高層課件4 第三章荷載與地震作用

1、深圳大學深圳大學 土木工程學院土木工程學院3.1 高層建筑結構上的作用類型高層建筑結構上的作用類型3.2 恒載恒載3.3 樓面活荷載樓面活荷載3.4 屋面活荷載屋面活荷載3.5 雪荷載雪荷載3.6 風荷載風荷載3.7 地震作用地震作用恒荷載是指各種結構構件自重和找平層、保溫層、防水層、裝修材料層、隔墻、幕墻及其附件、固定設備及其管道等重量，其標準值可按構件及其裝修的設計尺寸和材料單位體積或面積的自重計算確定。樓面活荷載（注意折減） 1）高層建筑樓面均布活荷載的標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數，可按荷載規(guī)范的規(guī)定取用。 2）在荷載匯集及內力計算中，應按未經折減的活荷載標準值進行計算，樓面活

2、荷載的折減可在構件內力組合時取用。 1）屋面均布活荷載的標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數，可按荷載規(guī)范的規(guī)定取用。 2）有些情況下，應考慮屋面直升機平臺的活荷載；不宜小于5kN/m2。（1）雪荷載計算0ssrk S0為基本雪壓，系以當地一般空曠平坦地面上統(tǒng)計所得 50 年一遇最大積雪的自重確定。按荷載規(guī)范取用；r為屋面積雪分布系數，可按荷載規(guī)范取用。 （2）雪荷載的組合值系數可取 0.7；頻遇值系數可取 0.6；準永久值系數按雪荷載分區(qū)、和的不同，分別取 0.5、0.2 和 0。 （3）雪荷載不應與屋面均布活荷載同時組合。 空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動就形成了風，與建筑物有關的是

3、靠近地面的流動風，簡稱為近地風。 當風遇到建筑物時在其表面上所產生的壓力或吸力即為建筑物的風荷載。 風 荷 載風 荷 載標 準標 準值值標準地標準地貌貌標準風標準風速速風向風向風的動風的動力作力作用用建筑外建筑外型型建筑高建筑高度度 我國荷載規(guī)范規(guī)定，基本風壓系以當地比較空曠平坦地面上離地 10m高，統(tǒng)計所得的 50 年一遇 10 分鐘平均最大風速v0（m/s）為標準，按風速確定的風壓值，但不得小于 0.3kN/m2。特別重要的高層建筑，取100年。平均風壓和波動風壓風壓和風速關系20021vw 風速大小與高度有關，一般近地面處的風速較小，愈向上風速逐步加大。當達到一定高度時（300500m）

4、，風速不受地表影響，達到所謂梯度風。而且風速的變化還與地面粗糙程度有關。 z風速隨高度變化規(guī)律地面粗糙度A類：近海面和海島、海岸及沙漠地區(qū)，a=0.12，梯度風高度取300mB類：田野、鄉(xiāng)村、叢林、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、郊區(qū)，a=0.16，梯度風高度取350mC類：有密集建筑群的城市市區(qū)， a=0.22，梯度風高度取400mD類：有密集建筑群且房屋較高的大城市市區(qū)，a=0.30，梯度風高度取 450m（慎用）aHzHzvv 風速隨高度變化規(guī)律aHzHzvv梯度風梯度風海洋鄉(xiāng)村城市70799110049597690100617789100梯度風離地高度（m） 1）風壓分布系數風壓與體型的關系 2）定義：風荷載體

5、型系數是指風作用在建筑物表面所引起的壓力(吸力)與原始風速算得的理論風壓的比值。 3）特點：風荷載體型系數一般都是通過實測或風洞模擬試驗的方法確定，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的體型與尺度有關。4）風壓的空間不均勻性5）風荷載體型系數的確定：根據設計經驗和風洞試驗+0.8-0.6-0.6(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2檐口、雨蓬、遮陽板、陽臺等水平構件計算局部上浮風荷載時，風荷載體型系數不宜小于2.0。設計建筑幕墻時，應按有關的標準規(guī)定采用。）風速特點：風壓的時間不均勻性風速的變化可分為兩部分：一種是長周期的成分，其值一般在10min以上

