华科高层建筑结构设计课件4

第4章设计要求•教学提示：本章介绍了高层建筑结构平、立面布置的基本原则，不规则结构以及结构抗震的相关概念，说明了包括承载能力、侧移限制、舒适度及稳定等方面的总体设计要求；以及高层建筑荷载效应组合方法。•教学要求：本章要求学生理解结构抗震的相关概念，熟悉高层建筑的设计要求，掌握荷载效应组合的基本原则，各种工况的区别及其应用。•建筑体形指建筑的平面和立面。•结构总体布置指结构构件的平面布置和竖向布置。•建筑体形与结构总体布置对结构的抗震性能有决定性的作用。4.1建筑体形及结构布置的规则性4.1.1震害及抗震概念设计底层平面图标准层平面剖面图马那瓜中央银行大厦钢筋混凝土墙填充墙剖面图图马那瓜美洲银行大厦平面图马那瓜中央银行大厦试问：那一幢破坏严重呢？马那瓜美洲银行大厦1972年12月23日南美洲马那瓜地震，烈度估计为8度。•美洲银行大楼震害较轻：•仅连梁出现斜裂缝；•震后修复连梁即可使用。中央银行大楼破坏严重：五层框架柱严重开裂，纵筋压曲，墙体开裂，混凝土剥落，非结构构件破坏甚至倒塌！•震害情况砌体填充墙钢筋混凝土墙Olive-View医院主楼剖面六层结构，上部框-剪、下部框架；1971年震后：柱压碎！纵筋压曲、底层非弹性残余位移：600mm；震后拆除！•根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑总体布置并确定细部构造的过程。•场地选择、建筑选型、结构体系、刚度分布、构件延性、多道抗震防线等方面。•建筑抗震概念设计•（seismicconceptdesignofbuildings）：主要内容•结构布置完成后形成的抗震结构体系应符合下列各项要求：（1）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。结构体系受力明确，传力合理且传力路经不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现，对提高结构抗震性能十分有利，是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的因素之一。（2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。（3）应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。（4）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。结构总体布置同时，结构体系尚宜符合下列各项要求：1）宜有多道抗震防线。2）宜具有合理的刚度和承载力分布；避免因局部削弱或突变形成薄弱部位；避免产生过大的应力集中或塑性变形集中。3）结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。结构总体布置•高层建筑的外形可以分为板式和塔式;•对抗风有利的建筑平面是简单规则的凸平面;•对抗震有利的建筑平面形状是简单、规则、对称、长宽比不大的平面;•外伸段较长时，外伸段与主体结构之间会出现相对运动的振型。4.1.2建筑平面和结构平面布置西苑饭店的一个平面振型结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震力作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及复杂高层建筑不应大于0.85。注：当楼层的最大层间位移角不大于本规程第3.7.3条规定的限值的0.4倍时，该楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值可适当放松，但不应大于1.6。房屋高度超过50m时，框架-剪力墙结构、筒体结构及复杂高层建筑结构应采用现浇楼盖结构，剪力墙结构和框架结构宜采用现浇楼盖结构。楼盖结构布置基本原则：高层结构中应保证楼盖结构平面内的整体刚度，以保证各个抗侧力构件能够共同承受水平力、共同变形协调工作。当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。有效楼板宽度不宜小于该层楼面宽度的50%；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30%；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m。“艹”字形、“井”字形等外伸长度较大的建筑，当中央部分楼板有较大削弱时，应加强楼板以及连接部位墙体的构造措施，必要时还可在外伸段凹槽处设置连接梁或连接板。•对抗震有利的建筑立面应规则、均匀，从上到下外形变化不大，没有过大的外挑或内收。•结构沿高度布置应连续、均匀，使结构的侧向刚度和承载力自下而上连续、逐渐减小，避免有刚度和承载力突然变小的楼层。4.1.3建筑立面和结构沿高度布置基本原则•A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。•注：楼层抗侧力结构的层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上,该层全部柱、剪力墙、斜撑的受剪承载力之和。结构竖向布置抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。•抗震设计时，当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1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B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍（图a、b）；•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B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m（图c、d）。结构竖向布置•不宜采用同一部位楼层刚度和承载力变化同时不满足侧向刚度和承载力前述要求的高层建筑结构。•楼层侧向刚度变化、承载力变化及竖向抗侧力构件连续性不符合侧向刚度和承载力及竖向抗侧力构件连续性要求的，该楼层应视为薄弱层，其对应于地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数，并应符合规定的最小地震剪力系数要求。•楼层质量沿高度宜均匀分布，楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5倍。•结构顶层取消部分墙、柱形成空旷房间时，应进行弹性动力时程分析计算并采取有效的构造措施。结构竖向布置不规则分类4.1.4结构的规则性两大类平面不规则竖向不规则平面不规则类型不规则的类型定义扭转不规则楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)，大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。