高层建筑结构设计-2荷载及设计要求

1、第二章第二章 荷载及设计要求荷载及设计要求 2.1 风荷载风荷载 1 单位面积上的风荷载值单位面积上的风荷载值 计算公式：计算公式： 0 ww zszk wk为垂直建筑表面上的单位面积风压值，单位为为垂直建筑表面上的单位面积风压值，单位为kN/m2 高度系数高度系数 z 根据高度和根据高度和粗糙度粗糙度查表。查表。 地面粗糙度分地面粗糙度分ABCD三类。三类。 )/(1600/ 22 00 mkNvw w0为基本风压，离地为基本风压，离地10m高、高、50年重现期年重现期、10min平均平均 风速计算得到，风速计算得到， 按规范查表获得。按规范查表获得。 B级和特别重要高层建筑的基本风压应乘级

2、和特别重要高层建筑的基本风压应乘1.1系数。系数。 取决建筑的平面形状：圆形、椭圆形取取决建筑的平面形状：圆形、椭圆形取0.8； 正多边形取正多边形取 n s /2 . 18 . 0 H/B不大于不大于4的矩形、方形、十字形取：的矩形、方形、十字形取：1.3 其余取：其余取：1.4 对檐口、雨篷、遮阳板、阳台等，计算局部上浮风载时檐口、雨篷、遮阳板、阳台等，计算局部上浮风载时 取：取：-2.0 体型系数体型系数s 风振系数风振系数 z 考虑风的动力效应考虑风的动力效应 公式公式： z z z v 1 2 总风荷载与局部风荷载总风荷载与局部风荷载 )coscoscos( 2221110nnsns

3、szzz BBBwW Wz 总风荷载标准值在总风荷载标准值在z高度上的线荷载高度上的线荷载 （kN/m），）， 转化成集中荷载还须乘层高（分段高度）转化成集中荷载还须乘层高（分段高度） 脉动增大系数，与脉动增大系数，与w0、T1有关，有关，T2-4 V 脉动影响系数，脉动影响系数，T2-5 振型系数，当框架、剪力墙起主要作用时，振型系数，当框架、剪力墙起主要作用时，T2-3 z 0.7 48. 0 57. 186.36/58/ BH 16.29)696. 0( )( zz izzizzz wwW 2.2 地震作用特点和抗震设计地震作用特点和抗震设计 1 地震作用特点地震作用特点 地震作用方向：

4、水平与竖向地震作用方向：水平与竖向 地震反应：位移、速度、加速度地震反应：位移、速度、加速度 影响地震作用的因素：地震强度、作用时间、频谱特影响地震作用的因素：地震强度、作用时间、频谱特 性、场地土性质、建筑物的动力特性性、场地土性质、建筑物的动力特性 2 抗震设计目标及方法抗震设计目标及方法 三水准抗震目标三水准抗震目标 小震作用下，结构将维持弹性状态，保持正常使小震作用下，结构将维持弹性状态，保持正常使 用用小震不坏小震不坏 中等地震作用下，局部进入塑性状态，但不允许破中等地震作用下，局部进入塑性状态，但不允许破 坏，震后经修复可以重新使用坏，震后经修复可以重新使用中震可修中震可修 强烈作

5、用地震下，应保持结构不倒塌强烈作用地震下，应保持结构不倒塌大震不倒大震不倒 小震：多遇烈度，众值烈度小震：多遇烈度，众值烈度 中震：设防烈度，超越概率中震：设防烈度，超越概率10- 14% 大震：罕遇烈度，超越概率大震：罕遇烈度，超越概率 13% 抗震设计内容：抗震设计内容：抗震概念设计、抗震计算及抗震构造设计抗震概念设计、抗震计算及抗震构造设计 根据概念、经验的判断采取根据概念、经验的判断采取 的抗震措施，贯穿于设计全的抗震措施，贯穿于设计全 过程过程 估算地震反应，保证结构有足够的强度和估算地震反应，保证结构有足够的强度和 刚度，刚度，6度及以上地区均应进行度及以上地区均应进行 小震作用下

