第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用

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

2、 空气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，这种风力作用叫风荷载。叫风荷载。风的大小与风的大小与（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v“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

3、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 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嘴地区建嘴地区建设中的设中的101层超高层层超高层综合大厦综合大厦（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

4、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、.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

6、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，取特别重要的高层建筑，取100100年。年。0w 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。

7、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。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、

8、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

9、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中间偏上为最大，两边迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。不均匀；背风面一般两边略大，中间小。 3）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞

10、试验（）单体风压体型系数（）单体风压体型系数例例:+0.8-0.7-0.70.5 （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

11、参考类似条件的试验资料，该系数可参考类似条件的试验资料确定，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

12、标准规定采用。墙时，应按有关的标准规定采用。 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：一种是长周期的成分，其值一般在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；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。因此，以上；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

13、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，即对风压值乘以风振系数。效应，即对风压值乘以风振系数。 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的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。动风压对结构产生的风振影响。 2）计算：）计算：

14、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沿建筑物高度变化的线荷载。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：Wz1Wz2Wz3Wz4 例例 题题 -0.5-0.5 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+0.8-0.5

15、0-0.5 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 2 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 4 计算各个面不同高度的分布风荷载0w

16、wzsziz5 计算各个面各楼层处的集中风荷载顶层中间层底层izizizizjizwwwwhBW)2/6 . 3(206 . 3202/ )6 . 35(206 计算各楼层处总的风荷载60cos2321zzzzWWWW 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.

17、320.3236.6122.8822.8882.36519.40.840.261.210.570.360.3640.9225.5725.5792.066230.890.311.230.620.380.3844.2927.6827.6899.65726.60.950.361.250.670.420.4248.0630.0430.04108.14830.210.411.280.710.450.4551.4332.1532.15115.72933.81.050.461.290.760.480.4854.8034.2534.25123.311011.310.810.500.5058

18、.1736.3636.36130.8911411.140.561.330.850.530.5361.1438.2138.21137.57111.340.900.560.5664.5140.3240.32145.161361.360.940.590.5967.4842.1842.18151.831451.81.270.711.380.980.610.6170.4544.0344.03158.511551.391.010.630.6372.7445.4645.46163.6716591.340.81.401.050.660.6675.7147.3247.32170.351762.61.380.851.411.090.680.6878.6849.1749.17177.031866.21.410.91.431.130.710.7181.2450.7850.78182.801969.81.450.951.441.170.730.7384.2152.6352.63189.482073.41.4811.451