高层课件4 第三章荷载与地震作用

1、深圳大学深圳大学 土木工程学院土木工程学院3.1 高层建筑结构上的作用类型高层建筑结构上的作用类型3.2 恒载恒载3.3 楼面活荷载楼面活荷载3.4 屋面活荷载屋面活荷载3.5 雪荷载雪荷载3.6 风荷载风荷载3.7 地震作用地震作用恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件及其装修的设计尺寸和材料单位体积或面积的自重计算确定。楼面活荷载（注意折减） 1）高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按荷载规范的规定取用。 2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，楼面活

2、荷载的折减可在构件内力组合时取用。 1）屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按荷载规范的规定取用。 2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载；不宜小于5kN/m2。（1）雪荷载计算0ssrk S0为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得 50 年一遇最大积雪的自重确定。按荷载规范取用；r为屋面积雪分布系数，可按荷载规范取用。 （2）雪荷载的组合值系数可取 0.7；频遇值系数可取 0.6；准永久值系数按雪荷载分区、和的不同，分别取 0.5、0.2 和 0。 （3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。 空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风，与建筑物有关的是

3、靠近地面的流动风，简称为近地风。 当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的风荷载。 风 荷 载风 荷 载标 准标 准值值标准地标准地貌貌标准风标准风速速风向风向风的动风的动力作力作用用建筑外建筑外型型建筑高建筑高度度 我国荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 10m高，统计所得的 50 年一遇 10 分钟平均最大风速v0（m/s）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于 0.3kN/m2。特别重要的高层建筑，取100年。平均风压和波动风压风压和风速关系20021vw 风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。当达到一定高度时（300500m）

4、，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有关。 z风速随高度变化规律地面粗糙度A类：近海面和海岛、海岸及沙漠地区，a=0.12，梯度风高度取300mB类：田野、乡村、丛林、乡镇、郊区，a=0.16，梯度风高度取350mC类：有密集建筑群的城市市区， a=0.22，梯度风高度取400mD类：有密集建筑群且房屋较高的大城市市区，a=0.30，梯度风高度取 450m（慎用）aHzHzvv 风速随高度变化规律aHzHzvv梯度风梯度风海洋乡村城市70799110049597690100617789100梯度风离地高度（m） 1）风压分布系数风压与体型的关系 2）定义：风荷载体

5、型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速算得的理论风压的比值。 3）特点：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压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度有关。4）风压的空间不均匀性5）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验+0.8-0.6-0.6(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2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2.0。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。）风速特点：风压的时间不均匀性风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在10min以上

6、；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风两部分。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影响大。）风的动力效应：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，即对风压值乘以风振系数。风振系数反映风荷载的动力作用，与建筑物的高度、高宽比、基本自振周期（刚度）及地面粗糙度有关3）风振系数计算：对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。210121zzgI BR 参数计算过程见教材p48-50页建筑物每个表面

7、的风荷载沿建筑物高度总风荷载izzizsiziikiizWwBwBWcos)(cos0isiiiwBWcos0izzzWW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。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。集中于楼层标高处的风荷载合力221iizihhWF目的：适应用“近似法”计算高层建筑结构的内力与变形，将分布于楼层的风荷载换算成三种典型水平荷载：顶点集中荷载、均布荷载和倒三角形荷载换算原则：弯矩等效两种方法：1.换算成二层楼面均布风载加倒三角形荷载2.全部换算成倒三角荷载212213HqHFHqkiikiikHFHq237.27.2级；级；6400多人死亡

8、、受伤3万多人近10万栋房屋被摧毁，另有10万余栋遭受不同程度的破坏；直接经济损失达1000亿美元。地震导致倾覆的城市高架地震导致倾覆的城市高架道路（道路（ 19691969年建成）年建成）日本日本Nishinomiya Nishinomiya 港口桥震落的桥跨港口桥震落的桥跨桥梁钢筋混凝土墩的剪切破坏桥梁钢筋混凝土墩的剪切破坏剪压破坏的槽形钢骨剪压破坏的槽形钢骨 钢筋混凝土柱钢筋混凝土柱槽形钢骨钢筋混凝土建筑结构中间层槽形钢骨钢筋混凝土建筑结构中间层 （第二层）的破坏（第二层）的破坏日本日本神户大地震对土木工程结构的破坏神户大地震对土木工程结构的破坏 地震破坏的公路地震破坏的公路7.7.9

