高层建筑设计理论第3章

1、第3章 荷载作用与结构计算分析 3.1 竖向荷载3.2 风荷载3.3 地震作用计算3.4 结构计算分析本章主要内容： 高层建筑结构在设计使用年限以内可能承受的主要作用有荷载和其他非荷载因素。荷载可以分为恒载和活荷载，活荷载又可以分为楼面活荷载、屋面活荷载、雪荷载和风荷载。非荷载因素主要有地震作用、温度作用和混凝土的收缩、徐变以及地震作用、温度作用等。高层建筑结构的主要作用3.1 竖向荷载 恒载 恒载包括结构构件(梁、板、柱、墙、支撑)和非结构构件(抹灰饰面材料、填充墙、吊顶等)的重量。这些重量的大小不随时间而改变，又称为永久荷载。材料自重标准值可参考建筑结构荷载规范(GB 50009-2012

2、)。楼面活荷载 高层建筑主要以民用为主。民用建筑楼面均布活荷载标准值可根据调查统计而得。我国建筑结构荷载规范(GB 50009-2012)规定的民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数屋面活荷载 屋面活荷载一般可按下述方法进行取值：1.房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载的标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于表3-3的规定。2屋面直升机停机坪荷载应按局部荷载考虑，或根据局部荷载换算为等效均布荷载考虑，其等效均布荷载不应低于5.0kN/m2。项次类 别标准值(kN/)组合值系数频遇值系数准永久值系数l不上人的屋顶0.50.70.50.02上

3、人的屋顶2.00.70.50.43屋顶花园3.00.70.60.54屋顶活动场地3.00.70.60.4表3-3 屋面均布活荷载的标准值及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数雪荷载屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算： 3.2 风荷载风对高层建筑结构作用的特点 由于气压变化引起大气运动，形成风。风对高层建筑结构的作用具有如下特点： 1.风力作用与建筑物的外形直接有关，圆形与正多边形受到风力较小，对抗风有利；相反，平面凹凸多变的复杂建筑物受到的风力较大，而且容易产生风力扭转作用，对抗风不利。 2.风力受建筑物周围环境影响较大，处于高层建筑群中的高层建筑，有时会出现受力更为不利的情况。例

4、如，由于不对称遮挡而使风力偏心产生扭转；相邻建筑物之间的狭缝风力增大，使建筑物产生扭转等等。在这些情况下要适当加大安全度。 3.风力作用具有静力作用与动力作用两重性质。 4.风力在建筑物表面的分布很不均匀，在角区和建筑物内收的局部区域，会产生较大的风力。 5.与地震作用相比，风力作用持续时间较长，其作用更接近于静力荷载。但对建筑物的作用期间出现较大风力的次数较多。 6.由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，对风力大小的估计要比地震作用大小的估计较为可靠，因而抗风设计也具有较大的可靠性。 空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物的表面产生压力或吸力，这种风力作用称为风荷载。 主体结构计算时，

5、垂直于建筑物表面的风荷载标准值应按下式计算，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。1. 高层建筑基本风压值我国建筑结构荷载规范给出了各地的基本风压值。是用各地区空旷平坦地面上离地10m高、统计30年重现期的10分钟平均风速（m/s）计算得到的。基本风压 =对于高层建筑，需要考虑重现期为50年的大风，对于特别重要或者有特殊要求的高层建筑，需要考虑重现期为100年的强风。因此要用基本风压值乘以系数1.1或1.2后，作为一般高层建筑及特别重要的高层建筑的基本风压值。对于安全等级为一级或对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时，应按100年重现期的风压值采用；正常使用极限状态可采用基本风压（50

6、年重现期）。见4.2.2条。第4.2.2条：基本风压应按照现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009 的规定采用。对于安全等级为一级的高层建筑以及对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按基本风压值的1.1倍采用。（强条）2、风压高度变化系数 风速大小不仅与高度有关，一般越靠近地面风速越小，愈向上风速越大，而且风速的变化与地貌及周围环境有直接关系。 我国建筑结构荷载规范地面粗糙度应分为四类：A类指近海海面和海岛、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的乡镇和城市郊区；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.高层建筑的风振系数z：空

7、气在流动时，风速、风向都在不停地改变。建筑物所受到的风荷载是不断波动的。可以把风压有稳定风压和脉动风压两部分。风压的波动周期一般较长，对一般建筑物影响不大，可以按静载来对待。但是，对于高度较大或刚度相对较小的高层建筑来讲，就不能忽视风压的动力效应。在设计中，用风振系数来考虑。单位面积风荷载标准值(1)当计算主要承重结构时 (2)当计算围护结构时基本风压 作用在建筑物上的风压力与风速有关，可表示为： 全国l0年、50年和l00年一遇的风压标准值可由建筑结构荷载规范(GB50009-2012)附表中查得。风压高度变化系数 风压的高度变化系数按建筑结构荷载规范(GB 50009-2012)查取。风荷

