高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 第4章高层建筑结构的计算分析和设计要求 本章主要内容 ●高层建筑结构的计算分析(简介) 荷载效应和地震作用效应组合(重点) 高层建筑结构的设计要求(重点) 高层建筑结构的概念设计(重点) 超高层建筑工程抗震设计(简介) 4.1高层建筑结构的计算分析 4.1.1结构计算分析方法 高层建筑结构的计算方法,主要有 (1)线弹性分析方法 (2)考虑塑性内力重分布的分析方法 (3)非线性分析方法 (4)模型试验分析方法。 线弹性分析方法是最基本、最成熟的方法,目前大多采用该方法,实践证明, 般情况下该方法可以满足工程精度要求; 框架梁及连梁等构件可考虑局部塑性引起的内力重分布。 例如:在竖向荷载作用下,对框架梁端负弯矩乘以调幅系数,装配整体式框架取0.7 0.8,现浇式框架取0.8~0.9;抗震设计的框剪或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减,折 减系数不宜小于0.5。 ●对复杂的不规则结构或重要的结构,可考虑非线性分析方法和模型实验方 4.1.2结构计算模型 (一)计算模型 高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系,应根据实际选取能较准确地反映结构中各 构件的实际受力状况的力学模型。可选择 (1)平面协同工作模型:平面和立面布置简单规则的框架结构、框架-剪力墙结构 (2)空间协同工作模型 3)空间杄系模型:剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结枃、框架-剪力墙结 构应采用空间分析模型 (4)空间杆-薄壁杆系模型 (5)空间杆-墙板元模型 (6)有限元计算模型。 针对这些力学模型,目前我国均有相应的结构分析软件
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 1 - 第 4 章 高层建筑结构的计算分析和设计要求 本章主要内容 z 高层建筑结构的计算分析（简介） z 荷载效应和地震作用效应组合（重点） z 高层建筑结构的设计要求（重点） z 高层建筑结构的概念设计（重点） z 超高层建筑工程抗震设计（简介） 4.1 高层建筑结构的计算分析 4.1.1 结构计算分析方法 高层建筑结构的计算方法，主要有 （1）线弹性分析方法 （2）考虑塑性内力重分布的分析方法 （3）非线性分析方法 （4）模型试验分析方法。 z 线弹性分析方法是最基本、最成熟的方法，目前大多采用该方法，实践证明，一 般情况下该方法可以满足工程精度要求； z 框架梁及连梁等构件可考虑局部塑性引起的内力重分布。 例如：在竖向荷载作用下，对框架梁端负弯矩乘以调幅系数，装配整体式框架取 0.7～ 0.8，现浇式框架取 0.8～0.9；抗震设计的框剪或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，折 减系数不宜小于 0.5。 z 对复杂的不规则结构或重要的结构，可考虑非线性分析方法和模型实验方法。 4.1.2 结构计算模型 （一）计算模型 高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系，应根据实际选取能较准确地反映结构中各 构件的实际受力状况的力学模型。可选择 （1）平面协同工作模型：平面和立面布置简单规则的框架结构、框架-剪力墙结构； （2）空间协同工作模型： （3）空间杆系模型：剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结构、框架-剪力墙结 构应采用空间分析模型 （4）空间杆-薄壁杆系模型 （5）空间杆-墙板元模型 （6）有限元计算模型。 针对这些力学模型，目前我国均有相应的结构分析软件
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 (二)计算假定 楼盖(面)平面内刚度为无限大 楼(屋)面为水平放置的深梁,近似认为其平面内为无限刚性。可使自由度数减小, 计算大为简化。实践证明,对很多高层建筑结构可满足工程精度的要求。 若采用了刚性楼(屋)面板假定,设计上应采取措施保证楼(屋)面的整体刚度。如 结构平面宜简单、规则、对称,平面长度不宜过长,突出部分长度不宜过大;宜采用现浇 钢筋混凝土楼板;对局部削弱的楼面,可采取楼板局部加厚、设置边梁、加大楼板配筋等 措施。 下列情况应考虑楼板平面内变形的影响: (1)楼板有效宽度较窄或有较大开洞搂面 (2)狭长外伸段楼面; (3)局部变窄产生薄弱连接的楼面 (4)连体结构的狭长连接体搂面等,楼板面内刚度有较大的削弱,楼板会产生明显 的平面内变形 考虑楼板平面内变形而采用楼板平面内刚度无限刚性的假定时,应将计算结果进行适 当调整,一般可对楼板削弱部位的结构枃件适当増大内力,加强配筋和枃造措施 (三)构件刚度与变形 结构计算时,应考虑下列变形 (1)梁的弯曲、剪切、扭转变形,当考虑楼板平面内变形时,还有轴向变形: (2)柱和墙的弯曲、剪切、轴向和扭转变形。