3设计基本原则

第三章 高层建筑 结构设计原则
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设计高层建筑结构与一般建筑结构相同，分别计算 各种荷载作用下的内力和位移，然后从不同情况的荷载 组合中找到最不利内力和位移，进行结构计算与设计。 为了保证结构的安全和正常使用，结构在荷载作用下应 有足够的承载力及刚度，较高的建筑结构抗风要考虑舒 适度要求，抗震结构还要满足延性要求等。在高层建筑 结构设计中，合理地选用计算分析方法、计算模型和相 关参数；选用正确的计算分析软件；检验和判断计算结
基本简化假定(2)的实质：在同一层楼板上的所有节点 间水平距离不变,即梁没有轴向变形。实际上因为有楼板 共同传递轴向力，梁的轴向力很小, 设计时被忽略而作为 受弯构件设计足够精确。另外,支撑构件只考虑轴向变形 （只有轴向刚度EA），其他变形一般都忽略。
《混凝土结构设计规范》规定：在高度超过50m、以及 高宽双大于4的结构中，宜考虑柱轴向变形影响；长细比L ／h大于4的构件中剪切变形可忽略，抗剪刚度GA为无限大
(a)
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(b)
平面结构是一种简化假定，假定结构只能在它自 身平面内具有有限刚度。例如：平面框架、剪力墙结 构，只能抵抗平面内的作用力；在平面外刚度为零， 且不产生平面外的内力。因此杆件每一个结点都具有 三个自由度(在二维平面中，以下简称基本简化假定 (1))。多数结构符合该条件，但有一些结构必需考虑 与平面外有相互传力关系，例如框筒的角柱、空间框 架、空间桁架等，则必须按空间杆件计算，计算时每 个结点具有六个自由度(在三维平面中)。
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x、y 方向通常是指建筑结构的主轴方向，水平力
在主轴方向作用时，只产生主轴方向的位移，且位移最 大。主轴是一对正交的轴，在大多数规则形状的结构中， 主轴是很容易确定的（一个平面可能有多组主轴）。凡 是具有对称轴的平面，其对称轴方向及其正交方向即主 轴方向，在主轴方向结构抗侧刚度最小，变形最大。
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二、结构静力及动力分析
建筑结构的力学分析，主要包括结构静力分析和 动力分析。首先对结构进行静力计算，然后分析结 构的动力特性，进而分析结构的变形及内力；需要 时再对结构进行时程分析。
静力分析是指在结构上加静力荷载，即用不变
的荷载进行内力和位移的计算。因此，结构内力与 位移当然也是不变的，所有内力符合平衡条件，所 有位移符合变形协调条件。竖向恒载与活载，风荷 载作用下的计算都是静力计算。
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基本简化假定(2)：楼板平面内无限刚性假定
高层建筑结构空间体能整体协同工作的原 因是由于各抗
力结构之间通过楼板联系。进行高层建筑结构 内力与位移计
算时，假定联系各抗力结构的楼板在其自身平 面内有无限大
的刚度且不能变形；而在平面外则刚度为零(以 下简称基本
简化假定(2))。因此，楼板经常作为若干个平 面结构之间的
第二阶段:罕遇地震作用下薄弱部位弹塑性变形
验算阶段。如果层间变形超过允许值，应修改设计， 直到满足变形要求为止。现行《抗震规范》并未要 求对一般高层建筑结构进行第二阶段验算。但是， 对于高度较大，或者是超过规程规定的最大适用高 度的建筑，用弹塑性时程分析法进行第二阶段的变 形验算是一种有效的校核设计的手段。
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我国《混凝土结构设计规范》GB50010－2019规定， 在风荷载作用下，建筑结构的内力及位移分析采用弹性 计算方法。抗震设计的两阶段设计计算方法不同，第一 阶段内力及位移分析采用弹性计算方法；第二阶段采用 弹塑性时程分析方法校核变形。为了实现三个烈度水准 抗震设防目标“小震不坏，中震可修，大震不倒”， 《抗震规范》提出了二阶段抗震设计方法：
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三、结构水平荷载作用
高层建筑和高耸结构上的作用包括竖向荷载和水 平荷载与作用。与一般结构不同的是：在高层建筑结 构设计中水平荷载与作用占据主导和控制地位。水平 荷载与作用主要包括风荷载和地震作用，有时考虑风 荷载的方向是任意不定的。在 结构受力分析中，为了简化计算，仅对结构平面内有 限的几个轴线方向进行分析。《混凝土结构设计规范》 规定：结构计算只考虑x、y两个正交方向作用的水平 力，各方向风荷载与水平地震作用全部由该方向抗侧 力结构承担。
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一、调幅
为了使计算较为符合实际；另外，也利用这种性 质，使某个部位降低内力，减少配筋。可采用“调幅” 方法调整结构的内力，一些构件内力降低，另一些构 件内力增大。降低内力的部位就会早出裂缝（或早进 入屈服），调幅愈大，裂缝出得愈早。如框架梁在竖 向荷载作用下的弯矩调幅如下图所示：
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动力分析是指外力作用是随时间而变化的（如地
震作用）。因此，位移与内力也是随时间而变化的。 但是，目前的地震作用计算方法采用的反应谱方法， 是指把结构动力问题简化成各个振型的静力分析，再 把每个振型的计算结果按一定的法则(SRSS方法或CQC 方法) 组合起来，所以又称为拟静力方法。我国现在 通用的说法是把动力特性的分析叫做“动力分析”， 它包括周期(频率)与振型的计算。动力特性分析及振 型组合的计算都是弹性计算，其计算基本假定、计算 简图都与静力计算相同。
