《高层建筑结构设计》课件 第4章 高层建筑结构荷载及荷载效应组合VIP

高层建筑结构高层建筑结构第四章高层建筑结构荷载及

荷载效应组合4.1竖向荷载4.2风荷载4.3地震作用4.4荷载效应组合熊海贝

教授，一级注册结构工程师同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系xionghaibei@问：结构荷载（作用）有哪些分类？荷载效应组合有哪几类？应用场景？建筑结构在地震作用下，受力如何简化计算？建筑结构的主要控制荷载是竖向荷载还是水平荷载？温度作用对高层建筑结构受力的影响是怎样的？高层建筑结构设计过程中应中重点考虑哪些工况？【学习目标】掌握高层建筑结构设计需要考虑的永久荷载、活荷载、雪荷载；了解确定风荷载的基本要素，掌握高层建筑风荷载计算方法；了解地震成因、地震波特性及结构反应谱基本原理，掌握高层建筑地震作用计算的三种方法；掌握高层建筑荷载效应基本组合，地震效应组合以及正常使用极限状态下的组合。【学习方法】注意高层建筑结构承受的荷载与一般多层房屋建筑承受的荷载的异同，特别是最不利组合工况的异同。与多层建筑结构相比，高层建筑结构的水平荷载产生的效应随着楼层高度的增加而迅速增加，成为控制结构设计的主要因素；同时，高层建筑设计时温度对结构的影响、材料收缩和徐变对结构的影响，以及地基不均匀沉降等间接作用在结构中产生的不利影响应予以关注。4.1竖向荷载4.1.1永久荷载永久荷载——建筑物自重根据材料自重计算恒载分项系数当自重为有利因素时注意：不要漏项，不要盲目加大建议：学会看建筑图、建筑大样、建筑做法、设备布置、设备重量、设备安装位置。《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）附录A4.1.1永久荷载（1）承重结构自重（kN或kN/m）：梁、柱、剪力墙、支撑、楼板等（2）楼板板面荷载（kN/m2）地砖或木地板等整浇层吊顶、风管、风机、水管等（3）屋面荷载（屋顶花园、游泳池）（4）隔墙荷载按实际情况布置，梁或墙上线荷载（kN/m)按均布荷载估算，折算成楼面面荷载（kN/m2)（5）设备自重按设备自重或运行荷载取值按均布荷载估算（可参考规范及相关资料）找平层板底找平按等效均部荷载取值（附录B）4.1.2楼面和屋面活荷载可变荷载是与永久荷载对应的竖向荷载（1）在计算活荷载产生的内力时，可不考虑活荷载的最不利布置。（2）高层建筑楼层数多，楼面活荷载同时达到满布活荷载设计值的概率较小，设计时根据梁围合的面积的大小，对楼面活荷载进行折减。（3）特殊屋面荷载取值根据使用功能确定，如屋顶花园、屋顶游泳池等。（4）当高层建筑的地下室屋顶兼做小区内道路时，应注意机动车，特别是消防车通道的活荷载取值，并注意道路的排水。墙、柱、基础计算截面以上的层数12~34~56~89~20>20计算截面以上各楼层活荷载总和的折减系数1(0.90)0.850.700.650.600.55活荷载按楼层折减系数注：当楼面梁的从属面积超过25m2时，应采用括号中数值4.1.3屋面雪荷载高层建筑的屋面雪荷载一般不起控制作用。但在寒冷地区，雪荷载可能比屋面活荷载大。式中

s0——基本雪压（kN/m2），一般按当地空旷平坦地面上积雪自重的观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定，对于雪荷载敏感的结构应按100年重现期的雪压；