9、9级；级；死亡人数达16403人，受伤人数达55863人，经济损失45亿美元。 为了省钱，近年兴建的建筑物没有抗震结构，使地震的伤亡加重。为了省钱，近年兴建的建筑物没有抗震结构，使地震的伤亡加重。座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁 伊兹米特市一楼房底层空旷，结构不合理，房屋整伊兹米特市一楼房底层空旷，结构不合理，房屋整体倾斜，二楼成了一楼体倾斜，二楼成了一楼 7.3级。全岛均感受到严重摇晃。共持续全岛均感受到严重摇晃。共持续102秒。台湾秒。台湾的台中县、南投县为主震央区域，受灾特别严重。台的台中县、南投县为主震央区域，受灾特别严重。台北县

10、、台北市、苗栗县、台中市、彰化县、云林县等北县、台北市、苗栗县、台中市、彰化县、云林县等地亦有严重灾情。人口死亡地亦有严重灾情。人口死亡2321名，伤名，伤8000余名伤，余名伤，有有40845栋房屋全倒、栋房屋全倒、41373栋半倒。损失近百亿美栋半倒。损失近百亿美元元 。 台湾南投县集集镇、原为供奉玄天上帝的武昌宫震后底层坍塌台湾南投县集集镇、原为供奉玄天上帝的武昌宫震后底层坍塌 台湾省玉林县多栋台湾省玉林县多栋7层住宿楼倾倒毁损层住宿楼倾倒毁损台中东势镇东势大桥断裂台中东势镇东势大桥断裂8.0级。汶川地震造成的直接经济损失8451亿元人民币。四川最严重，占到总损失的91.3%，甘肃占到总

11、损失的5.8%，陕西占总损失的2.9%。国家统计局将损失指标分三类，第一类是人员伤亡问题，第二类是财产损失问题，第三类是对自然环境的破坏问题。在财产损失中，房屋的损失很大，民房和城市居民住房的损失占总损失的27.4%。包括学校、医院和其他非住宅用房的损失占总损失的20.4%。另外还有基础设施，道路、桥梁和其他城市基础设施的损失，占到总损失的21.9%，这三类是损失比例比较大 凝固了的时间的，70%以上的损失是由这三方面造成的。 夷为平地夷为平地近距离房屋倒塌近距离房屋倒塌9.0级。日本警察厅指出，截至当地时间25日深夜11时，在强震及海啸重创日本东北部地区两周后，12都道县警方已确认有1010

12、2人遇难，17053人失踪，共计达27155万人。此外，在18个都道县内共计2777人受轻重伤。在建筑物损害方面，包括岩手县内约12600万栋全毁，总共约18800万栋全毁，若加上半毁或部分受损建筑物，则约高达13.81万栋。至于仍被迫在避难所栖身的灾民，17都县近2000个避难所收容约24.62万人，其中宫城县约86900万人、福岛县约86300万人、岩手县约43700万人。 美国风险分析业者AIR Worldwide表示，西太平洋9.0强震或会致保险损失金额高达近350亿美元，成为史上代价最昂贵灾难，这还未计入海啸造成的损失。这项数额几乎等同2010年全球保险业的全世界整体灾损金额，或会迫

13、使保险市场调高保费。 a、岩层的原始状态、岩层的原始状态b、受力发生弯曲、受力发生弯曲c、岩层破裂发生震动、岩层破裂发生震动地球板块运动地球板块运动 板块之间的相互作用力板块之间的相互作用力 地壳中岩层变形地壳中岩层变形 变形积聚超过岩石所能承受的程度变形积聚超过岩石所能承受的程度 岩体就会发生突然断裂或错动岩体就会发生突然断裂或错动 地震地震 震源震源：地球内部断层错动并引地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位起周围介质振动的部位 震中震中：震源正上方的地面位置震源正上方的地面位置 震中距震中距：地面某处至震中的水平距离地面某处至震中的水平距离 震源震源深度震 中等震线震中距震源深度震源深

14、度: 从震中到震源的距离从震中到震源的距离 震源深度在震源深度在70公里以内的地震为浅源地震公里以内的地震为浅源地震震源深度超过震源深度超过300公里的地震叫深源地震公里的地震叫深源地震震源深度介于震源深度介于70-300公里之间的地震为中源地震公里之间的地震为中源地震震中距在震中距在100公里公里-1000公里的称为近震公里的称为近震震中距超过震中距超过1000公里的称为远震公里的称为远震”。地震波地震波：地下岩体断裂，错动产生振动，并以波的形式从震源向外传播，地下岩体断裂，错动产生振动，并以波的形式从震源向外传播， 形成地震波形成地震波 地震波的组成：地震波的组成：体波体波：在地球内部在地

