第三讲 设计要求及荷载效应组合

第3讲 设计要求及荷载效应组合

与一般结构相同，设计高层建筑结构时，分别计算各种荷载作用下的内力和位移，然后从不同工况的荷载组合中找到最不利内力及位移，进行结构设计。

应当保证在荷裁作用下结构有足够的承裁力及刚度，以保证结构的安全和正常使用。结构抗风及抗震对承载力及位移有不同的要求，较高的结构抗风还要考虑舒适度要求，抗震结构还要满足延性要求等。下面将分别进行介绍。

1、承载力验算

高层建筑结构设计应保证结构在可能同时出现的各种外荷载作用下，各个构件及其连接均有足够的承载力。我国《建筑结构设计统一标准》规定构件按极限状态设计，承载力极限状态要求采用由荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承裁力验算。结构构件承载力验算的一般表达式为：

无地震作用组合时：S有地震作用组合时：

R

SERE/RE

承载力抗震调整系数

材料 结构构件 梁 轴压比小于0.15的柱 轴压比不小于0.15的钢筋混凝土 柱 剪力墙 各类受剪、偏拉构件 梁、柱 支撑 钢 梁节点、螺栓 连接焊缝

0.85 0.90 0.85 0.85 0.75 0.80 0.80 RE 0.75 0.75

2、侧移限制

1）使用阶段层间位移限制

结构的刚度可以用限制侧向变形的形式表达，我国现行规范主要限制层间位移：

u/hmaxu/h

在正常使用状态下，限制侧向变形的主要原因有：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(P效应)。在正常使用状态下(风荷载和小震作用)，u/h的限值按下表选用。

2）防止倒塌层间位移限制

罕遇地震作用下．为防止结构倒塌，要限制结构的最大弹塑性层间侧移。罕遇地震作用下u/h的限值按下表选用

3、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废，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，max应满足下列要求：

4、稳定和抗倾覆

任何情况下，应当保证高层建筑结构的稳定和合足够抵抗倾覆的能力。

由于高层建筑的刚度一般较大，又有许多楼板作为横向隔板，在重力荷载下一般都不会出现整体丧失稳定的问题。但是在水平荷载作用下，出现侧移后，重力荷载会产生附加弯矩，附加弯短又增大侧移，这是一种二阶效应，也称为“P效应”，它不仅会增加构件内力，严重时还会使结构位移逐渐加大而倒塌。因此，在某些情况下，高层建筑结构计算要考虑P效应，也就是所谓的“结构整体稳定验算”。由于钢筋混凝土结构与钢结构变形性能不相同，要求进行稳定验算的条件也不相同。

1）高层钢筋混凝土结构的稳定验算

《混凝土高规》规定，如果高层钢筋混凝土结构的等效抗侧刚度足够大，且P效应较小(小于侧移的5％—10％)，可以不必进行

P效应的计算，只需在钢筋混凝土柱承载力验算时考虑挠曲影

响的偏心距增大系数

P效应。

。实际上大部分钢筋混凝土结构不需要计算

等效抗侧刚度的验算分为两类：(1)框架结构；(2)剪力墙、框架—剪力墙和简体结构。具体计算方法及计算公式可参阅《混凝土高规》。（如下）

在水平力作用下，当高层建筑结构满足下列规定时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。

剪力墙、框架—剪力墙和简体结构

5.4.2 高层建筑结构如果不满足本规程第5.4.1条的规定时，应考虑重力二阶效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响。 5.4.3 高层建筑结构重力二阶效应，可采用弹性方法进行计算，也可采用对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑。结构位移增大系数F1、F1i以及结构构件弯矩和剪力增大系数F2、F2i可分别按下列规定近似计算，位移计算结果仍应满足本规程第4.6.3条的规定。

5.4.4 高层建筑结构的稳定应符合下列规定：

2）高层钢结构的稳定验算

此处所说的稳定验算是指结构整体稳定，也就是重力作用下的二阶效应——P效应。

《高钢规》规定了可以不进行整体稳定验算的两个条件，一是各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足—定要求，二是按不考虑 P效应的弹性计算所得层间相对位移小于某个值。具体要求如下：

(1)对于有钢支撑、剪力墙或简体的钢结构，且u/h1/1000，可不计算P效应，只按有效长度法计算柱的承载力。

(2)对于无支撑的钢结构(纯钢框架)和u/h1/1000的有支撑钢结构，府按考虑P效应的方法计算钢构内力及侧移，侧移应满足表4－2的要求。实际上大部分钢结构需要计算P效应。