6、，按反应谱理小震作用下，按反应谱理 论计算地震作用，用弹性论计算地震作用，用弹性 方法算内力，极限状态法方法算内力，极限状态法 设计构件设计构件 大震作用下，弹塑大震作用下，弹塑 性位移验算性位移验算 采用构造措施保证结构的延性，以满足设防采用构造措施保证结构的延性，以满足设防 烈度（中震）可修的要求，也要实现大震不烈度（中震）可修的要求，也要实现大震不 倒的目标倒的目标 2.3 反应谱方法计算等效地震作用反应谱方法计算等效地震作用 1 设计反应谱曲线设计反应谱曲线 反应谱：位移、速度、加速度与结构自振周期反应谱：位移、速度、加速度与结构自振周期T的关系的关系 单质点体系的运动方程单质点体系的

7、运动方程 0 xmkxxcxm 位移、速度、加速度反应的最大值：位移、速度、加速度反应的最大值：sd、sv、sa 根据牛顿定律，得质点的最大惯性力为根据牛顿定律，得质点的最大惯性力为: GGkmg x S g x mSF a a max0 max0 地震影响系数地震影响系数 动力系数动力系数 k地震系数地震系数 当阻尼比为当阻尼比为0.05时，时，2=1.0 =0.9 1 1=0.02=0.02 当阻尼比不等于当阻尼比不等于0.05时时 8/)05.0(02.0 55.0 05.0 9.0 7.106.0 05.0 1 1 2 ( 0.55） 2 设计反应谱曲线设计反应谱曲线 由由255条地震

8、记录计算得到（新规范）条地震记录计算得到（新规范） 2 等效地震荷载计算方法等效地震荷载计算方法 反应谱底部剪力法反应谱底部剪力法 适合于适合于H40m，沿高度方向质量、刚度均匀，以第一，沿高度方向质量、刚度均匀，以第一 振型为主的结构振型为主的结构 i iE Eeq eqEk GG GG GF 85. 0 1 顶部附加地震作用系数 n Eknn nEk n j jj ii i FF F HG HG F )1 ( 1 反应谱振型组合法反应谱振型组合法 平面分析平面分析 n i iji n i ijij ijijjji GXGX GXF 1 2 1 / ji X j j振型振型i质点的水平相对位

9、移质点的水平相对位移 j振型的参与系数振型的参与系数 结构第结构第j振型振型i质点的地震作用质点的地震作用 水平地震水平地震效应效应（弯矩、剪力、轴力和位移）（弯矩、剪力、轴力和位移） n j j SS 1 2 Sjj振型水平地震作用振型水平地震作用效应效应 空间方法（耦联分析）空间方法（耦联分析） 按扭转耦联振型分解法计算时，每个楼层取两个正交按扭转耦联振型分解法计算时，每个楼层取两个正交 位移和一个转角三个自由度计算位移和一个转角三个自由度计算 结构第结构第j振型振型i质点的地震作用质点的地震作用 ijiitjjtji ijitjjyji ijitjjxji GrF GYF GXF 2 j

10、i X ji Y ji j振型振型i层的相对水平位移层的相对水平位移 和转角和转角 rii层的转动半径层的转动半径 tj 计入扭转的计入扭转的j振型的参与系数振型的参与系数 当仅考虑当仅考虑x方向地震作用时：方向地震作用时： n i iijijiji n i iji xjtj GrYX GX 1 2222 1 )( 当仅考虑当仅考虑y方向地震作用时：方向地震作用时： n i iijijiji n i iji yjtj GrYX Gy 1 2222 1 )( 当考虑与当考虑与x方向有夹角方向有夹角 的地震作用时：的地震作用时： sincos yjxjtj 单向地震作用下，考虑扭转的地震作用单向地

