高层建筑结构设计-结构设计基本规定(pdf 55页)

高层建筑结构设计
广西大学土木建筑工程学院贺盛
第四章结构设计基本规定
4.6 舒适度验算4.7 抗震设防类别4.8 抗震等级4.9 变形缝设置
4.1 适用最大高度及高宽比
4.2 结构布置的规则性
4.3 承载力验算
4.4 荷载效应组合
4.5 变形验算
本章重点
➢掌握各类房屋的适用最大高度及高宽比➢掌握各类结构布置原则及规则性判别方法➢掌握荷载效应组合及承载力验算方法
➢掌握变形验算方法
➢了解舒适度验算方法
➢掌握各类建筑抗震等级确定方法
➢熟悉各种变形缝的类型及设置原则
4.1 适用最大高度及高宽比
结构设计首先需根据房屋高度、抗震设防、设防烈度等因素，确定一个与之匹配的、经济且合理的结构体系，以使结构效能得到充分发挥，材料强度得到充分利用。

《建筑结构抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》）、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高混规》）及《高层民用建筑钢结构设计规程》JGJ-2015（以下简称《高钢规》）规定了钢筋混凝土结构、钢结构及混合结构房屋建筑的最大适用高度。

将钢筋混凝土结构房屋划分为A与B级。

当房屋高度满足下表时，为A级。

当钢筋混凝土结构房屋高度不满足上表，但满足下表时，为B级。

当房屋高度不满足下表时，为超限高层建筑。

民用钢结构房屋的最大适用高度如下表所示。

表中筒体不包括钢筋混凝土筒。

混合结构房屋的最大适用高度如下表所示。

4.1.2 房屋建筑适用的高宽比
房屋建筑适用的高跨比，是对结构刚度、整体稳定承载能力及经济合理性的宏观控制指标。

当结构设计满足承载力、稳定、抗倾覆、变形及舒适度等基本条件之后，仅从结构安全角度考虑，高宽比限值不是必须满足的。

高宽比主要影响结构设计的经济性。

钢筋混凝土结构房屋建筑的适用高宽比如下表。

4.1.2 房屋建筑适用的高宽比
钢结构房屋建筑的适用高宽比如下表。

混合结构房屋建筑的适用高宽比如下表。

4.2 结构布置的规则性
建筑平面可分为板式和塔式两大类。

板式建筑两个方向的尺寸相差较大，塔式建筑两个方向的尺寸较接近。

高层建筑结构平面图形宜简单、规则、对称。

平面长宽比不宜过大；平面突出部分的长度不宜过大、宽度不宜过小；不宜采用细腰形平面建筑。

建筑平面布置简单、规则、对称的建筑，容易实现对抗震有利的结构平面布置，即承载力、刚度及质量分布对称、均匀，刚度中心和质量中心尽可能重合，减小扭转效应。

当建筑平面形状不对称时，尽可能调整剪力墙的布置以实现对称。

对抗震有利的建筑立面是规则、均匀，从上到下外形变化不大，没有过大的外挑和内收。

①当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H 1与房屋高度H 之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B 1不宜小于下部楼层水平尺寸B 的0.75倍（图a 、b)。

②当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B 不宜小于上部楼层水平尺寸B 1的0.9倍，且水平外挑尺寸a 不宜大于4m （图c 、d)。

4.2.3 平面不规则
《高混规》、《高钢规》及《抗规》列举了三种平面不规则及三种竖向不规则类型。

平面不规则主要包括扭转不规则、凹凸不规则及楼板局部不连续。

（1）扭转不规则考虑偶然偏心的影响、在给定水平力作用下，楼层竖向构件最大的弹性水平位移（和层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（和层间位移）平均值之比（称为扭转位移比）大于的1.2时，即为扭转不规则；扭转位移比大于1.5（B 级高度高层建筑及复杂高层建筑的扭转位移比大于1.4）时，即为扭转严重不规则。

结构扭转为主的第一自振周期T t 与平动为主的第一自振周期T 1之比（称为扭转周期比），A 级高度高层建筑大于0.9或B 级高度高层建筑及复杂高层建筑大于0.85时，为扭转特别不规则。

位移比周期比
【例4.2-1
】
各振型位移的CQC组合振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用
力下楼层层间位移
扭转位移比？
（2）凹凸不规则
结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%，即下
图l/B
max 大于0.3，为楼板凹凸不规则。

（3）楼板局部不连续
楼板局部不连续楼板的尺寸和平面
刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小
于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面
积大于该楼面面积的30%，或较大的楼
层错层。

竖向不规则主要包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续及楼层承载力突变。

（1）侧向刚度不规则对于框架结构，本层的侧向刚度（K i =V i /Δu i ，V i 为第i 层剪力，Δu i 为第i 层
弹性层间位移）小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，即为侧向刚度不规则。

