高層建筑設計理論第3章

1、第3章 荷載作用與結構計算分析 3.1 豎向荷載3.2 風荷載3.3 地震作用計算3.4 結構計算分析本章主要內容： 高層建筑結構在設計使用年限以內可能承受的主要作用有荷載和其他非荷載因素。荷載可以分為恒載和活荷載，活荷載又可以分為樓面活荷載、屋面活荷載、雪荷載和風荷載。非荷載因素主要有地震作用、溫度作用和混凝土的收縮、徐變以及地震作用、溫度作用等。高層建筑結構的主要作用3.1 豎向荷載 恒載 恒載包括結構構件(梁、板、柱、墻、支撐)和非結構構件(抹灰飾面材料、填充墻、吊頂等)的重量。這些重量的大小不隨時間而改變，又稱為永久荷載。材料自重標準值可參考建筑結構荷載規(guī)范(GB 50009-2012

2、)。樓面活荷載 高層建筑主要以民用為主。民用建筑樓面均布活荷載標準值可根據調查統(tǒng)計而得。我國建筑結構荷載規(guī)范(GB 50009-2012)規(guī)定的民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數屋面活荷載 屋面活荷載一般可按下述方法進行取值：1.房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷載的標準值及其組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數的取值，不應小于表3-3的規(guī)定。2屋面直升機停機坪荷載應按局部荷載考慮，或根據局部荷載換算為等效均布荷載考慮，其等效均布荷載不應低于5.0kN/m2。項次類 別標準值(kN/)組合值系數頻遇值系數準永久值系數l不上人的屋頂0.50.70.50.02上

3、人的屋頂2.00.70.50.43屋頂花園3.00.70.60.54屋頂活動場地3.00.70.60.4表3-3 屋面均布活荷載的標準值及其組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數雪荷載屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按下式計算： 3.2 風荷載風對高層建筑結構作用的特點 由于氣壓變化引起大氣運動，形成風。風對高層建筑結構的作用具有如下特點： 1.風力作用與建筑物的外形直接有關，圓形與正多邊形受到風力較小，對抗風有利；相反，平面凹凸多變的復雜建筑物受到的風力較大，而且容易產生風力扭轉作用，對抗風不利。 2.風力受建筑物周圍環(huán)境影響較大，處于高層建筑群中的高層建筑，有時會出現受力更為不利的情況。例

4、如，由于不對稱遮擋而使風力偏心產生扭轉；相鄰建筑物之間的狹縫風力增大，使建筑物產生扭轉等等。在這些情況下要適當加大安全度。 3.風力作用具有靜力作用與動力作用兩重性質。 4.風力在建筑物表面的分布很不均勻，在角區(qū)和建筑物內收的局部區(qū)域，會產生較大的風力。 5.與地震作用相比，風力作用持續(xù)時間較長，其作用更接近于靜力荷載。但對建筑物的作用期間出現較大風力的次數較多。 6.由于有較長期的氣象觀測，大風的重現期很短，對風力大小的估計要比地震作用大小的估計較為可靠，因而抗風設計也具有較大的可靠性。 空氣流動形成的風遇到建筑物時，就在建筑物的表面產生壓力或吸力，這種風力作用稱為風荷載。 主體結構計算時，

5、垂直于建筑物表面的風荷載標準值應按下式計算，風荷載作用面積應取垂直于風向的最大投影面積。1. 高層建筑基本風壓值我國建筑結構荷載規(guī)范給出了各地的基本風壓值。是用各地區(qū)空曠平坦地面上離地10m高、統(tǒng)計30年重現期的10分鐘平均風速（m/s）計算得到的?；撅L壓 =對于高層建筑，需要考慮重現期為50年的大風，對于特別重要或者有特殊要求的高層建筑，需要考慮重現期為100年的強風。因此要用基本風壓值乘以系數1.1或1.2后，作為一般高層建筑及特別重要的高層建筑的基本風壓值。對于安全等級為一級或對風荷載比較敏感的高層建筑，承載力設計時，應按100年重現期的風壓值采用；正常使用極限狀態(tài)可采用基本風壓（50

