計算中一般可不考慮梁的軸向變形，但當梁可能承受較大的拉力，如設置斜柱、轉換梁等時，應考慮梁的軸向變形，對結構的關鍵部位樓板應考慮開裂對其軸向剛度的影響，設置樓層水平桁架或樓面鋼梁以傳遞樓層水平力時，可偏安全的按照零剛度樓板計算梁等樓面水平構件的軸力。6、B類高層建筑和復雜高層建筑

1）應采用兩個或兩個以上不同三維力學模型的軟件計算；

2）宜考慮平扭耦聯(lián)計算，振型數不小于15，多塔結構的振型數不小于塔樓數的9倍，振型參與質量不小于總質量的90%（抗震規(guī)范第3.6.13.6.23.6.6條）

3）應采用彈性時程分析法進行補充計算；4）宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算。

在抗震中，“耦聯(lián)”就是作用在給定側移的某一質點上的彈性回復力不僅取決于這一質點上的側移，而且還取決于其他各質點的位移，因而存在著剛度耦聯(lián)，這樣會給微分方程組的求解帶來不少困難，所以，應運用振型分解和振型正交性原理來解耦，使方程組求解大大簡化。7、風荷載效應分析對稱結構應按兩個方向風效應的較大值采用，體型復雜結構應按多個方向風效應的較大值采用。8、重力荷載下的施工過程模擬房屋高度大于150m時應考慮重力荷載下的施工過程模擬計算內力。9、多塔結構宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結果進行結構設計。彎曲變形、剪切變形的概念：彎曲變形、剪切變形：這兩個是材料力學和結構力學中的概念，分別指構件中的某一個截面的彎矩、剪力產生的變形，可以由彎矩和抗彎剛度、剪力和抗剪剛度計算得到。

4.3重力二階效應和結構穩(wěn)定框架結構,剪力墻結構和框剪結構在側向力作用下的水平位移曲線的特點：

1、框:抗側剛度較小，其位移由兩部分組成：梁和柱的彎曲變形產生的位移,側移曲線呈剪切型,自下而上層間位移減小;柱的軸向變形產生的側移,側移曲線呈彎曲型,自下而上層間位移增大.第一部分是主要的,第二部分很小可以忽略，所以框架結構在側向力作用下的側移曲線以剪切型為主，故稱為剪切型變形.

2、剪:抗側剛度較大，剪力墻的剪切變形產生位移，側向位移呈彎曲型,即層間位移由下至上逐漸增大，相當于一個懸臂梁;3、框剪:位移曲線包括剪切型和彎曲型,由于樓板的作用,框架和墻的側向位移必須協(xié)調.在結構的底部,框架的側移減小;在結構的上部,剪力墻的側移減小,側移曲線呈彎剪型,層間位移沿建筑物的高度比較均勻,改善了框架結構及剪力墻結構的抗震性能,也有利于減少小震作用下非結構構件的破壞。二階效應P-δ效應：由于構件自身撓曲引起的附加重力效應。P-?效應：重力荷載由于結構的水平側移而引起的附加效應。如圖所示兩端鉸支且兩端偏心距相等的”標準偏壓柱”P-δ效應P-?效應高層建筑重力二階效應可采用有限元計算，也可采用對未考慮重力二階效應的計算結果乘以增大系數的方法近似考慮。只對水平荷載產生的內力與位移乘增大系數。

344.3.1重力二階效應與結構穩(wěn)定35（1）框架結構框架柱二階效應圖柱的抗側剛度為：

(11)由此可得:

(12)36由圖(c)的靜力平衡條件可以求得：(13)(14)

由式(14)可得：如果框架失穩(wěn),則應趨于無窮大,即(15)中分母應趨于零,由此得：(15)(16)由式(17)可見，第i層的臨界荷載等于該層柱的抗側剛度與該層層高的乘積。（17）37由式(15)可得將式(19)代入(18)得：式中,為框架結構考慮重力二階效應的位移放大系數。(18)(20)(5.4.3-1）（19）彎矩和剪力可以仿照位移相似的方法乘放大系數。但是在位移計算時不考慮剛度折減；而在內力計算時要考慮剛度折減，同時還要使結構內力增量控制在20%以內。則式中為框架結構考慮重力二階效應的內力放大系數。(21)(22)(5.4.3-2)39為便于分析討論，將式(20)寫成如下形式：(23)40（2）當框架結構剛重比不小于20，即