6、；另一種是短周期成分，一般只有幾秒左右。因此，為便于分析，通常把實際風分解為平均風（穩(wěn)定風）和脈動風兩部分。穩(wěn)定風周期長，對結構影響??；脈動風周期短，對結構影響大。）風的動力效應：對于高度較大、剛度較小的高層建筑，脈動風壓會產生不可忽略的動力效應，在設計中必須考慮，目前采用加大風荷載的辦法來考慮這個動力效應，即對風壓值乘以風振系數。風振系數反映風荷載的動力作用，與建筑物的高度、高寬比、基本自振周期（剛度）及地面粗糙度有關3）風振系數計算：對于高度大于30m且高寬比大于1.5的高柔房屋均應考慮脈動風壓對結構產生的風振影響。210121zzgI BR 參數計算過程見教材p48-50頁建筑物每個表面

7、的風荷載沿建筑物高度總風荷載izzizsiziikiizWwBwBWcos)(cos0isiiiwBWcos0izzzWW總風荷載為建筑物各個表面上承受風力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載。通常按x、y兩個互相垂直的方向分別計算總風荷載。集中于樓層標高處的風荷載合力221iizihhWF目的：適應用“近似法”計算高層建筑結構的內力與變形，將分布于樓層的風荷載換算成三種典型水平荷載：頂點集中荷載、均布荷載和倒三角形荷載換算原則：彎矩等效兩種方法：1.換算成二層樓面均布風載加倒三角形荷載2.全部換算成倒三角荷載212213HqHFHqkiikiikHFHq237.27.2級；級；6400多人死亡

8、、受傷3萬多人近10萬棟房屋被摧毀，另有10萬余棟遭受不同程度的破壞；直接經濟損失達1000億美元。地震導致傾覆的城市高架地震導致傾覆的城市高架道路（道路（ 19691969年建成）年建成）日本日本Nishinomiya Nishinomiya 港口橋震落的橋跨港口橋震落的橋跨橋梁鋼筋混凝土墩的剪切破壞橋梁鋼筋混凝土墩的剪切破壞剪壓破壞的槽形鋼骨剪壓破壞的槽形鋼骨 鋼筋混凝土柱鋼筋混凝土柱槽形鋼骨鋼筋混凝土建筑結構中間層槽形鋼骨鋼筋混凝土建筑結構中間層 （第二層）的破壞（第二層）的破壞日本日本神戶大地震對土木工程結構的破壞神戶大地震對土木工程結構的破壞 地震破壞的公路地震破壞的公路7.7.9

9、9級；級；死亡人數達16403人，受傷人數達55863人，經濟損失45億美元。 為了省錢，近年興建的建筑物沒有抗震結構，使地震的傷亡加重。為了省錢，近年興建的建筑物沒有抗震結構，使地震的傷亡加重。座落在活斷層上的一座二層小學教學樓被完全摧毀座落在活斷層上的一座二層小學教學樓被完全摧毀 伊茲米特市一樓房底層空曠，結構不合理，房屋整伊茲米特市一樓房底層空曠，結構不合理，房屋整體傾斜，二樓成了一樓體傾斜，二樓成了一樓 7.3級。全島均感受到嚴重搖晃。共持續(xù)全島均感受到嚴重搖晃。共持續(xù)102秒。臺灣秒。臺灣的臺中縣、南投縣為主震央區(qū)域，受災特別嚴重。臺的臺中縣、南投縣為主震央區(qū)域，受災特別嚴重。臺北縣

10、、臺北市、苗栗縣、臺中市、彰化縣、云林縣等北縣、臺北市、苗栗縣、臺中市、彰化縣、云林縣等地亦有嚴重災情。人口死亡地亦有嚴重災情。人口死亡2321名，傷名，傷8000余名傷，余名傷，有有40845棟房屋全倒、棟房屋全倒、41373棟半倒。損失近百億美棟半倒。損失近百億美元元 。 臺灣南投縣集集鎮(zhèn)、原為供奉玄天上帝的武昌宮震后底層坍塌臺灣南投縣集集鎮(zhèn)、原為供奉玄天上帝的武昌宮震后底層坍塌 臺灣省玉林縣多棟臺灣省玉林縣多棟7層住宿樓傾倒毀損層住宿樓傾倒毀損臺中東勢鎮(zhèn)東勢大橋斷裂臺中東勢鎮(zhèn)東勢大橋斷裂8.0級。汶川地震造成的直接經濟損失8451億元人民幣。四川最嚴重，占到總損失的91.3%，甘肅占到總

