高层结构设计ppt课件.ppt

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1、1,第3章 荷载与地震作用,2,高层建筑结构上的主要作用,偶然荷载,爆炸,碰撞,3.1 高层建筑结构上荷载的类型,3,恒载是指结构自重、装饰层重等。 结构自重=构件设计尺寸材料单位体积自重,3.2 恒 载,4,3.3 楼面活荷载,* 注：本PPT中的“本教材”是指沈蒲生编著高层混凝土结构设 计（第三版），中国建筑工业出版社，2017。,5,3.4 屋面活荷载,6,3.5 雪荷载,式中 Sk 雪荷载标准值; r 屋面积雪分布系数； S0 基本雪压;,屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算：,全国各城市重现期为50年的基本雪压可由本教材图3.2查得。屋面积雪分布系数见本教材表3.5。,7,3.6

2、 风荷载,3.6.1 对高层建筑结构作用的特点,风力作用与建筑的外部形状有关。风力作用与周围环境有关。风力作用具有静力与动力的两重性质。风力在建筑物表面不均匀分布。与地震作用相比，风力作用持续的时间更长。抗风设计具有较大的可靠性。,8,式中 建筑物表面单位面积上的风载标准值； 风载体形系数； 风压高度变化系数； 基本风压值； 风振系数。,垂直于建筑物表面上的风荷载标准值按下式计算：,3.6.2 风荷载标准值,（1）当计算主要受力结构时,9,（2）当计算围护结构时,式中 高度Z处阵风系数； 局部风压体形系数；,10,一般高层建筑最大风压重现期为50年；特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑按100

3、 年重现期的风压值采用。50年一遇的基本风压标准值可由本教材图3.5查得。如： 长沙,3.6.3 基本风压,11,3.6.4 风压高度变化系数,离地面或海平面的风压高度变化系数见表3.1。,表3.1,12,注：地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。,续表3.1,13,+0.8,-0.6,-0.6,建筑物总高 建筑物迎风面宽度,-0.7,+1.0,-0.7,-0.5,-0.55,-0.55,-0.5,-0.5,+0.7,+0.9,+0.

4、9,-0.5,-0.5,-0.5,-0.55,-0.65,-0.55,-0.6,+0.8,+0.8,-0.6,-0.5,+0.3,+0.9,+0.3,-0.6,-0.6,3.6.5 风荷载体型系数,表3.2,14,-0.7,-0.7,-0.5,+0.8,+0.9,+0.8,+0.8,-0.7,-0.7,-0.6,-0.5,-0.6,+0.6,-0.6,+0.8,+0.6,-0.6,-0.5,-0.5,-0.5,-0.5,-0.5,-0.5,-0.45,-0.45,+0.8,+0.8,续表3.2,15,3.6.6 顺风向风振和风振系数,16,3.6.7 横风向风振和扭转风振,（1）横风向风振对于

5、横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。高层建筑的横风向风振加速度可按建筑结构荷载规范GB 50009附录J计算。,17,18,房屋高度大于200m时，或有下列情况之一时，宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载： 平面形状或立面形状复杂； 立面开洞或连体建筑； 周围地形和环境较复杂。,3.6.8 风洞试验,19,3.7 温度作用,3.7.1 一般规定,温度作用应考虑气温变化、太阳辐射及使用热源等因素，作用在结构或构件上的温度作用应采用温度的变化来表示。计算结构或构件的温度作用效应时，应采用材料的线膨胀系数。常用材料的线膨胀系数见本教材的表3.17。温度作用

6、的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取0.6、0.5和0.4。,20,3.7.2 基本气温,基本气温可采用按50年重现期的月平均最高气温和月平均最低气温。全国各城市的基本气温值可按建筑结构荷载规范附录E中表E.5采用。对金属结构等对气温变化较敏感的结构，应考虑极端气温的影响，基本气温最大值和最小值可根据当地气温适当增加或降低。,21,3.7.3 均匀温度作用,均匀温度作用的标准值按下列方法确定：A. 对结构最大升温的工况,式中： 均匀温度作用标准值（C）； 结构最高平均温度（C）； 结构最低初始平均温度（C）。,B. 对结构最大降温的工况,式中： 结构最低平均温度（C）； 结构最高初始

7、平均温度（C）。,结构的最高平均温度和最低平均温度宜分别根据基本气温按热工学原理确定。,22,3.8 偶然荷载,3.8.1 一般规定,偶然荷载应包括爆炸、撞击、火灾及其他偶然出现的荷载。当偶然荷载作为结构设计的主导荷载时，在允许结构出现局部构件破坏的情况下，应保证结构不致因偶然荷载引起连续倒塌。,23,3.8.2 爆 炸,在常规炸药爆炸动荷载作用下，结构构件的等效均布静力荷载标准值为：,式中： 作用在结构上的等效均布静力荷载标准值； 作用在结构构件上的均布荷载动荷载最大压力； 动力系数。,24,3.8.3 撞 击,（1）汽车撞击顺行方向的汽车撞击力标准值 为：,式中： m 汽车质量（t），包括