8、载体型系数 风力在建筑物表面上分布是很不均匀的，一般取决于其平面形状、立面体型和房屋高宽比。通常，在迎风面上产生风压力，侧风面和背风面产生风吸力(图3-7)。用体型系数来表示不同体型建筑物表面风力的大小。体型系数通常由建筑物的风压现场实测或由建筑物模型的风洞试验求得。风振系数 风振系数反映了风荷载的动力作用，它取决于建筑物的高宽比、基本自振周期及地面粗糙度类别。高层建筑结构当高度大于30m、高宽比大于l.5时，以及基本自振周期T1大于0.25S的各种高耸结构可按下式计算： 在上中 g-峰值因子，可取2.5； 为10m高度名义湍流强度，对应A、B、C和D地面粗糙度， 可分别取0.12、0.14、

9、0.23和0.39； R-为脉动风荷载的共振分量因子； -为脉动风荷载的背景分量因子。 阵风系数计算公式计算围护结构风荷载时采用的阵风系数可按表3-15确定。表3-15中的阵风系数是参考国外规范的取值水平，按式(3-26)计算确定： (3-26)其中A、B、C、D四类地面粗糙类别的截断高度分别为5m、10m、15m、30m，即对应的阵风系数不大于1.65、1.70、2.05和2.4。 舒适度对风振加速度的限制 风荷载作用下，高层建筑物在过大的振动加速度下将产生振动，使居住在高楼内的人们感觉不舒适，两者的关系如表3-19，其中g为重力加速度。 为了满足人们对舒适度的要求，建筑结构荷载规范(GB

10、500092012)规定的10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的顺风向和横风向振动最大加速度不应超过表3-10的限值。 风荷载换算风荷载换算图 倒三角形荷载最大值qk为 也可以将主体结构上楼面处的集中风荷载全部换算成倒三角形荷载，则 地震作用 3.3地震作用计算 地震的基本知识 1.地震、震源、震中和震中距 2.地震波、震级和地震烈度 高层建筑结构的抗震设防 1.高层建筑抗震设防分类 2.高层建筑的设防标准 3.高层建筑的抗震设防目标 新规定：高层建筑结构的地震作用计算应符合下列规定：1. 一般情况下，应至少在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15

11、时， 应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。2. 质量与刚度分布明显不对称的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。 3. 高层建筑中的大跨度、长悬臂结构，7度(0.15g)、8度抗震设计时应计入竖向地震作用。4. 9度抗震设计时应计算竖向地震作用。 本条增加了大跨度、长悬挑结构7度时也应考虑竖向地震作用的规定。大跨度指跨度大于24m的楼盖结构、跨度大于8m的转换结构、悬挑长度大于2m的悬挑结构。对高层建筑，由于竖向地震作用效应放大比较明显，因此增加抗震设防烈度为7度（0.15g）时也考虑竖向地震作用计算。大跨度、长悬臂结构应验算其自身及其支

12、承部位结构的竖向地震效应。 高层建筑抗震设防分类(1)甲类建筑 指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，须要进行特殊设防的建筑。(2)乙类建筑 指地震时使用功能不能中断或须尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，须要提高设防标准的建筑。例如：救护、医疗、广播、通讯等，但不是所有这类型的高层建筑均列人乙类，应根据城市防灾规划确定，或由有关部门批准确定。由于其重要性，乙类建筑要提高抗震措施的要求。 属于乙类建筑有以下高层建筑物： A)对国内、外广播的广播电台、电视台和节目传输中心、电视发射中心。通常指国家级、

13、省和直辖市级的广播电视中心； B)城市和长途通讯枢纽；重要的市电话局；国际无线电台； C)有200床位以上的医院病房楼、门诊楼。 (3)丙类建筑指大量的除1、2、4款以外按标准要求进行设防的建筑。(4)丁类建筑指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。 高层建筑的设防标准 各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求： (1)甲类建筑，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度采取抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 (2)乙类建筑，应按高于本地区抗震设

14、防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 (3)丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用。达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。 (4)丁类建筑，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。 高层建筑的抗震设防目标 我国建筑抗震设计规范对建筑结构采用“三水准、二阶段”方法作为抗震设防目标，其要求是：“

15、小震不坏，中震可修，大震不倒”。三水准的内容是： 第一水准：高层建筑在其使用期间，对遭遇频率较高、强度较低的地震时，建筑不损坏，不需要修理，结构应处于弹性状态，可以假定服从线性弹性理论，用弹性反应谱进行地震作用计算，按承载力要求进行截面设计，并控制结构弹性变形符合要求。 第二水准：建筑物在基本烈度的地震作用下，允许结构达到或超过屈服极限(钢筋混凝土结构会产生裂缝)，产生弹塑性变形，依靠结构的塑性耗能能力，使结构稳定地保存下来，经过修复还可使用。此时，结构抗震设计应按变形要求进行。 第三水准：在预先估计到的罕遇地震作用下，结构进入弹塑性大变形状态，部分产生破坏，但应防止结构倒塌，以避免危及生命安