柱、墙的轴向变形影响显著,计算时 应予以考虑 (3)层数多的高层建筑,柱、墙轴向变形宜考虑施工过程的影响 (四)计算要求 (1)对体形复杂高层建筑结构(平面不规则、竖向不规则),应至少采用至少两个不 同力学模型的结构分析软件进行整体计算; (2)对受力复杂的结构构件,(复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构件、错层构件 等),除整体分析外,尚应按有限元等方法进行局部应力分析; 3)对易形成薄弱部位的复杂髙层建筑结构(带加强层或转换层、错层结构、连体 和立面开洞结构、多塔楼结构等),应符合下列要求: 1)采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行计算 2)抗震计算时,宜考虑平扭耦联计算扭转效应,振型数不应小于15,对多塔楼结构的振型数不应 小于塔楼数的9倍; 3)应采用弹性时程分析法进行补充计算 4)宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形, (4)除选用可靠的结构分析软件外,还应对软件的计算结果从力学概念和工程经验 等方面加以分析判断,确认其合理、有效后方可采用
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 2 - （二）计算假定： z 楼盖（面）平面内刚度为无限大 楼（屋）面为水平放置的深梁，近似认为其平面内为无限刚性。可使自由度数减小， 计算大为简化。实践证明，对很多高层建筑结构可满足工程精度的要求。 若采用了刚性楼（屋）面板假定，设计上应采取措施保证楼（屋）面的整体刚度。如 结构平面宜简单、规则、对称，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；宜采用现浇 钢筋混凝土楼板；对局部削弱的楼面，可采取楼板局部加厚、设置边梁、加大楼板配筋等 措施。 下列情况应考虑楼板平面内变形的影响： （1）楼板有效宽度较窄或有较大开洞搂面； （2）狭长外伸段楼面； （3）局部变窄产生薄弱连接的楼面； （4）连体结构的狭长连接体搂面等，楼板面内刚度有较大的削弱，楼板会产生明显 的平面内变形。 考虑楼板平面内变形而采用楼板平面内刚度无限刚性的假定时，应将计算结果进行适 当调整，一般可对楼板削弱部位的结构构件适当增大内力，加强配筋和构造措施。 （三）构件刚度与变形 结构计算时，应考虑下列变形： （1）梁的弯曲、剪切、扭转变形，当考虑楼板平面内变形时，还有轴向变形； （2）柱和墙的弯曲、剪切、轴向和扭转变形。柱、墙的轴向变形影响显著，计算时 应予以考虑。 （3）层数多的高层建筑，柱、墙轴向变形宜考虑施工过程的影响。 （四）计算要求 （1）对体形复杂高层建筑结构（平面不规则、竖向不规则），应至少采用至少两个不 同力学模型的结构分析软件进行整体计算； （2）对受力复杂的结构构件，（复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构件、错层构件 等），除整体分析外，尚应按有限元等方法进行局部应力分析； （3）对易形成薄弱部位的复杂高层建筑结构（带加强层或转换层、错层结构、连体 和立面开洞结构、多塔楼结构等），应符合下列要求： 1）采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行计算； 2）抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算扭转效应，振型数不应小于 15，对多塔楼结构的振型数不应 小于塔楼数的 9 倍； 3）应采用弹性时程分析法进行补充计算； 4）宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。 （4）除选用可靠的结构分析软件外，还应对软件的计算结果从力学概念和工程经验 等方面加以分析判断，确认其合理、有效后方可采用
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 4.2荷载效应和地震作用效应的组合 高层建筑结构的荷载效应和地震作用效应的组合表达式如下 (1)无地震作用效应组合时 S=yGSGk+VoyoSok +wwrwswk (42.1) 式中,yG、y、ym-永久荷载、楼面活荷载和风荷载的分项系数;vo、vw-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分别取0.7和00;当可变荷载效应起控 制作用时应分别取10和0.6或0.7和1.0 表421无地震作用时的分项系数 项系数值 永久荷载的分项系数yG 其效应对结构不利且由可变荷载效应控制的组合 其效应对结构不利且由永久荷载效应控制的组合 1.35 承载力计算时 其效应对结构有利 0 楼面活荷载的分项系数yg 14 风荷载的分项系数y 14 位移计算时各分项系数yG、g、y (2)有地震作用效应组合时 S=YGSGE +yEh SEhk + Ey SExk+VuySwk(4.2.2) 式中,SE为重力荷载代表值的效应;SM、SEk为水平、竖向地震作用标准值的效应;yc、yn、 yB、γs为重力荷载、风荷载、水平地震作用、竖向地震作用的分项系数,承载能力计算时按表4.2.2 采用,当重力荷载效应对结构承载力有利时,表422中γ不应大于1.0;位移计算时,各分项系数均 取10。