第3章高层建筑结构的荷载2016

1、 第第3 3章章 高层建筑结构的荷载高层建筑结构的荷载与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构 1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构；）竖向荷载效应远大于多层建筑结构； 2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； 3）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。高层建筑结构主要承受高层建筑结构主要承受竖向荷载竖向荷载和和水平荷载水平荷载。1）竖向荷载）竖向荷载2）水平荷载）水平荷载恒荷载恒荷载活荷载活荷载风荷载风荷载地震作用地震作用高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载 空气

2、流动形成的风遇到建筑空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物物时，就在建筑物表面产生表面产生压力或吸力压力或吸力，这种风力作用，这种风力作用叫叫风荷载风荷载。1q2q迎风面迎风面压力压力背风面背风面吸力吸力浮力浮力因此，高层建筑因此，高层建筑中一般不设外伸中一般不设外伸构件。构件。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 一、沪环球金融中心建筑装风阻尼器一、沪环球金融中心建筑装风阻尼器 上海环球上海环球金融中心金融中心位于上海位于上海浦东陆家浦东陆家（492m）。）。 该工程上海环球金融中心在该工程上海环球金融中心在

3、90层（地上层（地上395米）设置米）设置2台重台重约约150吨的配重物体风阻尼器，可抗吨的配重物体风阻尼器，可抗12级以上台风。通过引入风级以上台风。通过引入风阻尼器，将能使强风时加在建筑物上的加速度（重力）降低阻尼器，将能使强风时加在建筑物上的加速度（重力）降低40%左右。另外，风阻尼器也可以降低强震对建筑物，尤其是左右。另外，风阻尼器也可以降低强震对建筑物，尤其是建筑物顶部的冲击。建筑物顶部的冲击。 二、台湾二、台湾101101大楼装风阻尼器大楼装风阻尼器 “台湾台湾101金金融大楼融大楼”位于位于台北信义计划台北信义计划区，这座达区，这座达508米高的建米高的建筑物将超过美筑物将超过美

4、国芝加哥的西国芝加哥的西尔斯大楼，成尔斯大楼，成全球最高的建全球最高的建筑物。筑物。 大楼楼顶内部用钢缆悬着一颗重大楼楼顶内部用钢缆悬着一颗重660吨、直径吨、直径5.5米的巨球，米的巨球，巨球位于巨球位于88楼，这是世界最大、最重、唯一外露可供参观的风楼，这是世界最大、最重、唯一外露可供参观的风阻尼器，它是通过巨大钢球的摆动来减缓建筑物的晃幅。造价阻尼器，它是通过巨大钢球的摆动来减缓建筑物的晃幅。造价新台币一亿三千两百万元新台币一亿三千两百万元(人民币约人民币约2640万元万元)。3.1.1 风荷载标准值风荷载标准值kw 风荷载作用面积 ：垂直于风向的最大投影面积垂直于风向的最大投影面积 1

5、. 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0wzszkzs0wzLHHLA 3.1.1 风荷载标准值风荷载标准值kw1 1、基本风压、基本风压 我国我国荷载规范荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上面上离地离地 10m10m高，统计所得的高，统计所得的 50 50 年一遇年一遇 10 10 分钟平均最大风速分钟平均最大风速v v0 0（m/sm/s）为标准，）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于按风速确定的风压值，但不得小于 0.3kN/m0.3kN/m2 2。特别重要的高层建筑，取特别重要的高层

6、建筑，取100100年。年。0w全国基本风压分布图（全国基本风压分布图（kN/m2）无人区未予记录无人区未予记录0.800.900.900.60风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示，即风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示，即2、风压高度变化系数、风压高度变化系数 风速大小与高度有关，一般风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大风速逐步加大。当达到一定高度时（。当达到一定高度时（300300500m500m），风速不受地），风速不受地表影响，达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗糙程度表影响，达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗糙程度有关

7、。有关。 zHzvHzHHv分别为标准高度（例如10m）及该处的平均风速；地面粗糙度系数；地表粗糙程度愈大， 值则愈大； 梯度风梯度风海洋乡村城市70799110049597690100617789100梯度风离地高度（m）风压高度变化系数：为某类地表上空高度处的风压与基本风风压高度变化系数：为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。 现行规范将现行规范将地面粗糙程度分为四类：地面粗糙程度分为四类： A A类类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B B类类指田野、乡村、丛林、丘

8、陵以及房屋比较稀疏指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；的乡镇和城市郊区； C C类类指有密集建筑群的城市市区；指有密集建筑群的城市市区； D D类类指密集建筑群且房屋较高的城市市区。指密集建筑群且房屋较高的城市市区。 3、风荷载体型系数、风荷载体型系数 1）定义：）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力所引起的压力(吸力吸力)与原始风速算得的理论风压的比与原始风速算得的理论风压的比值。值。 2）特点：）特点：风荷载体型系数一般都是通过实测或风风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风

