风荷载及地震作用.ppt

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1、第3章：风荷载及地震作用,竖向荷载,水平荷载,自重、楼（屋）面活荷载,风荷载、地震作用,主要学习内容,3-1 风荷载及计算3-2 地震作用及计算3-3 设计要求及荷载效应组合,风荷载（水平荷载之一）高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载,空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力或吸力，这种风力作用叫风荷载。,风的大小与（1）近地风的性质、风速、风向有关（2）建筑物所在地的地藐及周围环境（3）建筑本身的高度、形状以及表面状况有关,风的破坏力,“森拉克”肆虐浙闽 防波堤被冲垮百米2003 七月 28 12:43 由于16号“森拉克”台风的袭击，投资1.2亿元、总长达1837米的玉环

2、县坎门渔港防波堤遭受严重的损坏。渔港西堤被巨浪冲垮2个缺口，造成防波堤砌面下滑，总长达100多米。险情发生后，当地政府组织公安、边防、民兵应急分队和群众及时进行抢修，力争将损失降低到最低限度。,风的破坏力,风的破坏力,风的破坏力,风的破坏力,广州大道南一栋五层厂房近1000平方米的2块铁皮被卷起后砸中附近五金厂，100多名工人侥幸逃过大难,风荷载的特点 风力作用与建筑物外形有直接关系，圆形与正方形受到的风力较合理 风力受到建筑物周围环境影响较大，处于高层建筑群中的高层建筑，有时会出现受力更为不利的情况 风力作用具有静力、动力两重性质。风力在建筑物表面的分布很不均匀，在角区和建筑物内收的局部区域

3、，会产生较大的风力。与地震作用相比，风力作用持续时间较长，其作用更接近于静力，但建筑物的使用期限出现较大风力的次数较多。由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，所以风力大小的估计比地震作用大小的估计较为可靠。而且抗风设计具有较大的可靠性。,3-1 风荷载,1、高层建筑风荷载的特点风荷载与建筑物的外形（高度、平面和体形）直接有关，也与周围环境（街区、周围建筑群）有很大关系。高层建筑外表面各部分的风压很不均匀。,浮力,因此，高层建筑中一般不设外伸构件。,要考虑风的动力作用风振 层数少的建筑物，刚度大、自振周期短、风荷载产生的振动也小，设计中只需考虑风压的影响，而不考虑风振；高层建筑，刚度小、自振

4、周期长、风的动力作用明显。,在工程设计中是通过风振系数 来考虑风的动力作用的。,平均风压与波动风压图,振型系数,脉动影响系数,高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002)中规定：当建筑物高度30m、高宽比1.5时，考虑风振系数：,按照不同的地面粗糙度A类地形、B类地形、C类地形和D类地形取值。见高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002)中的规定。,结构基本自振周期,基本风压，按荷载规范中“全国基本风压分布图”采用。,地面粗糙度为B类地区脉动增大系数,注：对地面粗糙度为A类、C类和D类地区应按当地基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入,建筑结构荷载规范（GB50009-20

5、01)中规定把地面粗糙度分为A、B、C三类：A类指近海海面、海岛、海岸及沙漠地区；B类是田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇及大城市的郊区；C类指由密集建筑群的大城市市区；D类指由密集建筑群且房屋较高的城市市区；,风压高度变化系数,风速随高度的变化,2、风荷载,由空旷平坦地面，离地10m统计的重现期为50年(或100年）的10分钟平均最大风速计算所得。可查荷载规范，但不得小于0.3KN/m2,风荷载作用面积：垂直于风向的最大投影面积1.基本计算公式2.计算参数 基本风压值 体型系数 高度变化系数 风载作用面积 风振系数,总风荷载和局部风荷载,总风荷载 对整体房屋的作用：垂直于建筑物

6、表面 各表面承受风力的合力：可采用矢量和计算 并简化为沿房屋高度变化的分布荷载 即 作用在承力面上的 倒梯形或倒三角形荷载 均布荷载,风载作用下 房屋的水平力示意图,局部风荷载 局部增大体型系数,檐口、雨蓬、遮阳板等水平构件，局部上浮 玻璃幕墙 另行标准 平面形状不规则 立面开洞或连体建筑 风洞试验 周围地形和环境较复杂,为简化计算，将建筑物分为5段，每段顶标高取在楼层处，每段中点距地面的距离作为计算风压高度，地面粗糙度，位于城市郊区为B类，,解：1、求风荷载标准值,(1)基本风压值,(2)风荷载体形系数,(3)风压高度变化系数,脉动影响系数：,脉动增大系数：,各高度处风振系数：,(5)各段风

