第3章 高层建筑结构荷载(2)

第3章高层建筑结构荷载3.1恒荷载及楼面活荷载（竖向荷载）3.2风荷载（水平荷载）3.3地震作用（水平荷载）3.3地震作用一、基本概念地震是由于地壳构造运动(岩层构造状态的变动)或其它原因而引起的地面振动的现象。1．地震的类型地震按其成因可分为：火山地震，陷落地震和构造地震。火山地震——由于火山爆发而引起的地震；陷落地震——由于地表或地下岩层突然大规模陷落和崩塌而造成的地震；构造地震——由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震。前二种地震的影响范围和破坏程度相对较小，而后一种地震的破坏力大2、常用术语（1）地震震级：震级是表示地震本身大小（释放能量多少）的尺度。目前，国际上比较通用的是里氏震级，其原始定义为1935年由里克特(Richter)给出，即地震震级M为M=logA震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差32倍。微震——小于2级的地震；有感地震——2-4级地震，人能感觉到；破坏性地震——5级以上地震，能引起不同程度的破坏；强烈地震——7级以上的地震。（2）地震烈度：地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个；随距离震中的远近不同，烈度就有差异。评定地震烈度的标准就称为地震烈度表。绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。基本烈度：作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，它是指该地区今后一定时期内，在一般场地土条件下，可能遭受的最大地震烈度，也就是由国家地震局制定的全国地震烈度区划图规定的烈度。设防烈度：建筑物抗震设防时采用的烈度。3、地震对建筑物的影响GgaGamFaaE惯性力建筑物加速度地面加速度地面运动地震0二、地震作用的特点1．间接性——不是直接作用在建筑物上。2．复杂性——地震波的影响多，运动不规则，是复杂的三维振动。3．随机性——地震的时间、地点、大小难以预测。4．与地基土的动力特性有关。5．与结构本身的动力特性（自振周期、振型与阻尼）有关。三、抗震设计的原则和方法抗震设计——用定量方法估计地震反应，采取合理的构造措施，以保证结构有足够的刚度和抗震承载能力。1、抗震设防的范围：6度~9度地区（低于6度可不设防，高于9度应专门研究）。2、抗震设防的目标——三水准要求：所谓的三水准抗震目标，可简单的概括为：小震不坏；中震可修；大震不倒。3、抗震设计的方法——两阶段设计方法我国抗震规范要求建筑结构的抗震设计方法是两阶段设计方法。两阶段设计法步骤是：•（1）第一阶段——小震强度：对绝大多数建筑结构，应满足第一、二水准的设计要求，即采用第一水准(多遇地震)的地震动参数，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移，并用极限状态方法进行截面设计，然后采取相应的构造措施，达到“小震不坏、中震可修”的要求。•（2）第二阶段——大震变形：对于重要建筑或有特殊要求时，除进行第一阶段设计外，还要进行罕遇地震（大震）作用下薄弱层部位的弹塑性变形验算和采取相应的构造措施，使薄弱层的水平位移不超过允许的弹塑性位移，实现第三水准的要求。并用直接动力方法——时程分析方法补充计算。4．抗震概念设计：概念设计——指一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。结构破坏机理的概念；力学概念；由震害、试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验等。★概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，★应体现在计算简图或计算结果的处理中，★对某些薄弱部位的配筋构造起作用。概念设计带有一定的经验性。但它和抗震计算、构造设计等是不可分割、互为补充的抗震设计的重要组成部分。四、等效地震作用（荷载）的计算（一）计算方法简介目前在工程上求解结构地震反应的方法大致可以分为两类。1．等效荷载法：等效荷载的计算又有静力法和反应谱法两种：（1）静力法：把等效地震作用取为常数，F=ma=mg(a/g)=K.G,早期K取为常数（K=0.1）。（2）反应谱法（拟静力法）：用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱，再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载；然后按静力方法进行结构计算及设计的方法，称为反应谱方法。反应谱——结构的最大地震反应（u、a、m等）与其自震周期T的关系曲线。2．直接动力分析法：即对动力方程进行直接积分，求出结构反应与时间变化的关系，得出所谓时程曲线，故此法亦称时程分析法。（二）设计反应谱曲线及单质点体系的地震作用1、单质点体系：等高单层厂房、水塔等。将该结构中参与振动的所有质量全部折算至顶部；将墙、柱视作一无重的弹性杆，这样就形成了一个单质点体系当该体系只作单向振动时，就成为一个单自由度体系。