20xx年高層建筑結構設計規范(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 建筑物所在場地的類別和震中的遠近等因素，而且還與實際地震加速度隨時間變化的規律有關。但是，每次地震，甚至同一次地震在不同地方所記錄得到的加速度都有不同的變化規律。設計規范根據國內、外強震觀測記錄，通過求最大反應分析的結果（反應譜），然后再加以分析處埋，最后給出水平地震影響系數 ?作為設計指標。設計規范所給出的?值，與結構的自掁周期、地震烈度、場地類別、震中遠近等四個因素有關。 建筑結構的地震影響系數應根據烈度、圽地類別、設計 地震分組和結構自振 周 期以及阻尼比確定。抗震規范規定，其水平地震影響系數最大值應按表 — 1 采用。 高規 高層建筑的場地類別應按現行國家標準《建筑抗震設計規范》 GB50011 的規定確定。 高規 采用底部剪力法計算結構的水平地震作用時，可按本規程附錄 B 進行。 底部剪力法的計算 范圍： 底部剪力法是最簡單的一種實用方法。當高度不超過 40m，以剪切變形為主且剛度和質量沿高度分布比較均勻的建筑，可采用底部剪 力法計算結構的水平地震作用。 高規 水平地震作計算時，結構各樓層對應于地震作 用標準值的剪力應符合下式要求： n V Eki≥ λ Σ Gj j＝ i 8 式中 V Eki――― 第 i層對應于水平地震作用標準值的剪力； λ―― 水平地震剪力系數，不應小于表 . 13 規定的值；對于豎向不規則結構的薄弱層，尚應乘以 增大系數； Gj――第 j 層的重力荷載代表值 N――結構計算總層數 表 . 13 樓層最小地震剪力系數值 類別 7 度 8 度 9 度 扭轉效應明顯或 基本周期小于 的結構 () () 基本周期大于 的結構 () () 注： 1 基本周期介于 和 之間的結構，應允許線性插入取值； 2 8 度時括號內數值分別用于設計基本地震加速度為 和 的地區。 高規 條 計算各振型地震影響系數所采用的結構自振周期應考慮非承重墻體的剛 度影響予以折減。 高規 條 當非承重墻 體為填充磚墻時，高層 建筑 結構的計算自振周期折減系數 ψ t 可按下列規定取值： 1 框架結構可取 ～ ； 2 框架－剪力墻結構可取 ～ ； 3 剪力墻結構可取 ～ 。 對于其他結構體系或采用其他非承重墻體時，可根據工程情況確定周期折減系數。 高層分析： 結構動力學 基本 原理 ： 一、單層 建筑結構的動力性態：在外加水平力的作用下，其結構體系運動方程為 。 ｍǖ（ｔ）＋ｃ249。（ｔ）＋ｋ252。（ｔ）＝ P(t) 式中 ｍ－建筑物總質量 ｍǖ（ｔ）－建筑物的慣性力 ｋ－樓層的側移剛度 ｋ252。（ｔ）－結構（樓層）恢 復力 ｃ－結構的阻尼系數 ｃ249。（ｔ）－建筑物的阻尼力 P－外加作用力 249。（ｔ） －建筑的水平位移速度 ǖ（ｔ）－建筑的水平位移加速度 1 自由振 動 當沒有外加水平力，即 P(t)＝ 0 時，體系可以產生自由振 動，其運動方程可寫為： ǖ＋ξω249。＋ω 2252。＝ 0 式中 ω 2＝ k/m ξ =c/2 ω m 用時間 t 作橫坐標，結構水平位移 u 作縱坐標 ，上式解的曲線圖是一 條衰減振 動曲線，其振 幅隨時墻剪力長而逐漸衰減，但周期 T＝ 2л /ω ， 卻保持定值。 而頻率 f 則表示為 f=1/T＝ ω ， /2л，周期 T 通常用秒（ s）作單位，則頻率 f 的單位為赫芝（ Hz），表示每秒振 動次數。ω ， ＝ 2л /T＝ 2л f 則稱為圓頻率，表示 2л秒時間內的振 動次數， 結構每振動一次振 幅衰減的大小，完全取決于ξ值。當不考慮阻尼的影響，即把結構視作無阻尼的理想結構時，ξ＝ 0，則振幅永遠保持為自由振 動開始（ t=0）時的位移252。 0 值。由此可知，結構的自振 圓頻率為ω＝ (k/m)1 ω稱為無阻尼時的自振 圓頻率。 實際結構的ξ值一般很小，僅約為 左右。由此可知，結構的自振 （圓）頻 率和周期等，只是結構本身固有的屬性（決定于側向剛度 k 和質量 m），而與外加的作用干擾力無關，所以，自振 （圓）頻率和自振 周期，又稱為固有（圓）頻率和固有周期。 結構基本自振周期的經驗公式 （ 1） 高聳結構：一般情況下 T1＝ (～ )H 鋼結構可取高值，鋼筋混凝土結構可取低值。 （ 2） 高層建筑： 1)一般情況 A：鋼結構 T1=(～ )n B：鋼筋混凝土結構 T1=(～ )n 2)具體結構 A：鋼筋混凝土框架和框剪結構 T1=+ 103H2/B3 式中 H 房屋總高度 (m) B房屋寬度 (m) 2 阻尼 9 若ξ≥ 1（正常結構不可能具有這樣大的阻尼），水平位移由初始值252。 0 逐漸衰減為零，而不產生振動，不產生振 動的最小 ξ值為ξ＝ 1，這種情況稱為臨界阻尼，臨界阻尼系數 Cc＝ (km)1 ξ =C/Cc 故ξ稱為阻尼比，是衡量阻尼大小的一個無綱量比值，常用百分比來表示。 衡量阻尼大小的另一量值為對數衰減率δ，它的定義為：相鄰振 幅比的自然對數 δ≈ 2лξ 3 周期性干擾力的作用 設外加水平干擾力為周期性函數，即 P(t)＝ P0sinΩ t 式中 Ω－作用力的圓頻率 其振動微分方程： ｍǖ＋ｃ249。＋ｋ252。＝ P0sinΩ t 此時結構將以和干擾力同樣的頻率振動。 方程解的物理意義為：即使結構最初處于靜止狀態，但當外加作用力引起強迫振動時，一開始就同時激發了自由振動，結果使結構的運動狀態變為強迫振動和自由振動相迭加合成，但是自由振動由于阻尼作用而衰減得很 快，往后 經過頭若干個周期后，其振幅就小得可以忽略不計，往后就只剩下強迫振動作為結構的穩定狀態反應。然而，也有這樣的情況：結構的最大動力反應發生在頭若干個周期內，這時疊加上自由振動項 就不能被忽略了。 動力系數 D＝ umax/uvt 式中 umax――最大動力位移 umax =P0/[（ kmΩ 2） 2+c2Ω 2]1 uvt―― 最大的靜力 位移 uvt＝ P0/ k＝ P0/mω 2 頻率比ρ ρ＝ Ω /ω 當作用力頻率 Ω 和自振頻率 /ω 相等時，產生共振現象。振幅（或動力系數）在這一區 域達到高峰。由于阻尼的存在，準確的峰值位置為 ρ＝（ 1－ 2ξ 2） － 1 當ξ＝ 1 時由共振引起的峰值消失了，實用上可取 ρ ＝ 1 時作為峰值位置，經計算得到產生共振時動力系數的實用公式： D＝ 1/2ξ 4 任意干擾力的作用 實際工程中的外加干擾力 P(t)，往往是不規則的和非周期性的。作用在建筑物上的風荷載和地震荷載，便屬地此類。 任意干擾力 P(t)可看作由一列很短暫作用的沖量組成。把所有沖量引起的振動疊 加起來，便得到結構的總反應。 5 地震－地面運動的作用 地震作用是由于地震的地面運動引起的，承受地面水平加速度的激擾與承受外加作用力兩種情況所導致的結構運動微分方程是完全相同的。所以－ｍǖ g（ｔ）稱為等效地震力。地震作用通過水平地震影響系數?來確定。 高規 4 結構設計的基本規定 高規 一般規定 高規 條 高層建筑 鋼筋混凝土結構可采用框架、剪力墻、框架－剪力墻、筒體和板柱－剪力墻結構體系。 1．框架結構體系 框架結構在水平力作用下的受力特點：其側移由兩部分組成：第一部分側移由剪力引起的柱和梁的彎曲產生。柱和梁上有反彎點，使整個結構呈現剪切型變形。框架下部各層承受的剪力大，層間位移亦大，上部各層剪力較小，層間位移也較小。第二部分側移由整個框架的懸臂作用在柱中產生軸向變形引起。第一部分側移是主要的，因而框架結構以剪切型變形為主。框架結構的主要缺點是側向剛度小，變形大，這限制了框架結構的建造高度。 框架結構通過合理設計，可具有良好的延性，亦即所謂實現“延性框架”設計。 2．剪力墻結構體系 利用建筑物墻體作為建筑的豎向承重體系，并用它抵抗水平力，這種結構稱為剪力墻結構體系。這種體系在 10∽ 30 層的建筑中廣泛應用。剪力墻能滿足延性系數μ〉 3∽ 5 的要求。當墻的底層做成框架時，稱為框支－剪力墻結構。 3．框架 － 剪力墻結構體系 當框架單獨承受水平力時為剪切型變形，當剪力墻單獨承受水平力時為彎曲型變形，兩者通過樓板連在一起使變形協調一致，形成彎剪型變形。一般情況下，剪力墻可擔負約 80%左右的水平力 ,有時甚至更多 10 些。其總趨勢是房屋上部，框架承擔大部分水平力，而在下部大部分剪力由剪力墻承擔，從而提高了整個結構的抗側力強度。 框架和剪力墻協同工作還有利于減少層間變形，減少頂點位移，提高結構的剛度。