高层结构设计第3章 高层建筑的荷载和地震作用

第3章高层建筑的荷载和地震作用竖向：恒、活（雪）其它荷载（作用）：温度、基础沉降等水平向：风、地震3.1竖向荷载一、恒荷载：结构自重、附加永久荷载

隔墙、装饰、设备管道等（规范附录A）

恒荷载标准值可由各构件的截面尺寸、长度装饰材料情况计算；设备管道重量由有关专业设计人员提供。二、活荷载:楼面均布活荷载、雪荷载、施工检修人员与机具的重量。荷载规范：GB50009—2001

多层：应考虑活荷载不利分布高层：不考虑，活荷载相对小，水平荷载引起内力大三、经验值：单位面积竖向荷载重量框架、框架—剪力墙结构体系：12～14kN/m2

剪力墙、筒体结构体系：14～16kN/m2

3.2风荷载“森拉克”肆虐浙闽防波堤被冲垮百米

[

2003年7月28日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。

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爱国守法自律真实文明发表评论：网友昵称：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、总体风荷载

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（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对高层建筑结构有如下的特点:l、风力作用与建筑物外形有直接关系，圆形与正方形受到的风力较合理。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。3．风力作用具有静力、动力两重性质。

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，在建筑物的使用期限内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，所以风力大小的估计比地震作用大小的估计较为可靠。而且抗风设计具有较大的可靠性。1、概念：空气流动形成风（近地风起主要作用）迎风面：压力背风面：吸力风毁事故：桥梁高层—少，局部破坏多（玻璃）高耸—有2、随机性—按照统计规律归纳出风荷载标准值计算公式

当计算主要承重结构时：风荷载标准值（kN/m2）

2/1/2023133、风荷载的计算

(1)基本风压空旷平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大风速计算。：空气密度具体查阅：荷载规范附录D，不小于0.3kN/m2说明：一般高层建筑考虑50年一遇特别重要或者有特殊要求的高层建筑考虑100年一遇2/1/2023143、风荷载的计算

(1)基本风压空旷平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大风速计算。：空气密度2/1/202315（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

2/1/202316（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

压力为正号吸力为负号2/1/202318(3)风压高度变化系数μZ

风压高度变化系数应该根据地面粗糙度类别确定

A类：指近海面、海岛、海岸、湖岸以及沙漠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：指密集建筑裙的城市市区D类：指有密集建筑物裙且房屋较高的城市市中心ABCD（4）风振系数(高度Z处风振系数)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2/1/202321与结构的自振特性有关，（包括自振周期、振型等，也与结构的高度有关）

基本自振周期T1>0.25S的工程结构，高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋，考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算按照随机振动理论进行，结构自振周期按照结构动力学计算一般悬臂型结构（构架、塔架、烟囱等高耸结构），高度大于30m，高宽比大于1.5且可以忽略扭转影响的高层建筑，按照下式计算：

2/1/202322

——脉动增大系数

——脉动影响系数

——振型系数

——风压高度变化系数2/1/202323

脉动增大系数ξ

主要与结构的周期、基本风压和地面粗糙程度有关w0·

T120.010.020.040.060.080.100.200.400.60钢结构1.471.571.691.771.831.882.042.242.36有填充墙的房屋钢结构1.261.321.391.441.471.501.611.731.81混凝土及砌体结构1.111.141.171.191.211.231.281.341.38w0·T120.801.002.004.006.008.0010.0020.0030.00钢结构2.462.532.803.093.283.423.543.914.14有填充墙的房屋钢结构1.881.932.102.302.432.522.602.853.01混凝土及砌体结构1.421.441.541.651.721.771.821.962.062/1/202324

振型系数可由结构动力计算确定，计算时可仅考虑受力方向基本振型的影响；对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，也可近似采用振型计算点距室外地面高度Z与房屋高度H的比值代替振型系数Z/H查表

脉动影响系数与房屋总高度、粗糙度类别、H/B有关，查表。2/1/202325结构基本自振周期的经验公式方法一：

钢筋混凝土框架和框剪结构：

钢筋混凝土剪力墙结构：

H——房屋总高度(m)B——房屋宽度(m)方法二：

框架结构：T1＝（0.08～0.1）N

框架－剪力墙结构：T1＝（0.06～0.08）N

剪力墙结构及筒中筒：T1＝0.05NN——房屋层数2/1/2023264、总风荷载各个表面承受风力的合力，沿高度变化的分布荷载

:建筑物表面法线与风作用方向的夹角＝0：风力作用方向与建筑表面垂直，风压全部计算＝90：风力作用方向与建筑表面平行，风压不算0<<90:风力的分量，注意风力分解时区别风力为压力或吸力2/1/2023274、总风荷载各个表面承受风力的合力，沿高度变化的分布荷载windμs=

