第3章-风荷载及地震作用

高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用第3章：风荷载及地震作用竖向荷载水平荷载——自重、楼（屋）面活荷载——风荷载、地震作用高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用主要学习内容•3-1风荷载及计算•3-2地震作用及计算•3-3设计要求及荷载效应组合高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风荷载（水平荷载之一）—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高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风的破坏力“森拉克”肆虐浙闽防波堤被冲垮百米[2003七月2812:43]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。险情发生后，当地政府组织公安、边防、民兵应急分队和群众及时进行抢修，力争将损失降低到最低限度。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风的破坏力高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风的破坏力高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风的破坏力高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风的破坏力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高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风荷载的特点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风力受到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风力作用具有静力、动力两重性质。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。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，但建筑物的使用期限出现较大风力的次数较多。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。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用3-1风荷载1、高层建筑风荷载的特点•风荷载与建筑物的外形（高度、平面和体形）直接有关，也与周围环境（街区、周围建筑群）有很大关系。•高层建筑外表面各部分的风压很不均匀。迎风面压力背风面吸力浮力因此，高层建筑中一般不设外伸构件。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用•要考虑风的动力作用——风振–层数少的建筑物，刚度大、自振周期短、风荷载产生的振动也小，设计中只需考虑风压的影响，而不考虑风振；–高层建筑，刚度小、自振周期长、风的动力作用明显。在工程设计中是通过风振系数来考虑风的动力作用的。Z高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用平均风压与波动风压图高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用振型系数脉动增大系数，按下表采用：风压高度变化系数，按下表采用：脉动影响系数《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002)中规定：当建筑物高度30m、高宽比1.5时，考虑风振系数：按照不同的地面粗糙度A类地形、B类地形、C类地形和D类地形取值。见《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002)中的规定。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用结构基本自振周期框架结构框架-剪力墙结构剪力墙和筒中筒结构结构层数基本风压，按《荷载规范》中“全国基本风压分布图”采用。地面粗糙度为B类地区脉动增大系数注：对地面粗糙度为A类、C类和D类地区应按当地基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001)中规定把地面粗糙度分为A、B、C三类：A类指近海海面、海岛、海岸及沙漠地区；B类是田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇及大城市的郊区；C类指由密集建筑群的大城市市区；D类指由密集建筑群且房屋较高的城市市区；高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用离地面或海平面高度（m)地面粗糙度类别ABCD51.171.000.740.62151.521.140.740.62502.031.671.250.843003.122.972.752.45风压高度变化系数Z高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风速随高度的变化24.010379.1zAZ32.010000.1zBZ44.010616.0zCZ60.010318.0zDZ高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用2、风荷载高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用——由空旷平坦地面，离地10m统计的重现期为50年(或100年）的10分钟平均最大风速计算所得。可查荷载规范，但不得小于0.3KN/m2高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用•风荷载作用面积：垂直于风向的最大投影面积–1.基本计算公式–2.计算参数•基本风压值•体型系数•高度变化系数风载作用面积•风振系数0wzszk高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用总风荷载和局部风荷载总风荷载对整体房屋的作用：垂直于建筑物表面各表面承受风力的合力：可采用矢量和计算并简化为沿房屋高度变化的分布荷载即作用在承力面上的倒梯形或倒三角形荷载均布荷载高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用风载作用下房屋的水平力示意图高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用+0.8-0.7-0.7-0.5+0.8+0.4+0.4-0.7-0.7-0.5-0.5-0.5+0.8-0.500-0.5-0.5高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用•局部风荷载局部增大体型系数檐口、雨蓬、遮阳板等水平构件，局部上浮玻璃幕墙另行标准平面形状不规则立面开洞或连体建筑风洞试验周围地形和环境较复杂高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用例∶已知剪力墙结构如图所示，38层，123.5m高，位于城市郊区Ⅱ类场地，基本风压，已知结构基本自振周期1.9s。