重力二階效應的影響已經很小，可以忽略不計。(5.4.1-2)(5.4.4-2)（1）框架結構的剛重必應滿足以下規(guī)定：41結論：（3）當框架結構的剛重比在10~20之間時，要考慮重力二階效應，變形和內力應分別乘放大系數和。F1i

F2i

42（2）剪力墻、框架-剪力墻、筒體結構

豎向彎曲型懸臂桿的頂點歐拉臨界荷載為：重力荷載沿豎向均勻分布時的等效頂點臨界荷載為：（24）（25）(5.4.3-3)(5.4.3-4)仿照公式（18）可求得：（26）（27）將公式（25）和（27）代入公式（26）可得：43為便于分析討論，將式(5.4.3-3)寫成如下形式：(28)44（1）因此為了保持剪力墻結構、框架-剪力墻結構和筒體

結構的整體穩(wěn)定，要求：(5.4.4-1)（2）在水平力作用下，當滿足下列規(guī)定時，可不考慮重力二階效應的不利影響：

（5.4.1-1）45結論：（3）當結構的剛重比在1.4~2.7之間時，要考慮重力二階效應的影響，位移和內力要分別乘放大系數F1和F2。464.3.2抗傾覆驗算高寬比大于4的高層建筑，基礎底面不宜出現零應力區(qū)。高寬比不大于4時零應力區(qū)面積不應超過基礎底面積的15%。47底部應力的三種分布48MR/MOV3.02.31.51.31.0(B-X)/B零應力區(qū)比例0（全截面受壓）15%50%65.4%100%49增加抗傾覆的措施：（a）增加基礎的埋置深度；（b）做剛性大底盤；（c）加錨桿；（d）綜合運用上述方法。無地震作用組合且荷載與荷載效應按線性關系考慮時，荷載組合的效應設計值應按下式確定：增加了結構設計使用年限的荷載調整系數γL，設計使用年限為50年時取1.0，100年時取1.1。（5.6.1）4.4作用效應組合1、無地震作用效應組合注：①荷載效應組合的概念？結構或結構構件在使用期間，除承受恒荷載外，還可能同時承受兩種或兩種以上的活荷載，這就需要給出這些荷載同時作用時產生的效應，這就是荷載效應組合的概念。②荷載標準值與荷載效應標準值的區(qū)別？荷載效應是指由荷載引起結構或結構構件的反應，像內力，變形，裂縫等。所以在計算效應組合時，一般分為兩個方面，一個是承載力的計算，一個是位移的計算。比如永久荷載效應標準值SGK是按永久荷載標準值GK計算的荷載效應值，簡單來說，就是用GK計算出的構件的內力就是SGK。再比如風荷載標準值就是Wk，通過基本風壓W0計算而來，而風荷載效應標準值Swk，是使用風荷載標準值Wk計算出來的構件內力標準值，一般是柱的彎矩和剪力。2、地震設計狀況

Sd

=

γGSGE＋γEhSEvk＋γEvSEvk＋ΨwγwSwk式中：Sd

—荷載和地震作用組合的效應設計值；

SGE—重力荷載代表值的效應；

SEhk—水平地震作用標準值的效應；

SEvk—豎向地震作用標準值的效應；

Ψw—風荷載的組合值系數，應取0.2。注：①“水平長懸臂和大跨度結構7度（0.15g）、8度、9度抗震設計時考慮”指的是：適用于地震作用7度（0.15g，注意：7度0.10g時可不考慮）、8度（0.20g及0.30g）、9度（0.40g）的水平懸臂和大跨度結構。7度0.15g：按照7度抗震設計時，地震時地面的加速度為0.15g。7度0.10g：按照7度抗震設計時，地震時地面的加速度為0.10g。至于是7度0.10g還是7度0.15g，是參照相關規(guī)范根據地域不同查閱而得。②實際工程中，應對上表中規(guī)定采用的各種組合方式進行分別的計算，按最不利情況進行設計，而不能簡單比較哪一組組合值的大或小，也不一定組合項越多效應就越大，效應值最大時也不一定是結構設計的最不利情況。