15、球内部 传播的波传播的波 面波面波：沿地球表面沿地球表面 传播的波传播的波 纵波纵波( (压缩波压缩波) )横波横波( (剪切波剪切波) )乐夫波乐夫波瑞雷波瑞雷波面波周期长，振幅大；比体波衰减慢，能传到很远的地方面波周期长，振幅大；比体波衰减慢，能传到很远的地方瑞雷波乐夫波压缩波剪切波横波周期较长，振幅较大横波周期较长，振幅较大地震震级地震震级 ：表示地震本身大小的一种度量；用周期表示地震本身大小的一种度量；用周期为为0.8s0.8s、阻尼系数为、阻尼系数为0.80.8和放大倍数为和放大倍数为28002800的标准的标准地震仪，在距震中地震仪，在距震中100km100km处记录的以微米为单位

16、的处记录的以微米为单位的最大水平地面位移最大水平地面位移A A的常用对数。的常用对数。近震震级近震震级M计算计算 ：M=logAM=logA 震级震级M与震源释放能量之间的关系与震源释放能量之间的关系 ：又称为里氏震级又称为里氏震级 式中式中 AA记录图上量得的以记录图上量得的以 m m为单位的最大水平位移；为单位的最大水平位移；logE=1.5M+11.8logE=1.5M+11.8地震烈度地震烈度：是指某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响是指某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响 的平均强弱程度的平均强弱程度 一般来说，距离震中近，烈度就高；距离震中越远，烈度也越低一般来说，

17、距离震中近，烈度就高；距离震中越远，烈度也越低 基本烈度基本烈度：指一个地区在一定时期（我国取指一个地区在一定时期（我国取5050年）内在一般场地年）内在一般场地 条件下按一定的概率（我国取条件下按一定的概率（我国取10%10%）可能遭遇到的最大地震烈度）可能遭遇到的最大地震烈度 1580 315 350 0 500sev250500sev140250sevsev140m5m5m35080m3等效剪切波速（m/s）场 地 类 型各类场地土的覆盖层厚度表：土层等效剪切波速场地覆盖层厚度场地类别确定根据：土层等效剪切波速seV nisiioseVddV1)/(/ 计算深度，取覆盖层厚度和20m两者

18、的较小值； 计算深度范围内土层的分层数； 第i层土的剪切波速； 第i层土的厚度。0dnsiVid剪切波速随深度递增的一般情况 适用于：当计算深度以下有明显的软弱土夹层时应适当提高场地类别计算 ：1d2d4d3d0d2sv3sv4sv1sv土的类型划分和剪切波速范围akf10层和高度30m以下的丙类建筑及丁类建筑 适用于：-由荷载试验等方法得到的地基土静承载力特征值对于不同用途建筑物的抗震设防，应根据其破坏后果加以区别对待对于不同用途建筑物的抗震设防，应根据其破坏后果加以区别对待甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑破坏会甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑

19、破坏会导致严重的后果导致严重的后果 ，其确定须经国家规定的批准权限批准；，其确定须经国家规定的批准权限批准；乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑；乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑；丙类建筑：一般建筑，包括除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与丙类建筑：一般建筑，包括除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与 民用建筑民用建筑丁类建筑：次要建筑，包括一般的仓库，人员较少的辅助建筑物等丁类建筑：次要建筑，包括一般的仓库，人员较少的辅助建筑物等我国我国建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范将建筑物按其用途的重要性为四类：将建筑物按其用途的重要性为四类：第一水准：当遭受低于本地区设防烈度

20、的第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震多遇地震 影响时，影响时， 建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；第二水准：当遭受相当于本地区第二水准：当遭受相当于本地区 设防烈度的地震设防烈度的地震 影响时，影响时， 建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的 罕遇地震罕遇地震 影响时，影响时， 建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。我国主要城镇中心地区的抗震设防烈度我国主要城镇

21、中心地区的抗震设防烈度 设计地震加速度值设计地震加速度值城镇的设计地震分组城镇的设计地震分组反映震源远近的影响反映震源远近的影响 我国采取我国采取6 6度起设防的方针，地震设防区面积约占国土面积的度起设防的方针，地震设防区面积约占国土面积的6060规范规定了：规范规定了：简化的两阶段设计方法简化的两阶段设计方法 ：第一阶段设计：按多遇地震烈度第一阶段设计：按多遇地震烈度 对应的地震作用效应对应的地震作用效应 和其它荷载效应的组合验算结构构件的和其它荷载效应的组合验算结构构件的 承载能力和结构的弹性变形承载能力和结构的弹性变形保证了第一水准的强度要求和变形要求保证了第一水准的强度要求和变形要求

