高层建筑结构设计电子教案第3章

1、第3讲第7周， 第3、4次课 年 月 日章、节名称第三章 荷载作用与结构设计原则 第一节 恒荷载及楼面活荷载的计算第二节 风荷载的计算第三节 地震作用的计算第四节 荷载效应组合第五节 结构简化计算原则第六节 抗震设计的一般原则教学目的与教学要求理解高层建筑结构体系及布置的基本概念，在水平荷载与结构计算简化原则中熟练掌握总风荷载和局部风载的计算，以及用反应谱方法计算等效地震作用的方法，理解地震作用两阶段设计的内容、方法及目的以及常遇地震、罕遇地震和设防烈度的关系，掌握结构自振周期计算的实用方法，理解结构计算的平面结构假定。教学重、难点风荷载的计算地震作用的计算教 学 方 法利用多媒体教学手段，结

2、合规范、图片和例题进行分析教学教 学 内 容第三章 荷载作用与结构设计原则 第一节 风荷载定义：空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力即建筑物所受的风荷载（风压）。是不规则动荷载，设计时看作为静荷载。风荷载的大小与下列因素有关：（1）近地风的性质、风速、风向（2）建筑物所在地的地藐及周围环境（3）自振周期、高度、体型、平面尺寸、表面状况计算公式：式中： 为风荷载标准值（ ）；（与建筑表面垂直，正为压力，负为吸力） z 为z高度处的风振系数； s 为风荷载体型系数； z 为风压高度变化系数； 为基本风压。1 基本风压计算公式：规定： 离地10m，50年一遇，10min平均最大

3、风速； 荷载规范给出的 值适用于普通多高层建筑； 特别重要的或较敏感的高层建筑可乘1.1 荆州 武汉 北京 厦门 乌鲁木齐 2 风压高度变化系数与离地高度和地面粗糙程度有关地面粗糙程度我国规范修订稿将地貌分成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。3 风载体型系数风压分布图分布规律一般多高层建筑结构风载体型系数可按附录1取值 4 风振系数波动风压对平均风压有放大作用计算公式：3.2.2 总风荷载和局部风荷载总风荷载： 建筑各个表面的风压与该面垂直 总风荷载作用

4、为建筑各表面风压沿风向投影 表面法线与风向夹角局部风荷载 角隅部分 悬挑构件第二节 地震作用的计算地震作用地震时，由于地震波的作用产生地面运动，并通过房屋基础影响上部结构，使结构强迫振动（水平、竖向，以水平为主），这就是地震作用。抗震设计目标： 小震不坏，中震可修，大震不倒 小震（低于本地区设防烈度的多遇地震）作用下，结构应维持在弹性状态，保证正常使用而不损坏；中等地震（本地区规定的设防烈度的地震）作用下，结构可以局部进入塑性状态，但结构不允许破坏，震后经修复可以重新使用；强烈地震（高于本地区设防烈度的预估罕遇地震）作用下，应保证结构不能倒塌。1 高层建筑结构按照重要性分类甲类建筑：重大建筑工

5、程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑（如核电站、三峡大坝）；计算烈度高于本地区抗震设防烈度要求，设防措施提高一度。乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑（供水、供电、通讯、交通、医疗等）；同度计算，高一度设防。丙类建筑物：除上述以外的一般高层建筑；同度计算，同度设防。2 按下列原则考虑地震作用：1）一般情况下，计算两个主轴方向的地震作用，并分别由该方向抗侧力构件承担。2）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，其他情况应计算单向地震作用下的扭转影响。3）有斜交抗侧力构件（角度大于15度）时应分别计算各抗侧力构件方向的地震作用。4）8度和9度的大跨