6、年重現期）。見4.2.2條。第4.2.2條：基本風壓應按照現行國家標準建筑結構荷載規(guī)范GB50009 的規(guī)定采用。對于安全等級為一級的高層建筑以及對風荷載比較敏感的高層建筑，承載力設計時應按基本風壓值的1.1倍采用。（強條）2、風壓高度變化系數 風速大小不僅與高度有關，一般越靠近地面風速越小，愈向上風速越大，而且風速的變化與地貌及周圍環(huán)境有直接關系。 我國建筑結構荷載規(guī)范地面粗糙度應分為四類：A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C類指有密集建筑群的城市市區(qū)；D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。3.高層建筑的風振系數z：空

7、氣在流動時，風速、風向都在不停地改變。建筑物所受到的風荷載是不斷波動的?？梢园扬L壓有穩(wěn)定風壓和脈動風壓兩部分。風壓的波動周期一般較長，對一般建筑物影響不大，可以按靜載來對待。但是，對于高度較大或剛度相對較小的高層建筑來講，就不能忽視風壓的動力效應。在設計中，用風振系數來考慮。單位面積風荷載標準值(1)當計算主要承重結構時 (2)當計算圍護結構時基本風壓 作用在建筑物上的風壓力與風速有關，可表示為： 全國l0年、50年和l00年一遇的風壓標準值可由建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2012)附表中查得。風壓高度變化系數 風壓的高度變化系數按建筑結構荷載規(guī)范(GB 50009-2012)查取。風荷

8、載體型系數 風力在建筑物表面上分布是很不均勻的，一般取決于其平面形狀、立面體型和房屋高寬比。通常，在迎風面上產生風壓力，側風面和背風面產生風吸力(圖3-7)。用體型系數來表示不同體型建筑物表面風力的大小。體型系數通常由建筑物的風壓現場實測或由建筑物模型的風洞試驗求得。風振系數 風振系數反映了風荷載的動力作用，它取決于建筑物的高寬比、基本自振周期及地面粗糙度類別。高層建筑結構當高度大于30m、高寬比大于l.5時，以及基本自振周期T1大于0.25S的各種高聳結構可按下式計算： 在上中 g-峰值因子，可取2.5； 為10m高度名義湍流強度，對應A、B、C和D地面粗糙度， 可分別取0.12、0.14、

9、0.23和0.39； R-為脈動風荷載的共振分量因子； -為脈動風荷載的背景分量因子。 陣風系數計算公式計算圍護結構風荷載時采用的陣風系數可按表3-15確定。表3-15中的陣風系數是參考國外規(guī)范的取值水平，按式(3-26)計算確定： (3-26)其中A、B、C、D四類地面粗糙類別的截斷高度分別為5m、10m、15m、30m，即對應的陣風系數不大于1.65、1.70、2.05和2.4。 舒適度對風振加速度的限制 風荷載作用下，高層建筑物在過大的振動加速度下將產生振動，使居住在高樓內的人們感覺不舒適，兩者的關系如表3-19，其中g為重力加速度。 為了滿足人們對舒適度的要求，建筑結構荷載規(guī)范(GB

10、500092012)規(guī)定的10年一遇的風荷載標準值作用下，結構頂點的順風向和橫風向振動最大加速度不應超過表3-10的限值。 風荷載換算風荷載換算圖 倒三角形荷載最大值qk為 也可以將主體結構上樓面處的集中風荷載全部換算成倒三角形荷載，則 地震作用 3.3地震作用計算 地震的基本知識 1.地震、震源、震中和震中距 2.地震波、震級和地震烈度 高層建筑結構的抗震設防 1.高層建筑抗震設防分類 2.高層建筑的設防標準 3.高層建筑的抗震設防目標 新規(guī)定：高層建筑結構的地震作用計算應符合下列規(guī)定：1. 一般情況下，應至少在結構兩個主軸方向分別計算水平地震作用；有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15

11、時， 應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。2. 質量與剛度分布明顯不對稱的結構，應計算雙向水平地震作用下的扭轉影響；其他情況，應計算單向水平地震作用下的扭轉影響。 3. 高層建筑中的大跨度、長懸臂結構，7度(0.15g)、8度抗震設計時應計入豎向地震作用。4. 9度抗震設計時應計算豎向地震作用。 本條增加了大跨度、長懸挑結構7度時也應考慮豎向地震作用的規(guī)定。大跨度指跨度大于24m的樓蓋結構、跨度大于8m的轉換結構、懸挑長度大于2m的懸挑結構。對高層建筑，由于豎向地震作用效應放大比較明顯，因此增加抗震設防烈度為7度（0.15g）時也考慮豎向地震作用計算。大跨度、長懸臂結構應驗算其自身及其支