式中：m、G为单质点体系的质量及重量；g为重力加速度；为地面运动最大加速度；称为地震系数，表示地面运动的相对强度；称为动力系数，表示质点加速度与地面加速度相比的放大系数；α为地震影响系数，α=kβ。GGkmgxSgxmSFaamax0max02、单质点体系的水平地震作用max0xgxk/max0max0/xSa3、设计反应谱曲线《抗震规范（GB50011-2001）根据255条地震加速度记录计算得到的反应谱曲线，经过处理后得到的标准反应谱——地震影响系数α，作为设计反应谱曲线，α—地震影响系数；αmax—地震影响系数最大值；T—结构自振周期；Tg—特征周期；γ—曲线下降段的衰减指数；η1—直线下降段下降斜率调整系数；η2—阻尼调整系数3．单质点体系的地震作用计算方法（1）计算结构自振周期：；（2）由场地类别、设计地震分组查表2-11，得场地特征周期Tg；（3）由设防烈度查表2-9得水平地震影响系数最大值αmax；（4）确定、1、2；（5）由T、Tg、αmax按图2-11计算水平地震影响系数α；（6）作用在单质点上的水平地震作用为FEK=αg=αmg。kmTmk/2/2,/（三）多质点体系等效地震作用计算方法1、结构体系的简化一般把各层质量集中在楼层处，n个楼层即形成n个质点。每一楼面标高位置的重量（称重力荷载代表值）由以下几部分组成：①恒荷载（本层楼面结构及上、下各半层墙、柱）的全部；②雪荷载的50％；③一般楼面活荷载的50％，藏书库、档案库活荷载的80％。简化后的计算简图如图，图中Gi为第i层质点的重力荷载代表值。2、计算方法及要求高层建筑应按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法：①高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。②高度超过40m的高层建筑物一般可采用振型分解反应谱方法。③刚度与质量分布特别不均匀的建筑物、甲类建筑物等，宜采用时程分析法进行补充计算。3、反应谱底部剪力法计算水平地震作用（1）基本思想：按结构底部总剪力相等的原则，把多质点体系简化为单质点体系，只用基本自振周期确定总底部剪力，然后按照一定规律将地震力（总底部剪力）沿高度沿高度分配给各质点。（2）适用条件：①结构高度小于40m；②沿高度方向质量及刚度分布比较均匀；③以剪切变形为主（H/B＜4）的高层建筑。（3）计算方法：由基本自振周期T1、按反应谱曲线（T-α）确定α1；（地震影响系数最大值αmax；特征周期Tg；曲线下降段衰减指数γ；直线下降段下降斜率调整系数η1；阻尼调整系数η2）计算底部剪力FEK：FEK=α1Geq（Geq=0.85GE=0.85Gi）将FEK分配给各质点：当建筑为n层时，各楼层处地震力为Fi，用顶部附加荷载△Fn近似考虑高振型影响。顶层等效地震力为Fn+△Fn。多质点体系的水平地震作用分布特点：当质量、刚度沿高度分布较均匀（Gi≈Gj）时，Fi与Hi成正比。4、水平地震作用的简化（1）主体结构：高层建筑主体结构上的水平地震作用力可按底部弯矩相等的原则，简化为倒三角形分布，（a)实际地震作用：（b）简化后：niiiHFM102max031HqMniiiHFHq12max3（2）顶部小塔楼：按主体结构顶部侧移相等的原则，简化为作用在主体结构顶部的水平力。取P1=Fn+1,m1=Fn+1hn+1,P2=3m1/(2H)=3Fn+1hn+1/(2H)得：P=P1+P2=Fn+1+3Fn+1hn+1/(2H)=Fn+1[1+3hn+1/(2H)]5、结构自振周期的近似计算在应用反应谱底部剪力法计算等效地震荷载时，只需要基本自振周期T1，常常可以采用适合于手算的近似计算方法。（1）顶点位移法对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构、框架一剪力墙结构和剪力墙结构：（s）ΔT——结构顶点假想侧移：即把集中在各层楼面处的重量Gi视为作用于i层楼面的假想水平荷载，按弹性刚度计算得到的结构顶点侧移(以m为单位)；α0——基本周期的缩短系数，框架结构取α0=0.6～0.7；框架一剪力墙结构取α0=0.7～0.8；剪力墙结构取α0＝0.9～1.0。TT017.1（2）计算自振周期的经验公式(a)高层钢筋混凝土剪力墙结构（高度为20～50m，剪力墙间距为3～6m的住宅、旅馆类建筑物）横墙间距较密时:T1横=0.054n；T1纵=0.04n横墙间距较疏时：T1横=0.06n；T1纵=0.05n式中：n为建筑物层数；H为建筑物总高度；B为建筑物总宽度。(b)钢筋混凝土框架、框架一剪力墙结构：或T1=（0.07-0.09）n式中：H、B、n意义同前。31038.004.0BHT32100069.033.0BHT(四)竖向地震作用计算9度设防区的建筑物中考虑；在8度及9度设防时的长悬臂及跨度很大的梁中；结构总竖向地震作用的标准值，或底部轴力可按下式计算FEvK＝αvmaxGeq第i层的竖向地震作用标准值为:njjjiiViHGHGF1式中：αvmax——竖向地震影响系数的最大值，取αvmax=0.65αmax；Geq——结构等效重力荷载，取Geq＝0.75GE，