3）高层建筑抗倾覆问题

如果高层建筑的侧移很大，其重力作用合力点移至基底平面范围以外．则建筑可能发生倾覆问题。事实上，正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。

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，其他建筑，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；

5、抗震结构延性要求和抗震等级

位于设防烈度6度及6度以上地区的建筑都要按规定进行抗震设计，除了满足抗震承载力及侧移限制要求外，都要满足延性要求和具有良好的耗能性能，这是实现“中震可修、大震不倒”的基本措施。钢结构的材料本身就具有良好的延性，而钢筋混凝土结构要通过延性设计，才能实现延性结构。

1）延性结构的概念

延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。塑性变形可以耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能。

构件延性比 对于钢筋混凝土构件，当受拉钢筋屈服以后，即进入塑性状态，构件刚度降低，随着变形迅速增加，构件承载力略有增大，当承载力开始降低，就达到极限状态。

构件延性比是指构件极限变形(曲率u、转角u、，或挠度fu)与屈服变形(y、y或fy)的比值，见下图。屈服变形定义是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低10％—20％时的变形。

结构延性比 对于一个钢筋混凝土结构，当某个杆件出现塑件铰时，结构开始出现塑性变形，但结构刚度只略有降低；当出现塑性铰的杆件增多以后，塑性变形加大，结构刚度继续降低：当塑性铰达到一定数量以后，结构也会出现“屈服”现象，即结构进入塑性变形迅速增大而承载力略微增大的阶段，是“屈服”后的弹塑性阶段。“屈服”时的位移定为屈服位移y。当整个结构不能维持其承载能力，即承载能力下降到最大承载力的80％—90％时，达到极限位移u，结构延性比通常是指达到极限时顶点位移u与屈服时顶点位移y的比值u，见下图。 y

在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，钢筋混凝土结构都应该设计成延性结构，即在设防烈度地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，这种状态是中震“可修”状态：当合理控制塑性铰部位、构件又具备足够的延性时，可做到在大震作用下结构不倒塌。高层建筑各种体系都是由梁、柱框架和剪力墙组成，作为抗震结构都应该设计成延性框架和延性剪力墙。

当设计成延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用(惯性力)不会很快上升．内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求．也可以说，延性结构是用它的变形能力(而不是承载力)抵抗罕遇地震作用：反之．如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。然而后者会多用材料，对于地震发生概率极小的抗震结构，延性结构是—种经济的设计对策。

抗震高层建筑的延性是通过合理选择结构体系、合理布置结构、对构件及其连接采取各种构造措施等多方面努力才能实现的，施工质量好坏对结构延性也有很大影响。结构延性不能、也不是通过计算能够达到的。因此，通过设立抗震结构的抗震等级要求、加强构造措施的方法保证结构的延性。

2）概念设计及抗震等级

要设计延性结构，与很多因素有关；

(1)选择延性材料。钢是一种延性很好的材料，钢结构是一种延性很好的结构。砖石砌体的延性很差，高层建筑不采用砌体结构。钢筋泥凝土则介于二者之间．如果设计合理，钢筋混凝土结构可以有较好的延性。

(2)进行结构概念设计。结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法，概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应措施，避免薄弱层过早破坏。防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计的内容。

(3)设计延性结构。要保证钢筋混凝土结构有一定的延性，就必须保证梁、柱、墙构件均具有足够的延性，要设计延性框架及延性剪力墙。具体设计方法将在后续章节中介绍。

(4)钢筋混凝土结构的抗震构造措施及抗震等级。在不同情况下．构件的延性要求有所不同：地震作用强烈或对地震作用敏感的结构延性要求应该高一些，重要的、震害造成损失较大的结构，延性要求也应该高一些；反之，要求就可以降低一些。不过，由于计算结构延性比十分困难，也无法提出确切的延性比要求，我国抗震规范采用了对钢筋混凝土结构区分抗震等级的办法，不同抗震等级的构造措施不同，从宏观上区别对结构的不同延性要求。

高层建筑结构在构件设计时要按照结构的抗震等级进行配筋和构造设计，是保证结构延性的主要措施。

高层建筑结构抗震等级确定步骤：

（1）确定结构抗震类别（甲类、乙类、丙类、丁类）；

（2）根据结构所处地区和建筑场地类别，确定结构设防烈度（6、7、8、9度）；

（3）根据建筑高度级别（A级高度、B级高度）和抗侧力体系类别查表确定结构抗震等级（共分一级、二级、三级、四级）。

表4—4列出了乙、两类抗震钢筋混凝土结构在不同设防烈度下的确定抗震等级的对应烈度，表4—5、表4—6分别列出了A级高度和B级高度高层钢筋混凝土结构在抗震构造措施烈皮下对应的抗震等级，特一级抗震等级延性要求最高(只有B级高度高层建筑才要求)，然后依次为一、二、三、四级。在构件设计时要按照结构的抗震等级进行配筋和构造设计。

