第4章設計要求2016

高層建筑結(jié)構(gòu)設計濰坊學院第四章設計要求§4.2承載力驗算§4.4

荷載效應組合及最不利內(nèi)力§4.3變形驗算§4.1建筑形體及結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性§4.5

延性與耗能§4.6

舒適度§4.7

重力二階效應及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定§4.8

鋼筋混凝土框架梁彎矩塑性調(diào)幅抗震概念設計包括正確的場地選擇，合理的結(jié)構(gòu)選型和布置、正確的構(gòu)造措施等。

§4.1建筑形體及結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性4.1.1

抗震概念設計強調(diào)抗震概念設計是由于地震作用的不確定性和結(jié)構(gòu)計算假定與實際情況的差異。這使得其計算結(jié)果不能全面真實地反映結(jié)構(gòu)的受力、變形情況，并確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

馬那瓜中央銀行大廈試問：那一幢破壞嚴重呢？馬那瓜美洲銀行大廈馬那瓜中央銀行大廈

結(jié)構(gòu)是均勻?qū)ΨQ的，基本的抗側(cè)力體系包括4個L形的桶體，對稱地由連梁連接起來，這些連梁在地震時遭到剪切破壞，是整個結(jié)構(gòu)能觀察到的主要破壞。分析表明：1.對稱的結(jié)構(gòu)布置及相對剛強的聯(lián)肢墻，有效地限制了側(cè)向位移，并防止了明顯的扭轉(zhuǎn)效應；2.避免了長跨度樓板和砌體填充墻的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞；3.當連梁剪切破壞后，結(jié)構(gòu)體系的位移雖有明顯增加，但由于抗震墻提供了較大的側(cè)向剛度，位移量得到控制。美洲銀行

1）平面不規(guī)則4個樓梯間偏置塔樓西端，西端有填充墻。4層以上的樓板僅為5cm厚，擱置在高45cm長14m小梁上。

2）豎向不規(guī)則塔樓上部（4層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4層樓板水平處的過渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（間距9.4m）。上下兩部分嚴重不均勻，不連續(xù)。主要破壞：第4層與第5層之間(豎向剛度和承載力突變),周圍柱子嚴重開裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿3層以上的所有樓板(有的寬達1cm),直至電梯井東側(cè)；塔樓西立面、其他立面窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其它非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均嚴重破壞或倒塌。

1971年美國圣菲南多地震，Olive-View醫(yī)院位于9度區(qū)，主樓遭到嚴重破壞。它是一幢剛度和強度在底層突變的建筑的典型震例，其教訓值得借鑒。該主樓是六層鋼筋混凝土房屋，其剖面如圖11所示。該幢建筑三層以上為框架-—剪力墻體系，底層和二層為框架體系，而二層有較多的磚隔墻。該結(jié)構(gòu)上、下層的側(cè)向?qū)娱g剛度相差約為10倍。地震后，上面幾層震害很輕，而底層嚴重偏斜，縱向側(cè)移達600mm，橫向側(cè)移約600mm，角柱出現(xiàn)嚴重的受壓酥碎現(xiàn)象。

Olive—View醫(yī)院主樓剖面1）采用規(guī)則建筑，不應采用嚴重不規(guī)則的建筑。2）具有明確的計算簡圖、合理的地震作用傳遞路徑和不間斷的傳力路線。3）具有足夠大的承載力和剛度。4）具備良好的彈塑性變形能力和大的消耗地震能量的能力。5）具有整體牢固性。6）構(gòu)件與構(gòu)件之間、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間，或是牢固連接，或是徹底分離，避免似連接非連接、似分離非分離的不確定狀態(tài)。7）設置多道抗震防線。

抗震高層建筑的建筑形體和結(jié)構(gòu)布置原則1、基本要求高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置，應有利于抵抗水平荷載和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力求均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)的影響。高層建筑結(jié)構(gòu)總體布置：結(jié)構(gòu)平面布置和結(jié)構(gòu)豎向布置

§4.1建筑形體及結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性結(jié)構(gòu)平面布置

1)在高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。不應采用嚴重不規(guī)則的平面布置。

平面不規(guī)則的類型平面不規(guī)則的類型扭轉(zhuǎn)不規(guī)則凹凸不規(guī)則平面不規(guī)則的類型局部不連續(xù)大開洞錯層

2）高層建筑宜選用風作用效應較小的平面形狀。對抗風有利的平面形狀是簡單、規(guī)則的凸平面。例如：圓形、正多邊形、橢圓形、鼓形等平面。對抗風不利的平面是有較多凹、凸的復雜平面形狀，如Ｖ形，Ｙ形、Ｈ形、弧形等平面。