7、载标准值,(6)求各段风载集中标准值,(7)基底剪力：,基底弯矩：,3-2 地震作用,1、地震作用 抗震设计时，结构所承受的“地震力”实际上是由于地震地面运动引起的动态作用，包括地震加速度、速度和动位移的作用，属于间接作用，称为“地震作用”。不可称为“荷载”。,地震作用计算时用到地震反应谱曲线由255条地震加速度纪录经计算整理得到。,地震影响系数曲线,2、地震影响系数,抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系,水平影响系数最大值,特征周期,注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区,1）水平地震作用计算,3、地震作用的计算方法,我国抗震规范规定：,抗震设计设防烈

8、度在6度以上的建筑物必须进行；地震作用计算设防烈度在7、8、9度的建筑物；6度类场地上的较高建筑物。,计算方法反应谱底部剪力法 反应谱振型分解法 时程分析法,作补充计算,（1）反应谱底部剪力法 对于重量、刚度沿高度分布比较均匀、高度不超过40m，以剪切变形为主的多层和高层建筑结构，采用此法计算水平地震作用。这时各楼层仅取一个自由度。,结构的总水平地震作用标准值,相应于结构基本自振周期的水平地震影响数值,结构等效总重力荷载：单质点取总重力荷载代表值；多质点取总重力荷载代表值的85%。,总重力荷载代表值：,建筑的总重力荷载代表值应按下列规定采用：,1、恒荷载取100%2、雪荷载取50%3、楼面活荷

9、载按实际情况计算时取100%；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案室、库房取80%，一般民用建筑取50%。4、屋面活荷载不考虑,结构等效总重力荷载：,例1：某三层框架的结构计算简图及恒载图、活载图如图所示。按8度设防，第一组，类场地土。两跨梁的总长为12m。均布荷载的单位为，集中荷载的单位为要求：计算总重力荷载代表值及等效总重力荷载代表值。,50,90,解：1、计算各层重力荷载代表值,2、计算总重力荷载代表值 及等效总重力荷载代表值,各楼层的水平地震作用标准值为：,顶部附加水平地震作用标准值为：,顶部附加地震作用系数,顶部附加地震作用系数,结构基本自振周期,底部剪力法适用于重量和刚度沿高度分布

10、比较均匀的结构。当建筑物有突出屋面的小建筑如屋顶间、女儿墙、烟囱等时，由于该部分的重量和刚度突然变小，将产生鞭稍效应，使其地震反应特别强烈。为简化计算，抗震规范提出，当计算这类小建筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，此增大部分不再向下传递。,抗震验算时，结构任意楼层的水平地震剪力应符合下列要求：,第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力。,剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小剪力系数，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。,楼层最小剪力系数值,注：1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；2、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。,

11、5层砌体房屋模型1：4模拟地震振动台试验,例2：某工程为8层框架结构，梁柱现浇，楼板预制，设防烈度为7度，第一组，场地为类场地土，特征周期为，水平地震影响系数最大值为，现已计算出结构自振周期为，集中在楼盖和屋盖的恒载为顶层5400kN，2-7层5000kN，底层6000kN，活载为1-7层1000kN，顶层雪荷载600kN。要求：按底部剪力法计算各楼层的地震作用标准值与地震剪力标准值。,解：1、楼层重力荷载代表值计算地震作用时，重力荷载代表值去全部恒载，50%活载，因而各楼层的重力荷载代表值为:顶层：,27层：,底层：,总重力荷载代表值为：,2、总地震作用标准值计算,结构等效总重力荷载代表值为

12、：,3、计算各楼层的地震作用标准值,由于,应考虑顶部附加水平作用，,所以，顶部附加水平地震作用为：,各楼层的地震作用标准值为：,4、计算各楼层的地震剪力标准值,总地震作用标准值为：,xg(t),xi(t),a1i,aji,ani,2.计算水平地震作用的振型分解反应谱法,将质量集中在楼层位置，n个楼层为n个质点，具有n个振型。首先分别计算每个振型的水平地震作用及其效应（剪力、弯矩、轴力、位移），然后再进行内力和位移的振型组合。,-相应于j振型自振周期的地震影响系数；,-j振型i质点的水平相对位移；,-j振型的振型参与系数；,-i质点的重力荷载代表值。,-体系j振型i质点水平地震作用标准值计算公式