6、度和长悬臂结构以及9度时的高层建筑应考虑竖向地震作用。第三节 等效水平地震荷载计算方法 反应谱底部剪力法反应谱振型分解法时程分析法设计反应谱地震影响系数根据大量地震波加速度反应曲线，经过统计、平均、平滑处理，得到地震影响系数，作为设计反应谱。 为场地的特征周期，按下表查用； 为截面抗震验算的水平地震影响系数最大值，按下表查用；自振周期的简化计算方法：1） 假想顶点位移法（半经验半理论）： 以楼层重力荷载代表值Gi为楼层水平力，按照弹性刚度计算的顶点位移，单位为(m)顶点位移 层间位移周期折减系数（考虑砌体填充墙对结构刚度的贡献，计算周期变短，地震作用增大。） 框架结构： 框架剪力墙： 剪力墙结

7、构： 2）经验公式法（手算粗估）框架结构： T1=(0.080.1)n框架剪力墙结构：T1=(0.060.08)n剪力墙结构： T1=(0.040.06)n n楼层数1、底部剪力法适用范围：高度不超过40m，质量和刚度沿高度方向分布比较均匀，并以剪切变形为主（第一振型为主）的高层建筑。计算图形： 采用底部剪力法计算水平地震作用时，各楼层个仅考虑一个自由度，即只考虑第一振型。底部剪力法计算方法结构总水平地震作用的标准值顶部附加水平地震作用的标准值 各楼层地震作用的标准值 相应于结构基本自振周期T1的值； 结构等效总重力荷载代表值， 结构总重力荷载代表值， 第 层重力荷载代表值。 顶点附加荷载系数

8、 当 T11.4Tg时，按查下表当 T11.4Tg 时，取n=02 振型分解反应谱法 适用范围不符合底部剪力法适用条件的其他高层建筑，宜用振型分解反应谱法确定等效地震荷载及内力；对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦连振动影响的振型分解反应谱法（不介绍）。振型分解的概念振型：多自由度体系的多种振动型式称振型，通常n层结构（n个节点）的平面内振动可看成n个自由度，有n个振型，对应n个自振周期，如下图所示（振型曲线与竖杆的交点数等于振型的序数）。耦联与正交：复杂事物由多种因素组成（彼此交织，相互耦联），各因素之间若彼此独立、不相互依赖则称它们具有正交性。

9、由于多自由度体系的各主振型彼此之间具有正交特性，结构在地震作用下的复杂振动可分解（解藕）成为按各主振型独立振动的叠加。即利用标准反应谱分别计算结构在各自主振型下的地震效应，然后对各自振型下的地震效应进行组合，从而得到结构的整体地震效应。振型分解反应谱法计算方法：式中： 为第 j 振型 i 质点水平地震作用的标准值； 为相应于 j 振型自振周期Tj 的地震影响系数； 为第 j 振型i 质点的水平相对位移； 为第 j 振型的参与系数。计算水平地震作用效应（组合） 式中： S为水平地震作用效应（组合以后的弯矩、剪力、轴力和位移）； Sj为第 振型的水平地震作用效应弯矩、剪力、轴力和位移； m为参加组

10、合的振型数，一般情况下可 m=3，当建筑物较高，或结构沿竖向的刚度很不均匀时，宜 m=56。 理论上，分析时应采用全部振型；因前几个振型影响最大，实际工程中采用前几个振型叠加即可。且各振型的最大位移反应并不在同一时刻发生，故采用平方之和的平方根近似表示最大效应。3 时程分析法时程分析法（精确算法） 是由初始状态开始逐步积分直到地震终止，求出结构在地震作用下从静止到振动、直至振动终止整个过程的地震反应（位移、速度和加速度）。适用范围 79度设防的高层建筑，下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算： (1)甲类高层建筑结构 (2)刚度与质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构 (3)

11、表中所示的乙、丙类高层建筑结构4 突出屋面小塔楼的地震力小塔楼： 突出屋面的楼梯间、水箱等，一般12层，高度小体积小，小塔楼作为一个质点。鞭梢效应： 屋面塔楼的刚度和质量比主体结构小得多，受到经过主体建筑放大后的地震加速度作用，产生激励效应（内力和位移激增），形成显著的鞭梢效应。修正方法： 采用底部剪力法时，对于小塔楼质点作为一个质点参加计算，算得水平地震作用后再乘放大系数。 采用振型分解法时，宜选用6个以上振型，以考虑高阶振型的影响。 采用时程分析法，不必修正。例 题 下图为三层钢筋混凝土框架结构，各部分尺寸如图所示。各楼层重力荷载代表值为 ， ， ；场地土为III类，设防烈度为8度第一组，