μr——屋面积雪分布系数，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I、II、III的不同，分别取0.5、0.2和0。4.1.4施工活荷载施工活荷载一般取1.0~1.5kN/m2。4.2风荷载基本概念：近地风和流动风空气的水平运动称作“风”空气的竖向运动称作“流”风力强度：范围风速：级工程风速：一定年限内可能遭遇的最大风速，统计值4.2风荷载平均风和瞬时风强风的风速时程曲线4.2风荷载平均风特性（1）随高度变化（2）与地面粗糙度有关（3）与建筑物表面形状有关（4）在10min和1h区间变化不大（5）有周期性（重现期）（6）重现期：10年、50年、100年4.2风荷载建筑物表面形状地面粗糙度高度相关性4.2风荷载瞬时风特性（1）脉动风，每波长约10s，大于建筑物的基本周期；（2）其平均值为零；（3）服从正态分布；（4）随高度变化不明显。因此，一般情况下，对结构整体设计而言，一般不考虑瞬时风对结构产生的动力效应；但是，对于大悬挑构件，如雨篷、围墙等，需要考虑其阵风效应。4.2风荷载

对于高层建筑结构整体：

风荷载标准值

w0—基本风压(kN/m2)

βz—高度

z处的风振系数

μs—建筑物体型系数

μz—风压高度变化系数4.2.1基本风压w0《建筑结构荷载规范》附表D.4v0—空旷、平坦、距地面10m处、50年一遇、10分钟平均最大风速。ρ—空气密度，标准值1.25kg/m3基本风压最小值不得小于0.3kN/m2高层建筑设计时基本风压可适当提高，可乘以1.1的放大系数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，设计时应采用100年重现期的基本风压值对于超高层建筑，按100年重现期的v0

4.2.2风荷载体型系数μs

风荷载体型系数μs是指风作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，主要与建筑的体型和尺度有关，一般有由试验确定。单体风压体型系数（1）圆形及椭圆平面建筑取0.8（2）正多边形及截角三角形平面建筑风荷载体型系数计算式中n——多边形的边数。（3）高宽比H/B小于或等于4的矩形、方形、十字形平面建筑取1.34.2.2风荷载体型系数μs

（3）对于V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑，L形、槽形平面建筑及高宽比H/B大于4、长宽比L/B不大于1.5的矩形和鼓形平面建筑，其风荷载体型系数为1.4（5）重要且体型复杂的房屋和构筑物、房屋高度大于200m、建筑物平面形状或立面形状复杂、立面开洞或连体建筑、周围地形和环境较复杂的高层建筑，宜由风洞试验确定建筑物的风荷载4.2.2风荷载体型系数μs

群体风压体型系数对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时，对顺风向风荷载可在1.0~1.1范围内，对于横风向风荷载可在1.0~1.2范围内。局部风压体型系数檐口、雨篷、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。设计高层建筑的幕墙结构时，风荷载应按有关的标准规定采用。4.2.3风压高度变化系数μz

在大气边界层内，风速随离地面的高度增加而增加。通常认为离地面300~550m时，风速不再受地面粗糙度的影响，达到“梯度风速”，该高度称为“梯度风高度”。根据地面粗糙度分为4类：A、B、C、DA类：海岸、湖泊、沙漠B类：田野、乡村、房屋希疏的市郊乡镇C类：密集建筑群的城市市区D类：密集建筑群、且房屋较高的市区10m处、B类场地：μz=14.2.3风压高度变化系数μz

《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）4.2.4风振系数βz

风导致的高柔结构的振动比较明显随结构周期的增长，风振增强结构第一自振周期可以采用简化方法估算对于高层，须考虑多个振型的影响振型系数风压高度变化系数脉动影响系数脉动增大系数4.2.4风振系数βz

脉动风共振分量因子脉动风背景分量因子峰值因子可取2.510m处湍流强度，A、B、C、D类地面粗糙度分别取0.12、0.14、0.23、0.39结构总高度脉动风荷载水平方向相关系数脉动风荷载竖直方向相关系数结构第一阶振型系数4.2.4风振系数βz