16、全。这一阶段应考虑防倒塌的设计。 从三个水准的地震出现的频度来看，第一水准，即多遇地震，约50年一遇；第二水准，即基本烈度设防地震，约475年一遇；第三水准，即罕遇地震，约为2000年一遇的强烈地震。 二阶段抗震设计是对三水准抗震设计思想的具体实施。通过二阶段设计中第一阶段对构件截面承载力验算和第二阶段对弹塑性变形验算，并与概念设计和构造措施相结合，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求。 三个水准下的烈度 水平地震作用计算 高层建筑结构应根据不同情况，分别采用相应的地震作用计算方法： (1) 以剪切变形为主，质量与刚度沿高度分布比较均匀且高度不超过40m的高层建筑结构，可采用底部

17、剪力法。框架、框架一剪力墙结构是比较典型的以剪切变形为主的结构。由于底部剪力法比较简单，可以手箅，是一种近似计算方法，也是方案设计和初步设计阶段进行方案估算的方法，在设计中广泛应用。 (2) 振型分解反应谱法是高层建筑结构地震作用分析的基本方法。高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。几乎所有高层建筑结构设计程序都采用了这一方法。 (3) 79度抗震设防的高层建筑，下列情况宜用时程分析法进行补充计算： （A）甲类高层建筑结构； （B）表3-19所列属于乙、丙类的高层建筑结构； 表 3-19 采用时程分析法的高层建筑结构 （C）竖向不规则的高层建筑结构； （D）复杂高层建筑结构； （E）质量沿竖向分

18、布特别不均匀的高层建筑结构。 设防烈度、场地类别 建筑高度范围 设防烈度、场地类别 建筑高度范围 8度I、类场地和7度100m9度60m 8度、类场地80m 根据结构抗震性能设计的规定，本次修订增补了设防地震（中震）和6度时的数值。水平地震作用计算步骤1.确定计算简图并计算结构重量 G 2.计算结构侧向刚度 k 3.计算结构自振周期 T 4.确定地震参数 根据设防烈度查表得 max 根据建筑场地类别和分区查表得 Tg 再由反应谱确定地震影响系数 5.计算水平地震作用 ：F = G底部剪力法是一种简化方法。是在振型分解反应谱法基础上得到的简化方法。底部剪力法也是抗震规范规定的计算地震作用的基本方

19、法之一。当质量和刚度沿高度分布比较均匀，且高度不超过40m、以剪切变形为主的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法求结构的水平地震作用底部剪力法 当建筑物高度不超过40m，以剪切变形为主、且质量和刚度沿高度分布比较均匀时，结构振动往往以第一振型为主，而且基本振型接近于直线（即倒三角形）。因此，底部剪力法采用如下假定： （1）计算时仅取第一振型。 （2）第一振型为倒三角形。各质点的水平地震作用 底部剪力法 按照反应谱理论，地震作用的大小与重力荷载代表值的大小成正比： 结构总水平地震作用标准值应按下列公式计算： 地震影响系数曲线 底部剪力法计算示意图 质点i的水平地震作用标准值计算 主

20、体结构顶层附加水平地震作用标准值 底部剪力法的计算步骤1）计算结构基本周期通常采用能量法计算，即采用以下公式： (2)（3）计算底部剪力 （5）计算各质点上水平地震作用 (4) （7）顶部小屋的地震作用FD(6) 振型分解反应谱法 第j振型i质点的水平地震荷载标准值振型组合由于在任意时刻当某一振型的地震作用达到最大值时，其它各振型的地震作用并不一定达到最大值。就是说，各振型的地震作用不可能同时达到最大值。因此，这里存在一个振型组合问题。根据统计和地震资料分析，对于各振型所产生的地震作用效应，可近似地采用”平方和开方”法来确定，即一般情况下：m=23当基本周期T1 1.5s或房屋高宽比H/B5时

21、，适当增加组合的振型个数。 当仅考虑x方向地震作用时：当仅考虑y方向地震作用时：单向水平地震作用下，考虑扭转的地震作用效应，应按下列公式确定： 考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应，应按下列公式中的较大值确定： 或 振型分解反应谱法计算步骤1. 求结构动力特性3. 对各个振型计算水平地震作用（3）计算水平地震作用 时程分析法 79度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算： (1)甲类高层建筑结构； (2)表3-23所列的乙类和丙类高层建筑结构； (3)不满足下列各条规定的高层建筑结构： 1)抗震设计的高层建筑结构，其楼层的侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚

22、度的70或其上相邻三层侧向刚度平均值的80。 2)A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80，不应小于其上一层受剪承载力的65；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75。 3)抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。 4)抗震设计时，当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度Hl与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸Bl不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍；当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸Bl的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。 (4)复杂高层建筑结构； (5)质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。地震波选取原则 时程分析计算时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程血线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均