对于剪力墙、框架-剪力墙及筒体结构，本层考虑层高影响的侧向刚度
（K i =V i h i /Δu i ，h i 为第i 层层高）小于相邻
上一层的90%或本层层高大于上层层高的1.5倍时，本层的侧向刚度小于相邻上层的110%，即为侧向刚度不规则。

刚度比
【例4.2-2】
4.2.4 竖向不规则
（2）竖向抗侧力构件不连续
竖向抗侧力构件（柱、剪力墙、抗震支撑）在某层中断，其内力由水平转换构件向下传递。

则为竖向抗侧力构件不连续。

竖向抗侧力构件不连续的层，称为转换层。

（3）楼层承载力突变
房屋建筑抗侧力结构的楼层层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%时，为楼层承载力突变。

楼层承载力突变的楼层，称为软弱层。

当小于65%（B级钢筋混凝土房屋小于75%）时，为严重不规则。

承载力比
【例4.2-3】
判断其刚度比与承载力比是否满足要求？
（1）一般不规则结构
高层建筑的不规侧程度可分为一般不规则、特别不规则及严重不规则三类。

①位移比大于1.2且A级高层小于1.35，B级高层小于1.3；
②承载力比小于0.8，但A级大于0.65，B级大于0.75；
③超过平面和竖向布置一项指标，但不多；
④具有某一种复杂高层类型，如转换、加强、错层、连体、多塔等。

（2）特别不规则结构
①位移比大于1.3，且A级小于1.5，B级小于1.4 ；
②周期比A级大于0.9，B级大于0.85 ；
③承载力比A级小于0.65，B级小于0.75；
④同时有两项超布置指标，或某一项超过较多；
⑤同时有两种复杂高层特征；
⑥具有高位转换等特别复杂情形。

（3）严重不规则结构
①多项不规则指标超过上限值；
②某一项不规则指标大大超过上限值；
③具有三种以上复杂高层特征；
④超高、超限、新结构。

4.3 承载力验算
4.3 承载力验算
根据《建筑结构设计统一标准》规定，高层建筑结构构件截面承载力按极限状态设计，即采用荷载效应组合得到的最不利内力进行构件截面承载力验算。

构件截面承载力验算的一般表达式为：0S R γ≤持久、短暂设计状况
地震设计状况RE
S R γ≤
4.4 荷载效应组合
在承载力验算中，左式中的S是组合效应设计值，是由恒载、活载、风载及地震作用分别计算内力后并进行组合后，选择最不利的一种组合作为效应设计值。

高层建筑在使用期间可能出现多种荷载效应组合情况，称为“工况”。

工况可分为持久、短暂设计状况及地震设计状况，前者又称为无地震作用效应组合，后者又称为地震作用效应组合。

在内力组合时，根据荷载的性质不同，荷载效应要乘以各自的分项系数和组合值系数。

持久、短暂设计状况下，荷载基本组合的效应设计值为：
1、持久、短暂设计状况效应组合G Gk Q Q Qk w w wk
S S S S γψγψγ=++1.350.7 1.41.2 1.4S S =⨯+⨯⨯=⨯+⨯（1）恒载+活载
恒载效应活载效应
恒载效应活载效应
1.350.7 1.40.6 1.41.2 1.40.6 1.41.20.7 1.4 1.4S S S =⨯+⨯⨯⨯⨯=⨯+⨯⨯⨯=⨯+⨯⨯⨯（2）恒载+活载+风载
恒载效应活载效应+风载效应恒载效应活载效应+风载效应恒载效应活载效应+风载效应
地震设计状况下，荷载基本组合的效应设计值为：
2、地震设计状况效应组合
G GE Eh EhK Ev Evk w w wk
S S S S S γγγψγ=+++1.2 1.3S =⨯+⨯（1）重力+水平（所有）
重力效应水平效应
1.2 1.3S =⨯+⨯（2）重力+竖直（9度，大跨度、长悬臂）重力效应竖直效应1.2 1.30.5S =⨯+⨯⨯（3）重力+水平+竖直（9度，大跨度、长悬臂）重力效应水平效应+竖直效应m （4）重力+水平+风载（60以上）m 1.2 1.30.50.2 1.41.20.51.30.2 1.4S S =⨯+⨯+⨯⨯⨯=⨯+⨯+⨯⨯⨯（5）重力+水平+竖直+风载 （9度，大跨度、长悬臂且60以上）重力效应水平效应 竖向效应+风载效应
重力效应水平效应
竖向效应+风载效应当重力荷载代表值对构件的
承载力有利时，分项系数取1.0。

【例4.4-1】
G Gk Q Q Qk w w wk
S S S S γψγψγ=++
G GE Eh EhK Ev Evk w w wk
S S S S S γγγψγ=+++
G GE Eh EhK Ev Evk w w wk
S S S S S γγγψγ=+++
4.5 变形验算
4.5 变形验算
在风荷载及多遇地震作用下，高层建筑结构应具有足够大的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的稳定性与使用功能。