+0.8μs=-0.6μS

压力为“+”拉力为“—”

B4α4=900μs=-0.6α2=900B1α1=0α3=00μs=-0.5B3B2h=zWZμs=

+0.82/1/202328二、局部风荷载风压在建筑物表面是不均匀的，在计算局部构件时，应考虑风荷载的局部效应。计算时，用增大风荷载体型系数的方法考虑局部效应。局部风压体型系数：正压区：同上取法负压区：

◆墙面：-1.0

◆墙角边：-1.8

◆屋面局部部位（周边和屋面坡度大于100的屋脊部位）：-2.2

◆檐口、雨篷、遮阳板等突出构件：-2.0

2/1/2023293.3地震作用一、地震作用计算的有关规定1、高层建筑重要性分类（1）甲类建筑是指有特殊要求，如遇地震破坏会导致严重次生灾害的建筑。（2）乙类建筑是指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。属于乙类建筑的高层建筑物可以有：对国内、外广播的广播电台和节目传输中心、电视发射中心。通常指国家级、省和直辖市级的广播电视中心；城市和长途通讯枢纽、国际无线电台；有200床位以上的医院病房楼、门诊楼。（3）丙类建筑是指一般的建筑。2、设防标准甲类建筑：地震破坏会导致严重后果，造成经济上严重损失或特别重要的建筑物；按照高于本地区抗震设防烈度计算，其值应按批准的地震安全性评价结果确定。乙类建筑：地震时必须维持正常使用和救灾需要的建筑物，人员大量集中的公共建筑物或其他重要的建筑物；应按本地区抗震设防烈度计算。丙类建筑物：除上述以外的一般高层建筑；应按本地区抗震设防烈度计算。抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。3、抗震设防目标具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。三水准地震作用的标定地震影响50年超越概率地震重现期众值烈度（多遇地震）小震63.2%50年基本烈度（设防烈度地震）中震10%475年罕遇烈度（罕遇地震）大震2-3%1642-2475年三水准：“小震”“中震”“大震”抗震设防目标水准涵义要求第一水准小震不坏当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理仍可继续使用第二水准中震可修当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用第三水准大震不倒当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏

“两阶段”抗震设计方法第一阶段设计：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形，以满足第一水准抗震设防目标的要求。

第二阶段设计：在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防的要求。说明：第二水准的设防要求，是通过概念设计和构造措施来满足的，对大多数结构．可只进行第一阶段设计；只有对《抗震现范》所规定的部分结构，如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，才进行第二阶段的抗震验算。4、地震作用计算原则一般情况下，计算两个主轴方向的地震作用；有斜交抗侧力构件（角度大于15度）时应分别计算各抗侧力构件方向的地震作用质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，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地震作用下的扭转影响8度和9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用9度抗震设计时应计算竖向地震作用

2/1/202336二、高层建筑结构应根据不同情况采用不同计算方法：对质量和刚度不对称、不均匀的结构和高度超过100m的高层建筑应采用考虑扭转耦连振动影响的振型分解反应谱法高度不超过40m、以剪切变形为主的且质量和刚度沿高度分布较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法7～9度设防的高层建筑，下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算：

(1)甲类高层建筑结构

(2)刚度与质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构

(3)表中所示的乙、丙类高层建筑结构

设防烈度、场地类别建筑高度范围7度、8度I、II类场地>100m8度III、IV类场地>80m9度>60m2/1/2023371、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按照表中采用

2/1/202338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：

2/1/202339（1）、水平地震影响系数根据烈度、场地类别、设计地震分组、结构自振周期T和阻尼比确定，由下式计算：当T≤Tg时＝max当T>Tg时＝max（2）、重力荷载代表值：100％恒荷载＋50％雪荷载＋50％楼面活荷载（80％藏书库、档案库、库房活荷载）（3）、结构等效总重力荷载代表值Geq＝0.85GE（4）、顶部附加水平地震作用标准值2/1/202340（5）、基本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

——周期折减系数自振周期的修正：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＝0.9～1.0

2/1/202341（6）、带小塔楼的高层建筑结构小塔楼：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

2/1/2023422、振型分解反应谱法（1）、单向水平地震作用下，考虑扭转的地震作用效应(2)、考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应，应按下列公式中较大值确定3、时程分析法（1）、振动方程（2）、输入地震波的选用三、竖向地震作用地震时地面运动是多分量的，即3个位移分量和3个转动分量。大量的宏观震害表明，建筑物在地震时，主要是由于水平运动造成的破坏，因此在抗震设计时较多地考虑水平地震作用的影响，仅对9