11、震作用下，考虑扭转的地震作用效应效应： TTkjT TTkj jk m j m k kjjk SSS 222 5 . 1 11 )1(4)1( )1(8 kj j、k振型的阻尼比振型的阻尼比 jk j振型与振型与k振型的耦联系振型的耦联系 数数 T k振型与振型与j振型的自振周振型的自振周 期比期比 双向地震作用下，考虑扭转的地震作用双向地震作用下，考虑扭转的地震作用效应效应： 22 22 )85. 0( )85. 0( xy yx SSS SSS 或或 规范规定：由地震作用产生的各楼层的水平剪力应规范规定：由地震作用产生的各楼层的水平剪力应 满足满足 系数系数弱层，乘弱层，乘对竖向不规则结构

12、的薄对竖向不规则结构的薄 其余插值其余插值 15. 1 5.0s 0.040 0.024 0.012 3.5s 0.064 0.032 0.016 9 8 7 : T GV n ij jEKi 3 反应谱法的优缺点反应谱法的优缺点 优点：优点： 考虑了地面运动的强弱、场地土性质、结构动力考虑了地面运动的强弱、场地土性质、结构动力 特性，计算简单，按静力方法设计，表示地震作特性，计算简单，按静力方法设计，表示地震作 用下的不利内力用下的不利内力 缺点缺点： 1）未考虑地面速度、持续时间的影响）未考虑地面速度、持续时间的影响 2）为考虑结构的弹塑性性能）为考虑结构的弹塑性性能 3）反应谱是从单质点

13、中得到的，不能完全反应）反应谱是从单质点中得到的，不能完全反应 多质点的情况多质点的情况 4）最大惯性力不一定是结构最危险的状态）最大惯性力不一定是结构最危险的状态 2.4 结构自振周期和振型的计算结构自振周期和振型的计算 1 刚度法求多自由度体系的周期和振型刚度法求多自由度体系的周期和振型 结构的自由振动微分方程结构的自由振动微分方程 nn x x x x x x x x xKxM 0 2 1 2 1 21 22221 11211 2 1 nnnn n n n kkk kkk kkk K m m m M 设解答为：设解答为： )sin(tXx 得：得： 0)( 2 XMk 为有非零解，必须为

14、有非零解，必须 0 2 MK 频率方程频率方程 频率即为频率即为n个根个根 n 、 21 对应的周期为对应的周期为 nn TTT/2/2/2 2211 、 振型为振型为 )2()2()1( xxx、 平面振型平面振型 每个质点仅有一个自由度每个质点仅有一个自由度x，质量矩阵中，质量矩阵中 的元素为楼层质量，刚度矩阵须在杆单元刚度矩阵的的元素为楼层质量，刚度矩阵须在杆单元刚度矩阵的 基础上缩聚基础上缩聚 空间振型空间振型 每个质点有三个自由度每个质点有三个自由度 n n n n n n I m m I m m I m m y x y x y x x 2 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1

15、 M 2 kki rmI 2 周期的近似计算周期的近似计算 基本自振周期基本自振周期可用手算的近似方法可用手算的近似方法 顶点位移法顶点位移法 T T 0 1 7 . 1 1.0 0.80.7- 0.70.6 0 剪力墙剪力墙剪剪框框 框架框架基本周期的折减系数基本周期的折减系数 移；移；楼层所得的结构顶点位楼层所得的结构顶点位水平作用在水平作用在 集中在各楼层的重量集中在各楼层的重量结构顶点假想侧移，把结构顶点假想侧移，把 iGi T 步骤：将各楼层的重量步骤：将各楼层的重量Gi作为作为 第第i层的水平荷载，求出顶点层的水平荷载，求出顶点 位移位移 ，即得基本周期，即得基本周期 n 注意：注