vm为风荷载的组合系数,应取02 表422有地震作用效应组合时载荷和作用分项系数表 所考虑的组合yGy En 说明 重力荷载及水平地震 1.2 不考虑不考虑 作用 重力荷载及竖向地震 9度抗震设防时考虑:水平长 12不考虑13不考虑悬臂结构8度、9度抗震设计 作用 时考虑 重力荷载、水平地震 9度抗震设防时考虑;水平长 及竖向地震作用 1.3 05不考虑悬臂结构8度、9度抗震设计 时考虑 重力荷载、水平地震1.213不考虑1460m以上的高层建筑考虑 作用及风荷载 重力荷载、水平地震 60m以上的高层建筑考虑:9 作用、竖向地震作用 0514度抗震设防时考虑;水平长悬 及风荷载 臂结构8度、9度抗震设计时
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 3 - 4.2 荷载效应和地震作用效应的组合 高层建筑结构的荷载效应和地震作用效应的组合表达式如下： （1）无地震作用效应组合时 S G SGk Q Q SQk w wSwk = γ +ψ γ +ψ γ （4.2.1） 式中， G γ 、 Q γ 、 w γ —永久荷载、楼面活荷载和风荷载的分项系数；ψ Q 、ψ w －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。 表 4.2.1 无地震作用时的分项系数 情 况 分项系数值 永久荷载的分项系数 G γ 其效应对结构不利且由可变荷载效应控制的组合 其效应对结构不利且由永久荷载效应控制的组合 其效应对结构有利 1.2 1.35 1.0 楼面活荷载的分项系数 Q γ 1.4 承载力计算时 风荷载的分项系数 w γ 1.4 位移计算时 各分项系数 G γ 、 Q γ 、 w γ 1.0 （2）有地震作用效应组合时 S G SGE Eh SEhk EvSEvk w wSwk = γ + γ + γ +ψ γ （4.2.2） 式中， SGE 为重力荷载代表值的效应；SEhk 、SEvk 为水平、竖向地震作用标准值的效应； G γ 、 w γ 、 Eh γ 、 Ev γ 为重力荷载、风荷载、水平地震作用、竖向地震作用的分项系数，承载能力计算时按表 4.2.2 采用，当重力荷载效应对结构承载力有利时，表 4.2.2 中 G γ 不应大于 1.0；位移计算时，各分项系数均 取 1.0。ψ w为风荷载的组合系数，应取 0.2。 表 4.2.2 有地震作用效应组合时载荷和作用分项系数表 所考虑的组合 G γ Eh γ Ev γ w γ 说 明 重力荷载及水平地震 作用 1.2 1.3 不考虑 不考虑 重力荷载及竖向地震 作用 1.2 不考虑 1.3 不考虑 9 度抗震设防时考虑；水平长 悬臂结构 8 度、9 度抗震设计 时考虑 重力荷载、水平地震 及竖向地震作用 1.2 1.3 0.5 不考虑 9 度抗震设防时考虑；水平长 悬臂结构 8 度、9 度抗震设计 时考虑 重力荷载、水平地震 作用及风荷载 1.2 1.3 不考虑 1.4 60m 以上的高层建筑考虑 重力荷载、水平地震 作用、竖向地震作用 及风荷载 1.2 1.3 0.5 1.4 60m 以上的高层建筑考虑；9 度抗震设防时考虑；水平长悬 臂结构 8 度、9 度抗震设计时 考虑
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 4.3高层建筑结构的设计要求 4.3.1承载力要求 非抗震设计时,结构构件截面承载力设计表达式为 y0S≤R 式中,y对安全等级为一级、二级和三级的结构,分别取11,10和09。 抗震设计时,其设计表达式为 S≤R/yRE (43.2) 式中,yg为承载力抗震调整系数,对钢筋混凝土构件,应按表43的规定采用,当仅考虑竖向地震 作用组合时,承载力抗震调整系数均应取为10 表43.1承载力抗震调整系数 构件类别 轴压比小于0.15轴压比不小于 0.15的柱 剪力墙 各类构件 节点 受力状态 弯 偏压 偏压 偏 局部承压 受剪、偏拉 受剪 0.75 1.0 0.85 4.3.2水平位移限制和舒适度要求 1.弹性位移验算 弹性层间位移验算,实际上是对构件截面大小、刚度大小进行控制的一个相对指 弹性层间位移验算,可保证结构在多遇地震作用下基本处于弹性状态,以及非结 构构件的基本完好(填充墙、隔墙和幕墙等); 风荷载、多遇地震作用下,楼层层间最大位移应符合下式要求: [8 Jh (43.3) 表4.3.2弹性层间位移角限值 [el 钢筋混凝土框架 l/550 钢筋混凝土框架-抗震墙,板柱-抗震墙,框架-核心筒 1/800 钢筋混凝土抗震墙,筒中筒 1/1000 钢筋混凝士 土框支层 多、高层钢结构 1/300 注意:(1)因变形计算属正常使用极限状态,故在计算弹性位移时,各分项系数均取1.0,钢筋混凝土 构件的刚度可采用弹性刚度。 (2)楼层层间最大位移Δu以楼层最大的水平位移差计算,不扣除整体弯曲变形 (3)抗震设计时,楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。 (4)当高度〉150m时,弯曲变形产生的侧移有较快增长,所以超过250m高度时,层间位移角限 值按1/500作为限值。150-250m之间的高层建筑按线性插入考虑。 2.弹塑性位移验算
