第三讲设计要求及荷载效应组合
设计要求及荷载效应组合
实现“大震不倒”的抗震设防目标
高层建筑结构设计原理 Design Principles of Highris Building
第4章 设计要求及荷载效应组合
弹塑性层间位移角限值（抗5.5.5）
高层建筑结构设计原理 Design Principles of Highris Building
高层建筑结构设计原理 Design Principles of Highris Building
第4章 设计要求及荷载效应组合
4.2 侧移限制
• 风、小震：足够的刚度（弹性） • 罕遇地震：防止倒塌（弹塑性）
限制水平变形的主要原因有：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不舒适， 影响正常使用；过大的侧移会使结构产生 附加内力。地震作用时正常使用要求可放 松，所以地震作用的位移限值均略大。
第4章 设计要求及荷载效应组合
4.3 舒适度要求
• （风，高度超过150m）
4.4 稳定和抗倾覆要求
• P-Δ效应：侧移，重力荷载产生附加弯矩， 增大侧移和内力。
高层建筑结构设计原理 Design Principles of Highris Building
第4章 设计要求及荷载效应组合
稳定和抗倾覆验算
高层建筑结构设计原理 Design Principles of Highris Building
第4章 设计要求及荷载效应组合
B级高度的高层建筑结构抗震等级
结 构 类型 6度
框架
二
框架-剪力墙
剪力墙
二
剪力墙
剪力墙
二
非底部加强部位剪力墙
二
框支剪力墙
荷载效应标准组合公式
荷载效应标准组合公式荷载效应标准组合公式是工程结构设计中的重要内容之一。
它描述了结构在考虑多个荷载同时作用时所产生的最不利效应。
荷载效应标准组合公式是根据结构在使用过程中所承受的各种荷载的性质和作用规律而推导出来的。
下面将详细介绍荷载效应标准组合公式的相关内容。
荷载效应是指荷载对结构产生的各种力、弯矩、剪力、位移等效应。
在设计结构时，必须综合考虑各种荷载同时作用下的最不利效应，以确保结构的安全可靠性。
荷载效应标准组合公式即为通过工程实践和统计分析总结得出的一组公式，用于计算不同类型荷载对结构的影响。
荷载效应标准组合公式主要包括两个方面：一是荷载组合系数，二是荷载效应公式。
荷载组合系数是用来考虑不同荷载组合下荷载与结构响应之间的相关性，以及荷载的不同作用时间。
不同国家和地区的设计规范中，荷载组合系数可能会稍有不同。
以中国国家标准《建筑抗震设计规范》为例，其荷载组合系数包括基本荷载组合系数、附加荷载组合系数和保留荷载组合系数。
基本荷载组合系数考虑了不同荷载类型同时作用时的相互影响，主要包括常规荷载组合和地震作用荷载组合。
附加荷载组合系数用于考虑一些特殊荷载对结构的影响，如温度荷载、施工荷载等。
保留荷载组合系数则是考虑了结构使用阶段的不同荷载组合。
在得到了各个荷载的组合系数后，就可以利用荷载效应公式计算结构受力情况。
荷载效应公式的具体形式取决于结构所承受的荷载类型和结构类型。
在不同设计规范中，荷载效应公式也有所不同。
以一般建筑结构为例，通常会考虑到重力荷载、风荷载和地震荷载。
重力荷载包括自重、活载和附加荷载等。
风荷载是指因风力作用而对结构产生的影响。
地震荷载是指在地震作用下结构所受的荷载效应。
在计算荷载效应时，常常采用线性叠加原理。
即将各个荷载下结构的受力效应分别计算，然后按一定的组合系数相加得到最终的荷载效应。
这个过程需要严格按照设计规范的要求进行，并对荷载的作用位置、作用方向以及结构的抗力特性进行合理地分析和计算。
荷载效应标准组合值
荷载效应标准组合值
荷载效应标准组合值是指按概率统计分析得到的，并考虑了荷载的概率分布特性和结构重要性系数等众多因素后确定的值，用于进行结构构件的承载能力极限状态设计或正常使用极限状态设计。
对于承载能力极限状态设计，荷载效应标准组合值是指可变荷载和永久荷载的标准组合作用于结构构件上产生的效应组合，再加上结构重要性系数而得到的组合值；对于正常使用极限状态设计，荷载效应标准组合值是指可变荷载和永久荷载的标准组合作用于结构构件上产生的效应组合，再加上结构重要性系数和相应的目标可靠指标而得到的组合值。
在荷载效应标准组合值的基础上，结合结构设计要求考虑安全系数等其他要求，就可以得到结构设计的标准组合值，进而进行结构设计。
高层建筑结构设计要求和荷载效应组合
高层建筑结构设计要求和荷载效应组合高层建筑的结构设计是十分重要的，因为它需要承受巨大的荷载效应，包括自重、风荷载、地震荷载等。
设计师在进行高层建筑结构设计时应考虑以下几个方面的要求和荷载效应组合：1.强度要求：高层建筑需要承受大量的荷载，因此在结构设计中必须满足强度要求。
这包括材料的强度要求，如钢筋混凝土的抗拉、抗压强度等；以及构件的强度要求，如梁、柱、墙等结构构件的尺寸、截面形状、厚度等。
2. 稳定性要求：高层建筑结构设计中，不仅需要考虑结构的强度，还需要考虑结构的稳定性。
稳定性要求包括纵向稳定性和横向稳定性。
纵向稳定性指建筑结构在垂直方向上的承载能力以及抗 overturning 能力；横向稳定性指建筑结构在水平方向上的抗侧倾和抗扭转能力。
3.刚度要求：高层建筑结构设计中，不仅需要考虑结构的强度和稳定性，还需要考虑结构的刚度，即结构的变形和振动。