12、承部位結構的豎向地震效應。 高層建筑抗震設防分類(1)甲類建筑 指使用上有特殊設施，涉及國家公共安全的重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害等特別重大災害后果，須要進行特殊設防的建筑。(2)乙類建筑 指地震時使用功能不能中斷或須盡快恢復的生命線相關建筑，以及地震時可能導致大量人員傷亡等重大災害后果，須要提高設防標準的建筑。例如：救護、醫(yī)療、廣播、通訊等，但不是所有這類型的高層建筑均列人乙類，應根據城市防災規(guī)劃確定，或由有關部門批準確定。由于其重要性，乙類建筑要提高抗震措施的要求。 屬于乙類建筑有以下高層建筑物： A)對國內、外廣播的廣播電臺、電視臺和節(jié)目傳輸中心、電視發(fā)射中心。通常指國家級、

13、省和直轄市級的廣播電視中心； B)城市和長途通訊樞紐；重要的市電話局；國際無線電臺； C)有200床位以上的醫(yī)院病房樓、門診樓。 (3)丙類建筑指大量的除1、2、4款以外按標準要求進行設防的建筑。(4)丁類建筑指使用上人員稀少且震損不致產生次生災害，允許在一定條件下適度降低要求的建筑。 高層建筑的設防標準 各抗震設防類別的高層建筑結構，其抗震措施應符合下列要求： (1)甲類建筑，應按高于本地區(qū)抗震設防烈度提高一度采取抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施。同時，應按批準的地震安全性評價的結果且高于本地區(qū)抗震設防烈度確定其地震作用。 (2)乙類建筑，應按高于本地區(qū)抗震設

14、防烈度一度的要求加強其抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基礎的抗震措施，應符合有關規(guī)定。同時，應按本地區(qū)抗震設防烈度確定其地震作用。 (3)丙類建筑：應按本地區(qū)抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用。達到在遭遇高于當地抗震設防烈度的預估罕遇地震影響時不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴重破壞的抗震設防目標。 (4)丁類建筑，允許比本地區(qū)抗震設防烈度的要求適當降低其抗震措施，但抗震設防烈度為6度時不應降低。一般情況下，仍應按本地區(qū)抗震設防烈度確定其地震作用。 高層建筑的抗震設防目標 我國建筑抗震設計規(guī)范對建筑結構采用“三水準、二階段”方法作為抗震設防目標，其要求是：“

15、小震不壞，中震可修，大震不倒”。三水準的內容是： 第一水準：高層建筑在其使用期間，對遭遇頻率較高、強度較低的地震時，建筑不損壞，不需要修理，結構應處于彈性狀態(tài)，可以假定服從線性彈性理論，用彈性反應譜進行地震作用計算，按承載力要求進行截面設計，并控制結構彈性變形符合要求。 第二水準：建筑物在基本烈度的地震作用下，允許結構達到或超過屈服極限(鋼筋混凝土結構會產生裂縫)，產生彈塑性變形，依靠結構的塑性耗能能力，使結構穩(wěn)定地保存下來，經過修復還可使用。此時，結構抗震設計應按變形要求進行。 第三水準：在預先估計到的罕遇地震作用下，結構進入彈塑性大變形狀態(tài)，部分產生破壞，但應防止結構倒塌，以避免危及生命安

16、全。這一階段應考慮防倒塌的設計。 從三個水準的地震出現的頻度來看，第一水準，即多遇地震，約50年一遇；第二水準，即基本烈度設防地震，約475年一遇；第三水準，即罕遇地震，約為2000年一遇的強烈地震。 二階段抗震設計是對三水準抗震設計思想的具體實施。通過二階段設計中第一階段對構件截面承載力驗算和第二階段對彈塑性變形驗算，并與概念設計和構造措施相結合，從而實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震要求。 三個水準下的烈度 水平地震作用計算 高層建筑結構應根據不同情況，分別采用相應的地震作用計算方法： (1) 以剪切變形為主，質量與剛度沿高度分布比較均勻且高度不超過40m的高層建筑結構，可采用底部