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 4 - 4.3 高层建筑结构的设计要求 4.3.1 承载力要求 非抗震设计时，结构构件截面承载力设计表达式为： γ 0 S ≤ R （4.3.1） 式中， 0 γ 对安全等级为一级、二级和三级的结构，分别取 1.1，1.0 和 0.9。 抗震设计时，其设计表达式为 S ≤ R / RE γ （4.3.2） 式中， RE γ 为承载力抗震调整系数，对钢筋混凝土构件，应按表 4.3.1 的规定采用，当仅考虑竖向地震 作用组合时，承载力抗震调整系数均应取为 1.0。 表 4.3.1 承载力抗震调整系数 构件类别 梁 轴压比小于 0.15 的柱 轴压比不小于 0.15 的柱 剪力墙 各类构件 节点 受力状态 受弯 偏压 偏压 偏压 局部承压 受剪、偏拉 受剪 RE γ 0.75 0.75 0.80 0.85 1.0 0.85 0.85 4.3.2 水平位移限制和舒适度要求 1. 弹性位移验算 z 弹性层间位移验算，实际上是对构件截面大小、刚度大小进行控制的一个相对指 标。 z 弹性层间位移验算，可保证结构在多遇地震作用下基本处于弹性状态，以及非结 构构件的基本完好（填充墙、隔墙和幕墙等）； 风荷载、多遇地震作用下，楼层层间最大位移应符合下式要求： Δue ≤[θ e ]h （4.3.3） 表 4.3.2 弹性层间位移角限值 结 构 类 型 [θe ] 钢筋混凝土框架 1/550 钢筋混凝土框架-抗震墙，板柱-抗震墙，框架-核心筒 1/800 钢筋混凝土抗震墙，筒中筒 1/1000 钢筋混凝土框支层 1/1000 多、高层钢结构 1/300 注意：（1）因变形计算属正常使用极限状态，故在计算弹性位移时，各分项系数均取 1.0，钢筋混凝土 构件的刚度可采用弹性刚度。 （2）楼层层间最大位移△u 以楼层最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。 （3）抗震设计时，楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。 （4）当高度> 150m 时，弯曲变形产生的侧移有较快增长，所以超过 250m 高度时，层间位移角限 值按 1/500 作为限值。150~250m 之间的高层建筑按线性插入考虑。 2.弹塑性位移验算
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 针对结构的薄弱层进行位移验算。结构薄弱层(部位)弹塑性位移应符合下式要求 (434) 表433层间弹塑性位移角限值[O] 结构类别 框架结构 框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、板柱-剪力墙结构 l/100 剪力墙结构和筒中筒结构 框支层 1120 验算范围:(1)7~9度时,楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构;甲类建筑和9度抗震设防的乙 类建筑结构:采用隔震和消能减震技术的建筑结构均应进行弹塑性变形验算。(2)竖向不规则高层建 筑结构:7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构;板柱-剪力墙结构等宜进行弹塑性变形验 楼层屈服强度系数ξ,按下式计算: Sy=Vy/l (4.3.5) 式中:v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;V为按罕遇地 震作用计算的楼层弹性地震剪力。 (1)弹塑性变形计算的简化方法 适用于不超过12层且层侧向刚度无突变的框架结构。结构的薄弱层或薄弱部位,对 楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构,可取底层;对楼层屈服强度系数沿髙度分布不 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 (4.3.6) Ip (4.36b) 式中,n为层间弹塑性位移;4,为层间屈服位移;为楼层延性系数;4n为罕遇地震作用下 按弹性分析的层间位移;7为弹塑性位移增大系数 表434结构的弹塑性位移增大系数n 7 1.8 2.0 2.2 (2)弹塑性变形计算的弹塑性分析法 常用的有:静力弹塑性分析方法(如Push-over方法); 弹塑性动力时程分析方法。 由于水平地震作用模式和本构关系较为复杂,且现有的分析软件还不够完善,因此, 弹塑性分析方法的普遍应用还受到较大的限制 弹塑性动力分析方法时,地震波的选择 不少于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波,且地震波持续时间不宜少于12s,最 大加速度,可按表4.3.5采用