高层建筑结构的刚度要求会影响到结构的稳定性、舒适度以及非结构性附件的设计和使用。
4.建筑荷载组合：高层建筑结构设计中，需要考虑不同荷载效应的组合。
荷载效应包括恒定荷载、活载、特殊荷载、风荷载、地震荷载等。
根据设计规范，这些荷载效应需要进行组合计算，确保结构在最不利的工况下的承载能力与安全性。
5.抗震设计：高层建筑结构设计中，地震荷载是一个重要的荷载效应。
地震设计要求结构在地震作用下，能够保持抗震安全性。
这包括结构的抗震设计参数、抗震性能要求、荷载效应的组合等。
需要注意的是，高层建筑结构设计不仅要满足上述要求，还需要考虑其他因素，如施工可行性、经济性、可维护性等。
因此，在进行高层建筑结构设计时，需要综合考虑各种因素，并遵守相应的设计规范和标准。
只有满足这些要求，才能确保高层建筑结构工程的安全性、可靠性和稳定性。
荷载组合和设计要求
（风荷载起控制，有风）
S 1.2SGK 1.01.4SWK 0.71.4SQK
荷载效应组合 2地震作用效应组合时
S G SGE S Eh Ehk EV SEVK W W SWK
S——载效应和地震作用效应组合的设计值；
结构和钢结构； 5)采用隔震和消能减震设计的结构。
6、罕遇地震作用下的变形验算
（2）下列结构宜进行弹塑性变形验算： 1）高度属于应采用时程分析方法范围
并且属于竖向不规则类型的高层建筑结 构： 2)7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑 中的钢筋混凝土结构和钢结构； 3)板柱-抗震墙结构和底部框架砖房； 4)高度不大于150m的高层钢结构。
1.承载能力的验算
2.水平侧移限制 3.舒适度的验算 4.稳定和抗倾覆验算 5.抗震结构的延性要求和抗震等级
二、结构设计要求
1、承载能力的验算
无地震作用组合 0S R 有地震作用组合 S R / RE
0 :结构重要性系数，分别取1.1、1.0、0.9 RE :承载力抗震调整系数
二、结构设计要求
延性比：构件破坏时的变形与屈服时的变形的比值
v
y
根据设防烈度、结构类型和房屋高度区分为不同的抗震等级， 采用相应的计算和构造措施， 抗震等级的高低，体现了对结构抗震性能要求的严格程度。 抗震等级分：特一级、一级、二级、三级、四级。
结构设计要求
决定抗震构造措施等级时应考虑的烈度
建筑类别
甲、乙类
(2) 水平侧移限制
弹性方法计算的楼层层间最大位移与层 高之比
/ h / h
二、结构设计要求
(3)舒适度的验算：
第三章 荷载及荷载效应组合
第三章荷载及荷载效应组合一、结构上的荷载分类1.按随时间的变异分类：永久荷载—在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。
可变荷载—在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。
偶然荷载—在设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。
2.按随空间位置的变异分类固定荷载—在结构空间位置上具有固定分布的作用。
可动荷载—在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的作用。
3.按结构的反应分类静态荷载—使结构产生的加速度可忽略不计的作用。
动态荷载—使结构产生的加速度不可忽略的作用。
•《荷载规范》• 3.1.1结构上的荷载可分为下列三类:1 永久荷载，例如结构自重、土压力、预应力等。
2 可变荷载，例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。
3 偶然荷载，例如爆炸力、撞击力等。
•二、荷载代表值•建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的设计值。
对永久荷载应采用标准值作为代表值；对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。
•《荷载规范》• 3.1.2建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。
对永久荷载应采用标准值作为代表值。
•对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。
对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。
• 2.1.4荷载代表值representative values of a load设计中用以验算极限状态所采用的荷载量值，例如标准值、组合值、频遇值和准永久值。
•2.1.6标准值characteristic value/nominal value荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如均值、众值、中值或某个分位值)。
• 2.1.7组合值combination value对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。
荷载效应组合与设计要求
位移限值
➢ 地震作用下的位移限值略宽松
H
5
三、舒适度要求
