第六章 高层建筑结构荷载作用与结构设计原则

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1 第六章 高层建筑结构荷载作用与结构设计原则
广东工业大学建设学院 韦爱凤

2 3.1基本假定 弹性变形假定 只对某些构件（框架梁及连梁）考虑局部塑性变形（内力调幅） 刚性楼板假设 各层水平位移相等
弹性变形假定 只对某些构件（框架梁及连梁）考虑局部塑性变形（内力调幅） 刚性楼板假设 各层水平位移相等 平面抗侧力假设 任何一片抗侧力结构只能承受其平面内的侧向力，其平面外的刚度为零 对于平面和立面规则的高层建筑结构，基本能满足基本假定； 对于平面和立面不规则的高层建筑结构，宜按空间整体工作计算，并考虑构件的弯曲、剪切、轴向、扭转变形；

3 3.2荷载效应及地震作用效应组合 1. 无地震作用效应组合时，荷载效应组合的设计值应按下式确定： （3.1) ψQ
楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数 ψQ ψw 当可变荷载效应起控制作用时 1.0 0.7（0.9) 0.6 当永久荷载效应起控制作用时 0.0 荷载效应指由作用 引起的结构或构件的反应（内力、变形、裂缝）； 荷载效应组合指按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载效应设计值规定的组合； 式中S——荷载效应组合的设计值； γG——永久荷载分项系数； γQ——面活荷载分项系数； γw——风荷载的分项系数； SGK——永久荷载效应标准值； SQk——面活荷载效应标准值； Swk——风荷载效应标准值； ψQ、ψw——分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0.0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。 注：对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房，本条楼面活荷载组合值系数取0.7的场合应取为0.9。

4 荷载分项系数应按下列规定采用： γＧ γＱ γｗ 承载力计算时 1.2 1.0 1.4 1.35 位移计算时 其效应对结构不利时
其效应对结构有利时 承载力计算时 当可变荷载效应起控制作用时 1.2 1.0 1.4 当永久荷载效应起控制作用时 1.35 位移计算时

5 2. 有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应组合的设计值应按下式确定：
（3.2) 中S——荷载效应和地震作用效应组合的设计值； SGE——重力荷载代表值的效应； SEvk ——水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数 SEhk——竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数； γG——重力荷载分项系数； γw——风荷载分项系数； γEh——水平地震作用分项系数； γEv——竖向地震作用分项系数； ψw——风荷载的组合值系数，应取0.2。

6 (1)承载力计算时: （２）位移计算时，各分项系数均应取1.0

7 3.3构件承载力计算、结构稳定验算和抗倾覆验算
3.3.1构件承载力计算 无地震作用组合： （3.3) 有地震作用组合： （3.4) γ0——结构重要性系数， γRE——构件承载力抗震调整系数。 式中γ0——结构重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0; S——作用效应组合的设计值，应按公式（3.1)、（3.2)计算； R——构件承载力设计值； γRE——构作承载力抗震调整系数。

8 当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件的承载力抗震调整系数均应取为1.0
γRE——构件承载力抗震调整系数 当仅考虑竖向地震作用组合时，各类结构构件的承载力抗震调整系数均应取为1.0 构件类别 梁 轴压比小于0.15的柱 轴压比不小于0.15柱 剪力墙 各类 构件 节点 受力状态 受弯 偏压 局部承压 受剪、偏拉 受剪 γRE 0.75 0.80 0.85 1.0

9 3.3.2结构稳定验算 （刚重比） 1 剪力墙结构、框架-剪力墙结构、简体结构应符合下式要求： （3.5) 2 框架结构应符合下式要求：
3.3.2结构稳定验算 （刚重比） 1 剪力墙结构、框架-剪力墙结构、简体结构应符合下式要求： （3.5) 2 框架结构应符合下式要求： （3.6) （强制性条文） 高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小，其稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，刚重比是影响重力Ｐ－Δ效应的主要参数，满足（3.5)、（3.6)要求时，，重力Ｐ－Δ效应可控制在20%以内。 当结构的设计水平力较小，如计算的楼层剪重比（楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值）小于0.02时，结构刚度虽能满足水平位移要求，但往往不能满足本条的稳定要求。