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 5 - 针对结构的薄弱层进行位移验算。结构薄弱层（部位）弹塑性位移应符合下式要求： Δu p ≤[θ p ]h （4.3.4） 表4.3.3 层间弹塑性位移角限值[ ] θ p 结构类别 [ ] θ p 框架结构 1/50 框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、板柱-剪力墙结构 1/100 剪力墙结构和筒中筒结构 1/120 框支层 1/120 验算范围：（1）7～9 度时，楼层屈服强度系数小于 0.5 的框架结构；甲类建筑和 9 度抗震设防的乙 类建筑结构；采用隔震和消能减震技术的建筑结构均应进行弹塑性变形验算。（2）竖向不规则高层建 筑结构；7 度Ⅲ、Ⅳ类场地和 8 度抗震设防的乙类建筑结构；板柱-剪力墙结构等宜进行弹塑性变形验 算： 楼层屈服强度系数ξy按下式计算： ξy=Ｖy/Ve （4.3.5） 式中：Vy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；Ve为按罕遇地 震作用计算的楼层弹性地震剪力。 （1）弹塑性变形计算的简化方法 适用于不超过 12 层且层侧向刚度无突变的框架结构。结构的薄弱层或薄弱部位，对 楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；对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。 p p e Δu =η Δu （4.3.6） y y p p y u u Δu ξ η Δ = μΔ = （4.3.6b） 式中， p Δu 为层间弹塑性位移； y Δu 为层间屈服位移；μ 为楼层延性系数；Δue 为罕遇地震作用下 按弹性分析的层间位移；η p 为弹塑性位移增大系数。 表 4.3.4 结构的弹塑性位移增大系数η p ξ y 0.5 0.4 0.3 η p 1.8 2.0 2.2 （2）弹塑性变形计算的弹塑性分析法 常用的有：静力弹塑性分析方法（如 Push-over 方法）； 弹塑性动力时程分析方法。 由于水平地震作用模式和本构关系较为复杂，且现有的分析软件还不够完善，因此， 弹塑性分析方法的普遍应用还受到较大的限制。 弹塑性动力分析方法时，地震波的选择： 不少于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波，且地震波持续时间不宜少于 12s，最 大加速度，可按表 4.3.5 采用
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 表43.5弹塑性动力时程分析时输入地震加速度的最大值Amax 抗震设防烈度 7度 8度 9度 220(310) 400510) 注:括号内数值分别对应于设计基本加速度为0.15g和0.30g的地区 3.舒适度要求 高层建筑在风荷载作用下将产生振动,过大的振动加速度将使在高层建筑内居住的人 们感觉不舒服,甚至不能忍受,表4.3.6为两者之间的关系。 表436舒适度与风振加速度关系 表437结构顶点最大加速度限值am 不舒适的程度 建筑物的加速度 使用功能 有感觉 0005g-0015g 扰人 0015g0.05g 住宅、公寓 0.15 十分扰人 办公、旅馆 0.25 不能忍受 《高层规程》规定,高度超过150m的高层建筑结构,按10年一遇的风荷载取值计算 的顺风向与横风向结构顶点最大加速度mx不应超过表4.37的限值。 4.3.3整体稳定和倾覆问题 1.重力二阶效应及结构稳定 重力二阶效应一般包括两部分: (1)一是由于构件自身挠曲引起的附加重力效应,即P-δ效应,二阶内力与构件挠 曲形态有关,一般是构件的中间大,两端为零; (2)二是在水平荷载作用下结构产生侧移后,重力荷载由于该侧移而引起的附加效 应,即P-4效应 分析表明,挠曲二阶效应的影响相对较小,而重力荷载因结构侧移产生的P-4效应相 对较大,可使结构的内力和位移增加,甚至导致结构失稳 因此,高层建筑结构构件的稳定设计,主要是控制和验算结构在风或地震作用下,重 力P-4效应 2.高层建筑结构的整体倾覆问题 当高层建筑的高宽比较大、水平作用较大、地基刚度较弱时,则可能出现倾覆问题。 ●在设计高层建筑结构时,一般都要控制高宽比。 ●在设计基础时,对高宽比大于4的高层建筑,在地震作用效应标准组合下,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% 当满足上述条件时,高层建筑结构的抗倾覆能力有足够的安全储备,不需进行专门的 抗倾覆验算
