高层建筑结构第三章

第3章

高层建筑结构荷载作用与结构设计原则3.1恒荷载及楼面活荷载的计算3.2风荷载的计算3.3地震作用的计算3.4荷载效应组合3.5结构简化计算原则3.6扭转效应的简化计算3.7抗震设计的一般原则3.1恒荷载及楼面活荷载的计算3.1恒荷载及楼面活荷载的计算3.1.1恒荷载恒荷载包括结构本身的自重和附加于结构上的各种永久荷载。材料的自重可按《建筑结构荷载规范(GB50009—2001)(以下简称《荷载规范》)取值。3.1.2活荷载高层建筑结构的楼面活荷载应按《荷载规范》取用。设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以规定的折减系数。施工活荷载一般取1.0～1.5kN/㎡。直升机平台的活荷载应采用下列两款中能使平台产生最大内力的荷载：（1）直升机总重量引起的局部荷载，按由实际最大起飞重量决定的局部荷载标准值乘以动力系数确定;(2)等效均布活荷载5kN／㎡。3.2风荷载的计算3.2.1风荷载标准值及基本风压1

.风荷载高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载。空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力或吸力，这种风力作用叫风荷载。风的大小与下列因素有关（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3.2.1风荷载标准值及基本风压2.风荷载的标准值垂直于建筑物表面上的风荷载应按下式计算：房屋高度大于200m时宜采用风洞试验来确定建筑物的风荷载；房屋高度大于150m，有下列情况之一时，宜采用风洞试验确定建筑物的风荷载：①平面形状不规则，立面形状复杂；②立面开洞或连体建筑；③周围地形和环境较复杂。3.2.1风荷载标准值及基本风压(1)基本风压ω0以空旷平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大风速v0计算。重现期(年)5050100重庆基本风压0.250.400.45北京基本风压0.300.450.50上海基本风压0.400.550.60成都基本风压0.200.300.353.2.1风荷载标准值及基本风压（2）风荷载体型系数风对建筑表面的作用力并不等于基本风压值，而是随建筑物的体型、尺度、表面位置等而改变，其大小由实测或风洞试验确定：

=垂直于建筑表面的平均风作用力/基本风压值3.2.1风荷栽标准值及基本风压风压分布3.2.1风荷载标准值及基本风压（3）风压高度变化系数风压高度变化系数应该根据地面粗糙度类别确定地面粗糙度分类：A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类：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：有密集建筑群的城市市区；D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区；3.2.1风荷载标准值及基本风压地面粗糙度分类3.2.1风荷载标准值及基本风压（4）风振系数风分为平均风（即稳定风）和脉动风（常称阵风脉动）平均风——静力脉动风——动力

3.2.2总风荷载和局部风荷载(1)总风荷载总风荷载可按下式计算；

(2)局部风荷载单位面积上风荷载为：对于阳台、雨篷、遮阳板等悬挑构件，应验算上浮风荷载。当其超过自重时，悬挑构件会出现反弯矩，局部向上体型系数取2.0，即3.3地震作用的计算3.3.1一般计算原则地震区的高层建筑一般应进行抗震设防。6度设防时一般不必计算地震作用，只须采取必要的抗震措施，7~9度设防时，要计算地震的作用，10度及以上地区要进行专门研究。地震作用的影响:地震影响系数曲线3.3.2水平地震作用计算1

.底部剪力法结构总水平地震作用的标准值计算公式：1——相应于结构基本自振周期T1的值；Geq——结构等效总重力荷载代表值，

Geq＝0.85GEGj——第j层重力荷载代表值。：底部剪力法计算简图3.3.2水平地震作用计算考虑高层建筑弯曲振型的影响，顶层附加水平地震作用标准值为：n——顶部附加水平地震作用系数，当基本自振周期T1<1.4Tg时，n取为0；当基本自振周期T1＞1.4Tg时，n按照书中表3.10采用。总水平地震作用的标准值——顶层附加水平地震作用标准值(FEK－Fn)分配到各楼层：3.3.2水平地震作用计算2