相对高度振型序号z/H12340.10.02-0.090.22-0.380.20.08-0.300.58-0.730.30.17-0.500.70-0.400.40.27-0.680.460.330.50.38-0.63-0.030.680.60.45-0.48-0.490.290.70.67-0.18-0.63-0.470.80.740.17-0.34-0.620.90.860.580.27-0.021.01.001.001.001.00高层建筑振型系数4.2.4风振系数βz

系数k和α1取值表粗糙度类别ABCD高层建筑k0.9440.6700.2950.112α10.1550.1870.2610.346结构迎风面宽度4.2.4风振系数βz

结构阻尼比，钢结构取0.01，有填充墙的钢结构房屋取0.02，钢筋混凝土及砌体结构取0.05地面粗糙度修正系数，A、B、C、D类地面粗糙度分别取1.28、1.0、0.54、0.26结构第一阶自振频率4.2.5阵风系数局部风荷载用于计算结构局部构件或维护构件或维护构件与主体的连接，如水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等。但要采用局部风荷载体型系数，对于檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，取μs

=-2.0。对于封闭式矩形平面房屋的墙面及屋面，可按国家现行荷载设计规范选取局部风荷载体型系数。4.3地震作用“三水准”的抗震设防目标（1）第一水准：在遭受低于本地区设防烈度（即基本烈度）的多遇地震影响时（50年设计基准期内超越概率是64.2%），建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用。（2）第二水准：在遭受本地区设防烈度的地震影响时（50年设计基准期内超越概率是10%），建筑物（包括结构和非结构构件）可能损坏，但不危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理或不修理仍能继续使用。（3）第三水准：在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时（50年设计基准期内超越概率是2~3%），建筑物不致倒塌或发生危及人民生命的严重破坏。4.3地震作用高层建筑结构“二阶段”设计方法（1）第一阶段：计算多遇地震水准下的地震作用和结构地震效应，并按照地震组合效应验算结构构件的承载力和弹性变形，以满足第一水准的设防目标要求；（2）第二阶段：计算罕遇地震水准下结构的弹塑性变形，以满足第三水准设防目标要求；通过抗震构造措施满足第二水准下的设防目标要求。4.3.1地震作用一般规定1.抗震设防甲类建筑：特别重要的建筑，地震破坏会导致严重后果，造成经济上的严重损失；乙类建筑：重要的建筑，即在地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑物，人员大量集中的公共建筑物或其他重要建筑物，如国家级、省级的广播电视中心、通讯枢纽、大型商场、医院、中小学校舍等。丙类建筑：除上述以外的一般高层民用建筑。甲类建筑应按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，并采取专门的抗震措施。乙、丙类建筑因按照本地区抗震设防烈度计算地震作用。高层建筑应按照国家规范要求进行抗震设计4.3.1地震作用一般规定（1）一般情况，按两个主轴方向分别考虑水平地震作用并进行抗震验算，由该方向的水平抗侧力构件承担；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别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作用。（3）计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。（4）9度抗震设计时，应考虑竖向地震作用，与水平地震作用进行组合。2.地震作用计算的规定4.3.1地震作用一般规定（1）振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构，以及高度超过100m的高层结构，应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。（2）底部剪力法。对于高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可以采用底部剪力法。（3）弹性时程分析法。对于要求高的高层建筑，或者复杂的高层建筑，根据建筑物高度、场地类型和设防烈度，应进行弹性时程分析，计算结构在地震作用下的动力时程反应。3.地震作用计算方法4.3.2设计反应谱在给定的地震加速度作用期间内，单自由度体系的反应最大值（位移反应、速度反应或加速度反应）与体系的自振周期之间变化的曲线。1.反应谱曲线图4-4单自由度体系在El-Centro波激振下的弹性反应谱4.3.2设计反应谱1.反应谱曲线地震反应谱的形成4.3.2设计反应谱1.反应谱曲线4.3.2设计反应谱2.设计用反应谱曲线图4-6地震影响系数设计反应谱地震影响系数地震影响系数最大值结构自振周期特征周期衰减指数直线下降段下降斜率调整系数阻尼调整系数4.3.2设计反应谱2.设计用反应谱曲线设防烈度6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32设防地震0.120.23(0.34)0.45(0.68)0.90罕遇地震0.280.50(0.72)0.90(1.20)1.40地震影响系数最大值αmax4.3.3水平地震作用计算1.底部剪力法基本假定结构竖向均匀；高度不超过40m；振型以第一振型为主；考虑高层建筑弯曲振型的影响，将部分地震作用移至顶层。用于抗震简化计算初步估算竖向构件截面图4-7水平地震作用沿高度分布4.3.3水平地震作用计算2.振型分解反应谱法方法基础拟动力法，现阶段抗震设计的主要方法；基础是地震弹性反应谱理论仅适用于结构的弹性分析不考虑扭转—葫芦串模型4.3.3水平地震作用计算2.振型分解反应谱法平移振动对称结构不进行扭转耦联采用串连质点系模型振型迭加采用SRSS法