11、損失的5.8%，陜西占總損失的2.9%。國家統(tǒng)計局將損失指標分三類，第一類是人員傷亡問題，第二類是財產損失問題，第三類是對自然環(huán)境的破壞問題。在財產損失中，房屋的損失很大，民房和城市居民住房的損失占總損失的27.4%。包括學校、醫(yī)院和其他非住宅用房的損失占總損失的20.4%。另外還有基礎設施，道路、橋梁和其他城市基礎設施的損失，占到總損失的21.9%，這三類是損失比例比較大 凝固了的時間的，70%以上的損失是由這三方面造成的。 夷為平地夷為平地近距離房屋倒塌近距離房屋倒塌9.0級。日本警察廳指出，截至當地時間25日深夜11時，在強震及海嘯重創(chuàng)日本東北部地區(qū)兩周后，12都道縣警方已確認有1010

12、2人遇難，17053人失蹤，共計達27155萬人。此外，在18個都道縣內共計2777人受輕重傷。在建筑物損害方面，包括巖手縣內約12600萬棟全毀，總共約18800萬棟全毀，若加上半毀或部分受損建筑物，則約高達13.81萬棟。至于仍被迫在避難所棲身的災民，17都縣近2000個避難所收容約24.62萬人，其中宮城縣約86900萬人、福島縣約86300萬人、巖手縣約43700萬人。 美國風險分析業(yè)者AIR Worldwide表示，西太平洋9.0強震或會致保險損失金額高達近350億美元，成為史上代價最昂貴災難，這還未計入海嘯造成的損失。這項數額幾乎等同2010年全球保險業(yè)的全世界整體災損金額，或會迫

13、使保險市場調高保費。 a、巖層的原始狀態(tài)、巖層的原始狀態(tài)b、受力發(fā)生彎曲、受力發(fā)生彎曲c、巖層破裂發(fā)生震動、巖層破裂發(fā)生震動地球板塊運動地球板塊運動 板塊之間的相互作用力板塊之間的相互作用力 地殼中巖層變形地殼中巖層變形 變形積聚超過巖石所能承受的程度變形積聚超過巖石所能承受的程度 巖體就會發(fā)生突然斷裂或錯動巖體就會發(fā)生突然斷裂或錯動 地震地震 震源震源：地球內部斷層錯動并引地球內部斷層錯動并引起周圍介質振動的部位起周圍介質振動的部位 震中震中：震源正上方的地面位置震源正上方的地面位置 震中距震中距：地面某處至震中的水平距離地面某處至震中的水平距離 震源震源深度震 中等震線震中距震源深度震源深

14、度: 從震中到震源的距離從震中到震源的距離 震源深度在震源深度在70公里以內的地震為淺源地震公里以內的地震為淺源地震震源深度超過震源深度超過300公里的地震叫深源地震公里的地震叫深源地震震源深度介于震源深度介于70-300公里之間的地震為中源地震公里之間的地震為中源地震震中距在震中距在100公里公里-1000公里的稱為近震公里的稱為近震震中距超過震中距超過1000公里的稱為遠震公里的稱為遠震”。地震波地震波：地下巖體斷裂，錯動產生振動，并以波的形式從震源向外傳播，地下巖體斷裂，錯動產生振動，并以波的形式從震源向外傳播， 形成地震波形成地震波 地震波的組成：地震波的組成：體波體波：在地球內部在地

15、球內部 傳播的波傳播的波 面波面波：沿地球表面沿地球表面 傳播的波傳播的波 縱波縱波( (壓縮波壓縮波) )橫波橫波( (剪切波剪切波) )樂夫波樂夫波瑞雷波瑞雷波面波周期長，振幅大；比體波衰減慢，能傳到很遠的地方面波周期長，振幅大；比體波衰減慢，能傳到很遠的地方瑞雷波樂夫波壓縮波剪切波橫波周期較長，振幅較大橫波周期較長，振幅較大地震震級地震震級 ：表示地震本身大小的一種度量；用周期表示地震本身大小的一種度量；用周期為為0.8s0.8s、阻尼系數為、阻尼系數為0.80.8和放大倍數為和放大倍數為28002800的標準的標準地震儀，在距震中地震儀，在距震中100km100km處記錄的以微米為單位

16、的處記錄的以微米為單位的最大水平地面位移最大水平地面位移A A的常用對數。的常用對數。近震震級近震震級M計算計算 ：M=logAM=logA 震級震級M與震源釋放能量之間的關系與震源釋放能量之間的關系 ：又稱為里氏震級又稱為里氏震級 式中式中 AA記錄圖上量得的以記錄圖上量得的以 m m為單位的最大水平位移；為單位的最大水平位移；logE=1.5M+11.8logE=1.5M+11.8地震烈度地震烈度：是指某一區(qū)域的地表和各類建筑物遭受某一次地震影響是指某一區(qū)域的地表和各類建筑物遭受某一次地震影響 的平均強弱程度的平均強弱程度 一般來說，距離震中近，烈度就高；距離震中越遠，烈度也越低一般來說，