.自振周期的修正（1）周期修正计算中未考虑砌体填充墙的刚度影响，计算周期较实际周期长，地震作用偏于不安全，故应乘以周期折减系数ΨT框架结构：ΨT＝0.6～0.7框架－剪力墙：ΨT＝0.7～0.8剪力墙结构：ΨT＝0.9～1.03.3.2水平地震作用计算（2）自振周期的简化计算方法：假想顶点位移法：质量、刚度沿高度分布比较均匀的框架、框架-剪力墙结构

——以楼层重力荷载代表值Gi为楼层水平力，按照弹性方法计算的顶点位移，单位为(m)；

ΨT——周期折减系数。3.3.3突出屋面上塔楼的地震力小塔楼：突出屋面的楼梯间、水箱等，一般1～2层，高度小、体积小，小塔楼作为一个质点。鞭梢效应：屋面塔楼的刚度和质量比主体结构小得多，受到经过主体建筑放大后的地震加速度，受到强化的激励，产生显著的鞭梢效应。塔楼计算：乘以放大系数注明：有突出屋面的小塔楼时，顶部附加水平地震作用加在主体结构的顶层，不加在小塔楼上小塔楼地震作用增大系数3.3.4竖向地震作用的计算⑴结构总竖向地震作用标准值可按下列公式计算：⑵结构质点i的竖向地震作用标准值可按下式计算:

(3)楼层各构件的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值比例分配，并宜乘以增大系数1.5。水平长悬臂构件、大跨度结构以及结构上部楼层外挑部分考虑竖向地震作用时，竖向地震作用的标准值在8度和9度设防时，可分别取该结构或构件承受的重力荷载代表值的10％和20％。3.4荷载效应组合3.4.1荷载效应和地震作用效应的组合方式在高层建筑结构上，作用有竖向荷载(包括恒荷载和使用荷载)、风荷载；在抗震设计时，还有水平地震作用和竖向地震作用。不同设计要求下，所应考虑的荷载和地震作用见下表。3.4.2非抗震设计时的组合

非抗震设计时，荷载效应组合的设计值按下列公式确定：注：

(1)承载力计算时：①永久荷载的分项系数γG：当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当其效应对结构有利时，应取1.0；②楼面活荷载的分项系数γQ

：一般情况下应取1.4；③风荷载的分项系数γW应取1.4。

(2)位移计算时，各分项系数均应取1.0。3.4.2非抗震设计时的组合（恒荷载起控制，无风）（活荷载起控制，有风）（风荷载起控制，有风）3.4.3抗震设计时的组合抗震设计时，考虑荷载效应和地震作用效应组合的设计值按下式确定：注：(1)承载力计算时，分项系数应按表3.15采用。当重力荷载效应对结构承载力有利时，γG不应大于1.0；(2)位移计算时，各分项系数均应取1.0。

——风荷载的组合值系数,应取0.2。3.4.3抗震设计时的组合荷载分项系数的取值（位移计算取1.0）组合说明重力荷载及水平地震作用1.21.3——

重力荷载及竖向地震作用1.2—1.3—9度，水平长悬臂8度、9度重力荷载、水平地震及竖向地震作用1.21.30.5—9度；水平长悬臂8度、9度重力荷载、水平地震作用及风荷载1.21.3—1.460m以上的高层建筑重力荷载、水平地震作用、竖向地震作用及风荷载1.21.30.51.460m以上的高层建筑；9度；水平长悬臂8度、9度3.5结构简化计算原则3.5.1弹性工作状态高层建筑结构的内力与位移按弹性方法计算，在非抗震设计时，在竖向荷载和风荷载作用下，结构应保持正常使用状态，结构处于弹性工作阶段；在抗震设计时，结构计算是对多遇的小震(低于设防烈度1.5度)进行的，此时结构处于不裂的弹性阶段。