13、,2.计算水平地震作用的振型分解反应谱法,与单自由度体系的计算方法相同,地震作用效应（弯矩、位移等）,2.计算水平地震作用的振型分解反应谱法,如剪力、弯矩、轴力、位移,3.振型分解反应谱法计算地震作用效应步骤,（1）求体系的自振周期和振型（2）计算各振型的地震影响系数（3）计算各振型的振型参与系数（4）计算各振型各楼层地震作用（5）计算各振型的地震作用效应（6）计算地震作用效应（层间剪力）,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。抗震设防烈度为8度，类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（1）求体系的自振周期和振型,（2）计算各振型的地震影响系数,查表得,第一振型,第二振型,

14、第三振型,（3）计算各振型的振型参与系数,第一振型,第二振型,第三振型,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,第二振型,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,第三振型,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,（5）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,第一振型,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,（5）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,第二振型,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,（5）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,第三振型,（4）计算各振型各楼层地震作用,（5）计算各振型的地震作用效应,（6）计算地震作用效应（层间剪力）,2）竖向

15、地震作用,震害和理论分析表明，在高烈度区，竖向地震作用对高层建筑、高耸结构及大跨结构等的影响是显著的。在9度区的高层建筑，结构总竖向地震作用标准值为：,楼层的竖向地震效应为:（再乘以增大系数1.5),竖向地震影响系数的最大值，可取水平地震影响系数最大值的65%；,结构等效总重力荷载，可取其总重力荷载代表值的75%。,4、结构自振周期的计算,计算方法：直接从结构自由振动的方程组中求解（精度高、工作量大）；实用近似计算方法(荷载规范中的附录E）；对已有建筑进行自振周期实测得出的经验统计公式（我国采用脉动或激振动经大量统计回归得到的公式）。,2）钢筋混凝土框架-剪力墙结构,1）钢筋混凝土剪力墙结构（

16、高度为25m50m、剪力墙间距为6m左右）：,4）钢结构：,3）钢筋混凝土框架结构：,建筑层数,5、地震作用计算的一般规定,1）各类建筑结构的地震作用，应按下列原则考虑：一般情况下，要考虑两个主轴方向的水平地震作用，并进行抗震验算。有斜交的结构，要分别考虑各个方向的水平地震作用。质量和刚度有明显不均匀、不对称的结构，应水平地震作用的扭转影响。8度、9度区的大跨结构、长悬臂结构、烟囱和高耸结构，9度区的高层建筑，应考虑竖向地震作用。,2）各类建筑结构的抗震计算应采用下列方法：对于重量、刚度沿高度分布比较均匀、高度不超过40m，以剪切变形为主的多层和高层建筑结构，采用底部剪力法简化计算；除上述以外

17、的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法；特别不规则的建筑、甲类建筑、7度和8度区、类场地高度大于80 m的高层建筑、8度区、类场地和9度区高度大于60m的高层建筑，宜采用时程分析法进行补充验算。,3-3 设计要求及荷载效应组合,无地震作用组合时：,有地震作用组合时：,1.承载力验算,地震作用属于可变作用或偶然作用，其可靠指标的取值应低于静力作用下的可靠指标。因而，从理论上说，抗震设计中采用的材料强度设计值应高于静力作用时的材料强度设计值。但设计规范为了使用方便，便于将地震作用效应与静力荷载作用效应直接比较，在抗震设计中仍采用静力设计时的材料强度设计值。但通过引入承载力抗震调整系数来提高其承载力。,

18、2、荷载效应组合及最不利内力1）无地震作用时的荷载效应组合 无地震作用组合应用于非抗震设计及6度抗震设防、但不要求作地震作用计算的结构:,分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值计算的荷载效应；,分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值的分项系数,年限调整系数；,分别为活荷载和风荷载的组合系数；,有两种荷载工况：,（1）恒载+活载,由活荷载控制的组合：1.2x恒载效应+1.4x活载效应,由恒荷载控制的组合：1.35x恒载效应活载效应,（2）恒载+活载+风荷载,多层结构：1.2x恒载效应+1.4x活载效应风载效应,高层结构：1.2x恒载效应+1.4x活载效应风载效应,2）有地震作用时的荷载效应组合 所有要求

