4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求

第四章荷載效應(yīng)組合及設(shè)計(jì)要求

掌握荷載效應(yīng)組合各種工況的區(qū)別應(yīng)用。理解無(wú)地震組合及有地震組合時(shí)承載力驗(yàn)算與位移限制的區(qū)別。掌握確定結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的方法；理解抗震結(jié)構(gòu)的延性要求與構(gòu)造措施的關(guān)系。主要內(nèi)容

一、承載力驗(yàn)算二、側(cè)移限制三、舒適度要求四、穩(wěn)定和抗傾覆五、抗震結(jié)構(gòu)延性要求和抗震等級(jí)六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求一、承載力驗(yàn)算

要求荷載效應(yīng)組合?構(gòu)件最不利內(nèi)力?承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式無(wú)地震作用組合有地震作用組合

關(guān)于S抗震結(jié)構(gòu)與有無(wú)地震作用組合高層建筑結(jié)構(gòu)荷載組合表達(dá)式關(guān)于R抗震結(jié)構(gòu)抗彎承載能力=非抗震結(jié)構(gòu)抗彎承載能力抗震結(jié)構(gòu)抗剪承載能力=非抗震結(jié)構(gòu)抗剪承載能力*80%4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求注：1⑥、⑦僅8、9度時(shí)的大跨和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)及9度抗震結(jié)構(gòu)考慮；

2⑧僅60m以上的高層結(jié)構(gòu)考慮；

3⑨僅60m以上的9度抗震結(jié)構(gòu)和60m以上8、9度時(shí)的長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)考慮。組合類別多層（8層以下）高層（8層及其以上）非抗震抗震結(jié)構(gòu)非抗震抗震結(jié)構(gòu)重力荷載①S=γGCGGk+γQCQQkγG=效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)1.0；不利時(shí)1.2γQ=一般1.4；Q≥4.0kN/m2時(shí)1.3重力荷載+風(fēng)荷載②S=γGCGGk+ψ(γQCQQk+γWCWWk)ψ=0.85，γW=1.4③S=γGCGGk+γQCQQk+ψWγWCWWk)

ψW=1.0，γW=1.4重力荷載+地震作用④S=γGCGGE+γEhCEhEhkGE=Gk+ψQQk，ψQ=0.5

γEh=1.3S=γGCGGE+γEhCEhEhk+γEvCEvEvk⑤S=γGCGGE+1.3CEhEhk⑥S=γGCGGE+1.3CEvEvk⑦S=γGCGGE+1.3CEhEhk+0.5CEvEvk重力荷載+地震作用+風(fēng)荷載S=γGCGGE+γEhCEhEhk+γEvCEvEvk+ψWγWCWWk⑧S=γGCGGE+1.3CEhEhk+0.2γWCWWk⑨S=γGCGGE+1.3CEhEhk+0.5CEvEvk+0.2γWCWWk4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求二、側(cè)移限制

（△u／h）max≤［△u／h］式中，△u為荷載效應(yīng)組合所得結(jié)構(gòu)樓層層間位移，h為該層層高，△u／h為層間轉(zhuǎn)角。應(yīng)取各樓層中最大的層間轉(zhuǎn)角，即（△u／h）max驗(yàn)算是否滿足要求。右端是限制值4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求二、側(cè)移限制目的防止主要結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、損壞防止填充、裝修開(kāi)裂、損壞防止過(guò)大側(cè)移，以引發(fā)人的不適、影響正常使用、產(chǎn)生附加內(nèi)力表達(dá)式——雙控（彈性位移）層間位移Δu/h≤[Δu/h]頂點(diǎn)位移u/H≤[u/H]荷載組合不考慮重力荷載引起的側(cè)移各水平荷載單獨(dú)作用荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0位移限值地震作用下的位移限值略寬松4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求三、舒適度要求

在風(fēng)荷載作用下，高度超過(guò)l50m的高層建筑，應(yīng)滿足人使用的舒適度要求。此時(shí)，按照重現(xiàn)期為10年的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度，或由風(fēng)洞試驗(yàn)確定順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度，αmax應(yīng)滿足下列要求：住宅、公寓αmax不大于0.15m／s2

辦公、旅館αmax不大于0.25m／s2

4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求四、穩(wěn)定和抗傾覆

高層建筑在重力荷載下一般都不會(huì)出現(xiàn)整體喪失穩(wěn)定的問(wèn)題。但是在水平荷載作用下，出現(xiàn)側(cè)移后，重力荷載會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，附加彎矩又增大側(cè)移，這是一種二階效應(yīng)，也稱為“P－△效應(yīng)”，它不僅會(huì)增加構(gòu)件內(nèi)力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使結(jié)構(gòu)位移逐漸加大而倒塌。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算要考慮P－△效應(yīng)，也就是所謂的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)變形性能不相同，要求進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算的條件也不相同。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求四、穩(wěn)定和抗傾覆一、高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗(yàn)算