9、洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型体型与尺度与尺度有关。有关。s 迎风面的风压力在建筑物的迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大中间偏上为最大，两边两边及底下最小及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；不均匀；背风面一般两边略大，中间小背风面一般两边略大，中间小。+0.8-0.7-0.7-0.5+0.8+0.4+0.4-0.7-0.7-0.5-0.5-0.5+0.8-0.500-0.5-0.53）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验）风荷

10、载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验（2 2）群体风压体型系数）群体风压体型系数对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。高层规程高层规程规定，当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，规定，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。一宜考虑风力相互干扰的群体效应。一般可将单体建筑的体型系般可将单体建筑的体型系数乘以相互干扰增大系数数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料，该系数可参考类似条

11、件的试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。确定，必要时宜通过风洞试验确定。（3 3）局部风压体型系数）局部风压体型系数在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用局部风荷载体型系数，用于局部风荷载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度构件连接强度。檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于2.02.0。设计建筑幕。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。墙时，应按有关的标准规定采用

12、。 (1)风洞试验目的 结构抗风研究与设计时需要结构的体形系数和风振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。在实际中，常采用风洞试验来准确获得体形复杂结构的体型系数和风振系数。 (2)模拟方法 自然形成法和人工形成法。（1）自然形成法：在均匀粗糙壁上自然形成模拟的大气边界层，所需试验段非常长，一般要求20米以上，而且通常还需加上一定的人工紊流装置，目前很少采用。（2）人工形成法：当前国际上主要采用的大气边界层模拟方法。方法有：曲网法、棍栅法、曲线切面蜂窝法、1/4椭圆尖劈+挡板+粗糙元法、大孔眼格网法、尖塔旋涡发生器法和孔板速度车法。 TJ-2 ：实验段高2.5 米宽3.0米长15m ，风速

13、367 米/秒。国内主要风洞TJ-3 ：实验段：实验段 2.0 米高米高15米宽米宽 15米长米长 ，风速，风速0.517 米米/秒。秒。 4、风振系数、风振系数 ）风速特点：）风速特点：风速的变化可分为两部分：一种是风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分长周期的成分，其值一般在，其值一般在10min以上；另一种是以上；另一种是短周期成分短周期成分，一般只有几秒左右。因此，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风平均风（稳定风）和脉动风两两部分。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影部分。稳定风周期长，对结构影

14、响小；脉动风周期短，对结构影响大。响大。z）风的动力效应：）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中建筑，脉动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑，目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力必须考虑，目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应，即对效应，即对风压值乘以风振系数风压值乘以风振系数。 对于基本自振周期对于基本自振周期T T1 1大于大于0.25s0.25s的工程结构，以及的工程结构，以及高度大于高度大于30m30m且高宽比大于且高宽比大于1.51.5的高柔房屋均应考虑脉的高柔房屋均应考虑脉动风压对结

15、构产生的风振影响。动风压对结构产生的风振影响。2）计算：）计算： 对于基本自振周期对于基本自振周期T T1 1大于大于0.25s0.25s的工程结构，以及的工程结构，以及高度大于高度大于30m30m且高宽比大于且高宽比大于1.51.5的高柔房屋均应考虑脉动的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。风压对结构产生的风振影响。2）计算：）计算：3.1.2 总风荷载总风荷载 总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。沿建筑物高度变化的线荷载。 z高度处的总风荷载标准值按下式计算：高度处的总风荷载标准值按下式计算：Wz1Wz

16、2Wz3Wz4总风载计算步骤总风载计算步骤总风载计算步骤总风载计算步骤（kN)例例 题题 -0.5-0.5第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 一高层钢筋混凝土结构，平面形状为正六边形，边长为20m。房屋共20层，除底层层高为5m外，其余层高为3.6m。该房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地区的基本风压20/7 . 0mkNw 地面粗糙度为C类。试计算各楼层处与风向一致方向总的风荷载标准值。风向解1 确定体形系数0-0.5+0.8-0.50-0.5 60该房屋共有6个面，查表得到各个面的风荷载体形系数，如图所示，不为零的4个面分别用表示。20m第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 2

17、计算各层的风压高度系数近似假定室内外地面相同，则二层楼面离室外地面高度为5m，查表，对于C类地面粗糙度，74. 0z同理可求得其余各层楼面标高处的风压高度系数。3 计算风振系数zzz101. 12 . 17 . 02210Tw查表386. 1房屋高宽比H/B=(5+3.619)/34.64=2.1，查表，485. 0对于质量和刚度沿高度比较均匀的房屋，结构振型系数可以取4 .73/zHzz对于C类地面，乘0.62根据0.621.01=0.63第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 4 计算各个面不同高度的分布风荷载0wwzsziz5 计算各个面各楼层处的集中风荷载顶层中间层底层iziziziz

18、jizwwwwhBW)2/6 . 3(206 . 3202/ )6 . 35(206 计算各楼层处总的风荷载60cos2321zzzzWWWW第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 izwizW层数HI(m)zzz面面面面面面zW150.740.071.060.440.280.2837.9023.6923.6985.2928.60.760.290.2933.0920.6820.6874.45312.20.780.300.3034.4421.5321.5377.50415.80.710.320.3236.6122.8822.