（相邻周期比小于0.85）振型迭加采用CQC法

（相邻周期比大于0.85）4.3.3水平地震作用计算2.振型分解反应谱法平移＋扭转耦联振动对于质量、刚度无明显不对称的规则结构，为考虑偶然偏心引起的扭转效应，当不计算扭转耦联时，平行与地震作用方向的2个边榀框架的地震效应乘增大系数，1.05~1.30。考虑扭转耦联的计算采用“串连刚片系”模型考虑扭转—刚片串模型4.3.3水平地震作用计算2.振型分解反应谱法振型参与系数4.3.3水平地震作用计算2.振型分解反应谱法扭转效应双向水平地震作用的扭转效应单向水平地震作用的扭转效应（CQC）4.3.3水平地震作用计算2.振型分解反应谱法最小楼层剪力任一楼层的水平地震剪力应符合类别6度7度8度9度扭转效应明显基本周期小于3.5s的结构0.0080.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期小于3.5s的结构0.0060.012(0.024)0.024(0.036)0.048楼层最小地震剪力系数4.3.3水平地震作用计算3.动力时程反应分析法计算方法完全的动力分析法，能比较真实地描述结构地震反应的全过程；多遇烈度地震下结构承载力和变形的验算采用弹性时程分析法，罕遇烈度下结构的变形验算采用弹塑性时程分析法。设防烈度6度7度8度9度多遇地震1835(55)70(110)140设防地震50100(150)200(300)400罕遇地震125220(310)400(510)620时程分析时输入地震加速度的最大值（cm/s2）4.3.3水平地震作用计算3.动力时程反应分析法时程曲线每条波具有特定的频谱组成，输入不同波得出的结构反应不同。（1）按建筑场地类别，选用不少于三条波，一条人工模拟地震波，二条实际强震地震记录；（2）取其平均值，底部剪力不应小于振型分解法的80％；（3）时值不小于12s，不小于基本周期的3～4倍；（4）步长：0.01s，0.02s，不超过卓越周期的1/10。（5）加速度峰值按规范取。4.3.3水平地震作用计算4.三种方法的适用范围（1）高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法；对质量和刚度不均匀、不对称的结构以及高度超过100m的高层建筑结构，应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。（2）对于高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。（3）7~9度抗震设防时，甲类高层建筑结构、表4-8所列的乙类和丙类高层建筑结构、复杂高层建筑结构、竖向不规则高层建筑结构、质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构、复杂高层建筑结构，均应采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。4.3.3水平地震作用计算4.三种方法的适用范围设防烈度、场地类别建筑高度范围8度Ι、II类场地和7度>100m8度III、IV类场地>80m9度>60m表4-8采用时程分析法的高层建筑结构4.3.4竖向地震作用计算图4-9结构竖向地震作用计算简图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。4.3.4竖向地震作用计算大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体竖向地震作用标准值，不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与表4-10所规定的竖向地震作用系数的乘积。设防烈度7度8度9度设计基本地震加速度0.15g0.20g0.30g0.40g竖向地震作用系数0.080.100.150.20表4-10竖向地震作用系数4.4荷载效应组合4.4.1荷载效应组合方式设计要求竖向荷载风荷载水平地震作用竖向地震作用非抗震设计√√