10 结构抗倾覆验算 （3.7) ＭＳ—稳定力矩，计算时，恒载取90%，楼面活荷载取50％； Ｍ０－倾覆力矩，按风荷载或水平地震作用计算其设计值
如不满足，可增大基底面积。

11 3.4高层建筑结构水平位移限值 1. 高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于表3.5的限值
表3.5 楼层层间最大位移与层高之比的限值 结构类型 △u/h限值 框架 1/550 框架-剪力墙、框架-核心筒、板柱、剪力墙 1/800 筒中筒、剪力墙 1/1000 框支层 要求高层建筑结构据有足够的刚度，目的：为保证在正常使用条件中，主体结构基本处于弹性受力状态；控制裂缝的开展和控制其宽度在规范允许的范围内；保证填充墙、隔墙及幕墙等非结构构件的完好。

12 2. 高度等于或大于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;

13 1) 8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架； 2) 7～9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构；
3.5罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算 1 下列结构应进行弹塑性变形验算： 1) 8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架； 2) 7～9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构； 3)高度大于150m的钢结构； 4)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构； 5)采用隔震和消能减震设计的结构。 注：楼层屈服强度系数为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与按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力的比值。

14 楼层屈服强度系数

15 2 下列结构宜进行弹塑性变形验算： 1)采用时程分析的房屋和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的其它高层钢结构。

16 结构薄弱层(部位)的位置： 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(部位) 和相对较小的楼层，一般不超过2～3处；

17 结构薄弱层(部位) 弹塑性层间位移应符合：
结 构 类 型 [θp] 单层钢筋混凝土柱排架 1/30 钢筋混凝土框架 1/50 底部框架砖房中的框架-抗震墙 1/100 钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒 钢筋混凝土抗震墙、筒中筒 1/120 多、高层钢结构 [θp] —弹塑性层间位移角限值； 对钢筋混凝土框架结构，当轴压比小于0.40时，可提高10％； 当柱子全高的箍筋构造比规范规定的最小配箍特征值大30%时，可提高20％，但累计不超过25％。 h—薄弱层楼层高度或单层厂房上柱高度。

18 罕遇地震作用下薄弱层(部位)弹塑性变形计算
1 不超过12层且层侧向刚度无突变的钢筋混凝土框架结构可采用简化计算法； 2 除1款以外的建筑结构，可采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法等。 3 规则结构可采用弯剪层模型或平面杆系模型，不规则结构应采用空间结构模型。

19 弹塑性变形计算的简化计算法： 或 表3.8 弹塑性层间位移增大系数ηＰ ξｙ 0.5 0.4 0.3 ηＰ 1.8 2.0 2.2
表3.8 弹塑性层间位移增大系数ηＰ ξｙ 0.5 0.4 0.3 ηＰ 1.8 2.0 2.2 式中 △uＰ－弹塑性层间位移；△uｙ－层间屈服位移；μ－楼层延性系数； △Uｅ－罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移； ηＰ－弹塑性层间位移增大系数，当薄弱层(部位)的屈服强度系数不小于相邻层(部位)该系数平均值的0.8时（较均匀），可按表3.8采用。当不大于该平均值的0.5时，可按表内相应数值的1.5倍采用；其它情况可采用内插法取值； ξｙ－楼层屈服强度系数。

20 采用弹塑性时程分析法应符合： 应按建筑场地类别、所处地震动参数区划的特征周期选用不少于两条实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线；
地震波延续时间不少于12ｓ，时间间距取0.01或0.02s； 输入地震波的最大加速度，按表3.9采用； 注：括号内数字分别对应于设计基本加速度为0.15g和0.3g的地区。 表3.9 弹塑性时程分析时输入地震波加速度的峰值 抗震设防烈度 7度 8度 9度 加速度峰值（ｃｍ／ｓ２） 220(310) 400(510) 620