6、荷载效应组合及最不利内力

在截面承载力验算及位移验算的公式(4—1)、(4—2)和(4—3)中，左边各项就是组合的内力和位移。它们是由恒载、活载、风载、地震作用分别计算内力及位移后，进行组合，然后选择得到的最不利内力和位移。

因为在使用期限内可能出现多种组合情况(有时称为“工况”)，设计时要将可能出现的、对结构不利情况都考虑到，也就是要做不同工况组合。不同构件的最不利内力或位移不一定来自同一工况。

荷载效应组合是满足规范可靠度要求的基本方法，是结构设计的重要环节，又是一种技术性很强而又十分烦琐的工作，在高层建筑结构设计中已不用人工进行组合了，都是靠计算程序完成，但是作为结构工程师，应当了解荷载效应组合的要求与方法，必要时可以进行检查与校核，判断程序正确性。作为程序编制者，更要仔细与慎重。

1）荷载效应组合

内力组合是要组合构件的控制截面处的内力，位移组合主要是组合水平荷载作用下的结构层间位移。组合工况分为无地震作用组合及有地震作用组合两类。

由于承载力验算是极限状态验算，在内力组合时，根据荷载性质不同，荷载效应要乘以各自的分项系数和组合系数。 （1）无地震作用时的效应组合

无地震作用组合应用于非抗震设计及6度抗震设防、但不要求作地震作用计算的结构，其一般表达式为：

规范对应考虑的工况和各种工况中的分项系数和组合系数作了规定：

恒载的效应耍考虑三种工况：

楼面括荷载一股情况下取Q11.4，活载标准值不小于4KN/m时取1.3。

组合系数Q1要考虑两种情况：

2

位移计算时，为正常使用状态，因此各分项系数均取1.0。

根据上述规定，高层建筑的无地震作用组合基本的荷载工况有两种:

（2）有地震作用的荷载效应组合

所有要求进行地震作用计算的结构要进行有地震作用的荷载组合，其一般表达式为：

规范对应考虑的工况和各种工况中的分项系数和组合系数作了规定： 重力荷载是指恒载(100％)与括载(50％或80％)组合后的荷载，一般情况其分项系数取G1.2，当重力荷载效应对构件承裁力有利时取

G1.0。

根据式(4－7)的一般表达式，对于高层建筑，有地震作用组合的基本工况有(下式中分项系数可按规定改变)：

2）水平荷载的方向

实际风荷载和水平地震都可能沿任意方向。设计假定只考虑主轴方向的水平荷载，但是可以是正方向，也可以是负方向。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，如下图所示。只需作一次计算，将内力冠以正负号即可。但是，在平面布置复杂或不对称的结构中，一个方向的水平荷载可能对一部分构件形成不利内力，另一方向的水平荷载可能对另一部分构件形成不利内力，这时要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。

3）控制截面及最不利内力

结构设计时，是分别按各个构件进行内力组合，而且是针对各构件控制截面进行组合，获得控制截面上的最不利内力作为该构件的配筋设计依据。

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：

应当说明的是，在计算地震作用下的内力时，经过振型组合方法求出的内人M、N、V都不是“相对应”的，并不同时发生，上述几种不利内力，是从概率统计意义上的不利内力。

7、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，在竖向荷载作用下可以考虑框架梁塑性内力重分布，主要是降低支座负弯矩，以减小支座处的配筋，跨中则应相应增大弯矩。《混凝土高规》对调幅系数作了规定，并规定竖向荷载作用下的弯矩应先调幅，再与具他荷载效应进行组合。框架梁柱竖向荷载作用下的弯矩调幅如下图所示。

现浇框架支座负弯炬调幅系数为0.8—0.9；装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不严等原因，节点容易产生变形，梁端实际弯矩比弹性计算位会有所降低，因此支座负弯矩调幅系数为0.7—0.8。

支座负弯矩降低后，跨中弯矩应加大，应按平衡条件计算调幅后的跨中弯矩：这样，在支座出现塑性铰后，不会导致跨中截面承载力不足。跨中弯矩应满足下列要求：