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 6 - 表 4.3.5 弹塑性动力时程分析时输入地震加速度的最大值 Amax 抗震设防烈度 7 度 8 度 9 度 ( ) 2 A cm s max 220(310) 400(510) 620 注：括号内数值分别对应于设计基本加速度为 0.15g 和 0.30g 的地区。 3．舒适度要求 高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高层建筑内居住的人 们感觉不舒服，甚至不能忍受，表 4.3.6 为两者之间的关系。 表 4.3.6 舒适度与风振加速度关系 表 4.3.7 结构顶点最大加速度限值 amax 不舒适的程度 建筑物的加速度 无感觉 有感觉 扰 人 十分扰人 不能忍受 0.15g 《高层规程》规定，高度超过 150m 的高层建筑结构，按 10 年一遇的风荷载取值计算 的顺风向与横风向结构顶点最大加速度amax 不应超过表 4.3.7 的限值。 4.3.3 整体稳定和倾覆问题 1．重力二阶效应及结构稳定 重力二阶效应一般包括两部分： （1）一是由于构件自身挠曲引起的附加重力效应，即 P − δ 效应，二阶内力与构件挠 曲形态有关，一般是构件的中间大，两端为零； （2）二是在水平荷载作用下结构产生侧移后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效 应，即 P − Δ 效应。 分析表明，挠曲二阶效应的影响相对较小，而重力荷载因结构侧移产生的 P − Δ 效应相 对较大，可使结构的内力和位移增加，甚至导致结构失稳。 因此，高层建筑结构构件的稳定设计，主要是控制和验算结构在风或地震作用下，重 力 P − Δ 效应。 2．高层建筑结构的整体倾覆问题 当高层建筑的高宽比较大、水平作用较大、地基刚度较弱时，则可能出现倾覆问题。 z 在设计高层建筑结构时，一般都要控制高宽比。 z 在设计基础时，对高宽比大于 4 的高层建筑，在地震作用效应标准组合下，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%。 当满足上述条件时，高层建筑结构的抗倾覆能力有足够的安全储备，不需进行专门的 抗倾覆验算。 使用功能 amax 2 m s 住宅、公寓 0.15 办公、旅馆 0.25
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 4.3.4结构延性和抗震等级 在地震区,结构除承载力和刚度外,还要求它具有良好的延性, 延性比μ是衡量结构或构件塑性变形的能力,是结构抗震性能的一个重要指标;对于 延性比大的结构,在地震作用下结构进入弹塑性状态时,能吸收、耗散大量的地震能量, 此时结构虽然变形较大,但不会出现超出抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。若结构延性 较差,在地震作用下容易发生脆性破坏,甚至倒塌。 对一般建筑结构延性要求的严格程度可分为四级:很严格(一级)、严格(二级)、较 严格(三级)和一般(四级),这称之为结构的抗震等级 根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构 造措施要求 表438A级高度的高层建筑结构抗震等级 结构类型 框架 ≤30>30≤30>30≤30>30≤25 框架-剪 ≤60>60≤60>60≤60>60≤50 力墙 四 剪力墙 ≤80>80≤80>80≤80>80≤6 剪力墙 框支剪非底部加强部位剪力墙四 底部加强部位剪力墙 框支框架 采用 框架-核心筒 核心筒 筒中筒 内筒 外筒 板柱-剪 板柱的 力墙 剪力墙 注:1、接近或等于高度分界时,应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级:2、底部带转换层的筒体 结构,其框支框架的抗震等级应按表中框支剪力墙结构的规定采用:3、板柱-剪力墙结构中框架的抗震等级应与表中“板 柱的柱”相同 表43.9B级高度的高层建筑结构抗震等级 结构类型 框架-剪力墙 墙 剪力墙 非底部加强部位剪力 墙 框支剪力墙 底部加强部位剪力墙 框支框架 框架-核心筒 框架 筒体 特特特特 筒中筒 外筒 表中的烈度根据建筑物的重要性确定。(1)甲类、乙类建筑:当抗震设防烈度为6~8度时,应提
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 7 - 4.3.4 结构延性和抗震等级 在地震区，结构除承载力和刚度外，还要求它具有良好的延性。 延性比 μ 是衡量结构或构件塑性变形的能力，是结构抗震性能的一个重要指标；对于 延性比大的结构，在地震作用下结构进入弹塑性状态时，能吸收、耗散大量的地震能量， 此时结构虽然变形较大，但不会出现超出抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。若结构延性 较差，在地震作用下容易发生脆性破坏，甚至倒塌。 对一般建筑结构延性要求的严格程度可分为四级：很严格（一级）、严格（二级）、较 严格（三级）和一般（四级），这称之为结构的抗震等级。 根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构 造措施要求。 