高层建筑结构设计-第三讲

重庆交通大学土木工程学院《高层建筑结构设计》第三讲高层建筑结构荷载课程要求：◊掌握高层结构总风荷载和局部风荷载的计算。◊了解有关地震的基本知识。◊掌握抗震设计基本原则及抗震设计基本要求。◊了解地震作用特点及其等效的概念。◊了解地震作用的计算方法。◊熟练掌握底部剪力法计算地震作用。重庆交通大学土木工程学院高层建筑主要承受竖向荷载、风荷载和地震作用。本章的主要任务是介绍上述荷载的汇集方法。3.1竖向荷载竖向荷载分为永久荷载（恒荷载）：结构及装饰材料自重、固定设备自重。可变荷载（活荷载）：楼面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载及施工检修荷载。恒荷载标准值可由《建筑结构荷载规范》GB50009提供的各种材料自重标准值及构件和装饰物等截面尺寸进行计算，固定设备自重由有关专业人员提供。活荷载标准值应按《建筑结构荷载规范》GB50009的有关规定采用。重庆交通大学土木工程学院3在计算高层建筑楼面活荷载引起的内力时，一般可不考虑楼面活荷载不利布置，因为高层建筑楼面活荷载标准值一般为2kN/m2，而高层建筑全部竖向荷载标准值一般为12～16kN/m2，楼面活荷载最不利布置对内力影响较小，为简化计算，可不考虑楼面活荷载不利布置，按活荷载满布进行计算，然后对梁跨中弯矩乘以1.1～1.3的放大系数。当楼面活荷载大于4kN/m2时，应考虑活荷不利布置。3.2风荷载一、垂直于建筑物表面上的风荷载标准值重庆交通大学土木工程学院全国各城市的50年一遇的风压注：其他省市风压此处从略，详见《建筑结构荷载规范》GB50009附录D，表D.4。上表中分别给出了重现期为10、50、100年的风压。对于一般高层建筑可采用重现期为50年的风压。重庆交通大学土木工程学院5对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，应采用重现期为100年的风压（高层建筑对风荷载是否敏感，主要与高层建筑的自振周期有关，目前尚无实用的划分标准，一般情况下，高度大于60米的高层建筑，可采用100年一遇的风压值，对于高度不超过60米的高层建筑是否采用100年一遇的风压值，可由设计人员根据实际情况确定）。重现期为10年的风压用于高层建筑的舒适度验算。重庆交通大学土木工程学院6风压高度变化系数z重庆交通大学土木工程学院7对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数按高层建筑所在地区的不同，应根据地面租糙度类别按表3-1确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：A类指近海海面和海岛、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类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。重庆交通大学土木工程学院风压高度变化系数μz离地面或海平面高度(m)地面粗糙度类别ABCD510152030405060708090100150200250300350400≥4501．171．381．521．631．801．922.032．122．202．272．342．402．642．832．993．123．123．123．121．001.001．141．251．421．561．671．771．861．952．022．092．382．612．802．973．123．123．120．740．740．740．841．001．131.251．351．451．541．621．702．032．302．542．752．943．123．120．620．620．620．620．620．730.840．931．021．111．191．271．611．922．192．452．682．913．12重庆交通大学土木工程学院风载体型系数:建筑物各个表面风作用力的平均值与基本风压的比值。s重庆交通大学土木工程学院5在需要更细致地进行风荷载计算的场合，风荷载体型系数可按《高层建筑混凝土结构技术规程》附录A采用，或由风洞试验确定。重庆交通大学土木工程学院对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构对于基本自振周期大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋建筑，应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。高层建筑的风振系数（总风压与静风压的比值）可按下式计算：式中Hi——计算点距室外地面高度；H——房屋高度。（采用振型分解法计算总风压时得到的）振型系数，由风动力计算确定，计算时可只考虑基本振型的影响；重庆交通大学土木工程学院12重庆交通大学土木工程学院高层建筑的脉动影响系数υ重庆交通大学土木工程学院14高层建筑群、房屋高度大于200m，或高度大于150m的平面不规则、立面较复杂、立面开洞或连体建筑、周围地形和环境较复杂的建筑，宜采用风洞试验确定风荷载。对于复杂体型的高层建筑，进行内力与位移计算时，正反两个方向风荷载的绝对值可按两个方向中的较大值采用，这样，正向风和反向风只需计算一次，两个方向的大小相等，方向相反，可使计算大为简化。总体风荷载：建筑物各个表面风荷载的合力，是沿高度变化的分布荷载，用于计算结构侧移和各构件内力。二、局部风荷载对于檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等局部构件，计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数μs不宜小于2.0。)coscoscos(2221110nnnszzBBBwW重庆交通大学土木工程学院15地震效应:地面运动产生的结构反应,包括加速度、速度、位移反应。地面运动特性的特征量（三要素）：强度、频谱和持续时间。建筑物本身的动力特性对建筑破坏程度有很大的影响，建筑物的动力特性：主要指建筑物的自振周期、振型和阻尼。抗震设防是对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震措施，以达到结构抗震的效果和目的。抗震设防的目标：(三水准)“小震不坏，中震可修，大震不倒”通过二阶段设计法来实现上述“三水准”抗震设计目标。回顾-地震作用的知识点重庆交通大学土木工程学院163.3地震作用一、地震作用的有关规定1.建筑物重要性分类甲类——指重大建筑工程和地震作用时可能发生严重次生灾害的建筑。