华中科技大学高层建筑.ppt

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1、第3章 高层建筑结构荷载,本章主要介绍了高层建筑风荷载的计算；抗震设防的准则和基本设计方法，水平地震作用的计算方法（主要是反应谱法）与竖向地震作用的计算方法。,教学提示,教学要求,熟练掌握风荷载的计算方法，以及用反应谱方法计算水平地震作用的方法，理解抗震设防的准则和基本设计方法，理解反应谱理论。,高层建筑的荷载包括竖向荷载和水平荷载。恒载与使用竖向活荷载的计算与一般房屋并无区别。钢筋混凝土高层建筑结构竖向荷载，对于框架结构和框架-剪力墙结构大约为1214kN/m2，剪力墙和筒中筒结构约1416kN/m2。一般民用高层建筑设计时可不考虑活荷载的不利布置，按满布活载计算内力。当活荷载较大时，例如图

2、书馆书库等，仍应考虑活荷载不利布置。,施工及建筑设备荷载,施工中采用附墙塔、爬塔等对结构受力有影响的起重机械或其他施工设备时，应根据具体情况确定对结构产生的施工荷载。旋转餐厅轨道和驱动设备的自重应按实际情况确定。擦窗机等清洗设备应按其实际情况确定其自重的大小和作用位置。,直升机平台的活荷载应采用下列两款中能使平台产生最大内力的荷载：1 直升机总重量引起的局部荷载，按由实际最大起飞重量决定的局部荷载标准值乘以动力系数确定。对具有液压轮胎起落架的直升机，动力系数可取1.4；当没有机型技术资料时，局部荷载标准值及其作用面积可根据直升机类型按下表取用；,局部荷载标准值及其作用面积,2 等效均布活荷载5

3、kN/m2。,空气流动形成的风遇到建筑物时，会使建筑物表面产生压力或吸力，这种作用称为建筑物所受到的风荷载。风的作用是不规则的，风压随风速、风向的变化而不断改变。实际上，风荷载是随时间波动的动力荷载，但设计时一般把它视为静荷载。长周期的风压使建筑物产生侧移，短周期的脉动风压使建筑物在平均侧移附近摇摆。对于高度较大且较柔的高层建筑，要考虑动力效应，适当加大风荷载数值。,3.1 风荷载,确定高层建筑风荷载：大多数情况(高度300m以下)可按照建筑结构荷载规范规定的方法；少数建筑(高度大、对风荷载敏感或有特殊情况)还要通过风洞试验确定风荷载，以补充规范的不足。,风荷载标准值（kN/m）,1 当计算主

4、要承重结构时,基本风压 一般高层建筑取重现期为50年的风压值计算风荷载。对风荷载比较敏感的高层建筑（高度大于60m），承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。在进行舒适度计算时，取重现期为10年的风压值计算风荷载。,2 当计算围护结构时,风压高度变化系数,近海、海岸,乡村、郊区,市区,密集高层市区,对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面租糙度类别按表3-1确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类:A类指近海海面和海岛、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和城市郊区;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。,表3-1

5、 风压高度变化系数z（2012版）,位于山区的高层建筑，按上述方法确定风压高度变化系数后，尚应按现行国家标准 建筑结构荷载规范GB50009的有关规定进行修正。对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数除可按A 类粗糙度类别由上表确定外，还应考虑下表中给出的修正系数。,表3-2 远海海面及海岛的修正系数,建筑物各个表面风作用力的平均值与基本风压的比值。,风载体型系数,计算主体结构的风荷载效应时，风荷载体型系数 可按下列规定采用:1 圆形平面建筑取0.8;2 正多边形及截角三角形平面建筑，由下式计算:式中 n-多边形的边数。3 高宽比不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取1.3;,4