在风荷载作用下，高度超过l50m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度，或由风洞试验确定 顺风向与横风向结构顶点最大加速度，αmax应满足下列要求：
住宅、公寓 αmax不大于0.15m／s2
2 ⑧仅60m以上的高层结构考虑；
3 ⑨仅60m以上的9度抗震结构和60m以上8、9度时H的长悬臂结构考虑。
3
二、侧移限制
（△u／h）max≤［△u／h］ 式中，△u为荷载效应组合所得结构楼层层间位移，
h为该层层高， △ u／h为层间转角。应取各楼层中 最大的层间转角，即（△u／h）max验算是否满足要 求。右端是限制值
H
20
六、荷载效应组合及最不利内力
2、控制截面及最不利内力类型
柱子是偏压构件，可能出现大偏压破坏，也可能 出现小偏压破坏。大偏压情况下，弯矩越大越不 利；小偏压情况下，弯矩越小越不利。所以，对 柱子要组合几种不利内力，从中判断出最不利内 力作为配筋的依据。有时要用试算才能找出最大 配筋。
由于柱子一般为对称配筋，因此组合时只需找出 绝对值最大的弯矩。
办公、旅馆 αmax不大于0.25m／s2
H
6
四、稳定和抗倾覆
高层建筑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，附加弯矩又
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，高层建筑结构计
H
21
六、荷载效应组合及最不利内力
03,荷载分类和荷载组合
3 荷载分类和荷载组合3.1 荷载分类和荷载代表值3.1.1 结构的荷载可分为下列三类：1，永久荷载，例如结构自重、土压力、预应力等。
2，可变荷载，例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等。
3，偶然荷载，例如爆炸力、撞击力等。
3.1.2 建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值。
对永久荷载应采用标准值作为代表值。
对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。
对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。
3.1.3 确定可变荷载代表值时应采用50年设计基准期。
3.1.4 荷载的标准值，应按本规范各章的规定采用。
3.1.5 承载能力极限状态设计或正常使用极限状态按标准组合设计时，对可变荷载应按规定的荷载组合采用荷载的组合值或标准值作为其荷载代表值。
可变荷载的组合值，应为可变荷载的标准值乘以荷载组合值系数。
3.1.6 正常使用极限状态按频遇组合设计时，应采用可变荷载的频遇值或准永久值作为其荷载代表值；按准永久组合设计时，应采用可变荷载的准永久值作为其荷载代表值。
可变荷载的频遇值，应为可变荷载标准值乘以频遇值系数。
可变荷载准永久值，应为可变荷载标准值柔以准永久值系数。
3.2 荷载组合3.2.1 建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自的最不利的组合进行设计。
3.2.2 对于承载能力极限状态，应按荷载的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值，并应采用下列设计表达式进行设计：d d R S ≤0γ (3.2.2)式中：γ0——结构重要性系数，应按各有关结构设计规范的规定采用；S d ——荷载组合的效应设计值；R d ——结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。
3.2.3 荷载基本组合的效应设计值S d ，应从下列荷载组合值中取用最不利的效应设计值确定：1，由可变荷载控制的效应设计值，应按下式进行计算：∑∑==++=mjniQik ci Li Qi k Q L Q Gjk Gj d S S S S 12111ψγγγγγ (3.2.3-1) 式中：γGj ——第j 个永久荷载的分项系数，应按本规范第3.2.4条采用；γQi ——第i 个可变荷载的分项系数，其中γQ1为主导可变荷载Q 1的分项系数，应按本规范第3.2.4条采用；γLi ——第i 个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，其中γL1为主导可变荷载Q 1考虑设计使用年限的调整系数；S Gjk ——按第j 个永久荷载标准值G jk 计算的荷载效应值；S qik ——按第i 个可变荷载标准值Q ik 计算的荷载效应值，其中S Q1k 为诸可变荷载效应中起控制作用者；ψcj ——第i 个可变荷载Q i 的组合值系数； m ——参与组合的永久荷载数； n ——参与组合的可变荷载数。
荷载效应的基本组合公式
荷载效应的基本组合公式荷载效应是指结构体系在受到荷载作用下所引起的内力和变形。
在工程设计中，为了保证建筑物的结构安全性和稳定性，需要对荷载效应进行计算和分析。
荷载效应的计算主要是通过基本组合公式来实现的。
基本组合公式是指将不同类型的荷载按照一定的组合方式相加，得到最不利的荷载组合，从而进行结构的设计和分析。
根据不同的国家和地区的规范，基本组合公式可能会有所不同，但其基本原理和计算方法是相似的。