8、车自重和载重； v 车速（m/s）； t 撞击时间（s）。,（2）直升机撞击竖向等效静力撞击力标准值 为：,竖向撞击力的作业区域宜取2m2m。,25,（1）地球的构造,地球由地壳、地幔和地核三部分组成。地球的平均半径为6371km，地壳的平均厚度为17km。地球在不停地运动中（自转和公转）。地壳厚薄不均，裂缝将其分为六个板块。,3.9 地震作用,3.9.1 地震的基本知识,图3.1 地球的构造,26,图3.2 地球表面板块分布图,27,我国位于世界两大地震带环太平洋地震带与亚欧地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾板块挤压，地震断裂带十分活跃。我国的地震主要分布在五个区域：台湾省、西南地区

9、、西北地区、华北地区、东南沿海地区和23条地震带上。,图3.3 我国的地震带,28,（2）地 震,当板块运动过程中，使地壳岩石发生断裂、错动时，会产生强烈的震动，这就是地震。,A、地震的起因,B、地震的几个重要知识,a. 地震震级,衡量一次地震释放能量大小的等级称为震级。1935年里克特首先提出震级的计算方法，简称为里氏震级或震级。,29,地震震级每提高一级，地震释放的能量增大30倍左右。目前记录到的最大地震震级为8.9级。一般来说，M5的地震称为破坏性地震；M7的地震称为强烈地震或大地震；M8的地震称为特大地震。,b. 震源深度,按震源分为： 浅源地震：震源深度小于60km； 中源地震：震源

10、深度60-300km； 深源地震：震源深度大于300km。,30,小震（多遇地震）：本地区出现次数最多的地震，50年超 越概率63.2%。中震（设防烈度地震或基本地震）：50年超越概率为10%。大震：50年超越概率为2%-3%。,c. 小震、中震、大震,小震的地震烈度比基本烈度低1.55度，大震的地震烈度比基本烈度高1度。,d. 地震烈度,地震烈度是指地震时在一定地点振动的强烈程度。地震烈度分为12度。烈度越高，地震产生的强烈程度越大。,31,（3）地震灾害,我国地处亚欧板块与印度板块交界处，是一个多地震的国家。最近几十年来发生的大地震有：A. 唐山大地震,唐山大地震发生在1976年7月28日

11、3时42分53.8秒，里氏7.8级，震中烈度11度，震源深度12千米，地震持续时间约12秒，死亡242769人，伤16.4万人。,32,图3.4 唐山大地震：城市夷为平地,33,图3.5 唐山大地震：地表裂缝,图3.6 唐山大地震：铁路扭曲变形,34,B. 四川汶川大地震四川汶川大地震发生在2008年5月12日14时28分04秒，8.1级，地震烈度为11度，死亡人数为69227人，受伤人数为374643人，失踪人数为17923人。,图3.7 汶川地震所在地位置,8.1,35,图3.8 汶川地震破坏图1,36,图3.9 汶川地震破坏图2,37,3.9.2 高层建筑结构的抗震设防,（1）高层建筑抗

12、震设防分类,表3.3,38,（2）三水准设防目标和两阶段设计方法,注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。,三水准：小震不坏，中震可修，大震不倒。两阶段：第一阶段做承载力验算；第二阶段做大震不倒的变 形验算。,表3.4,39,40,（3）设计地震分组,分组的目的：体现震级与震中距的影响。分组：分第一组、第二组和第三组三个组。,41,（4）特征周期值 （s）,特征周期是指抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值。,图3.11 反应谱曲线,表3.5,42,（5）基本地震加速度,表3.6,43,（6）设计反映谱曲线

13、,图3.12 地震反应,44,单质点体系运动方程为：,式中: m,c,k 质量、阻尼系数和刚度系数； 、 质点的位移、速度、加速度； 地面运动加速度。,45,式中， m,G单质点体系的质量及重量； g, k重力加速度及地震系数； 为动力系数； 地震影响系数,如地面运动 已知，便可求出质点的位移、速度、加速度反应，反应的最大值分别为 ， ，有了质点最大加速度反应 后，由牛顿定律可得最大惯性力为：,（3-5）,46,3.9.3 水平地震作用计算（1）底部剪力法 当结构高度小于40m，沿高度方向质量及刚度分布比较的均匀，并以剪切变形为主的高层建筑，可采用底部剪力法计算等效地震荷载。 采用底部剪力法时

14、，各楼层可仅取一个自由度，结构的水平地震作用标准值按下列公式计算：,47,图3.13 底部剪力法计算简图,48,相应于结构基本自振周期的水平地 震影响系数值； 结构等效总重力荷载，对单质点体 系应取总重力荷载代表值的85%； 顶部附加地震作用系数，多层钢筋 混凝土和钢结构房屋可按表3.7采 用，多层内框架砖房可采用0.2，其 他房屋可采用0。,式中 :,49,表3-10 计算式,表3.7,50,结构基本自振周期 可按下式计算：,式中： 计算结构基本自振周期用的结构顶点假想 位移（m)，即假想把集中在各层楼面处的 重力荷载代表值作为水平荷载算得的顶点 位移； 结构基本自振周期考虑非乘重砖墙影响的