對抗風有利的平面形狀

3）抗震設計的Ａ級高度鋼筋混凝土高層建筑，其平面布置宜簡單、規(guī)則、對稱，減少偏心；平面長度L不宜過長，突出部分長度l不宜過大；不采用角部重疊或細腰形平面圖形。4)抗震設計的Ｂ級高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復雜高層建筑，其平面布置應簡單、規(guī)則，減少偏心。5)結(jié)構(gòu)平面布置應減少扭轉(zhuǎn)的影響。平面不規(guī)則、質(zhì)量中心與剛度中心偏心較大和抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，其震害嚴重。4.1.2結(jié)構(gòu)豎向布置高層建筑結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化宜均勻、連續(xù),不應突變。豎向布置應符合下列要求：1）豎向宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收；側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化；不應采用豎向布置嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。豎向不規(guī)則的類型沿豎向的側(cè)向剛度不規(guī)則（有柔軟層）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)屈服抗剪強度不均勻（有薄弱層）

嚴重不規(guī)則是指體型復雜，多項不規(guī)則指標超過表中指標或某一項大大超過規(guī)定值，具有嚴重的抗震薄弱環(huán)節(jié)，將會導致地震破壞的嚴重后果者。注：以上規(guī)定主要針對鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的多層和高層建筑。豎向不規(guī)則的類型2）當結(jié)構(gòu)上部樓層相對于下部樓層有收進、或外挑時，應滿足：（1）當上部樓層有收進，且H1/H之比大于0.2時，B1不宜小于B的0.75倍；（2）當上部樓層有外挑時，B不宜小于上部樓層水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。3）為防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)弱層，A級高度高層建筑樓層層間的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑樓層層間的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的75%。4）抗震設計時，結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上、下連續(xù)貫通。

高層建筑結(jié)構(gòu)設計應保證結(jié)構(gòu)在可能同時出現(xiàn)的各種外荷載作用下，各個構(gòu)件及其連接均有足夠的承載力。我國建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準規(guī)定構(gòu)件按極限狀態(tài)設計，承載力極限狀態(tài)要求采用由荷載效應組合得到的構(gòu)件最不利內(nèi)力進行構(gòu)件截面承載力驗算。結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力驗算的一般表達式為：無地震作用組合時有地震作用組合時§4.2承載力驗算式中：S—是在不考慮地震作用時，通過荷載效應組合后的構(gòu)件內(nèi)力設計值；

R—是無地震作用組合時構(gòu)件的承載能力。不同的構(gòu)件，要采用不同的承載能力計算公式，如：抗彎承載力、抗剪承載力、抗壓承載力等?？梢詤⒖加嘘P(guān)鋼筋混凝土基本構(gòu)件計算以及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算的有關(guān)教材。無地震作用組合時§4.2承載力驗算式中：SE—是考慮地震作用時，通過荷載效應組合后得到的構(gòu)件內(nèi)力設計值；

RE—地震作用下構(gòu)件的承載能力。

γRE—抗震承載力調(diào)整系數(shù)。有地震作用組合時§4.2承載力驗算

承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE的取值§4.2承載力驗算在正常使用狀態(tài)下（風荷載和小震作用），限制結(jié)構(gòu)水平變形主要原因有：（l）過大的側(cè)向變形會使人不舒服，影響正常使用。（2）過大的側(cè)向變形，特別是過大的層間變形會使填充墻及一些建筑裝修出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯軌道變形或玻璃破損?！?.3變形驗算一、使用階段層間位移限制（3）過大的側(cè)向變形會使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫甚至破損。限制結(jié)構(gòu)裂縫寬度就要限制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形及層間變形。（4）過大的側(cè)向變形會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，嚴重時會加速倒塌?！?.3變形驗算一、使用階段層間位移限制

結(jié)構(gòu)的剛度可以用限制側(cè)向變形的形式表達，我國現(xiàn)行規(guī)范主要限制層間位移：式中：△u為荷載效應組合所得結(jié)構(gòu)樓層層間位移，h為該層層高，△u/h為層間轉(zhuǎn)角，應取各樓層中最大的層間轉(zhuǎn)角，即(△u/h)max，驗算是否滿足要求。上式右端是限制值。§4.3變形驗算一、使用階段層間位移限制正常使用情況下的層間轉(zhuǎn)角Δu/h的限制