表4.3.8 A级高度的高层建筑结构抗震等级 烈 度 结构类型 6度 7度 8度 9度 高度/m ≤30 >30 ≤30 >30 ≤30 >30 ≤25 框架 框架 四 三 三 二 二 一 一 高度/m ≤60 >60 ≤60 >60 ≤60 >60 ≤50 框架 四 三 三 二 二 一 一 框架-剪 力墙 剪力墙 三 二 一 一 一 高度/m ≤80 >80 ≤80 >80 ≤80 >80 ≤60 剪力墙 剪力墙 四 三 三 二 二 一 一 非底部加强部位剪力墙 四 三 三 二 二 底部加强部位剪力墙 三 二 二 一 框支剪 力墙 框支框架 二 二 一 一 不应 采用 框架 三 二 一 一 框架-核心筒 核心筒 二 二 一 一 内筒 三 二 一 一 筒体 筒中筒 外筒 板柱-剪 板柱的柱 三 二 一 力墙 剪力墙 二 二 二 不应 采用 注：1、接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级；2、底部带转换层的筒体 结构，其框支框架的抗震等级应按表中框支剪力墙结构的规定采用；3、板柱-剪力墙结构中框架的抗震等级应与表中“板 柱的柱”相同。 表4.3.9 B级高度的高层建筑结构抗震等级 烈 度 结构类型 6度 7度 8度 框架 二 一 一 框架-剪力墙 剪力墙 二 一 特一 剪力墙 剪力墙 二 一 一 非底部加强部位剪力 墙 二 一 一 底部加强部位剪力墙 一 一 特一 框支剪力墙 框支框架 一 特一 特一 框架 二 一 一 框架-核心筒 筒体 二 一 特一 外筒 二 一 特一 筒中筒 内筒 二 一 特一 表中的烈度根据建筑物的重要性确定。（1）甲类、乙类建筑：当抗震设防烈度为 6～8 度时，应提
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 高一度;当设防烈度为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,应允许按抗 震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(2)丙类建筑: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,应允许按抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 8 - 高一度；当设防烈度为 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，应允许按抗 震设防烈度的要求采取抗震构造措施。（2）丙类建筑：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，应允许按抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 4.4高层建筑结构的抗震概念设计 高层建筑结构抗震概念设计时应注意以下几方面内容 (1)选择有利的场地,采取措施保证地基的稳定性 (2)结构体系的合理选择。一般来说,RC框架结构抗震能力较差;框-剪结构性能较 好;剪力墙、筒体结构具有良好的空间性。 (3)结构平面布置力求简单、规则、对称,结构平面布置应使结构的“刚心”与质 心靠近,减少地震作用下的扭转。 (4)结构竖向宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的体型,抗侧刚度应当沿高度均 匀,或沿高度逐渐减小 (5)结构的承载力、变形能力和刚度要均匀连续分布,某一部分过强、过刚也会使 其它楼层形成相对薄弱环节而导致破坏。 (6)抗震结构在设计上和构造上应实现具有多道设防。 框架结构采用强柱弱梁; 剪力墙,在连梁作为第一道设防破坏后,还会存在一个能够独立抵抗地震作用的 结构 框架一剪力墙(筒体),在剪力墙屈服以后,或者在框架部分构件屈服以后,另一部 分抗侧力结构仍然能够发挥较大作用,仍能够共同抵抗地震。 (7)尽量不设缝、少设缝。必需设缝时须保证有足够的宽度,避免地震时相邻部分发 生碰撞而破坏 (8)延性结构是用它的变形能力抵抗地震作用;反之,如果结构的延性不好,则必须 用足够大的承载力抵抗地震 (9)结构倒塌是由竖向构件破坏造成的,既承受竖向荷载又抗侧力的竖向构件属于重 要构件,要考虑在水平力作用下进入塑性后,它是否仍然能够安全地承受竖向荷载。 (10)保证地基基础的承载力、刚度和有足够的抗滑移、抗转动能力,防止产生过大 的差异沉降和倾覆