最不利情況：這里的最不利情況不一定是效應值的最大值，而是結構設計的最不利情況，對混凝土結構而言指的是需要的構件截面最大或者配筋最多等。4.5構件承載力計算1、計算公式

軸壓比：柱子所受的軸力除以柱子的混凝土所能承受的壓力2、結構抗震等級注：①抗震等級：抗震等級是設計部門依據國家有關規(guī)定，按“建筑物重要性分類與設防標準”，根據烈度、結構類型和房屋高度等，而采用不同抗震等級進行的具體設計，抗震等級劃分為特一、一、二、三、四級，以表示其非常嚴重、很嚴重、嚴重、較嚴重及一般的四個級別。②烈度：地震發(fā)生時，在波及范圍內一定地點地面振動的激烈程度，又稱地震烈度，地面振動的強弱直接影響到人的感覺的強弱，器物反應的程度，房屋的損壞或破壞程度，地面景觀的變化情況等。③震級：震級是指地震的大?。皇且缘卣饍x測定的每次地震活動釋放的能量多少來確定的。3、特一級抗震等級的構造要求：配箍特征值=配箍率×鋼筋強度/混凝土強度，用來控制單位體積內的箍筋量，這個值比最小配筋率控制的范圍擴大到高強砼和高強鋼筋。注：框架柱和框支柱的區(qū)別：框架柱就是在框架結構中承受梁和板傳來的荷載，并將荷載傳給基礎，是主要的豎向受力構件。需要通過計算配筋?？蛑Я号c框支柱用于轉換層，如下部為框架結構，上部為剪力墻結構，支撐上部結構的梁柱為框支柱和框支梁?？蛑еc框架柱的區(qū)別也就是所用部位不同，然后結構設計時所考慮的也就不盡相同了。簡單一點就是：框支柱是框架梁上的柱，用于轉換層上層?？蛑еc框架柱的區(qū)別在于框架柱與基礎相連，框支柱與框架梁相連連梁是指在剪力墻結構和框架—剪力墻結構中，兩端與剪力墻相連且跨高比小于5的梁。梁暗撐一般用于剪力墻的連梁中。當連梁的跨高比不大于2時（只要是剪力墻筒體結構中），一般要在連梁中設置暗撐或交叉鋼筋，這種暗撐是斜向交叉的。4.6水平位移驗算和舒適度的要求?u/h≤[?/h]結構體系?u/h限值框架1/550框架-剪力墻、框架-核心筒、板柱-剪力墻1/800筒中筒、剪力墻1/1000除框架結構外的轉換層1/1000樓層層間最大位移與層高之比的限值式中，?u/h為側移控制指標。[?/h]為?u/h的限值，見下表。4.6.1水平位移驗算房屋高度不小于150m的高層混凝土建筑結構應滿足風振舒適度要求。在10年一遇的風荷載標準值作用下，結構頂點的順風向和橫風向振動最大加速度計算值不應超過下表的限值。計算時，混凝土結構的阻尼比取0.02，混合結構的阻尼比取0.01～0.02。使用功能alim(m/s2)住宅、公寓0.15辦公、旅店0.25結構頂點風振加速度限值alim4.6.2風振舒適度1、結構頂點舒適度要求2、樓蓋豎向振動舒適度要求●鋼筋混凝土樓蓋結構豎向頻率不宜小于

3Hz，豎向振動加速度不應超過下表：人員活動環(huán)境峰值加速度限值（m/s2）豎向自振頻率不大于2Hz豎向自振頻率不小于4Hz住宅、辦公0.070.05商場及室內連廊0.220.15樓蓋豎向振動加速度限值●樓蓋結構自振頻率為2Hz

—

4Hz時，峰值系數限值可按線性插值法選取。

4.8結構抗震性能設計

（1）什么是結構抗震性能設計?