一般不必進(jìn)行P－△效應(yīng)的計(jì)算，只需在鋼筋混凝土柱承載力驗(yàn)算時(shí)考慮撓曲影響的偏心距增大系數(shù)η。二、高層鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗(yàn)算

《高鋼規(guī)》規(guī)定了可以不進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算的兩個(gè)條件，一是各樓層柱子平均長(zhǎng)細(xì)比和平均軸壓比滿足一定要求，二是按不考慮P－△效應(yīng)的彈性計(jì)算所得層間相對(duì)位移小于某個(gè)值。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求四、穩(wěn)定和抗傾覆三、高層建筑抗傾覆問(wèn)題

在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，一般都要控制高寬比（H／B），在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，高寬比大于4的高層建筑，在地震作用下基礎(chǔ)底面不允許出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，其他建筑，基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過(guò)基礎(chǔ)底面積的15％。符合這些條件，因此通常不需要進(jìn)行特殊的抗傾覆驗(yàn)算。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求四、穩(wěn)定和抗傾覆一般不需驗(yàn)算H/B>5時(shí)宜驗(yàn)算抗傾覆驗(yàn)算表達(dá)式M≤[M][M]——穩(wěn)定力矩=豎向荷載（50%樓面活載+90%恒載）對(duì)基礎(chǔ)邊緣取矩M——傾覆力矩=由風(fēng)荷載或地震作用（或二者組合）計(jì)算的基礎(chǔ)頂面處的最大傾覆力矩整體穩(wěn)定性驗(yàn)算表達(dá)式Gte≤ΣEIeq/(8H2)Gte——頂端等效重力荷載設(shè)計(jì)值=ΣGiHi2

/H2ΣEIeq——驗(yàn)算方向的抗側(cè)力構(gòu)件等效剛度和Gi——第i層重力荷載設(shè)計(jì)值GteHGiΣEIeqHi4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求五、抗震結(jié)構(gòu)延性要求和抗震等級(jí)

位于設(shè)防烈度6度及6度以上地區(qū)的建筑除了滿足抗震承載力及側(cè)移限制要求外，要滿足延性要求和具有良好的耗能性能，這是實(shí)現(xiàn)“中震可修、大震不倒”的基本措施。鋼結(jié)構(gòu)的材料本身就具有良好的延性，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要通過(guò)延性設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)延性結(jié)構(gòu)。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求五、抗震結(jié)構(gòu)延性要求和抗震等級(jí)延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，具有承載能力不降低或基本不降低、且有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比表示延性，即塑性變形能力的大小。構(gòu)件延性比是指極限變形（曲率￠u、轉(zhuǎn)角θu或撓度f(wàn)u，）與屈服變形（￠y、θy或fy）的比值。屈服變形定義是鋼筋屈服時(shí)的變形，極限變形一般定義為承載力降低10%－20%時(shí)的變形。結(jié)構(gòu)延性比是指達(dá)到極限時(shí)頂點(diǎn)位移與屈服時(shí)頂點(diǎn)位移的比值。

4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求五、抗震結(jié)構(gòu)延性要求和抗震等級(jí)結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)確定方法根據(jù)確定抗震等級(jí)的設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)高度確定延性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則四項(xiàng)措施提高構(gòu)件延性強(qiáng)柱（墻）弱梁強(qiáng)剪弱彎強(qiáng)節(jié)點(diǎn)（錨固）弱構(gòu)件罕遇地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算一般不驗(yàn)算，但須采取構(gòu)造措施驗(yàn)算需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的界定（范圍）表達(dá)式——單控（彈塑性）Δup/h≤[Δup/h]驗(yàn)算方法——簡(jiǎn)化方法或時(shí)程分析法4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求五、抗震結(jié)構(gòu)延性要求和抗震等級(jí)概念設(shè)計(jì)根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過(guò)程稱為概念設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。應(yīng)該說(shuō)，從方案、布置、計(jì)算到構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)造措施每個(gè)設(shè)計(jì)步驟中都貫穿了抗震概念設(shè)計(jì)內(nèi)容。概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)選擇有利場(chǎng)地和地基，選擇延性好結(jié)構(gòu)體系與材料規(guī)則結(jié)構(gòu)，減少扭轉(zhuǎn)，避開(kāi)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期，避免薄弱層設(shè)置多道抗震防線，實(shí)現(xiàn)合理屈服耗能機(jī)制提高整體性，減輕自重4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力

荷載效應(yīng)：在某種荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。荷載效應(yīng)組合：按照概率統(tǒng)計(jì)和可靠度理論把各種荷載效應(yīng)按一定規(guī)律加以組合，就是荷載效應(yīng)組合。

內(nèi)力組合是要組合構(gòu)件的控制截面處的內(nèi)力。位移組合主要是組合水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)層間位移。組合工況分為無(wú)地震作用組合及有地震作用組合兩類。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮可能發(fā)生的各種荷載的最大值以及它們同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的綜合效應(yīng)，荷載不同，其發(fā)生的概率和對(duì)結(jié)構(gòu)的作用也不同，荷載規(guī)范規(guī)定必須采用荷載效應(yīng)組合的方法來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的荷載的作用。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力