(墙厚300mm)求：在横向风荷载作用下一层底的剪力及倾覆力矩高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用为简化计算，将建筑物分为5段，每段顶标高取在楼层处，每段中点距地面的距离作为计算风压高度，地面粗糙度，位于城市郊区为B类，高度(m)12.2536.961.786.5111.21.061.501.792.002.16(4)求风振系数高度高宽比解：1、求风荷载标准值0wwZsZk(1)基本风压值(2)风荷载体形系数(3)风压高度变化系数高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用111.2m86.5m61.7m36.9m12.25m24.5m24.8m24.8m24.8m24.6m123.5m脉动影响系数：脉动增大系数：各高度处风振系数：高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用(5)各段风载标准值(6)求各段风载集中标准值各分段间风载集中标准值：（B—受风宽度）高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用(7)基底剪力：基底弯矩：高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用3-2地震作用1、地震作用抗震设计时，结构所承受的“地震力”实际上是由于地震地面运动引起的动态作用，包括地震加速度、速度和动位移的作用，属于间接作用，称为“地震作用”。不可称为“荷载”。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用地震作用计算时用到地震反应谱曲线——由255条地震加速度纪录经计算整理得到。地震影响系数曲线2、地震影响系数高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用结构自振周期场地特征周期地震影响系数最大值直线下降段的下降斜率调整系数(一般情况取0.2)阻尼调整系数(一般情况取1.0)衰减指数(一般情况取0.9)高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系抗震设防烈度6７８９设计基本地震加速度值0.05g0.10(0.15)g0.20(0.30)g0.40g高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用水平影响系数最大值1.400.90(1.20)0.50(0.72)——0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.049度8度7度6度多遇地震地震影响罕遇地震特征周期设计地震分组场地类别ⅠⅡⅢⅣ第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用1）水平地震作用计算3、地震作用的计算方法我国《抗震规范》规定：抗震设计——设防烈度在6度以上的建筑物必须进行；地震作用计算——设防烈度在7、8、9度的建筑物；6度Ⅳ类场地上的较高建筑物。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用计算方法——反应谱底部剪力法反应谱振型分解法时程分析法——作补充计算（1）反应谱底部剪力法对于重量、刚度沿高度分布比较均匀、高度不超过40m，以剪切变形为主的多层和高层建筑结构，采用此法计算水平地震作用。这时各楼层仅取一个自由度。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用•结构的总水平地震作用标准值相应于结构基本自振周期的水平地震影响数值结构等效总重力荷载：单质点取总重力荷载代表值；多质点取总重力荷载代表值的85%。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用总重力荷载代表值：建筑的总重力荷载代表值应按下列规定采用：1、恒荷载——取100%2、雪荷载——取50%3、楼面活荷载——按实际情况计算时取100%；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案室、库房取80%，一般民用建筑取50%。4、屋面活荷载——不考虑结构等效总重力荷载：高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用例1：某三层框架的结构计算简图及恒载图、活载图如图所示。按8度设防，第一组，Ⅱ类场地土。两跨梁的总长为12m。均布荷载的单位为，集中荷载的单位为要求：计算总重力荷载代表值及等效总重力荷载代表值。5090高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用解：1、计算各层重力荷载代表值2、计算总重力荷载代表值及等效总重力荷载代表值高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用•各楼层的水平地震作用标准值为：•顶部附加水平地震作用标准值为：高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用顶部附加地震作用系数顶部附加地震作用系数结构基本自振周期高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用底部剪力法适用于重量和刚度沿高度分布比较均匀的结构。当建筑物有突出屋面的小建筑如屋顶间、女儿墙、烟囱等时，由于该部分的重量和刚度突然变小，将产生鞭稍效应，使其地震反应特别强烈。为简化计算，《抗震规范》提出，当计算这类小建筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，此增大部分不再向下传递。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用•抗震验算时，结构任意楼层的水平地震剪力应符合下列要求：EkiV第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力。剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小剪力系数，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用楼层最小剪力系数值类别7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构0.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5.0s的结构0.012(0.018)0.024(0.032)0.040注：1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值；2、括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用5层砌体房屋模型1：4模拟地震振动台试验高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用例2：某工程为8层框架结构，梁柱现浇，楼板预制，设防烈度为7度，第一组，场地为Ⅲ类场地土，特征周期为，水平地震影响系数最大值为，现已计算出结构自振周期为，集中在楼盖和屋盖的恒载为顶层5400kN，2-7层5000kN，底层6000kN，活载为1-7层1000kN，顶层雪荷载600kN。要求：按底部剪力法计算各楼层的地震作用标准值与地震剪力标准值。高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用7m7m4m7x3m=21m高层建筑与抗震设