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1、第第 4 章章 设计要求及荷载效应组合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承载力验算承载力验算 按按承载力极限状态承载力极限状态验算算结构结构构件截面：构件截面：足够大的承载能力足够大的承载能力无地震作用效应组合时无地震作用效应组合时 r0SR r0 ：结构重要性系数结构重要性系数 安全等级为二级或设计使用年限安全等级为二级或设计使用年限50年，不小于年，不小于1.0 安全等级为一级或设计使用年限安全等级为一级或设计使用年限100年及以上，不小于年及
2、以上，不小于1.1 S ：无地震作用效应组合时，构件截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载标准值和荷载效应分项系数的大小有关）有关） R：无地震作用组合时，构件截面无地震作用组合时，构件截面承承载力力设计值（与材料分项系数的设计值（与材料分项系数的大小有关）大小有关） r0SR有地震作用效应组合时有地震作用效应组合时 SE ：有地震作用效应组合时，构件：有地震作用效应组合时，构件截面内力（效应）组合的设计值截面内力（效应）组合的设计值RE ：有地震作用组合时，构件截面：有地震作用组合时，构件截面承载力设计
3、值承载力设计值：承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数 材料材料 结构构件构构件 钢筋混凝土钢筋混凝土梁梁 0.75轴压比小于轴压比小于0.150.15的柱的柱 0.75轴压比大于轴压比大于0.150.15的柱的柱0.80剪力墙剪力墙 0.85各类受剪、偏拉构件各类受剪、偏拉构件 0.85钢钢（强度破（强度破坏）；坏）；柱，支撑屈柱，支撑屈曲，为曲，为0.800.80梁、柱梁、柱 0.75（0.75）支撑支撑 0.80（0.75）节点板件、连接螺栓节点板件、连接螺栓 0.85（0.75）连接焊缝连接焊缝 0.90（0.75） 二阶段设计方法控制：二阶段设计方法控制：多遇地震（及风荷载下），多遇地
4、震（及风荷载下），要求主要求主体结构不受破坏，非结构构件没有过重破坏体结构不受破坏，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；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，主体结构遭受破罕遇地震作用下，主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。坏或严重破坏但不倒塌。4.2 侧移限制侧移限制（弹性层间位移角限值）（弹性层间位移角限值）4.2 侧移限制侧移限制（弹性层间位移角限值）（弹性层间位移角限值） 目的目的：防止风、小震作用下非结防止风、小震作用下非结构构件破坏：构构件破坏：防止主体结构开裂、损坏；防止主体结构开裂、损坏；防止填充墙及装修开裂、破坏；防止填充墙及装修开
5、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（过大的侧移会使结构产生附加内力（P-P-效应）。效应）。 如何达到目的如何达到目的：结构有足够大的：结构有足够大的刚度刚度 参数参数：最大层间位移角：最大层间位移角多遇地震（及风荷载下），多遇地震（及风荷载下），u：荷载效应：荷载效应标准值标准值组合所得结构最组合所得结构最大层间位移；大层间位移；h：层高；层高；u/h :最大层间位移角；最大层间位移角； u/h：弹性弹性层间位移位移角限值。角限值。 u/h u/h u/h：弹性弹性层间位移层间位移角限值（使用阶
6、段）角限值（使用阶段） 材料材料 结构高度结构高度 结构类型结构类型 限值限值 钢筋钢筋混凝土混凝土 结构结构不大于不大于150m 框架框架 1/550 框架框架-抗震墙抗震墙板柱板柱-抗震墙抗震墙框架框架-核心筒核心筒 1/800 抗震墙抗震墙筒中筒筒中筒 1/1000 框支层框支层 1/1000不不 小小 于于250m各种类型结构各种类型结构 1/500钢结构钢结构 各种类型结构各种类型结构 1/250 罕遇地震（防止倒塌）薄弱层（部位）弹塑性层间位薄弱层（部位）弹塑性层间位移角限值移角限值4.3 舒适度要求舒适度要求 高度超过高度超过150m：10年一遇的风荷载，年一遇的风荷载，顶点顶点