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%。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%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层。三种扭转不规则凹凸不规则楼板局部不连续立面布置规则与不规则的限值不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%，除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架等)向下传递。楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。三种侧向刚度不规则竖向不规则1竖向抗侧力构件不连续竖向不规则2楼层承载力突变竖向不规则3•抗震高层建筑不应采用严重不规则结构。•有一项及以上超过上述不规则类型的指标的结构。•不规则结构•有多项超过不规则类型的指标，或某一项超过不规则指标较多，具有较明显的抗震薄弱环节，可能引起不良后果者。•特别不规则结构•形体复杂，多项不规则指标超过上述不规则类型的上限值或某一项大大超过规定值，具有现有技术和经济条件不能克服的严重抗震薄弱环节，可能导致地震破坏的严重后果者。•严重不规则结构特别不规则的项目举例序不规则类型简要涵义1扭转偏大裙房以上有较多楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.42抗扭刚度弱扭转周期比大于0.9,混合结构扭转周期比大于0.853层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的50%4高位转换框支墙体的转换构件位置：7度超过5层，8度超过3层5厚板转换7～9度设防的厚板转换结构6塔楼偏置单塔或多塔合质心与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%7复杂连接各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体两端塔楼显著不规则的结构8多重复杂同时具有转换层、加强层、错层、连体和竖向体型收进、悬挑中的2种以上高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，并应符合下列要求：•1.应具有必要的承载能力、刚度和延性；•2.应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；•3.对可能出现的薄弱部位，应采取有效的加强措施。高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：•1.结构的竖向和水平布置宜使结构具有合理的刚度和承载力分布，避免因刚度和承载力局部突变或结构扭转效应而形成薄弱部位；•2.抗震设计时宜具有多道防线。高层建筑结构宜采取措施减少混凝土收缩、温度变化、基础差异沉降等非荷载效应的不利影响。房屋高度不低于150m的高层建筑外墙宜采用各类建筑幕墙。4.2楼层最小地震剪力系数及楼层地震剪力调整4.2.1楼层最小地震剪力系数nEk,ijjiVG多遇地震时，楼层水平地震标准值与该层及以上各层重力荷载代表值之和的比值，也称为剪重比。为防止计算所得的水平地震剪力过小，出于结构抗震安全的考虑，结构任一楼层的水平地震剪力VEK，i(i层剪力标准值)应满足下式要求：楼层最小地震剪力系数类别6度7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构0.0080.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5s的结构0.0060.012(0.018)0.024(0.032)0.040注：1.基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可取插入值；2.括号内数值分别用于设计基本加速度为0.15g和0.30g的地区。4.2.2楼层地震剪力调整•楼层地震剪力调整包括框架-剪力墙结构、钢框架-支撑结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构、部分框支剪力墙结构的转换层及以下部分。框架-剪力墙结构抗震设计时，框架-剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力按下列方法调整：1）剪力不调整：满足Vƒ≧0.2V0要求的楼层，其框架总剪力不必调整；2）剪力须调整：不满足式Vƒ≧0.2V0要求的楼层，其框架总剪力应按0.2V0和1.5Vƒ,max二者的较小值采用。•V0—对框架柱数量从下至上基本不变的结构，应取对应于地震作用标准值的结构底部总剪力；对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，应取每段最下一层结构对应于地震作用标准值的底部总剪力。•Vƒ—对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力。•Vƒ,max—对框架柱数量从下至上基本不变的结构，应取对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值；对框架柱数量从下至上分段有规律变化的结构，应取每段中对应于地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值。框架剪力调整后的框架内力•各层框架所承担的地震剪力调整后，应按调整前、后总剪力的比值调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力和端部弯矩，框架柱的轴力标准值可不调整。•按振型分解反应谱法计算地震作用时，剪力调整可在振型组合之后，并满足楼层最小地震剪力系数的前提下进行。钢框架-支撑（延性墙板）结构•框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部地震总剪力标准值的10%；即：Vƒ，max≧0.1V0•当Vƒ，max0.1V0时，应取Vƒ=0.15V0；此时各层核心筒墙体的地震剪力标准值宜乘以增大系数1.1。•当Vƒ0.2V0且Vƒ，max0.1V0时，应取Vƒ=0.15V0和1.5Vƒ，max的较小值。框架-核心筒结构及筒中筒结构•框架部分的地震层剪力不小于结构底部总剪力的25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍二者的较小值。•结构构件承载力验算的一般表达式持久、短暂设计状况:0Sd≦Rd地震设计状况:Sd≦Rd/RE式中：0为结构的重要性系数；对安全等级为一级的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级的结构构件，不应小于1.0。RE——承载力抗震调整系数；Sd——作用组合效应设计值；