1、無(wú)地震作用組合時(shí)

式中S──荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；

SGK、SQ1K、SWK──分別為恒荷載、活荷載和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)；γG、γQ1、γW──分別為上述各荷載效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)；

ψQ1、ψW──分別為活荷載及風(fēng)荷載的組合系數(shù)。通常，對(duì)各種不同的荷載作用分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到內(nèi)力和位移后，再用分項(xiàng)系數(shù)與組合系數(shù)加以組合。

4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力

2、在地震作用組合時(shí)所有要求進(jìn)行地震作用計(jì)算的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行有地震作用的荷載組合，其一般表達(dá)式為：式中SE──有地震作用荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；

SGE、SEhK、SEVK、SWK──分別為重力荷載代表值、水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值、豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的荷載效應(yīng)；

γG、γEh、γEV、γW──分別為上述各種荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)；

ψW──風(fēng)荷載的組合值系數(shù)，高層建筑中，組合系數(shù)取0．2。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力荷載分項(xiàng)系數(shù)及荷載效應(yīng)組合系數(shù)4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力對(duì)各種荷載（恒載、活載、風(fēng)荷載及地震作用）分別計(jì)算內(nèi)力后，進(jìn)行荷載效應(yīng)組合時(shí)，往往需要按一種以上的組合情況（工況）進(jìn)行組合。這是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)使用期限內(nèi)，可能出現(xiàn)多種的組合情況。也即對(duì)于同一個(gè)構(gòu)件或者同一個(gè)截面，多種組合產(chǎn)生的不同內(nèi)力都可能出現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)要按照可能與最不利原則進(jìn)行挑選，找出最不利內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。

4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力1、控制截面及最不利內(nèi)力類型最不利內(nèi)力就是使截面配筋最大的內(nèi)力。控制截面：通常是內(nèi)力最大的截面，但是，不同的內(nèi)力（如彎矩、剪力）并不一定在同一個(gè)截面達(dá)到最大值，因此一個(gè)構(gòu)件很有可能同時(shí)有幾個(gè)控制截面?？蚣軝M梁：兩個(gè)支座截面以及跨中截面通常為控制截面。支座截面是最大負(fù)彎矩以及最大剪力作用的截面，而跨中截面一般為最大正彎矩作用截面。內(nèi)力組合時(shí)要找出構(gòu)件上最大正彎矩和最大負(fù)彎矩，用以計(jì)算上部及下部配筋，還要找到最大剪力，用以計(jì)算斜截面承載力，配置箍筋。柱子：由框架彎矩圖可以知道，彎矩最大值都在上、下兩個(gè)端截面，剪力和軸力在同一層中變化也不大，因此各層柱的控制截面可以取兩個(gè)端截面。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力2、控制截面及最不利內(nèi)力類型柱子是偏壓構(gòu)件，可能出現(xiàn)大偏壓破壞，也可能出現(xiàn)小偏壓破壞。大偏壓情況下，彎矩越大越不利；小偏壓情況下，彎矩越小越不利。所以，對(duì)柱子要組合幾種不利內(nèi)力，從中判斷出最不利內(nèi)力作為配筋的依據(jù)。有時(shí)要用試算才能找出最大配筋。由于柱子一般為對(duì)稱配筋，因此組合時(shí)只需找出絕對(duì)值最大的彎矩。4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力不利內(nèi)力可以歸納為如下四種：4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力為了減少鋼筋混凝土框架梁支座處的配筋數(shù)量，在豎向荷載作用下可以考慮框架梁塑性內(nèi)力重分布，主要是降低支座負(fù)彎矩，以減小支座處的配筋，跨中則應(yīng)相應(yīng)增大彎矩?！痘炷粮咭?guī)》對(duì)調(diào)幅系數(shù)作了規(guī)定，并規(guī)定豎向荷載作用下的彎矩應(yīng)先調(diào)幅，再與其他荷載效應(yīng)進(jìn)行組合?？蚣芰涸谪Q向荷載作用下的彎矩調(diào)幅如圖

框架梁在豎向荷載作用F的彎矩調(diào)幅

現(xiàn)澆框架支座負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)為0．8～0．9；裝配整體式框架，支座負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)為0．7～0．8

4荷載效應(yīng)組合與設(shè)計(jì)要求六、荷載效應(yīng)組合及最不利內(nèi)力支座負(fù)彎矩降低后，跨中彎矩應(yīng)加大，應(yīng)按平衡條件計(jì)算調(diào)幅后的跨中彎矩。這樣，在支座出現(xiàn)塑性鉸后，不會(huì)導(dǎo)致跨中截面承載力不足。跨中彎矩應(yīng)滿足下列要求：

式中、、──分別為調(diào)幅后梁兩端負(fù)彎矩及跨中正彎矩；

M──按簡(jiǎn)支