对于罕遇地震的第二阶段设计，绝大多数结构不要求进行内力和位移计算，“大震不倒”通过构造要求予以保证。实际上由于在强震下结构已进入弹塑性阶段，处于开裂、破坏状态，构件刚度已难以确切给定，内力计算已无重要意义。3.5.2高层建筑结构应考虑整体共同工作高层建筑结构在风力和地震作用下，楼层的总水平力是已知的，但这水平力如何分配到各片框架、各片剪力墙却是未知的。由于各片抗侧力结构的刚度、形式不同，变形特征也不相同，所以不能简单地按受荷面积、构件间距分配。3.5.3楼板在自身平面内的刚度为无限大，平面外的刚度可以不考虑高层建筑进深大，剪力墙、框架等抗侧力结构的间距远小于进深，楼板如同水平放置的深梁，在平面内的刚度非常大。楼板一般可作为刚性隔板，在平面内只有刚体位移——平移和转动，不改变形状。在下列情况下，考虑楼面的平面内刚度的计算方法。

(1)楼面内有很大的开洞或缺口，宽度削弱；

(2)楼顶有较长的外伸段；

(3)底层大空间剪力墙结构的转换层楼面；

(4)楼面整体性较差。3.5.4在计算个应考虑墙与柱子转向变形的影响计算结构位移的公式为：

高层建筑结构分析中，对于简化的手算方法，除考虑各杆件的弯曲变形外，对于高宽比大于4的结构，宜考虑柱和墙的轴向变形的影响；剪力墙宜考虑剪切变形。3.6扭转效应的简化计算3.6.1质量中心、刚度中心及扭转偏心距在近似方法中，要先确定水平力作用点及刚度中心，二者距即为扭转偏心距。1

.质心

等效地震荷载的作用点即惯性力的合力作用点，与质量分布有关，称为质心。计算公式：3.6.1质量中心、刚度中心及扭转偏心距2

.刚心

所谓刚度中心，在近似方法中是指各抗侧力结构抗侧刚度的中心，简称为刚心。计算公式：3.6.1质量中心、刚度中心及扭转偏心距3

.几种结构刚心计算方法框架结构、剪力墙结构和框架-剪力墙结构，刚心位置的具体计算方法：(1)框架结构(2)剪力墙结构3.6.1质量中心、刚度中心及扭转偏心距(3)框架-剪力墙结构4

.偏心距计算公式：3.6.2考虑扭转作用的剪力修正结构在偏心的层剪力作用下发生的层间变形的情况:结构平移及扭转变形3.6.2考虑扭转作用的剪力修正1

.剪力3.7抗震设计的一般原则3.7.1地震时地面运动的特点1

.地震波从震源经过基岩传播到建筑场地后，地表土相当于一个放大器和一个滤波器，它一方面把基岩的加速度放大，对建筑物产生的震害越大；另一方面，由各种不同频率组成的地震波通过表土时，与场地土自振周期一致的成分得到放大，不一致的成分衰减，表土起了滤波器的作用，使地震波的主频率与场地卓越周期的频率一致，这样，当建筑物的自振周期与场地卓越周期一致或接近时，由于共振而使震害更加严重。2

.地震所产生的地面运动有很大的随机性。3.7.2结构的抗震性能(1)构件的抗震性能构件破坏时的变形△v与屈服时的变形△y的比值称为延性μ：(2)结构整体的抗震性能结构整体的抗震性能取决于如下因素：①各构件的强度和变形性能；②构件之间的连接构造；③结构的稳定性；④结构的整体性及空间工作能力；⑤能有多道抗震设防系统；⑥非主要构件的抗震能力。3.7.3合理选择结构的刚度钢筋混凝土结构的截面大、刚性大、延性较小，比较适宜于采用刚性结构以提高抗震能力；钢结构与之相反，比较适合于做成柔性结构。3.7.4唐山地震中高层建筑的震害（1）地震区不宜采用框架结构，应优先考虑设有部分剪力墙的框架-剪力墙结构。（2）应当注意防震缝的设计。（3）平面形状或刚度不对称，使建筑物产生显著的扭转，震害严重。（4）凸出屋面的塔楼受鞭梢效应的影响，破坏相当严重。（5）楼、电梯间破坏一般都比较严重。（6）高层部分与低层部分之间连接构造不合理造成严重震害。（7）框架柱截面尺寸太小，箍筋不充分，柱的延性与抗剪能力不足而产生脆性的剪切破坏或柱头压碎。（8）由于沿竖向楼层质量和刚度变化太大，使楼层变形过于集中而产生破坏。3.7.5抗震设计的基本原则1

.抗震设计的基本要求（1）选择有利的场地