17、剪力法?？蚣?、框架一剪力墻結構是比較典型的以剪切變形為主的結構。由于底部剪力法比較簡單，可以手箅，是一種近似計算方法，也是方案設計和初步設計階段進行方案估算的方法，在設計中廣泛應用。 (2) 振型分解反應譜法是高層建筑結構地震作用分析的基本方法。高層建筑結構宜采用振型分解反應譜法。幾乎所有高層建筑結構設計程序都采用了這一方法。 (3) 79度抗震設防的高層建筑，下列情況宜用時程分析法進行補充計算： （A）甲類高層建筑結構； （B）表3-19所列屬于乙、丙類的高層建筑結構； 表 3-19 采用時程分析法的高層建筑結構 （C）豎向不規(guī)則的高層建筑結構； （D）復雜高層建筑結構； （E）質量沿豎向分

18、布特別不均勻的高層建筑結構。 設防烈度、場地類別 建筑高度范圍 設防烈度、場地類別 建筑高度范圍 8度I、類場地和7度100m9度60m 8度、類場地80m 根據結構抗震性能設計的規(guī)定，本次修訂增補了設防地震（中震）和6度時的數值。水平地震作用計算步驟1.確定計算簡圖并計算結構重量 G 2.計算結構側向剛度 k 3.計算結構自振周期 T 4.確定地震參數 根據設防烈度查表得 max 根據建筑場地類別和分區(qū)查表得 Tg 再由反應譜確定地震影響系數 5.計算水平地震作用 ：F = G底部剪力法是一種簡化方法。是在振型分解反應譜法基礎上得到的簡化方法。底部剪力法也是抗震規(guī)范規(guī)定的計算地震作用的基本方

19、法之一。當質量和剛度沿高度分布比較均勻，且高度不超過40m、以剪切變形為主的結構，以及近似于單質點體系的結構，可采用底部剪力法求結構的水平地震作用底部剪力法 當建筑物高度不超過40m，以剪切變形為主、且質量和剛度沿高度分布比較均勻時，結構振動往往以第一振型為主，而且基本振型接近于直線（即倒三角形）。因此，底部剪力法采用如下假定： （1）計算時僅取第一振型。 （2）第一振型為倒三角形。各質點的水平地震作用 底部剪力法 按照反應譜理論，地震作用的大小與重力荷載代表值的大小成正比： 結構總水平地震作用標準值應按下列公式計算： 地震影響系數曲線 底部剪力法計算示意圖 質點i的水平地震作用標準值計算 主

20、體結構頂層附加水平地震作用標準值 底部剪力法的計算步驟1）計算結構基本周期通常采用能量法計算，即采用以下公式： (2)（3）計算底部剪力 （5）計算各質點上水平地震作用 (4) （7）頂部小屋的地震作用FD(6) 振型分解反應譜法 第j振型i質點的水平地震荷載標準值振型組合由于在任意時刻當某一振型的地震作用達到最大值時，其它各振型的地震作用并不一定達到最大值。就是說，各振型的地震作用不可能同時達到最大值。因此，這里存在一個振型組合問題。根據統(tǒng)計和地震資料分析，對于各振型所產生的地震作用效應，可近似地采用”平方和開方”法來確定，即一般情況下：m=23當基本周期T1 1.5s或房屋高寬比H/B5時

21、，適當增加組合的振型個數。 當僅考慮x方向地震作用時：當僅考慮y方向地震作用時：單向水平地震作用下，考慮扭轉的地震作用效應，應按下列公式確定： 考慮雙向水平地震作用下的扭轉地震作用效應，應按下列公式中的較大值確定： 或 振型分解反應譜法計算步驟1. 求結構動力特性3. 對各個振型計算水平地震作用（3）計算水平地震作用 時程分析法 79度抗震設防的高層建筑，下列情況應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算： (1)甲類高層建筑結構； (2)表3-23所列的乙類和丙類高層建筑結構； (3)不滿足下列各條規(guī)定的高層建筑結構： 1)抗震設計的高層建筑結構，其樓層的側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛

22、度的70或其上相鄰三層側向剛度平均值的80。 2)A級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80，不應小于其上一層受剪承載力的65；B級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的75。 3)抗震設計時，結構豎向抗側力構件宜上下連續(xù)貫通。 4)抗震設計時，當結構上部樓層收進部位到室外地面的高度Hl與房屋高度H之比大于0.2時，上部樓層收進后的水平尺寸Bl不宜小于下部樓層水平尺寸B的0.75倍；當上部結構樓層相對于下部樓層外挑時，下部樓層的水平尺寸B不宜小于上部樓層水平尺寸Bl的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。 (4)復雜高層建筑結構； (5)質量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構。地震波選取原則 時程分析計算時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于兩組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程血線，其平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統(tǒng)計意義上相符，且彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均