抗震设计6~8度√√√

9度√√√√设计中考虑的荷载和地震作用表注：只有当建筑物的高度超过60m时，才同时考虑风与地震产生的效应√表示效应组合4.4.2荷载效应基本组合承载能力极限状态，按荷载的基本组合或偶然组合计算结构重要性系数，一般情况下，重要高层建筑取1.1，其余为1.0荷载组合的效应设计值结构构件抗力的设计值4.4.2荷载效应基本组合高层建筑结构设计时，荷载基本组合的效应设计值荷载效应组合设计值永久荷载分项系数，当其效应对结构不利时取1.3，对结构有利时取1.0楼面活荷载分项系数，当永久荷载取控制作用时取1.4，活荷载取控制作用时取1.5风荷载的分项系数取1.4考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，设计使用年限为50年时取1.0，设计使用年限为100年时取1.1永久荷载效应标准值楼面活荷载效应标准值风荷载效应标准值4.4.2荷载效应基本组合高层建筑结构设计时，荷载基本组合的效应设计值楼面活荷载组合值系数风荷载组合值系数永久荷载效应起控制作用：取0.7可变荷载效应起控制作用：取1.0或0.7永久荷载效应起控制作用：取0.0可变荷载效应起控制作用：取0.7或1.04.4.3地震荷载效应组合考虑抗震设计，结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合荷载效应和地震作用效应组合的设计值永久荷载的分项系数水平地震的分项系数竖向地震的分项系数风荷载的分项系数风荷载的组合系数，取0.2重力荷载代表值的效应风荷载标准值的效应重力荷载代表值是指结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，可变荷载包括雪荷载、屋面积灰荷载、楼面活荷载等。4.4.3地震荷载效应组合考虑抗震设计，结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合水平地震作用标准值的效应竖向地震作用标准值的效应均尚应乘以相应的放大系数或调整系数4.4.3地震荷载效应组合所考虑的组合γGγEhγEvγw说明重力荷载及

水平地震作用1.31.3--抗震设计的高层建筑均应考虑重力荷载及

竖向地震作用1.3-1.3-9度抗震设计时考虑，水平长悬臂和大跨度结构7度（0.15g）、8度、9度抗震设计时考虑重力荷载、水平地震及竖向地震作用1.31.30.5-9度抗震设计时考虑，水平长悬臂和大跨度结构7度（0.15g）、8度、9度抗震设计时考虑重力荷载、水平地震作用及风荷载1.31.3-1.460m以上的高层建筑考虑重力荷载、水平地震作用、竖向地震作用及风荷载1.31.30.51.460m以上的高层建筑，9度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7度、8度、9度抗震设计时考虑1.30.51.31.4水平长悬臂和大跨度结构7度（0.15g）、8度、9度抗震设计时考虑有地震作用效应组合时荷载和地震作用分项系数4.4.3地震荷载效应组合结构构件的截面抗震验算应采用以下表达式抗震设计时考虑地震作用的荷载组合效应设计值结构构件承载力设计值，应按不同材料和构件设计要求确定承载力抗震调整系数，一般按表4-13采用。当仅计算竖向地震作用时，抗震调整系数均取1.04.4.3地震荷载效应组合表4-13承载力抗震调整系数材料结构构件受力状态γRE钢柱、梁、支撑、节点板、螺栓、焊缝柱、支撑强度稳定0.750.80砌体两端