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 9 - 4.4 高层建筑结构的抗震概念设计 高层建筑结构抗震概念设计时应注意以下几方面内容。 （1）选择有利的场地，采取措施保证地基的稳定性。 （2）结构体系的合理选择。一般来说，RC 框架结构抗震能力较差；框-剪结构性能较 好；剪力墙、筒体结构具有良好的空间性。 （3）结构平面布置力求简单、规则、对称，结构平面布置应使结构的“刚心”与质 心靠近，减少地震作用下的扭转。 （4）结构竖向宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的体型，抗侧刚度应当沿高度均 匀，或沿高度逐渐减小。 （5）结构的承载力、变形能力和刚度要均匀连续分布，某一部分过强、过刚也会使 其它楼层形成相对薄弱环节而导致破坏。 （6）抗震结构在设计上和构造上应实现具有多道设防。 z 框架结构采用强柱弱梁； z 剪力墙，在连梁作为第一道设防破坏后，还会存在一个能够独立抵抗地震作用的 结构； z 框架一剪力墙(筒体)，在剪力墙屈服以后，或者在框架部分构件屈服以后，另一部 分抗侧力结构仍然能够发挥较大作用，仍能够共同抵抗地震。 （7）尽量不设缝、少设缝。必需设缝时须保证有足够的宽度，避免地震时相邻部分发 生碰撞而破坏。 （8）延性结构是用它的变形能力抵抗地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须 用足够大的承载力抵抗地震。 （9）结构倒塌是由竖向构件破坏造成的，既承受竖向荷载又抗侧力的竖向构件属于重 要构件，要考虑在水平力作用下进入塑性后，它是否仍然能够安全地承受竖向荷载。 （10）保证地基基础的承载力、刚度和有足够的抗滑移、抗转动能力，防止产生过大 的差异沉降和倾覆
高层建筑结构设计 4计算分析和设计要求 4.5超限高层建筑工程抗震设计 超限高层建筑工程的认定 高度超限是指房屋髙度超过现行《抗震规范》和《高层规程》所规定的适用高度的高 层建筑工程;房屋髙度不超过规定,但建筑结构布置属于《抗震规范》《髙层规程》规定 的特别不规则的高层建筑工程,具体规定为 (1)同时具有两项以上平面、竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的高层 建筑。 (2)结构布置明显不规则的复杂结构和混合结构的高层建筑,主要包括:同时具有 两种以上复杂类型(如带转换层、带加强层和具有错层、连体、多塔)的高层建筑。 思考题 (1〕结构分析方法主要有哪些?高层建筑结构一般采用哪种分析方法计算其内力和位移? (2〕高层建筑结构的计算模型有哪些?通常根据什么原则确定结构的计算模型? (3)什么是荷载效应组合?有地震作用效应组合和无地震作用效应组合的区别是什么? (4)荷载组合要考虑哪些工况?有地震作用组合和无地震作用组合有什么区别?为什么? (5)为什么要限制结构在正常情况下的水平位移? (6)哪些结构需进行罕遇地震下的薄弱层变形验算?什么是楼层屈服强度系数?弹塑性位移计算 的方法有哪些?在什么条件下可采用简化方法计算薄弱层的弹塑性位移? (7)为什么应对高度超过150m的高层建筑进行舒适度验算?如何进行验算? (8)什么是结构的二阶效应?影响高层建筑结构整体稳定的主要因素是什么?如何进行高层建筑 结构的整体稳定验算 (9)什么是结构的重力二阶效应?高层建筑结构为什么应进行稳定验算? (10)何谓刚重比,如何采用刚重比进行结构的整体稳定验算? (11)如何防止高层建筑出现倾覆问题?为什么不进行专门的抗倾覆验算? (12)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? (13)什么是结构的抗震概念设计?高层建筑结构的概念设计主要包括哪些内容?
高层建筑结构设计 4 计算分析和设计要求 - 10 - 4.5 超限高层建筑工程抗震设计 超限高层建筑工程的认定 高度超限是指房屋高度超过现行《抗震规范》和《高层规程》所规定的适用高度的高 层建筑工程；房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于《抗震规范》、《高层规程》规定 的特别不规则的高层建筑工程，具体规定为 （1）同时具有两项以上平面、竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的高层 建筑。 （2）结构布置明显不规则的复杂结构和混合结构的高层建筑，主要包括：同时具有 两种以上复杂类型（如带转换层、带加强层和具有错层、连体、多塔）的高层建筑。 思 考 题 （1）结构分析方法主要有哪些？高层建筑结构一般采用哪种分析方法计算其内力和位移？ （2）高层建筑结构的计算模型有哪些？通常根据什么原则确定结构的计算模型？ （3）什么是荷载效应组合？有地震作用效应组合和无地震作用效应组合的区别是什么？ （4）荷载组合要考虑哪些工况？有地震作用组合和无地震作用组合有什么区别？为什么？ （5）为什么要限制结构在正常情况下的水平位移？ （6）哪些结构需进行罕遇地震下的薄弱层变形验算？什么是楼层屈服强度系数？弹塑性位移计算 的方法有哪些？在什么条件下可采用简化方法计算薄弱层的弹塑性位移？ （7）为什么应对高度超过150 m的高层建筑进行舒适度验算？如何进行验算？ （8）什么是结构的二阶效应？影响高层建筑结构整体稳定的主要因素是什么？如何进行高层建筑 结构的整体稳定验算？ （9）什么是结构的重力二阶效应？高层建筑结构为什么应进行稳定验算？ （10）何谓刚重比，如何采用刚重比进行结构的整体稳定验算？ （11）如何防止高层建筑出现倾覆问题？为什么不进行专门的抗倾覆验算？ （12）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？ （13）什么是结构的抗震概念设计？高层建筑结构的概念设计主要包括哪些内容？