基本组合公式通常由荷载作用的组合系数和荷载的设计值组成。
荷载作用的组合系数是根据不同类型的荷载对结构体系的影响程度进行综合考虑而确定的。
常见的荷载包括永久荷载、活荷载、风荷载、地震荷载等。
永久荷载是指长期作用在建筑物上的重力荷载，如自重、设备重量等。
活荷载是指短期作用在建筑物上的荷载，如人员、家具、设备等。
风荷载是指风力作用在建筑物上的荷载，地震荷载是指地震力作用在建筑物上的荷载。
在基本组合公式中，不同类型的荷载会根据其重要性和可能性进行组合。
常见的组合方式包括工作状态组合、极限状态组合和耐久性组合等。
工作状态组合是指在正常使用条件下的荷载组合，用于计算结构的变形和内力。
极限状态组合是指在设计寿命内可能发生的最不利荷载组合，用于计算结构的破坏承载力。
耐久性组合是指在设计寿命内可能发生的荷载组合，用于计算结构的耐久性。
荷载效应的计算通常分为静力计算和动力计算。
静力计算是指在静止状态下计算荷载效应，动力计算是指考虑动力因素如地震和风荷载等计算荷载效应。
静力计算通常使用弹性力学理论和结构力学方法进行，动力计算通常使用动力响应谱分析等方法进行。
基本组合公式的使用可以有效地计算和分析荷载效应，指导工程设计和施工。
通过合理的荷载组合，可以保证结构的安全性和稳定性，提高建筑物的抗震性能和风险防范能力。
在实际工程中，基本组合公式的应用需要根据具体的荷载情况和结构特点进行调整和优化。
同时，还需要考虑结构的材料特性、几何形状和支承条件等因素对荷载效应的影响。
荷载效应标准组合
荷载效应标准组合
荷载效应标准组合是指在工程结构设计中，根据不同荷载作用
的特点和组合方式，对结构进行合理的设计和分析。
在工程实践中，荷载效应标准组合是非常重要的，它能够确保结构在受到不同荷载
作用时的安全性和稳定性，是结构设计中不可或缺的一环。
首先，荷载效应标准组合是根据结构受力的实际情况和荷载的
作用特点进行综合考虑的。
在工程设计中，结构受到的荷载包括静
荷载、动荷载、温度荷载、风荷载、地震荷载等多种作用，而这些
荷载的作用方式和大小都不尽相同。
因此，为了确保结构在受到这
些荷载作用时能够安全可靠地运行，需要对这些荷载进行合理的组
合和分析。
其次，荷载效应标准组合也是根据结构受力的不同阶段和荷载
作用的可能性进行考虑的。
在结构设计中，荷载的作用不仅有瞬时
的作用，还有持续的作用，而且在结构受力的不同阶段，荷载的作
用方式和大小也会有所不同。
因此，为了确保结构在整个使用寿命
内都能够安全可靠地运行，需要对荷载的作用情况进行全面的分析
和组合。
此外，荷载效应标准组合还需要考虑结构的安全性和稳定性。
在结构设计中，为了确保结构在受到荷载作用时不会发生破坏或失稳，需要对荷载的作用方式和大小进行合理的组合和分析。
只有这样，才能够保证结构在使用过程中的安全可靠性。
总的来说，荷载效应标准组合是工程结构设计中非常重要的一环，它能够确保结构在受到不同荷载作用时的安全性和稳定性。
因此，在工程设计中，需要对荷载的作用特点和结构受力的实际情况进行全面的分析和组合，以确保结构能够安全可靠地运行。
高层建筑结构设计要求及荷载效应组合
• 当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件承载力 抗震调整系数rRE均应取1.0。
•2.2、侧移限制
• 高层建筑应具备必要的刚度，在正常使用条件下， 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。
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高层建筑结构设计要求及荷载效应组 合
•1、使用阶段层间位移限制
• 在风荷载或多遇地震标准值作用下，结构按弹性计 算的楼层层间最大水平层位移与层高之比△u/h应满足：
• ⑵高度≥250m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层 高之比△u/h不宜大于1/500；
• ⑶高度在150～250m之间的高层建筑，其楼层层间最 大位移与层高之比△u/h的限值，按上述限值线性插值取 用。
• 限制侧移的原因：
• 防止主体结构开裂、破坏；
• 防止填充墙和装修开裂、破坏；
• 过大的变形会使电梯等无法正常工作；并使人有不舒 适感；
•△up——层间弹塑性位移； • h——层高；
•
——层间弹塑性位移角限值，按下表采用：
•层间弹塑性位移角限值
结构类别
框架结构
1/50
框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构、板柱—剪力墙结构
1/100
剪力墙结构和筒中筒结构
1/120
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除框架外的转换层
高层建筑结构设计要求及荷载效应1/组120
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高层建筑结构设计要求及荷载效应组 合
•承载力要求 •侧移要求
•舒适度要求 •稳定性和抗倾覆
•延性要求
•2 •高层结构的设计要求
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高层建筑结构设计要求及荷载效应组 合