19、进行地震作用计算的结构要进行有地震作用的荷载组合：,分别为地震荷载代表值、水平地震作用标准值、竖向地震作用标准值、风荷载标准值的荷载效应；,分别为上述各种荷载作用的分项系数；,荷载的组合系数，取0.2。,有地震作用组合的荷载工况：,（1）对于所用多层及高层建筑：,1.2x重力荷载效应+1.3x水平地震作用效应,（2）对于60m以上高层建筑增加以下一项：,1.2x重力荷载效应+1.3x水平地震作用效应风荷载效应,（3）9度设防高层建筑增加以下两项：,1.2x重力荷载效应+1.3x水平地震作用效应+0.5x竖向地震作用效应,1.2x重力荷载效应+1.3x竖向地震作用效应,（4）对于9度设防、且为6

20、0m以上高层建筑增加以下一项：,1.2x重力荷载效应+1.3x水平地震作用效应+0.5x竖向地震作用效应+1.4x0.2x风荷载效应,3、高层建筑中竖向活荷载的布置,高层结构中，由于活荷载与恒载相比不大，它产生的内力所占比重较小。因此规范规定，活荷载不考虑最不利布置，而用满布活荷载计算内力。一般对梁跨中弯矩乘以1.11.2的放大系数来考虑活荷载的不利影响。,各国办公楼层承受活荷载的标准值,不同建筑物楼层承受活荷载的标准值,活荷载按照荷载规范取值。楼板设计时：直接取用；梁、墙、柱和基础设计时：应将其乘以折减系数，以考虑所给楼面活荷载满布在楼面上的可能性程度。（梁的承载面积越大，荷载满布的可能性越

21、小；楼层数越多，荷载满布的可能性越小。）,活荷载按楼层数的折减系数,当楼面梁的从属面积超过25m2时，设计楼面梁时的折减系数取0.9,4、水平荷载的方向,1）使用阶段层间位移限制（风荷载和小震作用下）,5、侧移限制,2）防止倒塌层间位移限制（大震作用下）,6、舒适度要求,在风荷载作用下，高度超过150m的高层建筑，应满足人使用的舒适度要求。此时，按照重现期为10年的风荷载计算结构顶点加速度，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，应满足下列要求：,住宅、公寓：,办公、旅馆：,7、稳定和抗倾覆,由于高层钢筋混凝土结构的等效抗侧刚度大小不等，需进行P-效应的计算。同时，尽可能减轻建筑物自

22、重，对于减小地震反应、降低P-效应产生的破坏有重要意义。,8、抗震结构延性要求和抗震等级,1）延性结构的概念,延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。塑性变形和耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能。,构件延性比：,结构延性比：,抗震建筑的延性可通过以下条件来保证：合理选择结构体系；合理布置结构；对构件和连接采用合理的构造措施；保证施工质量,因此，通过设立抗震结构的抗震等级要求、加强构造措施的方法保证结构的延性。,地震复杂，建筑物破坏机理和过程更复杂，精确计算是不可能的。因此，“概念设计”比

23、“数值计算”更重要。概念设计(seismic concept design of building)正确地解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。,欧洲抗震规范EC-8从四个方面来体现延性：1、非线性设计反映谱及其延性系数2、局部延性水准校核3、能力设计4、构造措施希腊抗震规范NEAK-1995(New Greek Aseismic Code)，这本规范编的简洁实用，希腊是个多地震国家，一千多年前就有地震纪录。延性的体现与欧洲规范相同，只是更加实用，使用方便。台湾1999年的耐震设计规范考虑了：1、非线性设计反映谱及其延性系数2、构造措施,2）概念设计及抗震等级,(1)选择

24、延性材料：钢结构延性好 砖石结构延性很差 钢筋混凝土结构介于两者之间，需合理设计(2)进行结构概念设计：选择对抗震有利的结构方案和布置；采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施；设计延性结构和延性构件；分析结构薄弱层部位，并采取相应措施；防止局部破坏引起连锁效应 避免设计静定结构，采取二道防线措施。(3)选择延性结构：(4)钢筋混凝土结构的抗震构造措施及抗震等级：,划分结构抗震等级的意义 建筑的重要性、场地的类别、设防烈度、建筑高度、结构类型、构件在结构中的重要程度的不同，对抗震提出不同的要求。抗规将各类情况分为四个抗震等级，以体现在计算中和采取抗震措施上的不同要求。（高层规程中增加特一级抗震等级）结构抗震等级 一级对抗震要求最高，以下逐渐降低。,现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级,（此表摘自抗震规范中对部分结构形式的规定，未含全部）,重 点 内 容 风荷载及计算 地震作用 地震影响系数曲线 底部剪力法的适用条件及计算方法 结构抗震验算1、截面抗震验算 2、抗震变形验算 荷载效应组合及最不利内力 抗震结构延性要求和抗震等级,