22、第二阶段设计：按罕遇地震烈度第二阶段设计：按罕遇地震烈度 对应的地震作用效应验算结对应的地震作用效应验算结 构的弹塑性变形构的弹塑性变形保证结构满足第三水准的抗震设防要求保证结构满足第三水准的抗震设防要求目前一般认为，良好的抗震构造措施有助于实现第二水准目前一般认为，良好的抗震构造措施有助于实现第二水准底部剪力底部剪力法法振型分解振型分解反应普法反应普法时程分析时程分析法法高度不超过40m、以剪切变形为主、质量和刚度沿高度分布比较均匀的多自由度结构；近似于单质点体系的结构。先计算作用于结构的总水平地震作用，即作用于结构底部的剪力；将总水平地震作用按一定的规律在分配给各个质点。（1）结构的地震反

23、应可用第一振型反应表征； （2）结构的第一振型为线性倒三角形， 即任意质点的第一振型位移与其高度成正比图 结构简化第一振型结构总水平地震作用 1EkeqFG1相应于结构基本自振周期T1的水平地震影响系数。eqG结构等效总重力荷载代表值。Geq结构等效总重力荷载; Gi集中于质点i的重力荷载代表值； c等效系数。根据统计结果分析，其大小与结构的基本周期及场地条件有关。 当结构的基本周期小于0.75s时，可近似取0.85；对于单质点体系等于1.0。适用于用底部剪力法计算地震作用的结构的基本周期一般都小于0.75s，所以抗震规范规定对于多质点体系取c=0.85；对于单质点体系取c= 1.0。因此，多

24、质点体系的等效总重力荷载即为：1neqiiGcG10.85neqiiGGs25. 0gT9 . 055 . 005. 09 . 0s433. 0T1s202. 0T2s136. 0T30976. 016. 0433. 025. 09 . 0max9 . 011TTg16. 0max216. 0max3取决于场地类型、建筑物的自振周期和阻尼比等诸多因素；反映这些因素与的关系曲线称为反应普曲线。设计地震分组场地类别IIIIIIIV第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90表3.28特征周期值 Tg(s)max地震影响设防烈度6

25、789多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震-0.50（0.72）0.90（1.20）1.40表3.26水平地震影响系数最大值根据假定，振型为倒三角形时( )iiiF tG H1iiiEknjjjG HFFG H上述公式的建立基于使用了结构的基本周期和相应的基本振型，对于基本周期较低的结构，计算结果误差较小。因此公式适用于基本周期T11.4 Tg 的结构。对于周期较长（ T1 1.4 Tg ）时，需考虑高振型影响的结构，按上述公式计算的结果，结构顶部的地震剪力偏小，还需进行调整。 调整的方法是将结构总地震作用的一部分作为集中力作用于结构的顶部，再将余下的部分按

26、倒三角形分配给各质点。顶部附加的集中水平地震作用可表示为n 顶部附加地震作用系数；Fn 顶部附加水平地震作用。nnEkFF： 结构基本周期 g1T4 . 1T ，则需在结构顶部附加集中水平地震作用 EKFnnF结构顶部附加地震作用系数1.多层钢筋混凝土房屋和钢结构房屋按下表采用 n不考虑不考虑0.350.55)(sTg35. 055. 0gTT4 . 1107. 008. 01T01. 008. 01T02. 008. 01TgTT4 . 112.多层内框架砖房 2 . 0n3.其它房屋可不考虑 表3.291(1)iiiEknnjjjG HFFG H10.85neqiiGG1EkeqFG底部剪

27、力法适用于重量和刚度沿高度分布均比较均匀的结构当建筑物有局部突出屋面的小建筑时，该部分结构的重量和刚度突然变小，将产生鞭梢效应，即局部突出小建筑的地震反应有加剧的现象。 因此，按底部剪力法计算作用在小建筑上的地震作用，需乘以增大系数3 ；但是作用在小建筑上的地震作用向建筑主体传递时（或计算建筑主体的地震作用效应时），则不乘增大系数。如图结构为三层剪切型结构。s433. 0T1结构处于8度区（地震加速度为0.20g），I类场地第一组，结构阻尼比为0.05。试采用底部剪力法，求结构在多遇地震下的最大底部剪力和最大顶点位移。已知：解：查 表 3.28 (特征周期值表) 和 3.26 （水平地震影响系数最大值表）得：