6、下列建筑取1.4:l)V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑;2)L形、槽形和高宽比H/B大于4的十字形平面建筑;3)高宽比H/B大于4，长宽比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑。5 在需要更细致进行风荷载计算的场合，风荷载体型系数可按表3-2或由风洞试验确定。,檐口、雨篷、遮阳板、阳台等水平构件，计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数s 不宜小于2.0。,当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应。一般可将单栋建筑的体型系数s 乘以相互干扰增大系数，相互干扰系数可按下列规定确定:1 对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺

7、风向风荷载可在1.00 1.10 范围内选取，对横风向风荷载可在1.00 1.20 范围内选取;2 其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。,对于基本自振周期大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋建筑，应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。,风振系数z,g峰值因子，可取2.5;I10 10m 高度名义湍流强度，对应A、B、C 和D 类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23 和0.39;R 脉动风荷载的共振分量因子;Bz 脉动风荷载的背景分量因子。,式中 fl结构第1阶自振频率(Hz);kw地面粗糙度修正系数，对A类、B类、

8、C类和D类地面粗糙度分别取1.28、1.0、0.54 和0.26;1结构阻尼比，对钢结构可取0.01，对有填充墙的钢结构房屋可取0.02，对钢筋混凝土及砌体结构可取0.05，对其他结构可根据工程经验确定。,脉动风荷载的背景分量因子可按下列规定确定:1)对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，可按下式计算:,式中:1(z)结构第1阶振型系数;H 结构总高度(m)，对A、B、C 和D类地面粗糙度，H的取值分别不应大于300m、350m、450m 和550m；x脉动风荷载水平方向相关系数；z脉动风荷载竖直方向相关系数；,k，a1系数，按表3-3取值。,表3-3 系数k和a1,2)对迎风面和侧

9、风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化的高耸结构，上式计算的背景分量因子Bz应乘以修正系数B和v。B为构筑物在z高度处的迎风面宽度B(z)与底部宽度B(0)的比值；v可按表3-4确定。,表3-4 修正系数v,脉动风荷载空间相关系数可按下列规定确定：1)竖直方向的相关系数可按下式计算：,2)水平方向的相关系数可按下式计算：,式中:B结构迎风面宽度(m)，B2H。3)对迎风面较小的高耸结构，水平方向的相关系数可取x=1。,振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的竖向悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑，振型系数1(z)也可根据相对高度z

10、/H 按荷载规范附录G确定。,横风向和扭转风振,对于横风向风振效应明显的高层建筑和细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响；对于扭转风振效应明显的高层建筑和高耸结构，宜虑扭转风振的影响。详见荷载规范（GB500092012）8.5节之规定。,总体风荷载,建筑物各个表面风荷载的合力，是沿高度变化的分布荷载，用于计算结构侧移和各构件内力。,在计算结构局部构件或围护构件，以及围护构件与主体的连接时，风荷载标准值,围护构件及其连接的风荷载,式中：gz高度z处的阵风系数；s1风荷载局部体型系数。,局部体型系数可按下列规定采用：1)封闭式矩形平面房屋的墙面及屋面可按荷载规范表8.3.3 的规定采用；,2

11、)檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，取-2.0；3)其他房屋和构筑物可按上节规定的体型系数的1.25倍采用。,计算非直接承受风荷载的围护构件风荷载时，局部体型系数s1可按构件的从属面积折减，折减系数按下列规定采用:1)当从属面积不大于1m2时，折减系数取1.0；2)当从属面积大于或等于25m2时，对墙面折减系数取0.8，对局部体型系数绝对值大于1.0 的屋面区域折减系数取0.6，对其他屋面区域折减系数取1.0；3)当从属面积大于1m2小于25m2时，墙面和绝对值大于1.0的屋面局部体型系数可采用对数插值，即按下式计算局部体型系数:,对封闭式建筑物，内表面也会有压力或吸力，计算围护构