框架剪力墻結構 (或稱框架內筒結構 )適用于 20∽ 40 層的高層建筑，特別適用于塔式建筑。 4．筒體結構體系 超出 30∽ 40 層的高層建筑最好采用筒體結構抵抗側向力。它比剪力墻或框架剪力墻結構具有更大的強度和剛度。根據筒體不同的組成方式分為三種類型。 （ 1）框筒結構：墻體上開洞形成的空腹筒體又稱框筒。開洞以后，由于橫梁變形使剪力傳遞存 在滯后現象，使柱中正應力分布呈拋物線狀，稱為剪力滯后現象。剪力滯后現象使框筒結構的角柱應力集中。通常將與水平力平行方向的框架稱為腹板框架，將與水平力方向垂直的框架稱為翼緣框架。翼緣框架承受拉壓軸力可以抵抗相漢當大的傾覆力矩，腹板框架則主要通過梁柱彎曲抵抗水平剪力。筒體結構中框筒的布置原則為：為了保證密排柱和窗裙梁的尺寸，門窗孔洞面積一般不大于建筑立面面積的 50%，立柱中距一般為 ∽ 米，也可擴大到 米，橫梁高度一般為 ∽ 米，寬 ∽ 米。筒中筒結構的外框筒與內筒間的距離以 10∽ 16 米為宜，內筒面積占整個筒體面積的比例與結構的層數和高度有關。筒體結構的平面形狀宜接近方形，長寬比不應超過 2。 （ 2）筒中筒結構：國外一些超過 50 層的高層建筑一般都采用這種結構形式。 （ 3）多筒結構： 高層建筑結構布置原則 1． 應滿足建筑使用要求，便于施工。 2. 提高結構的總體剛度減少位移。 高層建筑控制位移是主要矛盾 。除選擇合理的結構體系外，還應從平面體型和立面變化等方面考慮有利于減少結構的側移。在布置結構時，應加強結構的整體性，提高結構的抗側剛度。如加強樓蓋的整體性及剛度；加強構件的連接；加強基礎的整體性， 以減小由于基礎平移或轉動對結構側移的影響。還應注意加強結構的薄弱部位和應力復雜部位。應增加結構體系抵抗傾復力矩的有效寬度。增加結構寬度，也可減小側向位移，并且當其他條件不變時， 變形與寬度的三次方成反比 。宜對高寬比 H/B 加以限制。 3 .在地震區應滿足抗震的要求。應使結構各部分剛度對稱均勻，各結構單元的平面形狀應力求簡單規則。復雜、不規則、不對稱的結構必然會帶來難于計算和處理的復雜地震應力，如應力集中和扭轉等，這對抗震不利。因此，應盡量使地震力作用中心與剛度中心重合，通常偏心距 e（地震力作用中心與剛度中心的距 離）不宜超過垂直于外力作用線建筑物邊長的 5%。在拐角部位應力往往比較集中，應避免在拐角處布置樓、電梯間。立面體型應避免伸出或收進，避免結構垂直方向剛度突變等。通過對震害的分析，說明建筑物平面布置不對稱、剛度不均勻、高低錯層連接、屋頂局部凸出或沿高度剛度突變等，都容易造成嚴重震害。建筑物的平面長度不宜過長，長寬比 L/B 應符合 高規 條的規定 。選擇有利于抗震的豎向布置，結構的豎向布置應注意剛度均勻而連續，要盡量避免剛度突變或結構不連續。上部剛度較小的部位有可能產生“鞭擊”效應。 4．考慮沉降、溫度收 縮及房屋體型復雜等因素對建筑的影響，合理布置和處理沉降縫、伸縮縫、防震縫。在日本，習慣的做法是 10 層以上的建筑就不設縫。不要采用在獨立沉降的兩部分結構之間設置簡支梁的處理方法，因為雖然這種方法可以避免沉降差造成的附加應力，但地震作用下使兩部分結構互相牽扯，簡支支座容易遭到破 壞。 縫的設置與構造，在房屋結構的總體布置中，要考慮沉降、溫度收縮和體型復雜對房屋結構的不利影響，常常用沉降縫、伸縮縫或防震縫將房屋分成若干獨立的部分從而消除沉降差、溫度應力和體型復雜對結構的危害。 高層建筑的結構布置： 一、 框架結構的布置 二、剪力墻結構的布置 1. 剪力墻結構的開間及豎向荷載承重方案 (1)小開間剪力墻結構橫墻承重方案 (2)大開間剪力墻結構橫墻承重方案 (3)大開間縱橫墻共同承重方案 11 (4)小開間縱橫墻共同承重方案 2. 底層大空間剪力墻結構的布置 在布置這種結構時應注意以下幾個方面： (1)控制建筑物沿高度方向的剛度； (2)落地剪力墻的間距，建議剪力墻間凈距與建筑物寬度之比 (L/B)控制在 2∽ 左右。 (3) 提高底層樓蓋的強度和剛度 (4) 注意二層以上邊門洞的布置：在設計中應盡量避免在二層設置邊門洞，若必須在二 層布置邊門洞時，則應予以特殊加強，邊門洞外側的小墻肢寬度不宜小于 40 厘米，并從構造上保證小墻肢與外墻板的可靠連接，使小墻肢與外墻共同受力，以減小小墻肢的應力集中。 ： (