16、意： 的单位为的单位为 m n 能量法能量法 n i ii n i ii Gg G T 1 1 2 01 2 两种方法均适用于以剪切变形两种方法均适用于以剪切变形 为主的框架结构为主的框架结构 框架框架-剪力墙结构的周期剪力墙结构的周期 H G w gEI w HT i jj 2 3 理论计算周期的修正理论计算周期的修正 理论计算简图和结构刚度与实际情况难以完全吻理论计算简图和结构刚度与实际情况难以完全吻 合，将对周期产生影响，因此需要修正合，将对周期产生影响，因此需要修正 理论计算时一般只考虑主体结构的刚度，忽略了理论计算时一般只考虑主体结构的刚度，忽略了 非主体结构，周期非主体结构，周期偏

17、长偏长，会导致地震荷载会导致地震荷载偏小偏小。 修正系数：修正系数： 框架结构框架结构 框架框架-剪力墙结构剪力墙结构 剪力墙结构剪力墙结构 0 . 1 8 . 07 . 0 7 . 06 . 0 0 0 0 周期随刚度增加而减少周期随刚度增加而减少 4 计算结构周期的经验公式计算结构周期的经验公式 经验公式根据实测结构自振周期回归得到经验公式根据实测结构自振周期回归得到 实测周期的方法实测周期的方法：脉动法、激震法、强振记录脉动法、激震法、强振记录 地震烈度不同、激振力不同实测的周期会发生变化地震烈度不同、激振力不同实测的周期会发生变化 经验公式经验公式： 框架、框架框架、框架-剪力墙结构剪

18、力墙结构 NT B H T )09. 007. 0( 00069. 033. 0 1 3 2 1 剪力墙结构剪力墙结构 3 1 038. 004. 0 B H T NT NT NT NT 05. 0 06. 0 04. 0 054. 0 1 1 1 1 纵 横 纵 横横墙间距较密时横墙间距较密时 横墙间距较疏时横墙间距较疏时 高振型周期高振型周期 16. 0 33. 0 1 2 1 2 T T T T 当为剪切型振动时当为剪切型振动时 当为弯曲型振动时当为弯曲型振动时 当为弯剪型振动时，介于上二式之间当为弯剪型振动时，介于上二式之间 2.5 荷载效应组合及设计要求荷载效应组合及设计要求 1 荷

19、载效应组合荷载效应组合 无地震作用组合无地震作用组合 WKWWKQQ K GG SSSS 11 有地震作用组合有地震作用组合 WKWWEvKEvEhKEhGEG SSSSS 重力荷载代表值：重力荷载代表值：100%自重标准值，自重标准值，50%雪载标准雪载标准 值，值，5080%楼面活荷载（书库档案库中取楼面活荷载（书库档案库中取80%） 2 设计要求设计要求 RE E E R S RS 0不考虑地震作用的组合内力不考虑地震作用的组合内力 考虑地震作用的组合内力考虑地震作用的组合内力 承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数RE hh 层间相对位移层间相对位移 舒适度要求：舒适度要求：H150m，

20、顺风向或横风向顶点最大，顺风向或横风向顶点最大 加速度不超过加速度不超过T2-15。 H150m，T2-4 H250m，取，取1/500 150H250m，插值，插值 将结构根据设防烈度、结构类型及结构高度划将结构根据设防烈度、结构类型及结构高度划 分分延性等级延性等级，采取不同的构造措施，采取不同的构造措施 在中等强度地震作用下，允许结构的某些部位进在中等强度地震作用下，允许结构的某些部位进 入屈服状态，形成塑性铰，结构在塑性变形的过入屈服状态，形成塑性铰，结构在塑性变形的过 程中耗散地震能。结构发生塑性变形而不破坏的程中耗散地震能。结构发生塑性变形而不破坏的 能力称为能力称为延性延性。 延性等级分为特一级、一级、二级、三级、四级。延性等级分为特一级、一级、二级、三级、四级。 查表前，需先调整设防烈度，查表查表前，需先调整设防烈度，查表T2-17。 乙类建筑乙类建筑-类场地土提高类场地土提高1 1度度 丙类建筑丙类建筑类场地土降低类场地土降低1 1度度 罕遇地震作用下弹塑性层间位