17、距離震中近，烈度就高；距離震中越遠，烈度也越低 基本烈度基本烈度：指一個地區(qū)在一定時期（我國取指一個地區(qū)在一定時期（我國取5050年）內在一般場地年）內在一般場地 條件下按一定的概率（我國取條件下按一定的概率（我國取10%10%）可能遭遇到的最大地震烈度）可能遭遇到的最大地震烈度 1580 315 350 0 500sev250500sev140250sevsev140m5m5m35080m3等效剪切波速（m/s）場 地 類 型各類場地土的覆蓋層厚度表：土層等效剪切波速場地覆蓋層厚度場地類別確定根據：土層等效剪切波速seV nisiioseVddV1)/(/ 計算深度，取覆蓋層厚度和20m兩者

18、的較小值； 計算深度范圍內土層的分層數； 第i層土的剪切波速； 第i層土的厚度。0dnsiVid剪切波速隨深度遞增的一般情況 適用于：當計算深度以下有明顯的軟弱土夾層時應適當提高場地類別計算 ：1d2d4d3d0d2sv3sv4sv1sv土的類型劃分和剪切波速范圍akf10層和高度30m以下的丙類建筑及丁類建筑 適用于：-由荷載試驗等方法得到的地基土靜承載力特征值對于不同用途建筑物的抗震設防，應根據其破壞后果加以區(qū)別對待對于不同用途建筑物的抗震設防，應根據其破壞后果加以區(qū)別對待甲類建筑：重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑破壞會甲類建筑：重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑

19、破壞會導致嚴重的后果導致嚴重的后果 ，其確定須經國家規(guī)定的批準權限批準；，其確定須經國家規(guī)定的批準權限批準；乙類建筑：地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑；乙類建筑：地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑；丙類建筑：一般建筑，包括除甲、乙、丁類建筑以外的一般工業(yè)與丙類建筑：一般建筑，包括除甲、乙、丁類建筑以外的一般工業(yè)與 民用建筑民用建筑丁類建筑：次要建筑，包括一般的倉庫，人員較少的輔助建筑物等丁類建筑：次要建筑，包括一般的倉庫，人員較少的輔助建筑物等我國我國建筑抗震設計規(guī)范建筑抗震設計規(guī)范將建筑物按其用途的重要性為四類：將建筑物按其用途的重要性為四類：第一水準：當遭受低于本地區(qū)設防烈度

20、的第一水準：當遭受低于本地區(qū)設防烈度的多遇地震多遇地震 影響時，影響時， 建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；第二水準：當遭受相當于本地區(qū)第二水準：當遭受相當于本地區(qū) 設防烈度的地震設防烈度的地震 影響時，影響時， 建筑物可能損壞，但經一般修理即可恢復正常使用；建筑物可能損壞，但經一般修理即可恢復正常使用；第三水準：當遭受高于本地區(qū)設防烈度的第三水準：當遭受高于本地區(qū)設防烈度的 罕遇地震罕遇地震 影響時，影響時， 建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴重破壞。建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴重破壞。我國主要城鎮(zhèn)中心地區(qū)的抗震設防烈度我國主要城鎮(zhèn)

21、中心地區(qū)的抗震設防烈度 設計地震加速度值設計地震加速度值城鎮(zhèn)的設計地震分組城鎮(zhèn)的設計地震分組反映震源遠近的影響反映震源遠近的影響 我國采取我國采取6 6度起設防的方針，地震設防區(qū)面積約占國土面積的度起設防的方針，地震設防區(qū)面積約占國土面積的6060規(guī)范規(guī)定了：規(guī)范規(guī)定了：簡化的兩階段設計方法簡化的兩階段設計方法 ：第一階段設計：按多遇地震烈度第一階段設計：按多遇地震烈度 對應的地震作用效應對應的地震作用效應 和其它荷載效應的組合驗算結構構件的和其它荷載效應的組合驗算結構構件的 承載能力和結構的彈性變形承載能力和結構的彈性變形保證了第一水準的強度要求和變形要求保證了第一水準的強度要求和變形要求