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在程序计算中，除了忽略梁轴向变形外，构件 的其它变形均考虑，计算精度较高。在手算中，为 了简化计算，经常忽略某一项或两项。在以后的各
种结构计算方法中再分别介绍。
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第四节 结构塑性内力重分配
在超静定结构中，结构的内力与构件的刚度有关。 在一些情况下，构件很容易开裂(或出现塑性铰)，开 裂后构件刚度降低，该构件的内力分配比例将减小， 另一些构件内力分配比例随之增大，这种现象称为塑 性内力重分配。考虑塑性内力重分配，结构设计时进 行内力调整有以下两种：
第三节 构件的刚度与变形
我国《混凝土结构设计规范》规定：在风荷载及 地震（小震）作用下，结构处于弹性状态，因而除少 量情况外，构件均采用弹性刚度。构件变形包括三种 （轴向、弯曲、剪切），相应有三种刚度（轴向刚度 EA、抗弯刚度EI、抗剪刚度GA）。在进行结构分析时， 计入哪些刚度取决于对构件变形所做的计算假定。
简化了计算。
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如果结构平面布置较复杂，无法分成单片抗侧力 结构，或当筒中筒结构的框筒与内筒之间有较大的梁 时，需要考虑这些大梁与框筒柱的刚性连接(传递弯 矩)，每一根柱都需要考虑框架平面内与平面外的变形 与受力，则此时结构必须采用完全的三维构件计算，
此时可称为(真正的)空间计算。
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————— 弹性计算结果（M） －－－－－ 调幅后结果（M'）
二、调整内力
考虑到在地震作用下，某些部位先屈服，则未屈服部 位必然内力增大，为了后者的安全，有意加大其内力， 但前者内力并不减少。
调幅(调整)的多少可由设计人员根据需要确定和控制 ，但是《混凝土结构设计规范》对各种调幅都有限制， 即规定了内力的最低值。两类调幅(调整)方法： (1)、用弹性计算所得到的内力乘以系数(大于1或小于1) 。 (2)、在计算时降低杆件刚度，计算时构件刚度降低愈多 ，内力愈小。
钢筋混凝土高层建筑工作行为并不体现为弹 性均质性 质，要对其进行精确的模型计算是十分困难。但 是由于构件 性能的复杂性及随机性，进行精确的模型计算和 结构分析是 十分必要的。因此，在进行内力和位移计算时， 为了简化计 算并又能充分反映实际结构的受力状况和满足设 计要求，必
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基本简化假定（1）：平面结构假定
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一般情况下，梁、柱构件的弯曲变形都 是基本变形，因此抗弯刚度EI必须考虑。在 高度较小的多层结构中，柱的轴向变形较小 （可忽略），视其抗压刚度EA为无限大，在 计算中不予考虑；在高度较大的结构中，则 不可忽略其轴向变形，否则会造成较大的误 差。在弹性计算中，都采用材料模量E及剪切 模量G(混凝土G=0.42E)，I为截面的惯性矩。 注意：轴向刚度EA中的A是取构件全截面面积 。剪切刚度GA中的A则只取腹板面积（在I形 或T 2020/5/2 形截面中，翼
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在《高层建筑混凝土结构技术规程》中，规定的调 幅有下列几处： • 框架梁(连续梁)在竖向荷载下的调幅，采用方法(1)
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因此，《混凝土结构设计规范》规定只作主轴 方向计算，但对于一些斜向布置的构件，可能作用 力沿这个斜方向会使它的内力最大，因而有时也需 要用斜方向计算。当结构主轴不易判断时，则应根 据经验判断取最接近主轴的x、y两个方向，或通过 计算确定。
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第二节 结构计算的基本假定
楼板是保证协同工作的重要构件，当采用 基本简化假
定(2)时，应确定楼板在其自身平面内确有足够 大的刚度，
当楼板长宽比较大，或者局部楼板长宽比较大 ，局部外伸的
楼板较细长或楼板开大孔，在水平荷载下楼板 会有较大变形
时，则按无限刚性假定计算所得结果与实际情 况不符。这种情况下《混凝土结构设计规范
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第一阶段:小震作用下的结构设计阶段。内容包括：
确定结构方案和结构布置，用小震(众值烈度地震)作用 计算结构的弹性位移和构件内力，进行结构变形验算， 极限状态方法设计截面配筋，进行截面承载力抗震验 算，按延性和耗能要求，采取相应的抗震构造措施，做 到“小震不坏，中震可修”。
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任何建筑物结构都是空间结构，都应该具有承受 来自不同方向力的作用，因此每个构件都与不在同一 平面内的其它构件相联系，形成三维传力体系。但是 在结构分析时，经常将高层建筑这一空间结构简化成 若干片平面结构结构进行分析。如下图平面结构模型： 取计算简图为图（a）阴影部分，计算模型为图（b）:
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高层建筑结构的内力与位移采用弹性方法计算。变形 协调的假定用来计算竖向变形。当有两片相互交汇的平面 结构(符合基本简化假定(1))，通过交汇处的柱竖向变形 一致而传递内力，这种计算称为竖向变形协调的空间协同 计算。比如：在框筒结构中，当楼板较薄，忽略腹板框架 (或翼缘框架)与楼板大梁的传力关系时，往往采用这种方 法。这种计算比仅有水平位移协调的计算更符合实际且又