乙类——指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。丙类——指一般高层民用建筑。（1）甲类建筑：应按高于本地区设防烈度计算；（2）乙、丙建筑，应按本地区设防烈度计算。抗震措施不同，具体抗震措施要求看《规范》。重庆交通大学土木工程学院17重庆交通大学土木工程学院182.地震作用计算原则（1）抗侧力构件正交时，可在两个主轴方向分别考虑地震作用；抗侧力构件斜交时（当相交角度大于15度时），应分别计算各斜交方向的水平地震作用。（2）质量和刚度明显不对称不均匀的结构，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影响。（3）7度（0.15g）、8度及以上的大跨、长悬臂结构应考虑竖向地震作用。（4）9度抗震时应计算竖向地震作用。重庆交通大学土木工程学院二、地震作用计算方法要求重庆交通大学土木工程学院20重庆交通大学土木工程学院三、钢筋混凝土高层的抗震等级A级高度的高层建筑结构抗震等级重庆交通大学土木工程学院B级高度的高层建筑结构抗震等级重庆交通大学土木工程学院1.抗震计算理论计算地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法（拟静力法）和时程分析法（直接动力法）。反应谱理论反应谱：单质点弹性体系在一定的地面运动作用下，其最大反应（加速度、速度和位移反应）与体系自振周期之间的变化曲线（谱曲线）。回顾-抗震的知识点重庆交通大学土木工程学院•直接动力理论—时程分析用地震波（加速度时程）作为地面运动输入，直接计算并输出结构随时间而变化的地震反应。•地震波的选取：采用弹塑性动力分析方法进行薄弱层验算时，宜符合以下要求：1应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线；2地震波持续时间不宜少于15s和结构基本自振周期的5倍，地震波的时间间距可取为0.01s或0.02s；3输入地震波的最大加速度，可按表采用。由于结构在罕遇地震下进入塑性，所以必须确定构件恢复力模型重庆交通大学土木工程学院2设计反应谱地震影响系数：地震作用：因此关键在于确定值。其直接变量为结构自振周期，另外还场地特征周期和结构阻尼比有关。然后按《抗震规范》中给出的地震影响系数曲线确定。kgSa/GF重庆交通大学土木工程学院重庆交通大学土木工程学院1、除有专门规定外，混凝土结构的阻尼比应取0.05，此时，阻尼调整系数η2=1；曲线下降段衰减指数γ=0.9，直线下降段的下降斜率调整系数η1=0.022、当建筑结构的阻尼比按有关规定不等于0.05时：η1直线下降段的斜率调整系数，当小于0时，应取0η2阻尼调整系数，当小于0.55时，应取0.55重庆交通大学土木工程学院3水平地震作用计算底部剪力法1适用范围：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结构。2结构的水平地震标准值，按下列公式计算：FEk－－结构总水平地震作用标准值α1－－相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数。Geq－－结构总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%。eqEkGF1ieqGG85.0重庆交通大学土木工程学院Fi－－质点i的水平地震作用标准值Hi,Hj－－分别为质点i,j的计算高度δn－－顶部附加地震作用系数EknnnEknjjjiiiFFFHGHGF)1(1重庆交通大学土木工程学院说明：鞭端效应:当建筑物有突出屋面的小建筑物，如屋顶间、女儿墙等时，由于这些建筑物的质量和刚度突然变小，地震反应随之加大。这种现象称为“鞭端效应”。对高层建筑，增大系数应按高规（JGJ3－2010)附录C.0.1之规定选用。nFiF1nFnF重庆交通大学土木工程学院振型分解反应谱法因结构计算模型分为水平结构和空间结构，振型组合也有两种方法。这里主要介绍：1平面结构振型分解反应谱法结构j振型i质点的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：Fij=αjγjXjiGi（i=1,2…n,j=1,2…m）式中：Fji－－j振型i质点的水平地震作用标准值αj－－相应于j振型自振周期的地震影响系数Xji－－j振型i质点的水平相对位移γj－－j振型的参与系数Gi－－集中于i质点的重力荷载代表值。重庆交通大学土木工程学院niijiniijijGXGX121重力荷载代表值：应取结构和构配件自重标准值和个可变荷载组合值之和。2振型组合水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴力和变形），应按下式确定：2jEkSSSEk－－水平地震作用标准值的效应Sj－－j振型水平地震作用标准值的效应，可只取前2～3个振型，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。重庆交通大学土木工程学院验算抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求：式中：VEki－－第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；λ－－剪力系数，不应小于表4.3.12规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；Gj－－第j层的重力荷载代表值重庆交通大学土木工程学院4结构自振周期的计算计算方法：理论计算、半理论半经验公式和经验公式。1，理论计算（在采用振型分解反应谱计算时应用）：刚度法、柔度法刚度增大后周期折减系数：框架：0.6~0.7框架—剪力墙：0.7~0.8剪力墙:1.0重庆交通大学土木工程学院2，半理论半经验公式（采用底部剪力法时应用）：1）顶点位移法TT017.1重力荷载作为水平力作用于各质点上计算结构的弹性侧移曲线，得顶点的以弹性侧移ΔT（单位是m),0为结构基本周期修正系数，取值同上。重庆交通大学土木工程学院2）能量法计算步骤：以重力荷载作为水平力作用于各质点上计算结构的弹性侧移曲线，得各质点的弹性侧移ΔiNiiiNiiiGgGT112012重庆交通大学土木工程学院3经验公式（仅用于估算）1）钢筋混凝土剪力墙结构，高度25~50m，剪力墙间距6m左右：T1横=0.06NT1纵=0.05N2）钢筋混凝土框架—剪力墙结构：T1=（0.06~0.09）N3）钢筋混凝土框架结构：T1=（0