21 3.7设计要点及程序框图 3.7.1结构设计方案的选取 总原则：受力体系明确，传力简捷，力求平面和立面规则，并协调建筑、水、电、暖等相关专业的要求 具体有：结构形式的选用； 材料的选用； 结构单元体的划分； “三缝”的设置和处理； 抗侧力结构的不同布置方式和位置； 主楼和群楼的关系； 转换层的布置及采用的形式

22 3.7.2结构计算 1. 计算模型的采用 真实、简化 可选择平面结构空间协同、空间杆系、空间杆-薄壁杆系、空间杆-墙板元及其他组合有限元等计算模型； 进行高层建筑内力与位移计算时，可假定楼板在其自身平面内为无限刚性，相应地设计时应采取必要措施保证楼板平面内的整体刚度； 体型复杂、结构布置复杂的结构应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算； 计算模型还应有相应的构造措施来保证；

23 2.荷载的取值 一般按建筑结构荷载规范取用； 按楼面、屋面的实际做法计算取用；
高层建筑结构内力计算中，当楼面活荷载大于4kN/m2时，应考虑楼面活荷载不利布置引起的梁弯矩的增大。

24 3.计算软件的选取 注意软件的适用范围及通用性，输入数据间的相互协调；
大多数程序忽略梁的轴向变形，某些梁实际受到的轴向拉力很大，不能忽略，如框支剪力墙的托梁； 进行结构时程分析时，地震波的选用非常关键，尽量取与场地性能一致的地震波； 对结构分析软件的计算结果，应进行分析判断，确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据； 校合：自振周期、振型曲线、地震力、水平位移曲线、内外力平衡、对称性、渐变性、合理性

25 4.特殊构件的计算 特殊构件：中庭中的柱、框支剪力墙的托梁、大跨度梁的挠度和裂缝的宽度、不规则开洞的剪力墙等； 单独取出，模拟边界受力后用适当的程序计算；

26 5.协同工作性能 框架—剪力墙结构应按协同工作进行内力、位移计算；
抗震设计的框架结构中，当仅布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析计算应考虑该剪力墙与框架的协同工作；* * 如不考虑剪力墙 的作用，会使框架的上部计算剪力小于实际承受的剪力，使框架计算偏不安全； * 如楼、电梯间位置较偏而产生较大的刚度偏心时，宜采取将此种剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，减小剪力墙的作用，并宜增加与剪力墙相连之柱子的配筋

27 3.7.3抗震措施 1.抗震等级的划分 高层建筑抗震设防标准 地震作用 抗震措施 甲类
高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定 6～8度时，提高一度考虑 9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。 当建筑场地为Ⅰ类时，应允许不提高 乙类 应符合本地区抗震设防烈度的要求 丙类 应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为Ⅰ类时，除6度外，允许降低一度考虑 丁类 7～9度时，降低一度考虑 6度时不应降低 4.8.4 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取抗震构造措施 抗震等级是根据国内外高层建筑震害、有关科研成果、工程设计经验而划分的；是个综合指标； 抗震等级分为特一级、一级、二级、三级、四级；抗震等级的高低，体现了对结构抗震性能要求的严格程度；抗震等级越高，采用的计算和构造措施越严格；

28 表 A级高度的高层建筑结构抗震等级 当本地区的设防烈度为9度时，A级高度乙类建筑的抗震等级应按表3.12规定的特一级采用，甲类建筑应采取更有效的抗震措施。

29 表 Ｂ级高度的高层建筑结构抗震等级

30 地下室的抗震等级 当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级； 地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍； 地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。 9度抗震设计时，地下室结构的抗震等级不应低于二级。

