设计要求及荷载效应组合建筑结构荷载计算.ppt

第 4 章 设计要求及荷载效应组合,主要内容（目录）,4.1 承载力计算4.2 侧移限制4.3 舒适度要求4.4 稳定和抗倾覆4.5 抗震结构延性要求和抗震等级4.6 荷载效应组合及最不利内力,4.1承载力验算 按承载力极限状态验算结构构件截面：足够大的承载能力,无地震作用效应组合时,r0SR,r0：结构重要性系数 安全等级为二级或设计使用年限50年，不小于1.0 安全等级为一级或设计使用年限100年及以上，不小于1.1,S：无地震作用效应组合时，构件截面内力（效应）组合的设计值（与荷载标准值和荷载效应分项系数的大小有关）,R：无地震作用组合时，构件截面承载力设计值（与材料分项系数的大小有关）,r0SR,有地震作用效应组合时,SE：有地震作用效应组合时，构件截面内力（效应）组合的设计值RE：有地震作用组合时，构件截面承载力设计值,：承载力抗震调整系数,二阶段设计方法控制：多遇地震（及风荷载下），要求主体结构不受破坏，非结构构件没有过重破坏并导致人员伤亡，保证建筑的正常使用功能；罕遇地震作用下，主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。,4.2 侧移限制（弹性层间位移角限值）,4.2 侧移限制（弹性层间位移角限值）,目的：防止风、小震作用下非结构构件破坏：防止主体结构开裂、损坏；防止填充墙及装修开裂、破坏；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）。如何达到目的：结构有足够大的刚度 参数：最大层间位移角,多遇地震（及风荷载下），,u：荷载效应标准值组合所得结构最大层间位移；h：层高；u/h:最大层间位移角；u/h：弹性层间位移角限值。,u/h u/h,u/h：弹性层间位移角限值（使用阶段）,罕遇地震（防止倒塌）,薄弱层（部位）弹塑性层间位移角限值,4.3 舒适度要求,高度超过150m：10年一遇的风荷载，顶点最大加速度限值 住宅、公寓：0.15m/s2 办公、旅馆：0.25m/s2,4.4 稳定和抗倾覆要求,P-效应：侧移，重力荷载产生附加弯矩，增大侧移和内力,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算,实际上大部分钢筋混凝土结构不需要计算P-效应。,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算,如果需要计算，可按下述方法进行计算：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,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算,结构位移增大系数：框架结构剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算,高层建筑结构的稳定应符合下列规定：剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应符合下式要求：框架结构应符合下式要求,4.4.2 高层钢结构的稳定验算,钢结构构件的稳定性问题是钢结构设计的重要内容，将在结构设计中详细介绍。此处的稳定主要是结构整体稳定，即重力作用下的二阶效应P效应。,4.4.2 高层钢结构的稳定验算,高钢规下列条件下可不进行整体稳定性验收：1）各层柱子平均长细比和平均轴压比满足一定要求；2）按不考虑P效应的弹性计算所得的层间相对位移小于某个值：对于钢支撑、剪力墙或筒体的钢结构，且u/h1/1000，可不计算P效应，只按有效长度法计算柱的承载力；对于无支撑的钢结构（纯钢框架）和u/h1/1000的有支撑钢结构，应按考虑P效应的方法计算结构内力及侧移，侧移应不大于1/300。实际上大部分钢结构需要计算P效应。,4.4.3 高层建筑抗倾覆问题,高层建筑侧移过大，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现象。正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。,4.4.3 高层建筑抗倾覆问题,控制高宽比；高宽比大于4的建筑，在地震作用下基础底面不允许出现零应力区；高宽比不大于4的建筑，基底零应力区面积不应超过基础底面积的15。,设防烈度6度及6度以上的抗震结构,4.5 延性要求与抗震等级,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。