第三章高层建筑的荷载作用与结构设计原则

西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用第3章荷载和地震作用西安建筑科技大学土木工程学院史庆轩高层建筑结构设计标题西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用本章主要内容：主要内容3.1竖向荷载（简介）3.2风荷载（重点）3.3地震作用（工程结构抗震课介绍此部分内容）西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.1竖向荷载第3章高层建筑结构的荷载和地震作用与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构——1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构；2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素；3）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。1）竖向荷载2）水平荷载恒荷载活荷载风荷载地震作用西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.1竖向荷载3.1恒荷载恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件及其装修的设计尺寸和材料单位体积或面积的自重计算确定。材料容重可从《荷载规范》查取；固定设备由相关专业提供。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.1竖向荷载3.2活荷载1、楼面活载1）高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》的规定取用。2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，楼面活荷载的折减可在构件内力组合时取用。2、屋面活载1）屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》的规定取用。2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.1竖向荷载3、屋面雪荷载（1）屋面水平投影面上的雪荷载标准值：S0为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定。按《荷载规范》取用；μr为屋面积雪分布系数，可按《荷载规范》取用。（2）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和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0。（3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。4、施工活荷载施工活荷载一般取1.0~1.5kN/m2。对高层建筑结构，计算活荷载产生的内力时，可不考虑活荷载的最不利布置。为简化计算，可按活荷载满布进行计算，然后将这样求得的梁跨中截面和支座截面弯矩乘以1.1~1.3的放大系数。0krSS西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载3.2风荷载建筑高度建筑外型风的动力作用风向标准风速标准地貌风荷载标准值空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风，与建筑物有关的是靠近地面的流动风，简称为近地风。当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的风荷载。对于高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压，另一方面风又使建筑物产生风力振动。（静力＋动力）西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载3.2.1风荷载标准值kw1、基本风压我国《荷载规范》规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高，统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速v0（m/s）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于0.3kN/m2。特别重要的高层建筑，取100年。0w西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示，即2、风压高度变化系数风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。当达到一定高度时（300~500m），风速不受地表影响，达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗糙程度有关。z梯度风梯度风海洋乡村城市70799110049597690100617789100梯度风离地高度（m）HzvvHzHHv——分别为标准高度（例如10m）及该处的平均风速；——地面粗糙度系数；地表粗糙程度愈大，值则愈大；西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用由于《规范》只给出了10m高度处的风压，则其他高度处的风压可由此求得。风压高度变化系数：为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。现行规范将地面粗糙程度分为四类：A类——指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；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——指有密集建筑群的城市市区；D类——指密集建筑群且房屋较高的城市市区。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载3、风荷载体型系数1）风压分布系数——风压与体型的关系2）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速算得的理论风压的比值。3）特点：风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度有关。s迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载3）计算：在计算风荷载对建筑物的整体作用时，只需按各个表面的平均风压计算，即采用各个表面的平均风荷载体型系数计算。4）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验（１）单体风压体型系数例:+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2当表面粗糙时取μs=0.8西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用ss（2）群体风压体型系数对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。《高层规程》规定，当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应。一般可将单体建筑的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。（3）局部风压体型系数在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用局部风荷载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。檐口、雨蓬、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。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载4、风振系数１）风速特点：风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风两部分。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影响大。２）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑，目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应，即对风压值乘以风振系数。z西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载2）计算：对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载3.2.2总风荷载总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。z高度处的总风荷载标准值按下式计算：+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)Wz1Wz2Wz3Wz4西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载例题西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用3.2风荷载西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用引致灾害的自然作用灾害类別气象方面极端雨量太多洪灾太少干旱极端气温太高热浪太低霜冻、大风雪极端强风台风、龙卷风地貌方面板块活动地震、海啸、火山爆发重力作用泥石流、雪崩生物方面与动物、微生物有关蝗虫、白蚁等虫害細菌或病毒疾病︰如伤寒、“非典”、瘟疫与植物有关真菌病害︰如小麦的铁锈病数量激增野草蔓延、赤潮第一章抗震设计的基本知识和基本要求§1.1地震灾害概述一、地震是群灾之首灾害自然灾害人为灾害人为灾害：火灾、污染（大气、水、海洋）、核泄漏、战争等自然灾害：地震灾害是群灾之首，它具有突发性和不可预测性，次生灾害严重，对社会产生很大影响等特点。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用死亡24人，经济损失94亿美元。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用12层钢筋混凝土住宅和商务大楼，自楼梯间相接处分裂，东侧楼6层以下全部塌陷，并向东侧倒在邻房4层楼公寓上。西侧楼5层以下全部倒塌，并向西倾倒在另一栋大楼上，柱间距介于8米到10米，且柱子数量偏少。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用16层钢筋混凝土住宅大楼。地震时其中一栋倾倒，靠在呈L型平面大楼上，柱间距7至10米。造成倾倒的原因是底层柱子数量少，间距太大。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用唐山大地震：1976年7月28日3时42分54秒，河北唐山、丰南一带发生了7.8级强烈地震，震中区烈度11度。地震波及天津市和北京市。150万人口中死亡24万，伤16万；直接经济损失100亿元，震后重建费用100亿元。唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，7.8级地震时倒塌一层，7.1级地震时除四根门柱外，全部坍塌。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用开滦煤矿医院，五层砖混结构（局部七层），仅西部转角残存。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用开滦煤矿救护楼，砖混结构人字木屋架的三层楼房，墙倒顶塌。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用唐山地区交通局，砖混结构的三层办公楼遭到破坏。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用唐山市河北省矿业学院图书馆，三层高的阅览室，系装配式纯框架结构，西头倒毁，东头框架幸存。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用唐山市机车车辆厂震后概貌。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用震后工厂厂区西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用近年来国际上大地震：（1）印度大地震，2001年1月26日上午8时46分，印度西北部古吉拉特邦，地级7.9级。（2）美国加州北岭地震，1994年1月17日，7.0级，2400栋建筑被毁，多处高架公路桥受损，死亡61人，伤7300人，直接经济损失300亿美元。（3）日本阪神地震，1995年11月17日，7.2级，22万栋房屋倒塌或严重损坏，死亡6348人，伤4万人，经济损失1000亿美元。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用二、我国的地震情况1.我国是一个多地震国家据统计，我国大陆地震约占世界大陆地震的三分之一。原因是：我国正好介于地球的两大地震带之间。全世界地震主要分布于以下两个带：（1）环太平洋地震带：包括南北美洲的太平洋沿岸和从阿留申群岛、堪察加半岛、经千岛群岛日本列岛南下至我国台湾省，再经菲律宾群岛转向东南，直到新西兰。（2）喜马拉雅——地中海地震带：从印度、尼泊尔经缅甸至我国横断山脉、喜马拉雅山区，越帕米尔高原，经中亚细亚到地中海及其附近。西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用以上两个地震带释放的能量，约占全球所有地震释放能量的98%。喜马拉雅——地中海地震带环太平洋地震带西安建筑科技大学第3章高层建筑结构的荷载和地震作用2.我国是一个地震灾害最严重的国家1920年宁夏海原地震（8.5级）死亡23.4万人。1976年河北唐山地震（