19、8882.36519.40.840.261.210.570.360.3640.9225.5725.5792.066230.890.311.230.620.380.3844.2927.6827.6899.65726.60.950.361.250.670.420.4248.0630.0430.04108.14830.210.411.280.710.450.4551.4332.1532.15115.72933.81.050.461.290.760.480.4854.8034.2534.25123.311011.310.810.500.5058.1736.3636.36130.89

20、11411.140.561.330.850.530.5361.1438.2138.21137.57111.340.900.560.5664.5140.3240.32145.161361.360.940.590.5967.4842.1842.18151.831451.81.270.711.380.980.610.6170.4544.0344.03158.511551.391.010.630.6372.7445.4645.46163.6716591.340.81.401.050.660.6675.7147.3247.32170.35

21、1762.61.380.851.411.090.680.6878.6849.1749.17177.031866.21.410.91.431.130.710.7181.2450.7850.78182.801969.81.450.951.441.170.730.7384.2152.6352.63189.482073.41.4811.451.210.750.7543.3927.1227.1297.62风荷载计算结果第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 3.2.1地震作用的性质地震反应：地震振动使工程结构产生内力 和变形的动态反应。 即：结构由于地震激发引起的振动，在结构中产生随时间变化的位移、速度

22、、加速度、内力和变形等 地震作用：结构上的质量因加速度的存在而产生的惯性力。第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 众值烈度：建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最高的烈度。其超越概率为63.2%，重现期为50年。罕遇烈度：建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率2%-3%的地震烈度。也称为大震烈度，重现期约为2000年。第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 3.2.2三水准的抗震设防准则三水准的抗震设防准则 具体通过具体通过“三水准三水准”的抗震设防要求和的抗震设防要求和“两阶段两阶段”的抗震设计方法实现。的抗震设计方法实现。 “三水准三水准”抗震设防目标抗震设防目标：

23、（1）第一水准第一水准：在遭受：在遭受低于低于本地区设防烈度的本地区设防烈度的多多遇地震遇地震影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用。可继续使用。 小震不坏小震不坏，结构处于弹性工作阶段，结构处于弹性工作阶段第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 （2）第二水准第二水准：在遭受本地区：在遭受本地区规定规定的的设防设防烈度烈度的地震影响时，建筑物可能有损坏，的地震影响时，建筑物可能有损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。经一般修理或不需修理仍可继续使用。 中震可修中震可修，允许结构进入非弹性工作，允许结构进入非弹性工作阶段，阶段， 但由此造成的结构损

24、坏可控。但由此造成的结构损坏可控。 （3）第三水准：第三水准：当遭受当遭受高于高于本地区设防烈本地区设防烈度的度的预估罕遇地震预估罕遇地震影响时，建筑物不致倒影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。塌或发生危及生命的严重破坏。 大震不倒大震不倒，结构有较大的非弹性变形，结构有较大的非弹性变形第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第一阶段设计第一阶段设计： 多遇地震多遇地震作用下承载力验算作用下承载力验算小震不坏小震不坏 弹性变形验算弹性变形验算中震可修。中震可修。 合理的结构布置和抗震构造措施合理的结构布置和抗震构造措施大震不倒大震不倒 第二阶段设计第二阶段设计： 罕遇地震下弹塑性变

25、形验算罕遇地震下弹塑性变形验算大震不倒大震不倒 针对特别重要的建筑、地震易倒塌的建筑、针对特别重要的建筑、地震易倒塌的建筑、有明显有明显 薄弱层的建筑，不规则的建筑等薄弱层的建筑，不规则的建筑等第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 集中质量法：把结构的全部质量假想地集中到若干质点，结构杆件本身则看成无重弹性直杆.3.2.3单自由度体系水平地震作用第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章

26、高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 反应谱曲线受多种因素影响反应谱曲线受多种因素影响(a) 场地条件对谱曲线的影响 (b) 震级与震中距对 谱曲线的影响第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 为方便工程抗震的设计，一般采用，并加以规则平滑后具有地震反应谱的形式，称为标准反应谱。周 期 （）第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 抗震规范就是以地震影响系数 (T)作为设计反应谱。设计反应谱应根据、和及确定。地震影响系数曲线第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 第 3章 高层建筑结构的荷