§4.3變形驗算一、使用階段層間位移限制《高層規(guī)程》僅對有特殊要求的建筑、地震時易倒塌的結(jié)構(gòu)以及有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)做了兩階段設計要求，對這些結(jié)構(gòu)還要進行薄弱部位的彈塑性層間變形驗算，并采取相應的抗震構(gòu)造措施，實現(xiàn)第三水準的抗震設防要求。§4.3變形驗算二、防止倒塌層間位移限制

《抗震規(guī)范》規(guī)定，彈塑性變形驗算是第二階段抗震設計的內(nèi)容，以實現(xiàn)“大震不倒”的設防目標。應進行彈塑性變形驗算的高層建筑結(jié)構(gòu)有：(1)、7-9度時樓層屈服強度系數(shù)小于0.5的框架結(jié)構(gòu)；(2)、甲類建筑和9度抗震設防的乙類建筑結(jié)構(gòu)；(3)、采用隔震和消能減震技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)。§4.3變形驗算二、防止倒塌層間位移限制樓層屈服強度系數(shù)，是指按構(gòu)件實際配筋和材料強度標準值計算的樓層受剪承載力與按罕遇地震作用標準值計算的樓層彈性地震剪力的比值。罕遇地震作用下，為防止結(jié)構(gòu)倒塌，要限制結(jié)構(gòu)薄弱層部位）的彈塑性層間側(cè)移。要符合下式要求：式中：△up——層間彈塑性位移；

θｐ——層間彈塑性位移角限值，可按下表采用；h——層高§4.3變形驗算二、防止倒塌層間位移限制彈塑性層間位移角θｐ（=Δu/h）的限制

§4.3變形驗算二、防止倒塌層間位移限制根據(jù)使用要求，經(jīng)濟等指標結(jié)構(gòu)布置：柱網(wǎng)布置，梁布置梁、柱選型（初估）計算單元選取計算簡圖選取及荷載計算豎向荷載下的分層計算水平荷載下的內(nèi)力和變形計算荷載效應組合承載力設計構(gòu)造處理框架結(jié)構(gòu)設計計算程序（手算）

無地震作用效應組合時，荷載效應組合的設計值應按下式確定:1、無地震作用時的效應組合§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合高層建筑的無地震作用組合基本的荷載工況有兩種：①恒載+活載：

1.2恒載效應+1.4活載效應

1.35恒載效應+1.40.7活載效應②恒載+活載+風荷載：高層結(jié)構(gòu)：

1.2恒載效應+1.4活載效應+1.41.0風荷載§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合有地震作用效應組合時，荷載效應和地震作用效應組合的設計值應按下式確定：2、有地震作用時的效應組合§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合有地震作用效應組合時荷載作用分項系數(shù)注：表中“—”表示組合中不考慮該項荷載或作用效應§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合高層建筑的有地震作用組合的基本工況有：①、對于所有高層建筑

1.2重力荷載效應+1.3水平地震作用效應②、對于60m以上高層建筑

1.2重力荷載效應+1.3水平地震作用效應+1.40.2風荷載效應§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合③、9度設防高層建筑

1.2重力荷載效應+1.3水平地震作用效應+0.5豎向地震作用效應④、9度設防高層建筑

1.2重力荷載效應+1.3豎向地震作用效應⑤、9度設防高層建筑、且為60m以上高層建筑

1.2重力荷載效應+1.3水平地震作用效應+0.5豎向地震作用效應+1.40.2風荷載效應§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力一、荷載效應組合恒荷載是長期作用在結(jié)構(gòu)上的，在計算內(nèi)力時必須滿布。豎向活荷載是可變的，不同的布置會產(chǎn)生不同的內(nèi)力。理論上，應按最不利布置計算截面最不利內(nèi)力。但一般高層建筑的活荷載不大，它產(chǎn)生的內(nèi)力所占比重較小。因此，《混凝土高規(guī)》及《高鋼規(guī)》均規(guī)定，高層建筑結(jié)構(gòu)計算時可不考慮活荷載的不利布置，而用滿布活荷載計算內(nèi)力。但如果設計的結(jié)構(gòu)豎向活荷載很大時，例如圖書館書庫等，仍應考慮活荷載不利布置?！?.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力二、豎向活荷載的布置實際風荷載和水平地震都可能沿任意方向。設計時假定只考慮主軸方向的水平荷載，但是水平荷載可以是正方向，也可以是負方向。在矩形平面的結(jié)構(gòu)中，正負兩個方向荷載相等，符號相反，因此內(nèi)力大小相等，符號相反，如下頁圖所示?！?.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力三、水平荷載的方向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力三、水平荷載的方向