15、 折减系数。,框架结构 框剪结构 框架-核心筒结构 剪力墙结构,51,求建筑的重力荷载时，各荷载的组合值系数按表3.8采用。,表3.8,52,（2）振型分解反应谱法 A. 适应范围 除底部剪力法以外的所有建筑，宜采用振型分解法。 B. 计算方法 n个自由度体系有n个基本振型，如：,图3.14 振型分解图,53,a.第j振型i质点的水平地震作用的标准值,式中： 相应于第j振型周期的地震影响系数； j振型i质点的水平相对位移； 振型的参与系数。,54,一般情况下可只取前23个振型，当基本自振周期大于1.5秒或房 屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。 为计算各振型所用的自振周期也应按 考虑 建筑结

16、构估计水平地震作用扭转影响时，应按规定计算其地震作 用和作用效应。,b.水平地震作用效应（内力和位移）计算,水平地震作用效应（不考虑扭转时）应先根据各振型的地震作用分别计算，然后再 采用平方和的平方根方法（SRSS法）计算：,55,(3)时程分析法,反应谱法的缺陷：1、设计反应谱主要依据的是加速度反应谱，未反映速 度与位移及持续时间影响。2、是建立在弹性动力分析的基础上，未考虑弹塑性性 能的影响。3、高层建筑是多质点体系，而反应谱曲线是从单质点 体系得到的。4、反应谱方法得到的地震过程中的最大惯性力值，不 能得到地震过程中的变形及破坏过程，无法确定某 些薄弱部位的各种危险状态。,56,特别不规

17、则的建筑、甲类建筑和表3.9所列高度范围内高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。,表3.9,采用时程分析法的高层建筑结构,时程分析法又称直接动力法，解动力方程式。,多自由度体系在地面运动作用下的振动方程式为：,图3.15 地震波,58,进行结构时程分析时，应符合下列要求：1、应按建筑场地类别和设计地震分组选取实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际地震记录不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数在统计意义上相符；弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结

18、构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不宜小于振型分解反应谱法计算结果的80%。2、地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15秒，地震波的时间间距可取0.01s或0.02s。,59,4、当取三组时程曲线进行计算时，结构地震作用效应宜取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值；当取七组及七组以上时程曲线进行计算时，结构地震作用效应可取时程法计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。,表3.10,3、输入地震加速度的最大值可按表3.10采用。,60,3.9.4 竖向地震作用计算,地震是一种复杂的自然现象。

19、地震以波的形式向四周传播。地震波分为：A. 体波：体波又分为 纵波（P波）：使建筑物发生竖向振动。 横波（S波）：使建筑物发生水平振动。B. 面波（L波） 面波速较慢，振动方向复杂，振幅比体波大。,61,因此，地震时建筑物不但沿水平方向发生晃动，而且还沿垂直方向发生上下跳动。竖向地震作用对建筑，特别是对高层建筑、高耸结构及大跨结构的影响显著。对一些高层建筑和高耸结构的分析表明，竖向地震应力和重力荷载应力的比值沿建筑物高度向上逐步增大，使建筑物上部墙柱出现拉力。,62,需进行竖向地震作用计算的范围 9度设防时; 8度和9度设防时水平长悬臂构件和大跨度结构。,63,（2）竖向地震作用计算,结构总竖

20、向地震计算的标准值按下式计算：,式中： 结构总竖向地震作用标准值； 结构竖向地震影响系数最大值； 结构等效总重力荷载代表值。,64,结构竖向地震作用计算图形：,图3.16 竖向地震计算简图,65,质点的竖向地震作用标准值：,注：各楼层的竖向地震作用效应按各构件承受的重力荷载代表值比例分配。,66,（3）水平长悬臂构件和大跨度结构竖向地震作用,水平长悬臂构件和大跨度结构考虑竖向地震作用时，竖向地震作用的标准值在8 度和9度设防时，可分别取该结构及所承受重力荷载代表值的10%和20%进行计算。设计基本地震加速度为0.3g时，可取该结构、构件重力荷载代表值的15%。,67,3.9.5 地震作用考虑原

21、则,一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算，有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于 时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。,图3.17 地震作用方向,68,质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响；,计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。各层质量沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式计算：,式中： 第i层质心偏移值(m)，各层质心偏移方向相同； 第i层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m)。,69,3.9.6剪重比,反应谱曲线是向下延伸的曲线，当结构的自振周期较长、刚度较弱时，所求得的地震剪力会较小，设计出来的高层建筑结构在地震中可能不安全，因此对于高层建筑规定其最小的地震剪力。水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求：,或,70,式中， 为第i层对应于水平地震作用标准值的剪力； 为水平地震剪力系数，不应小于表3.11规定的值；对应竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘1.15的增大系数。,楼层最小地震剪力系数值,注：1. 基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，应允许线形取值。 2. 7、8度时括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g 和0.30g的地区 。,表3.11,