12、多遇地震；现已算得前三个振型的自振周期为 ， ， ，振型分别如图（c）、（d）、（e）所示。试用振型分解反应谱法求该框架结构的层间地震剪力标准值。计算结果顶层第二层第一层5 竖向地震作用计算一般仅在9度地震设防区的建筑物中考虑，竖向地震作用会改变竖向构件的轴力。结构总竖向地震作用标准值结构等效总重力荷载代表值竖向地震影响系数最大值质点i竖向地震作用标准值第四节 荷载效应组合荷载效应组合无地震作用组合时： 无地震作用组合时的荷载总效应 永久荷载的荷载效应标准值； 楼面活荷载的荷载效应标准值； 风荷载的荷载效应标准值； 荷载分项系数； 活荷载和风荷载组合系数有地震作用组合时： 有地震作用组合时的荷

13、载总效应 重力荷载代表值产生的荷载效应标准值； 水平及竖向地震作用的荷载效应标准值； 风荷载的荷载效应标准值； 荷载分项系数； 风荷载组合系数荷载效应组合情况及分项系数荷载效应组合无地震作用组合时：有地震作用组合时：承载能力的验算不考虑地震作用的组合时结构重要性系数抗震承载力设计值无地震作用内力基本组合设计值考虑地震作用的组合时有地震作用内力基本组合设计值抗震承载力设计值承载力抗震调整系数第五节 结构简化计算原则1 弹性工作状态假定小震作用结构处于弹性工作阶段（不开裂）中震作用主体仍采用弹性工作阶段，对局部构件采用刚度折减方法允许进入塑性内力重分布（开裂）状态。大震作用结构已进入弹塑性阶段，多

14、处开裂破坏，刚度已难以给定，弹性方法计算内力已无意义，大震不倒由构造保证。2 平面抗侧力结构假定：一榀框架或一片墙在自身平面内刚度很大，可抵抗本身平面内的侧向力；平面外的刚度很小，可忽略，不抵抗平面外侧向力。3 刚性楼板假定：楼板平面内刚度无限大，平面外的刚度可忽略。刚性楼板将各平面抗侧力结构连接在一起共同承受侧向水平力。实质是同一层楼板上的所有点的水平位移一致，即梁、楼板没有轴向变形，楼板的这种作用称为“水平位移协调” 。结 论：由于楼板的“水平位移协调”作用，各抗侧力结构的抗力按其抗侧移刚度分配。无扭转时，同一楼层处的侧移都相等，称为平面协同计算(正交方向的抗侧单元不参加工作)有扭转时，侧

15、移分布成直线关系，称为空间协同计算(正交方向的抗侧力结构结构参加抵抗扭矩)。高层结构构件变形的影响构件有轴向、弯曲及剪切三种变形，相应刚度EA、EI及GA。弯曲变形是基本变形，抗弯刚度EI必须考虑。在高度较小的多高层结构中，柱轴向变形小，可忽略，因而视EA为无限大；在高度较大时忽略柱轴向变形会造成较大的误差；规范规定在高度超过50m、以及高宽比大于4的结构中，宜考虑柱轴向变形影响。一次加载：充分考虑永久竖向轴压变形的影响。（适于小高层）分层加载：考虑分层施工、分层找平对轴压变形的抵消作用。（适于高层）两者宜综合考虑长细比lh大于4的构件中剪切变形可忽略，GA无限大。3.7 抗震设计的一般原则（自学）1、地震时地面远动的特点2、结构的抗震性能3、合理的选择结构的刚度4、抗震设计的基本原则解 释在同样的地震作用下，弹塑性结构所受的等效地震力比弹性结构大大降低。因此，在设防烈度地震作用下，利用结