7、最大加速度限值最大加速度限值 住宅、公寓：住宅、公寓：0.15m/s2 办公、旅馆：办公、旅馆：0.25m/s24.4 稳定和抗倾覆要求稳定和抗倾覆要求P-效应：效应： 侧移，重力荷载产生附加侧移，重力荷载产生附加弯矩，增大侧移和内力弯矩，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高
8、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
9、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
10、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。设防烈度防烈度6度及度及6度以上的抗震度以上的抗震结构构4.5 延性要求与抗震等级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
11、构，延性结构是一种经济的设计对策。 OA:弹性设计，承载力抗震弹性设计，承载力抗震OBC和和ODE:(承载力延性承载力延性)抗震抗震 两种抗震设计方法两种抗震设计方法（构件屈服，局部破坏）（构件屈服，局部破坏）具有足够大延性和耗能能力具有足够大延性和耗能能力 延性延性 材料、截面、构件或结构保持一定的强材料、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）变形能力度或承载力时的非弹性（塑性）变形能力 用用延性系数延性系数度量：度量： y和和u分别为分别为屈服值和极限值屈服值和极限值定义：没有规定定义：没有规定 材料应变延性材料应变延性 不同强度等级混凝土不同强度等级混凝土 不同配箍特征
12、值不同配箍特征值 碳纤维约束混凝土碳纤维约束混凝土钢筋或钢材钢筋或钢材 截面曲率延性截面曲率延性 截面弯短截面弯短曲率关系曲率关系 屈服时截面应变分布屈服时截面应变分布 极限状态时截面应变分布极限状态时截面应变分布 构件位移延性构件位移延性 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 结构位移延性结构位移延性 顶点位移延性系数或层间位移延性系数顶点位移延性系数或层间位移延性系数 影响影响RC构件截面曲率延性的主要因素构件截面曲率延性的主要因素截面曲率延性系数截面曲率延性系数截面的截
13、面的名义屈服曲率名义屈服曲率 截面有效高度截面有效高度钢筋屈服筋屈服应变（小，有利）（小，有利）混凝土受混凝土受压区高度（小，有利）区高度（小，有利） 纵筋屈服时纵筋屈服时名义屈服时名义屈服时截面的截面的极限曲率极限曲率 受压区边缘混凝土极限压应变受压区边缘混凝土极限压应变 （大，有利）（大，有利） 混凝土受混凝土受压区高度（小，有利）区高度（小，有利） （1）混凝土强度等级）混凝土强度等级 强度等级高强度等级高,下降快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）箍筋
14、不同配箍特征值应力应变关系不同配箍特征值应力应变关系影响混凝土影响混凝土极限压应变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（）轴压比（N/fcA） 影响混凝土相对受压区高度影响混凝土相对受压区高度轴压比大，相对轴压比大，相对受压区高度大，延性小受压区高度大，延性小 极限曲率极限曲率低轴压比低轴压比 / 极限曲率极限曲率高轴压比高轴压比 1.0相对受压区高度相对受压区高度与曲率延性比关系与曲率延性比关系 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
15、，所以轴压比限值不能定的过高 轴压比大，相对轴压比大，相对受压区高度大，延性小受压区高度大，延性小 （4）纵向钢筋）纵向钢筋梁：梁：受拉钢筋受拉钢筋配筋率过高延性小配筋率过高延性小 增加增加受压钢筋受压钢筋延性大延性大柱：纵筋的屈服强度高柱：纵筋的屈服强度高屈服曲率大屈服曲率大 受压纵筋受压纵筋增大截面的曲率延性增大截面的曲率延性 提高配筋率提高配筋率提高截面的轴压承提高截面的轴压承 载力，降低轴压比载力，降低轴压比 （5）截面几何形状）截面几何形状箍筋对混凝土的约束作用：箍筋对混凝土的约束作用： 圆形截面最强，方形截面次圆形截面最强，方形截面次之，矩形截面再次之，异形截之，矩形截面再次之，异