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少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。,OA:弹性设计，承载力抗震OBC和ODE:(承载力延性)抗震,两种抗震设计方法,（构件屈服，局部破坏）,具有足够大延性和耗能能力,延性 材料、截面、构件或结构保持一定的强度或承载力时的非弹性（塑性）变形能力 用延性系数度量：,y和u分别为屈服值和极限值定义：没有规定,材料应变延性,不同强度等级混凝土,不同配箍特征值,碳纤维约束混凝土,钢筋或钢材,截面曲率延性,截面弯短曲率关系 屈服时截面应变分布 极限状态时截面应变分布,构件位移延性,悬臂构件的弯矩、曲率和位移的关系,悬臂构件位移延性系数与截面曲率延性系数的关系式,结构位移延性,顶点位移延性系数或层间位移延性系数,影响RC构件截面曲率延性的主要因素,截面曲率延性系数,截面的名义屈服曲率,截面有效高度,钢筋屈服应变（小，有利）,混凝土受压区高度（小，有利）,纵筋屈服时,名义屈服时,截面的极限曲率,受压区边缘混凝土极限压应变（大，有利）,混凝土受压区高度（小，有利）,（1）混凝土强度等级,强度等级高,下降快,提高混凝土强度等级可以在不加大截面尺寸的情况下提高轴压比，并且随着混凝土强度等级提高，混凝土的极限压应变变小，变形能力变差，对构件的延性将产生不利的影响。,（2）箍筋,不同配箍特征值应力应变关系,影响混凝土极限压应变,它包括含箍率、箍筋形式、箍筋间距等。其中，含箍率越高，塑性铰区截面核心混凝土的受约束程度越高。,（3）轴压比（N/fcA）,影响混凝土相对受压区高度,轴压比大，相对受压区高度大，延性小,极限曲率低轴压比/极限曲率高轴压比 1.0,相对受压区高度与曲率延性比关系,在高轴压比情况下，在水平荷载施加之前，柱子己经产生了较大的预压应变，预压应变降低截面的塑性转动能力，使构件的延性变差，所以轴压比限值不能定的过高,轴压比大，相对受压区高度大，延性小,（4）纵向钢筋,梁：受拉钢筋配筋率过高延性小 增加受压钢筋延性大柱：纵筋的屈服强度高屈服曲率大 受压纵筋增大截面的曲率延性 提高配筋率提高截面的轴压承 载力，降低轴压比,（5）截面几何形状,箍筋对混凝土的约束作用：圆形截面最强，方形截面次之，矩形截面再次之，异形截面最差,对于一个结构：截面曲率延性系数构件转角（位移）延性系数 结构位移延性系数,弹塑性层间位移角限值,目的：防止罕遇地震时结构倒塌,通过抗震构造措施，使结构构件具有足够大的延性，满足弹塑性层间位移角限值的要求,弹塑性层间位移角限值,耗能能力,滞回曲线的形状、面积 耗能能力大、小，难以量化,4.5.2 概念设计及抗震等级,（1）选择延性材料和结构；（2）概念设计；（3）设计延性结构；（4）抗震措施及抗震等级。,选择延性材料和结构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；钢筋混凝土，介于上述两者之间，设计合理，可有较好的延性。,概念设计选择有利于抗震的结构方案和布置；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；分析薄弱部位，避免过早破坏；防止局部破坏引起连续倒塌；避免设计为静定结构；采取多道防线措施；等等。,设计延性结构延性构件；延性结构。,不同高度、不同烈度、不同体系等的钢筋混凝土房屋建筑结构，延性与耗能要求不同，通过抗震等级，区分对结构的延性与耗能的不同要求 不同抗震等级，采取不同抗震措施,抗震等级,计算措施地震作用计算和抗力计算以外的计算，主要是调整或放大组合的内力计算值，用调整或放大后的内力作为设计值抗震构造措施保证结构构件具有足够的延性与耗能的构造措施,抗震措施,A级高度：一、二、三、四级（一级要求最高）B级高度：特一、一、二级（特一级要求最高）,抗震等级划分,烈度 结构类型 两种结构单元时，重 要程度不同 房屋高度,确定抗震等级的参数,注：1 建筑场地为I类时，除6度外应允许按表内降低一度所对应的抗震等级采取构造措施，但相应的计算要求不应降低；2 接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级；3 大跨度框架指跨度不小于18m的框架；4 高度不超过60m的框架-核心筒结构按框架-抗震墙的要求设计时，应按表中框架-抗震墙结构的规定确定其抗震等级。