设计要求及荷载效应组合

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：R S ≤0γ

有地震作用组合时：RE E E R S γ/≤

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：

()[]h u h u //max ∆≤∆

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)，h u /∆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

e p p u u ∆=∆η

或y y

p

y p u u u ∆=

∆=∆ξημ 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

η

p

ξ0.5 0.4 0.3

y

η 1.8 2.0 2.2 p

罕遇地震作用下h

∆的限值按下表选用

u/

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，

m ax 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h F M e =1；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∆⋅=P M 2，亦称二阶弯矩。总弯矩为21M M M +=，结构由于2M 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。

重力二阶弯矩与初始弯矩的比值θ为稳定系数，其值为：i

i n

i j j

i i h V G u ∑=∆=

θ；

当楼层稳定系数1.0≤i θ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

5.4.2 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。

5.4.4 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）：

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1000

∆h

u，可不计

/≤

/1

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1000

∆h

u的有支撑钢结构，

/>

/1

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。