因此，应进行弹性变形验算。

在风荷载标准值及多遇地震标准值作用下，楼层的弹性层间位移应符合下式要求：
1、弹性变形验算
[]
e e
h μθ
∆≤
【例4.5-1】
4.5 变形验算
在罕遇地震标准值作用下，为避免倒塌，高层建筑结构薄弱层的层间弹塑性位移应符合下式要求：
2、弹塑性变形验算
p
p
h
μθ⎡⎤∆≤⎣⎦
4.6 舒适度验算
高层建筑在风荷载作用下产生水平振动，过大的振动加速度使楼内的使用者感觉不舒适，甚至不能忍受，影响工作和生活。

高层建筑的风振反应加速度包括顺风向加速度、横风向加速度和转角加速度。

高度超过150m 的高层建筑钢筋混凝土结构在10年
一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的顺风向和横风向风振最大加速度不得超过下列表的限值。

1、风振加速度验算
《荷规》P165
人在大跨度楼盖上行走时、跳跃等引起楼盖结构的竖向振动，有可能使周围人群感觉不舒服。

为保证楼盖结构竖向有适宜的舒适度，对其竖向振动的频率和加速度加以限值。

对于钢筋混凝土楼盖结构、钢-混凝土组合楼盖结构，其竖向振动频率
不宜小于3Hz，其
竖向振动加速度不应超过下表限值。

2、竖向振动频率与加速度验算
《高混规》P166
4.7 抗震设防类别
《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008按照遭受地震破坏后可能造成的人员伤亡、直接间接经济损失、社会影响程度及建筑在抗震救灾中的作用共四方面，将建筑工程划分为四种不同的抗震设防类别。

①特殊设防类：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可
能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑，简称甲类。

②重点设防类：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地
震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑，简称乙类。

③标准设防类：指大量的除1、2、4款以外按标准要求进行设防的建筑，简称丙类。

④适度设防类：指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度
降低要求的建筑，简称丁类。

各类建筑的抗震设防标准如下：甲类：抗震设防烈度6~8度时，按本地区抗震设防烈度提高一度加强抗震措施；当为9度时，按比9度抗震设防更高的要求采取抗震措施。

同时应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。

乙类：抗震烈度为6~8度时，按本地区抗震设防烈度提高一度加强抗震措施；当为9度时，按比9度抗震设防更高的要求采取抗震措施，地基基础的抗震措施应符合有关规定。

同时应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。

丙类：按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用。

丁类：允许比本地区抗震设防的要求适当降低其抗震措施。

但抗震设防烈度为6度时不应降低。

一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。

除地震作用计算及构件抗力计算外的所有抗震设计内容，主要分为内力调整措施和抗震构造措施两部分。

4.8 抗震等级
抗震等级是抗震设计的重要参数，其根据抗震设防类别、结构类型、烈度和房屋高度四个因素确定。

建筑结构根据其抗震等级采用相应的抗震措施，抗震措施包括内力调整措施与抗震构造措施。

丙类建筑A级现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级如下表所示：
确定房屋建筑现浇钢筋混凝土结构的抗震等级，还需要进行以下调整：
（1）甲类、乙类建筑，应按本地区抗震设防烈度提高一度，确定抗震等级。

（2）建筑场地为III、IV类时，对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，宜分别按抗震设防烈度8度（0.20g）和9度（0.40g）时各类建筑的要求采用抗震构造措施，分别按0.15g和0.30g的要求采用内力调整措施。

（3）裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级。

裙房与主楼连为整体时，相关范围内裙房按本身确定的抗震等级不应低于主楼的抗震等级，相关范围外裙房按自身结构类型确定抗震等级。

（“相关范围”一般取从主楼周边外延三跨且不小于20m的范围）（4）当地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地下一层相关范围的抗震等级按照上部结构采用，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级；地下室超出相关范围且无上部结构的部分，抗震等级可取三级或四级。

4.8 变形缝设置
4.8 变形缝设置
在建筑结构的总体布置中，为了消除结构不规则、收缩和温度应力、不均匀沉降对结构的不利影响。

可以分别采取设置防震缝、伸缩缝及沉降缝的方法解决。

在实际工程中，设缝会影响建筑立面，多用材料，构造复杂，防水处理难等问题，故常常通过采取构造措施，避免设缝。

4.8.1 防震缝
在地震作用下，特别不规则结构的薄弱部位容易产生震害，可以用防震缝将其划分为若干个独立的抗震单元，使各结构单元成为规则结构。

实际工程中，更倾向于不设置防震缝，而采取加强结构整体性、放置薄弱部位破坏的措施。

有下列的情况时，须考虑设置防震缝：
①建筑平面复杂，平面突出部分较长；
②房屋有错层，且楼面高差较大处；
③房屋的各部分的刚度、高度及重量相差悬殊处；。