結(jié)構(gòu)設計時，分別對各個構(gòu)件進行內(nèi)力組合，而且是針對各構(gòu)件控制截面進行組合，獲得控制截面上的最不利內(nèi)力作為該構(gòu)件的配筋設計依據(jù)。

控制截面通常是內(nèi)力最大的截面。對于框架梁或連梁，兩個支座截面及跨中截面為控制截面(短連梁只有支座截面為控制截面)；對于框架柱或墻肢，各層柱(墻肢)的兩端為控制截面。

§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力四、控制截面及最不利內(nèi)力

梁支座截面的最不利內(nèi)力為最大正彎矩及最大負彎矩，以及最大剪力；跨中截面的最不利內(nèi)力為最大正彎矩，有時也可能出現(xiàn)負彎矩。

§4.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力四、控制截面及最不利內(nèi)力柱(墻)是偏壓構(gòu)件。大偏壓時彎矩愈大愈不利，小偏壓時軸力愈大愈不利。因此要組合幾種不利內(nèi)力，取其中配筋最大者設計截面?？赡苡兴姆N不利的M、N內(nèi)力：①及相應的N；②及相應的M；③及相應的M；④較大及N較大(小偏壓)或較小(大偏壓)。柱（墻）還要組合最大剪力V。

§4.荷載效應組合及最不利內(nèi)力四、控制截面及最不利內(nèi)力截面配筋計算時，應采用構(gòu)件端部截面的內(nèi)力，而不是軸線處的內(nèi)力，如圖所示?！?.4荷載效應組合及最不利內(nèi)力四、控制截面及最不利內(nèi)力

位于設防烈度6度及6度以上地區(qū)的建筑都要按規(guī)定進行抗震設計，除了滿足抗震承載力及側(cè)移限制要求外，都要滿足延性要求和具有良好的耗能性能，這是實現(xiàn)“中震可修、大震不倒”的基本措施。鋼結(jié)構(gòu)的材料本身就具有良好的延性，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要通過延性設計，才能實現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)?！?.5延性與耗能前言

在“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設計原則下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都應該設計成延性結(jié)構(gòu)，即在設防烈度地震作用下，允許部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，這種狀態(tài)是中震“可修”狀態(tài)：當合理控制塑性鉸部位、構(gòu)件又具備足夠的延性時，可做到在大震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌。高層建筑各種體系都是由梁、柱框架和剪力墻組成，作為抗震結(jié)構(gòu)都應該設計成延性框架和延性剪力墻。

一、延性結(jié)構(gòu)的含義§4.6舒適度要求風工程學者通過大量試驗研究后認為，結(jié)構(gòu)的風振加速度是衡量人體對風振反應的最好尺度。高層建筑物在風荷載作用下將產(chǎn)生振動，過大的振動加速度將使在高樓內(nèi)居住的人們感覺不舒適，甚至不能忍受，兩者的關(guān)系見下表，其中g(shù)為重力加速度。1、二階效應（即P～Δ效應）

計算分析表明，對混凝土結(jié)構(gòu)，隨著結(jié)構(gòu)剛度的降低，重力二階效應的不利影響呈非線性增長。因此，對結(jié)構(gòu)的彈性剛度和重力荷載作用的關(guān)系應加以限制?！?.7重力二階效應及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

當高層建筑結(jié)構(gòu)滿足下列規(guī)定時，可使結(jié)構(gòu)按彈性分析的二階效應對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的增量控制在5％左右，則彈性計算分析時可不考慮重力二階效應的不利影響。1）剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)：2）框架結(jié)構(gòu)：式中：——結(jié)構(gòu)一個主軸方向的彈性等效側(cè)向剛度，可按倒三角形分布荷載作用下結(jié)構(gòu)頂點位移相等的原則，將結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度折算為豎向懸臂受彎構(gòu)件的等效側(cè)向剛度；

——房屋高度；

——分別為第i、j

樓層重力荷載設計值，取1.2倍的永久荷載標準值與1.4倍的樓面可變荷載標準值的組合值；

——第i樓層層高；

——第i樓層的彈性等效側(cè)向剛度，可取該層剪力與層間位移的比值；

n——結(jié)構(gòu)計算總層數(shù)。EJd結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度位移增大系數(shù)內(nèi)力增大系數(shù)位移增大系數(shù)內(nèi)力增大系數(shù)

當不滿足上述要求時，高層建筑結(jié)構(gòu)的重力二階效應可采用有限元方法進行計算；也可采用對未考慮重力二階效應的計算結(jié)果乘以下述增大系數(shù)的方法近似考慮。2、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算高層建筑