12、件风荷载时，建筑物内部压力的局部体型系数，对于封闭式建筑物，按其外表面风压的正负情况取一0.2或0.2；仅一面墙有主导洞口的建筑物，按下列规定采用：1)当开洞率大于0.02 且小于或等于0.10 时，取0.4s1；2)当开洞率大于0.10 且小于或等于0.30 时，取0.6s1；3)当开洞率大于0.30 时，取0.8s1。其他情况，应按开放式建筑物的s1取值。,计算围护结构(包括门窗)风荷载时的阵风系数应按下表确定。,房屋高度大于200m 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。,风荷载,风洞试验,3.2 地震

13、作用,地震效应:地面运动产生的结构反应,包括加速度、速度、位移反应。地面运动特性的特征量（三要素）：强度、频谱和持续时间。震中距的影响 建筑物本身的动力特性对建筑破坏程度有很大的影响，建筑物的动力特性：主要指建筑物的自振周期、振型和阻尼。,3.2.1 地震作用的特点,1.在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震的影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用（此时建筑物基本上处于弹性阶段）。,3.2.2 抗震设防准则和基本方法,抗震设防的目标：(三水准)“小震不坏，中震可修，大震不倒”,抗震设防是对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震措施，以达到结构抗震的效果和目的。,即：,3 在遭受高于本地区设防

14、烈度的预估罕遇地震的影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏（此时建筑物将产生严重破坏但不至于倒塌）。,2 在遭受本地区规定的设防烈度的地震的影响时，建筑物（包括结构和非结构部分）可能有一定损坏，但不至危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理仍可继续使用。（此时建筑物进入弹塑性阶段）,第二阶段设计：对于有特殊要求的建筑和地震时容易倒塌的结构，按大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准的要求。,抗震规范以二阶段设计法来实现上述“三水准”抗震设计目标。,第一阶段设计：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一、二水准的要求

15、。然后通过概念设计和构造措施来满足第三水准的要求。,反应谱：单质点弹性体系在一定的地面运动作用下，其最大反应（加速度、速度和位移反应）与体系自振周期之间的变化曲线（谱曲线）。,抗震计算理论,计算地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法（拟静力法）和时程分析法（直接动力法）。,反应谱理论,用地震波（加速度时程）作为地面运动输入，直接计算并输出结构随时间而变化的地震反应。地震波的选取：采用弹塑性动力分析方法进行薄弱层验算时，宜符合下页要求：,直接动力理论,1 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其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

16、影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的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15s，地震波的时间间距可取0.01s 或0.02s；3 输入地震波的最大加速度，可按表采用。,3 输入地震波的最大加速度，可按下表采用。4 结构地震作用效应宜取多条时程曲线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。,时程分析时输入地震加速度的最大值（cm/s2）,3.2.4 设计反应谱,因此关键在于确定 值。

17、其直接变量为结构自振周期，另外还场地特征周期和结构阻尼比有关。然后按抗震规范中给出的地震影响系数曲线确定。,地震作用：,地震影响系数：,1、除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，此时，阻尼调整系数2=1；曲线下降段衰减指数=0.9，直线下降段的下降斜率调整系数1=0.02 2、当建筑结构的阻尼比按有关规定不等于0.05时：,2 阻尼调整系数，当小于0.55时，应取0.55,水平地震影响系数最大值max 应按下表取值；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表3-9取值。6度时建造于类场地较高的高层建筑，7度和7度以上的建筑结构，应进行多遇地震作用下的截面抗震验算。,水平地震影响系数最大值

18、max,特征周期应根据场地类别和设计地震分组按下表取值。,特征周期值 T g(s),较高的高层建筑：如高于40m的钢筋混凝土框架结构；高于60m的其他钢筋混凝土的民用房屋等。应进行多遇地震作用下截面抗震验算，尚应进行相应的变形验算。,3.2.5 水平地震作用计算,底部剪力法 1 适用范围：高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构。2 结构的水平地震标准值，按下列公式计算：FEk结构总水平地震作用标准值1相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数。Geq结构总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%。,Fi质点i的水平地震作用标准值 Hi