31 裙楼的抗震等级 抗震设计时，与主楼连为整体的裙楼的抗震等级不应低于主楼的抗震等级； 主楼结构在裙房顶部上、下各一层应适当加强抗震构造措施。

32 2.多道抗震防线 设多道防线的意义： 尽量使承重构件与耗能构件分开；
一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作； 抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，吸收和消耗大量的地震能量； 尽量使承重构件与耗能构件分开； 框架—剪力墙结构、框架—筒体体系、筒中筒结构体系中，剪力墙、筒体、内筒为第一道防线； 在交叉支撑和耗能器的结构中，交叉支撑和耗能器为第一道防线； 框架结构中，填充墙为第一道防线； 剪力墙结构中，连梁为第一道防线；

33 3.7.4 延性 延性是结构屈服后变形能力大小的一种性质，是结构吸收能量能力的一种体现。用延性系数来表示： （3.17)
延性 延性是结构屈服后变形能力大小的一种性质，是结构吸收能量能力的一种体现。用延性系数来表示： （3.17) μ—延性系数； Δｕ－结构最大变形； Δｙ—结构屈服变形； 延性结构—结构在中震或大震作用下，能形成一定数量的塑性铰，结构能发生较大的变形而不倒塌。

34 改善结构延性的措施 截面尺寸满足剪压比要求； 控制柱子的轴压比、剪跨比； 构件的纵向配筋在合理范围内，适当提高配箍率，采用高效配箍型式；
设置多道防线； 调整梁、柱、节点强度的相互关系： 强柱弱梁 强剪弱弯 强节弱杆 强压弱拉

35 3.7.5基础方案 基础设计应综合考虑建筑场地的地质状况、上部结构的类型、施工条件、使用要求，确保建筑物不致发生过量沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求。 注意与相邻建筑的相互影响，了解邻近地下构筑物及各项地下设施的位置和标高，确保施工安全。

36 应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。如筏形基础、箱形基础
当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形要求时，也可采用交叉梁基础或其他基础形式； 当地基承载力或变形不能满足设计要求时，可采用桩基或复合地基。

37 基础平面形心宜与上部结构竖向荷载重心重合：
在地基土比较均匀的条件下，箱形基础、及筏形基础的基础平面形心宜与上部结构竖向永久荷载重心重合。 当不能重合时，偏心距e宜符合下式要求： e≤0.1W/A 式中e—— 基底平面形心与上部结构在永久荷载与楼（屋）面可变荷载准永久组合下的重心的偏心距（m）； w——与偏心方向一致的基础底面边缘抵抗矩（m3）； A——基础底面的面积（m2）。 对低压缩性地基或端承桩基的基础，可适当放宽偏心距的限制。按上式计算时，裙房与主楼可分开考虑。

38 基础底面零应力区的规定： 高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；
高宽比不大于4的高层建筑，基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15％，计算时，质量偏心较大的裙楼与主楼可分开考虑。

39 关于基础埋置深度的规定： 基础应有一定的埋置深度； 埋置深度取决于建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素；
埋置深度可从室外地坪算至基础底面，并宜符合下列要求： 1 天然地基或复合地基，可取房屋高度的1/15； 2 桩基础，可取房屋高度的1/18（桩长不计在内）。 3 当建筑物采用岩石地基或采取有效措施时，在满足地基承载力、稳定性要求及基础底面零应力区规定的前提下，基础埋深可不受本条第1、2两款的限制。 当地基可能产生滑移时，应采取有效的抗滑移措施；

40 关于主体基础与裙房基础的规定： 同一结构单元不宜采用两种不同类型的基础；
高层建筑的基础和与其相连的裙房的基础，可通过计算确定是否设置沉降缝； 当设置沉降缝时，应考虑高层主楼基础有可靠的侧向约束及有效埋深，以保证主楼的稳定； 当不设沉降缝时，应采取有效措施减少差异沉降及其影响；

41 3.7.6 构造措施 保证构件的延性性能，强调“强柱弱梁、强剪弱弯、强节弱杆、强压弱拉”的设计原则及相应构造措施；
构造措施 保证构件的延性性能，强调“强柱弱梁、强剪弱弯、强节弱杆、强压弱拉”的设计原则及相应构造措施； 室内填充墙尽可能采用各种轻质隔墙，填充墙与主体结构采用柔性连接；

42 本章完