•2.1、承载力要求
高层建筑结构构件的承载力应按下列公式验算： ①持久设计状况、短暂设计状况 （无地震作用）
设计要求及荷效应组合共54页
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
设计要求及荷效应组合
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
荷载效应组合
荷载效应组合及设计要求1．什么是荷载效应？什么是荷载效应组合？一般用途的高层建筑结构承受哪些何载？答：所谓荷载效应，是指在某种荷载作用下结构的内力或位移。
按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。
一般用途的高层建筑结构承受的竖向荷载有结构、填充墙、装修等自重（永久荷载）和楼面使用荷载、雪荷载等（可变荷载）；水平荷载有风荷载及地震作用。
各种荷载可能同时出现在结构上，但是出现的概率不同。
2．如何考虑荷载效应的组合？分项系数与组合系数各起何作用？答：通常，在各种不同荷载作用下分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，以下简称为《荷载规范》）上给出的自重及使用荷载、雪荷载等值，以及风荷载及地震等效荷载值都称为荷载标准值。
各种标准荷载独立作用产生的内力及位移称为荷载效应标准值，在组合时各项荷载效应应乘以分项系数及组合系数。
分项系数是考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数，而组合系数则是考虑到某些荷载同时作用的概率较小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。
例如，风荷载和地震作用同时达到最大值的概率较小，因此在风荷载和地震作用组合时，风荷载乘以组合系数0.2。
3．如何选择控制截面及最不利内力类型？答：在构件设计时，要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力，作为配筋设计的依据。
首先要确定构件的控制截面，其次要挑选这些截面的最不利内力。
所谓最不利内力，就是使截面配筋最大的内力。
控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。
对于框架横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。
而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。
在梁端截面（指柱边缘处的梁截面），要组合最大负弯矩及最大剪力，也要组合可能出现的正弯矩。
标准值、设计值、特征值以及荷载效应组合
关于标准值、设计值、特征值(后面有荷载效应组合)2007-08-25 21:48一、原因与钢、混凝土、砌体等材料相比，土属于大变形材料，当荷载增加时，随着地基变形的相应增长，地基承载力也在逐渐加在，很难界定出下一个真正的“极限值”，而根据现有的理论及经验的承载力计算公式，可以得出不同的值。
因此，地基极限承载力的确定，实际上没有一个通用的界定标准，也没有一个适用于一切土类的计算公式，主要依赖根据工程经验所定下的界限和相应的安全系数加以调整，考虑一个满足工程的要求的地基承载力值。
它不仅与土质、土层埋藏顺序有关，而且与基础底面的形状、大小、埋深、上部结构对变形的适应程度、地下水位的升降、地区经验的差别等等有关，不能作为土的工程特性指标。
另一方面，建筑物的正常使用应满足其功能要求，常常是承载力还有潜力可挖，而变形已达到可超过正常使用的限值，也就是变表控制了承载力。
因此，根据传统习惯，地基设计所用的承载力通常是在保证地基稳定的前提下，使建筑物的变形不超过其允许值的地基承载力，即允诺承载力，其安全系数已包括在内。
无论对于天然地基或桩基础的设计，原则均是如此。
随着《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）施行，要求抗力计算按承载能力极限状态，采用相应于极限值的“标准值”，并将过去的总安全系数一分为二，由荷载分项系数和抗力分项系数分担，这给传统上根据经验积累、采用允许值的地基设计带来了困扰。
《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）以承力的允许值作为标准值，以深宽修正后的承载力值作为设计值，引起的问题是，抗力的设计值大于标准值，与《建筑可靠度设计统一标准》（GB50068－2001）规定不符，因此本次规范进行了修订。
二、对策《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068－2001）鉴于地基设计的特殊性，将上一版“应遵守本标准的规定”修改为“宜遵守本标准规定的原则”，并加强了正常使用极限状态的研究。
而《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）也完善了正常使用极限状态的表达式，认可了地基设计中承载力计算可采用正常使用极限状态荷载效应标准组合。