16、形截面最差面最差对于一个结构：对于一个结构：截面曲率延性系数截面曲率延性系数构件转角（位移）延性系数构件转角（位移）延性系数 结构位移延性系数结构位移延性系数 弹塑性层间位移角限值弹塑性层间位移角限值 目的：目的：防止罕遇地震时结构倒塌防止罕遇地震时结构倒塌通过通过抗震构造措施抗震构造措施，使结构构件具，使结构构件具有足够大的延性，满足弹塑性层间有足够大的延性，满足弹塑性层间位移角限值的要求位移角限值的要求 弹塑性弹塑性层间位移位移角限值角限值 材料材料结构类型结构类型 限值限值 钢筋混凝钢筋混凝 土结构土结构 框架框架 1/50 框架框架- -剪力墙剪力墙框架框架- -核心筒核心筒 1/10
17、0 剪力墙剪力墙 筒中筒筒中筒 1/120 框支层框支层 1/120钢结构钢结构 各种类型结构各种类型结构 1/50耗能能力耗能能力 滞回曲线的形状、面积滞回曲线的形状、面积 耗能能力大、小，难以量化耗能能力大、小，难以量化4.5.2 概念设计及抗震等级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
18、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，的钢筋混凝土房屋建筑结构，延性延性与与耗能要求不同，通过抗震等级，耗能要求不同，通过抗震等级，区区分分对结构的延性构的延性与耗能与耗能的不同要求的不同要求 不同抗震等级，采取不同不同抗震等级，采取不同抗震措施抗震措施抗震等级抗震等级计算措施计算措施地震作用计算和抗力计地震作用计算和抗力计算以外的计算，主要是算以外的计算，主要是调整或放大调整或放大组合的内力
19、计算值组合的内力计算值，用调整或放大，用调整或放大后的内力作为设计值后的内力作为设计值抗震构造措施抗震构造措施保证结构构件具有保证结构构件具有足够的足够的延性延性与耗能的构造措施与耗能的构造措施抗震措施抗震措施 A A级高度级高度：一、二、三、四级：一、二、三、四级 （一级要求最高）（一级要求最高）B B级高度级高度：特一、一、二级：特一、一、二级 （特一级要求最高（特一级要求最高）抗震等级划分抗震等级划分 烈度烈度 结构类型结构类型 两种结构单元时，重两种结构单元时，重 要程度不同要程度不同 房屋高度房屋高度确定抗震等级的参数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
20、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。表中的表中的烈度烈度： 确定抗震等级的烈度确定抗震等级的烈度 与下列因素有关与下列因素有关: : 建筑类别建筑类别 设防烈度设防烈度 场地场地 建筑类别建筑类别 场地场地 设防烈度设防烈度 6 7 8 9 甲类、乙类甲类、乙类 6 7 8 9 7 8 9 9* 丙类丙类 6 6 7 8 6 7 8 9 丁
21、类丁类 6 6 7 8 6 7- 8- 9-确定抗震等级的烈度确定抗震等级的烈度 钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架剪力墙房屋结构，剪力墙房屋结构，高高60m, 丙类建筑，丙类建筑，8度设防。确定：度设防。确定： 类场地时，框架、剪力墙的抗震类场地时，框架、剪力墙的抗震等级；等级； 类场地时，框架、剪力墙的抗震类场地时，框架、剪力墙的抗震等级。等级。思考题思考题4.6 效应组合及最不利内力效应组合及最不利内力 S荷载效应组合的设计值；荷载效应组合的设计值； 分别为永久荷载、分别为永久荷载、活荷载和风荷载效应标准值；活荷载和风荷载效应标准值；4.6.1 无地震作用效应组合无地震作用效应组合承载力计算时
22、：承载力计算时：可变荷载效应控制时取可变荷载效应控制时取1.2，永，永久荷载效应控制时取久荷载效应控制时取1.35，对结，对结构有利时取构有利时取1.0一般取一般取1.4，小于，小于3kN/m2时取时取1.3一般取一般取1.4分别为永久荷载、分别为永久荷载、活荷载和风荷载活荷载和风荷载分项系数分项系数活活荷荷载组合合值值系数系数永久荷载效应控制时分别取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可变荷载效应控制时分别取1.0、风荷荷载的的组合合值值系数，系数，取取1.0注意多层时取注意多层时取0.6。基本荷载工况基本荷载工况有两种有两种永久（永久（恒恒）荷荷载+活荷活荷载 1.2永久