,表中的烈度：确定抗震等级的烈度 与下列因素有关:建筑类别 设防烈度 场地,建筑类别 场地 设防烈度 6 7 8 9 甲类、乙类 6 7 8 9 7 8 9 9*丙类 6 6 7 8 6 7 8 9 丁类 6 6 7 8 6 7-8-9-,确定抗震等级的烈度,钢筋混凝土框架剪力墙房屋结构，高60m,丙类建筑，8度设防。确定：类场地时，框架、剪力墙的抗震等级；类场地时，框架、剪力墙的抗震等级。,思考题,4.6 效应组合及最不利内力,S荷载效应组合的设计值；,分别为永久荷载、,活荷载和风荷载效应标准值；,4.6.1 无地震作用效应组合,承载力计算时：,可变荷载效应控制时取1.2，永久荷载效应控制时取1.35，对结构有利时取1.0,一般取1.4，小于3kN/m2时取1.3,一般取1.4,分别为永久荷载、活荷载和风荷载分项系数,活荷载组合值系数永久荷载效应控制时分别取0.7可变荷载效应控制时分别取1.0,、,风荷载的组合值系数，取1.0注意多层时取0.6。,基本荷载工况有两种永久（恒）荷载+活荷载 1.2永久荷载效应+1.4活荷载效应 1.35永久荷载效应+1.40.7活荷载效应,承载力计算时,永久荷载+活荷载+风荷载 1.2永久荷载效应+1.4活荷载效应+1.41.0风荷载效应（高层建筑）,荷载工况公式中各分项系数取1.0,位移计算时,4.6.2 有地震作用效应组合时,S 荷载效应和地震作用效应组合 的设计值；,E,E,分别为重力荷载代表值、水平地震作用标准值、竖向地震作用标准值、风荷载标准值的效应；,分别为上述各种荷载和地震作用分项系数；,风荷载的组合值系数，取0.2。,60m以上的高层建筑：风荷载效应和地震作用效应组合9度时：竖向地震作用的效应组合,所有高层建筑 1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应60m以上高层建筑（9度以外）1.2 重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+1.40.2风荷载效应,高层建筑效应组合的基本工况,、9度高层建筑1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+0.5竖向地震作用效应 1.2重力荷载效应+1.3竖向地震作用效应,9度且60m以上高层建筑1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+0.5 竖向地震作用效应+1.40.2风荷载效应,竖向活荷载的布置,可不考虑活荷载的不利布置,用满布活荷载计算内力,正、反方向作用，按两个方向的较大值采用 体型复杂的高层建筑，考虑风向角的影响,风的作用方向,风的方向,一般情况下，两个主轴方向分别计算 有斜交抗侧力构件的结构，相交角度大于15度时，分别计算各抗侧力构件方向的地震作用 明显不对称、不均匀的结构，计算双向水平地震下的扭转影响 其它情况：计算单向水平地震下的扭转影响,地震的方向（强制）,控制截面:验算承载力的截面，通常是内力最大的截面框架梁:两端截面，跨中截面连梁:两端截面框架柱、墙肢:两端截面,4.6.3 控制截面及最不利内力,梁端截面：最大正弯矩，最大负弯矩，最大剪力 梁跨中截面：最大正弯矩柱、墙：大偏压时弯矩大不利 小偏压时轴力大不利,最不利内力,及相应的N 及相应的M 及相应的M 较大及N较大或 较大及N较小,柱、墙最不利内力,端部截面，不是轴线截面,构件验算截面,调幅：减小梁端负弯矩，增大跨中正弯矩弯矩：竖向荷载作用下的弯矩,4.6.4 RC框架梁弯矩塑性调幅,次序：先调幅，后组合调幅系数：现浇框架梁端 0.8-0.9 装配整体式框架梁端 0.7-0.8,调幅后满足下式：,分别为调幅后梁两端负弯矩及跨中正弯矩,M按简支梁计算的跨中弯矩,作业：4.1承载力验算和水平位移限制为什么是不同的极限状态？这两种验算在荷载效应组合时有什么不同？4.4延性和延性比是什么？为什么抗震结构要具有延性？4.5为什么抗震设计要区分抗震等级？抗震等级与延性要求是什么关系？试比较一幢15层、45米高、位于7度抗震设防分区的框架和框架-剪力墙结构中框架的抗震等级有什么不同？如果在8度设防区，抗震等级有什么变化吗？4.8荷载组合要考虑哪些工况？有地震作用组合与无地震作用组合的区别是什么？哪些建筑要求前者？哪些建筑要求后者？抗震设计的结构为什么也要进行无地震作用组合？试分析一幢30层、99m高、位于7度抗震设防区的结构应当作哪几种工况组合？如果位于9度抗震设防区会有哪些不同？请分别列出这两幢结构的内力和位移组合的计算式（列出分项及组合系数）。4.10为什么钢筋混凝土框架梁的弯矩能作塑性调幅？如何进行调幅？调幅与组合的先后次序怎样安排？,