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