23、永久荷荷载效效应+1.4活荷活荷载效效应 1.35永久永久荷荷载效效应+1.40.7活荷活荷载效效应承载力计算时承载力计算时永久永久荷荷载+活荷活荷载+风荷荷载 1.2永久永久荷荷载效效应+1.4活荷活荷载效效应+1.41.0风荷荷载效效应（高高层建建筑）筑） 荷载工况荷载工况公式中各分项系数取公式中各分项系数取1.0位移计算时位移计算时4.6.2 有地震作用效应组合时有地震作用效应组合时S S 荷载效应和地震作用效应组合荷载效应和地震作用效应组合 的的设计值设计值； EE分分别为重力荷重力荷载代表代表值、水平地、水平地震作用震作用标准准值、竖向地震作用向地震作用标准准值、风荷荷载标准值的效应
24、标准值的效应； 分别为上述各种荷载和地震分别为上述各种荷载和地震作用分项系数；作用分项系数； 风荷载的组合值系数，取风荷载的组合值系数，取0.2。 60m以上以上的高层建筑：的高层建筑： 风荷载效应和地震作用效应组合风荷载效应和地震作用效应组合9度时度时： 竖向地震作用的效向地震作用的效应组合合所有所有高高层建筑建筑 1.2重力荷重力荷载效效应+1.3水平地震水平地震作用效作用效应60m以上高以上高层建筑建筑（9度以外）度以外） 1.2 重力荷重力荷载效效应+1.3水平地震水平地震作用效作用效应+1.40.2风荷荷载效效应高层建筑效应组合的基本工况高层建筑效应组合的基本工况、 9度高度高层建筑
25、建筑1.2重力荷重力荷载效效应+1.3水平地震水平地震作用效作用效应+0.5竖向地震向地震作用效作用效应 1.2重力荷重力荷载效效应+1.3竖向地震向地震作用效作用效应 9度且度且60m以上高以上高层建筑建筑1.2重重力力荷荷载载效效应应+1.3水水平平地地震震作作用用效效应应+0.5 竖竖向向地地震震作作用用效效应应+ 1.40.2风荷荷载效效应 竖向活荷载的布置竖向活荷载的布置 可不考虑活荷载的不利布置可不考虑活荷载的不利布置, , 用满布活荷载计算内力用满布活荷载计算内力 正、反方向作用，按两个方向正、反方向作用，按两个方向的较大值采用的较大值采用 体型复杂的高层建筑，考虑风体型复杂的高
26、层建筑，考虑风向角的影响向角的影响风的作用方向风的作用方向风的方向风的方向 一般情况下，两个一般情况下，两个主轴方向分别计算主轴方向分别计算 有斜交抗侧力构件的结构，相交角度大有斜交抗侧力构件的结构，相交角度大于于15度时，分别计算各抗侧力构件方向的度时，分别计算各抗侧力构件方向的地震作用地震作用 明显不对称、不均匀的结构，计算双向明显不对称、不均匀的结构，计算双向水平地震下的扭转影响水平地震下的扭转影响 其它情况：计算单其它情况：计算单向水平地震下的扭转向水平地震下的扭转影响影响地震的方向（地震的方向（强制强制）控制截面控制截面: :验算承载力的截面，通常验算承载力的截面，通常是内力最大的截
27、面是内力最大的截面框架梁框架梁: :两两端截面，跨中截面端截面，跨中截面连梁连梁: :两两端截面端截面框架柱、墙肢框架柱、墙肢: :两端截面两端截面 4.6.3 控制截面及最不利内力控制截面及最不利内力梁梁端截面：端截面： 最大正弯矩最大正弯矩，最大最大负弯矩，最大弯矩，最大剪力剪力 梁跨中截面：梁跨中截面： 最大正弯矩最大正弯矩柱、墙：柱、墙： 大偏大偏压时时弯矩大不利弯矩大不利 小偏小偏压时时轴力大不利力大不利 最不利内力最不利内力 及相应的及相应的N 及相应的及相应的M 及相应的及相应的M 较大及较大及N较大较大或或 较大及较大及N较小较小柱、墙柱、墙最不利内力最不利内力端部截面，不是轴
28、线截面端部截面，不是轴线截面构件验算截面构件验算截面调幅：调幅： 减小梁端减小梁端负弯矩弯矩，增大跨中增大跨中正正弯矩弯矩弯矩弯矩： 竖向荷向荷载作用作用下的下的弯矩弯矩4.6.4 RC框架梁弯矩塑性调幅框架梁弯矩塑性调幅次序：次序： 先先调幅幅，后，后组合合调幅系数调幅系数： 现浇框架框架梁端梁端 0.8-0.9 装配整体式框架装配整体式框架梁端梁端 0.7-0.8 调幅后满足下式：调幅后满足下式：分别为调幅后梁两端负弯矩及跨中分别为调幅后梁两端负弯矩及跨中正弯矩正弯矩 M按简支梁计按简支梁计算的跨中弯矩算的跨中弯矩作业：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
29、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？