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第 3 讲高层建筑结构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：持久设计状况、短暂设计状况无地震作用组合时：0 S R有地震作用组合时：SERE/RE承载力抗震调整系数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）结构薄弱层的弹塑性层间位移的简化计算弹塑性层间位移按下列公式计算U p p U e或U p U y — U yy楼层屈服强度系数是指：楼房等建筑的各层按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值；对排架柱，指按实际配筋面积、材料强度标准值和轴向力计算的正截面受弯承载力与按罕遇地震作用标准值计算的弹性地震弯矩的比值。
楼层屈服强度系数表示建筑的实际承载强度相对于其设计时罕遇地震的对建筑的作用力的大小。
《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定：7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构，应该进行罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算。
（详见《高层建筑混凝土结构技术规程》2010版3.7.4条）下列结构应进行弹塑性变形验算：（1）7~9度时层屈强系数小于0.5的框架结构；（2）甲类建筑和9 度抗震设防的乙类建筑结构；（3）采用隔振和效能减震设计的结构；（4）高度大于150m的结构。
不超过12层且侧向刚度无突变的框架结构可采用简化计算方法；其余结构可采用弹塑性静力或动力分析方法。
结构薄弱层位置按下列情况确定：1）楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；2）楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层或相对较小处，一般不超过2~3处结构的弹塑性位移增大系数罕遇地震作用下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：住宅' 公寓。
皿不大于0.1疔办公、服馆不大于O・25m/f4、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。
初始弯矩为该楼层地震剪力与楼层层高的乘积，即M i F e h ;重力附加弯矩为任一层以上全部重力荷载与该楼层地震产生的层间位移的乘积，即M2 P ，亦称二阶弯矩。
总弯矩为M Mi M2，结构由于M2使增加，同时又使二阶弯矩进一步增大，如此反复，对某些结构可能产生积累性的变形增大而导致结构失稳而倒塌。
n U G j 重力二阶弯矩与初始弯矩的比值为稳定系数，其值为：i 」V i h i当楼层稳定系数i 0.1时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。
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—剪力墙和筒体结构5. 4重力二阶效应及结构稳定左水平力作用下，当畐层芈蔬结枸满足下洌规定优可不考虑重力二阶做应的不利影帆1剪力墙结构豎框架-剪力墙结构驚筒体结构;2槛架结构；D注磁珈h* (i-l, 2. •», n) (541・2〕式中瓯——结构一个主轴方向的粥性等效侧向刚度，可按倒效侧向刚度9B—房岸扃度I I % Gj--- 汁别为第匸j楼层負力荷截改计值*K——第讣娄层层I乐2—第・楼层的弹性等效侧向刚度*可取该层啊力与层间位移的比值；n——结枸计算总层数©542高层建筑结构如果不满足本规程第541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。
543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F i、F ii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。
1对髒结虧可按卜別公时算I%=—； ---- （»=1> 2, ■■■, »）（54*3-1）1-羽（咖r»曙———（匸1,2, •••」）（5』32）1-2爭/ （恥2删力斛臥柜架•酣帕构、简体翔,可按下£= ----- ;----- （5.4,3-3）1-0」4吃妙W=1f2= ----- ；----- （5』34）1-0.28川加/ （叫(5444) 框架结构应符合下式要耗耳刃吨G/h (t=l, 2, n) (5.4.M)冃544高层建筑结构的稳定应符合下列规定（即结构的刚重比验算）：12) 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f u）与屈服变形（y、y或f y）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，达到极限位移结构延性比通常是指达到极限时顶点位移与屈服时顶点位移的比值,见下图在“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。