19、，Hj分别为质点i,j的计算高度 n顶部附加地震作用系数，多层钢筋混凝土和钢结构房屋按表3-10查取。,说明：鞭端效应:当建筑物有突出屋面的小建筑物，如屋顶间、女儿墙等时，由于这些建筑物的质量和刚度突然变小，地震反应随之加大。这种现象称为“鞭端效应”。对多层建筑，抗震规范（GB500112010）规定，当采用底部剪力法计算这类建筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，此增大部分不应向下传递，但与该突出部分相连的构件应予以计入。对高层建筑，增大系数应按高规（JGJ32010)附录之规定选用。,因结构计算模型分为水平结构和空间结构，振型组合也有两种方法。这里主要介绍：1 平面结构振型分解反应谱法 结

20、构j振型i质点的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：Fji=jjXjiGi（i=1,2n,j=1,2m）式中：Fji j振型i质点的水平地震作用标准值j相应于j振型自振周期的地震影响系数,振型分解反应谱法,重力荷载代表值：应取结构和构配件自重标准值和个可变荷载组合值之和。,Xjij振型i质点的水平相对位移jj振型的参与系数 Gi集中于i质点的重力荷载代表值。,2 振型组合 水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴力和变形），应按下式确定：,SEk水平地震作用标准值的效应Sjj振型水平地震作用标准值的效应，可只取前23个振型，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。,计算方

21、法：理论计算;半理论半经验公式;经验公式。1，理论计算（在采用振型分解反应谱计算时应用）：刚度法、柔度法 刚度增大后周期折减系数：框架：0.60.7 框架剪力墙：0.70.8 剪力墙:1.0,3.2.6 结构自振周期的计算,2 半理论半经验公式（采用底部剪力法时应用）,重力荷载作为水平力作用于各质点上计算结构的弹性侧移曲线，得顶点的以弹性侧移T（单位是m),0为结构基本周期修正系数，取值同上。,1）顶点位移法,计算步骤：以重力荷载作为水平力作用于各质点上 计算结构的弹性侧移曲线，得各质点的弹性侧移i,2）能量法,3 经验公式（仅用于估算）,1）钢筋混凝土剪力墙结构，高度2550m，剪力墙间距6

22、m左右：T1横=0.06N T1纵=0.05N 2）钢筋混凝土框架剪力墙结构：T1=（0.060.09）N 3）钢筋混凝土框架结构：T1=（0.080.10）N 4）钢结构：T1=0.10N N建筑物层数,4 自振周期的调整,当非承重墙体为砌体墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数可按下列规定取值：1 框架结构可取0.60.7；2 框架-剪力墙结构可取0.70.8；3 框架-核心筒结构可取0.80.9；4 剪力墙结构可取0.81.0。对于其他结构体系或采用其他非承重墙体时，可根据工程情况确定周期折减系数。,高层建筑中的大跨度、长悬臂结构，7 度(0.15g)、8 度抗震设计时应考虑竖向地震作

23、用；9 度抗震设计时应计算竖向地震作用。,3.2.7 竖向地震作用计算,结构竖向地震作用标准值可采用时程分析方法或振型分解反应谱方法计算，也可按下列规定计算:,1 结构总竖向地震作用标准值可按下列公式计算：,式中:Fvmax结构总竖向地震作用标准值 vmax 竖向地震影响系数的最大值。Geq结构等效总重力荷载 GE 计算竖向地震作用时，结构总重力荷载代表值，应取各质点重力荷载代表值之和。,楼层各构件的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值比例分配，并宜乘以增大系数1.5。,式中:FVi质点i的竖向地震作用标准值。,2 结构质点i 的竖向地震作用标准值可按下式计算：,跨度大于24m 的楼盖结构、跨度大于12 m 的转换结构和连体结构，悬挑长度大于5m 的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析方法或振型分解反应谱方法进行计算。时程分析计算时输入的地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65%采用，反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，但设计地震分组可按第一组采用。,高层建筑中，大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体的竖向地震作用标准值，不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与下表所规定的竖向地震作用系数的乘积。,竖向地震作用系数,