結構抗震性能設計是指以結構抗震性能目標為基準的結構抗震設計。91“小震不裂、中震可修、大震不倒”是一個宏觀要求。結構的重要性不同，對抗震性能的要求也不同?？拐鹦阅茉O計是抗震設計的深化。為此，新規(guī)范設定了四個抗震性能目標和五個抗震性能水準。(2)什么是結構抗震性能目標?

分為A,B,C,D四個等級。這四個等級與抗震規(guī)范中提出的抗震性能1、2、3、4是一致的。A級要求最高，B級要求次之，C級要求再次之，D級要求最低。結構抗震性能目標應綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素選定。9293級別

結構特征

A級特別不規(guī)則的、房屋高度超過B級高度較很多的高層建筑或處于不利地段場地的特別不規(guī)則結構，可選用A級。

B級房屋高度超過B級高度較多或不規(guī)則性超過規(guī)程適用范圍很多的結構，可選用B級。

C級房屋高度超過B級高度或不規(guī)則性超過適用范圍較多的結構，可選用C級。

D級房屋高度超過A級高度或不規(guī)則性超過適用范圍較少的結構，可選用C級或D級。（3）如何選擇抗震性能目標？(4)什么是結構的抗震性能水準?結構的抗震性能水準是指對結構震后損壞狀況及繼續(xù)使用可能性等抗震性能的界定。結構抗震性能分為1、2、3、4、5五個水準。9495結構抗震性能水準宏觀損壞程度損害部位繼續(xù)使用的可能性關鍵構件普通豎向構件耗能構件1完好，無損壞無損壞無損壞無損壞不需修理即可繼續(xù)使用2基本完好、輕微損壞無損壞無損壞輕微損壞稍加修理后可繼續(xù)使用3輕度損壞輕微損壞輕微損壞輕度損壞、部分中度損壞一般修理后可繼續(xù)使用4中度損壞輕度損壞部分構件中度損壞中度損壞、部分比較嚴重損壞修復或加固后可繼續(xù)使用5比較嚴重損壞中度損壞部分構件比較嚴重損壞比較嚴重損壞需排險大修(5)各性能水準結構預期的震后性能狀況如何?96性能目標ABCD多遇地震1111設防烈度地震1234預估的罕遇地震2345(6)各性能目標與各性能水準如何對應?每個性能目標均與一組抗震性能水準相對應，見下表。結構抗震性能目標表3.11.1(7)什么結構要進行抗震性能設計?特別不規(guī)則的結構，高度超過A級和B級的結構以及處于不利地段上的不規(guī)則結構等，宜采用結構抗震性能設計方法進行分析和論證。974.9抗連續(xù)性倒塌設計基本要求什么是結構連續(xù)性倒塌?

指結構遭遇突發(fā)事件后因局部破壞導致結構連續(xù)性倒塌或大范圍破壞的現象。造成結構連續(xù)倒塌的原因可以是爆炸、撞擊、設計施工失誤、地基基礎失效等偶然因素。98典型事例：●1968年5月16日，英國倫敦某22層、64m高的公寓在18層角部因燃氣爆炸引發(fā)的連續(xù)性倒塌?！?995年4月19日，美國俄克拉荷馬市聯(lián)邦大廈因汽車炸彈在距大廈前4.75處爆炸引發(fā)的連續(xù)性倒塌?！?001年9月11日，美國紐約世貿中心大廈雙子塔因兩架飛機恐怖襲擊引發(fā)的連續(xù)性倒塌。99(2)什么情況下要進行結構的抗連續(xù)倒塌設計?◆安全等級為一級的高層建筑結構應滿足抗連續(xù)倒塌概念設計的要求；◆有特殊要求時，可采用拆除構件方法