22、第二階段設計：按罕遇地震烈度第二階段設計：按罕遇地震烈度 對應的地震作用效應驗算結對應的地震作用效應驗算結 構的彈塑性變形構的彈塑性變形保證結構滿足第三水準的抗震設防要求保證結構滿足第三水準的抗震設防要求目前一般認為，良好的抗震構造措施有助于實現(xiàn)第二水準目前一般認為，良好的抗震構造措施有助于實現(xiàn)第二水準底部剪力底部剪力法法振型分解振型分解反應普法反應普法時程分析時程分析法法高度不超過40m、以剪切變形為主、質量和剛度沿高度分布比較均勻的多自由度結構；近似于單質點體系的結構。先計算作用于結構的總水平地震作用，即作用于結構底部的剪力；將總水平地震作用按一定的規(guī)律在分配給各個質點。（1）結構的地震反

23、應可用第一振型反應表征； （2）結構的第一振型為線性倒三角形， 即任意質點的第一振型位移與其高度成正比圖 結構簡化第一振型結構總水平地震作用 1EkeqFG1相應于結構基本自振周期T1的水平地震影響系數。eqG結構等效總重力荷載代表值。Geq結構等效總重力荷載; Gi集中于質點i的重力荷載代表值； c等效系數。根據統(tǒng)計結果分析，其大小與結構的基本周期及場地條件有關。 當結構的基本周期小于0.75s時，可近似取0.85；對于單質點體系等于1.0。適用于用底部剪力法計算地震作用的結構的基本周期一般都小于0.75s，所以抗震規(guī)范規(guī)定對于多質點體系取c=0.85；對于單質點體系取c= 1.0。因此，多

24、質點體系的等效總重力荷載即為：1neqiiGcG10.85neqiiGGs25. 0gT9 . 055 . 005. 09 . 0s433. 0T1s202. 0T2s136. 0T30976. 016. 0433. 025. 09 . 0max9 . 011TTg16. 0max216. 0max3取決于場地類型、建筑物的自振周期和阻尼比等諸多因素；反映這些因素與的關系曲線稱為反應普曲線。設計地震分組場地類別IIIIIIIV第一組0.250.350.450.65第二組0.300.400.550.75第三組0.350.450.650.90表3.28特征周期值 Tg(s)max地震影響設防烈度6

25、789多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震-0.50（0.72）0.90（1.20）1.40表3.26水平地震影響系數最大值根據假定，振型為倒三角形時( )iiiF tG H1iiiEknjjjG HFFG H上述公式的建立基于使用了結構的基本周期和相應的基本振型，對于基本周期較低的結構，計算結果誤差較小。因此公式適用于基本周期T11.4 Tg 的結構。對于周期較長（ T1 1.4 Tg ）時，需考慮高振型影響的結構，按上述公式計算的結果，結構頂部的地震剪力偏小，還需進行調整。 調整的方法是將結構總地震作用的一部分作為集中力作用于結構的頂部，再將余下的部分按

26、倒三角形分配給各質點。頂部附加的集中水平地震作用可表示為n 頂部附加地震作用系數；Fn 頂部附加水平地震作用。nnEkFF： 結構基本周期 g1T4 . 1T ，則需在結構頂部附加集中水平地震作用 EKFnnF結構頂部附加地震作用系數1.多層鋼筋混凝土房屋和鋼結構房屋按下表采用 n不考慮不考慮0.350.55)(sTg35. 055. 0gTT4 . 1107. 008. 01T01. 008. 01T02. 008. 01TgTT4 . 112.多層內框架磚房 2 . 0n3.其它房屋可不考慮 表3.291(1)iiiEknnjjjG HFFG H10.85neqiiGG1EkeqFG底部剪

27、力法適用于重量和剛度沿高度分布均比較均勻的結構當建筑物有局部突出屋面的小建筑時，該部分結構的重量和剛度突然變小，將產生鞭梢效應，即局部突出小建筑的地震反應有加劇的現(xiàn)象。 因此，按底部剪力法計算作用在小建筑上的地震作用，需乘以增大系數3 ；但是作用在小建筑上的地震作用向建筑主體傳遞時（或計算建筑主體的地震作用效應時），則不乘增大系數。如圖結構為三層剪切型結構。s433. 0T1結構處于8度區(qū)（地震加速度為0.20g），I類場地第一組，結構阻尼比為0.05。試采用底部剪力法，求結構在多遇地震下的最大底部剪力和最大頂點位移。已知：解：查 表 3.28 (特征周期值表) 和 3.26 （水平地震影響系數最大值表）得：