第3章-荷载作用与结构计算分析

第3章荷载作用与结构计算分析高层建筑结构在设计使用年限以内可能承受的主要作用有荷载和其他非荷载因素。荷载可以分为恒载和活荷载，活荷载又可以分为楼面活荷载、屋面活荷载、雪荷载和风荷载。非荷载因素主要有地震作用、温度作用和混凝土的收缩、徐变等高层建筑结构的主要作用3.1竖向荷载恒载恒载包括结构构件(梁、板、柱、墙、支撑)和非结构构件(抹灰、饰面材料、填充墙、吊顶等)的重量。这些重量的大小不随时间而改变，又称为永久荷载。楼面活荷载高层建筑以民用为主。对于民用建筑楼面均布活荷载标准值，可根据调查统计而得。我国《建筑结构荷载规范》(GB50009--2001)规定的民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数。雪荷载雪荷载0ssrk屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：式中ks——雪荷载标准值(kN／m2)；r——屋面积雪分布系数；0s——基本雪压(kN／m2)。3.2风荷载风对高层建筑结构作用的特点由于气压变化引起大气运动，形成风。风对高层建筑结构的作用具有如下特点：1.风力作用与建筑物的外形直接有关，圆形与正多边形受到风力较小，对抗风有利；相反，平面凹凸多变的复杂建筑物受到的风力较大，而且容易产生风力扭转作用，对抗风不利。2.风力受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。例如，由于不对称遮挡而使风力偏心产生扭转；相邻建筑物之间的狭缝风力增大，使建筑物产生扭转等等。在这些情况下要适当加大安全度。3.风力作用具有静力作用与动力作用两重性质。4.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。5.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荷载。但对建筑物的作用期间出现较大风力的次数较多。6.由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，对风力大小的估计要比地震作用大小的估计较为可靠，因而抗风设计也具有较大的可靠性。单位面积风荷载标准值(1)当计算主要承重结构时0wwzszk0wwzsgzk式中kw——风荷载标准值(kN/m2)；0w——基本风压(kN/m2)；s——风压高度变化系数；z——风荷载体型系数；z——z高度处的风振系数。(2)当计算围护结构时式中gz——高度z处的阵风系数。基本风压作用在建筑物上的风压力与风速有关，可表示为：2021式中0——用于建筑物表面的风压(N／m2)；——空气的密度，取=1.25k9／m3；——平均风速(m／s)。风压高度变化系数表3-7风压高度变化系数z地面粗糙度类别离地面或海平面高度(m)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风荷载体型系数风力在建筑物表面上分布是很不均匀的，一般取决于其平面形状、立面体型和房屋高宽比。通常，在迎风面上产生风压力，侧风面和背风面产生风吸力(图3-7)。用体型系数来表示不同体型建筑物表面风力的大小。体型系数通常由建筑物的风压现场实测或由建筑物模型的风洞试验求得。风振系数高层建筑结构当高度大于30m、高宽比大于l.5时，可按下式计算：zzz1式中——脉动增大系数；——脉动影响系数；z——振型系数；z——风压高度变化系数。舒适度对风振加速度的限制表3-19舒适度与风振加速度关系不舒适的程度建筑物的加速度不舒适的程度建筑物的加速度无感觉0.0059十分扰人(0.05~0.15)g有感(0.005～0.015)g不能忍受0.15g扰人(0.015～0.05)g表3-20结构顶点最大加速度限值αmax使用功能αmax(m/s2)使用功能αmax(m/s2)住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25风荷载换算212213HqHFHqkiikiikHFHq23风荷载换算图倒三角形荷载最大值qk为也可以将主体结构上楼面处的集中风荷载全部换算成倒三角形荷载，则地震作用地震作用地震的基本知识1.地震、震源、震中和震中距2.地震波、震级和地震烈度高层建筑结构的抗震设防1.高层建筑抗震设防分类2.高层建筑的设防标准3.高层建筑的抗震设防目标高层建筑抗震设防分类(1)甲类建筑甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。这类建筑应根据具体情况，按国家规定的审批权限审批后确定。甲类建筑应采取专门的设计方法，例如：对建筑物的不同使用要求规定专门的设防标准；采用地震危险性分析提出专门的地震动参数；采取规范以外的特殊抗震方案、抗震措施和抗震验算方法等。(2)乙类建筑乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需要尽快恢复的建筑，例如：救护、医疗、广播、通讯等，但不是所有这类型的高层建筑均列人乙类，应根据城市防灾规划确定，或由有关部门批准确定。由于其重要性，乙类建筑要提高抗震措施的要求。属于乙类建筑有以下高层建筑物：1)对国内、外广播的广播电台、电视台和节目传输中心、电视发射中心。通常指国家级、省和直辖市级的广播电视中心；2)城市和长途通讯枢纽；重要的市电话局；国际无线电台；3)有200床位以上的医院病房楼、门诊楼。(3)丙类建筑高层建筑的设防标准各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求：(1)甲类建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建筑场地为l类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(2)乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。当建筑场地为l类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(3)丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为工类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低1度的要求采取抗震构造措施。(4)丁类建筑，一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。高层建筑的抗震设防目标我国《建筑抗震设计规范》对建筑结构采用“三水准、二阶段”方法作为抗震设防目标，其要求是：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。三水准的内容是：第一水准：高层建筑在其使用期间，对遭遇频率较高、强度较低的地震时，建筑不损坏，不需要修理，结构应处于弹性状态，可以假定服从线性弹性理论，用弹性反应谱进行地震作用计算，按承载力要求进行截面设计，并控制结构弹性变形符合要求。第二水准：建筑物在基本烈度的地震作用下，允许结构达到或超过屈服极限(钢筋混凝土结构会产生裂缝)，产生弹塑性变形，依靠结构的塑性耗能能力，使结构稳定地保存下来，经过修复还可使用。此时，结构抗震设计应按变形要求进行。第三水准：在预先估计到的罕遇地震作用下，结构进入弹塑性大变形状态，部分产生破坏，但应防止结构倒塌，以避免危及生命安全。这一阶段应考虑防倒塌的设计。从三个水准的地震出现的频度来看，第一水准，即多遇地震，约50年一遇；第二水准，即基本烈度设防地震，约475年一遇；第三水准，即罕遇地震，约为2000年一遇的强烈地震。二阶段抗震设计是对三水准抗震设计思想的具体实施。通过二阶段设计中第一阶段对构件截面承载力验算和第二阶段对弹塑性变形验算，并与概念设计和构造措施相结合，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求。三个水准下的烈度水平地震作用计算高层建筑结构应根据不同情况，分别采用相应的地震作用计算方法：(1)高度不超过40m，以剪切变形为主且质量与刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。框架、框架一剪力墙结构是比较典型的以剪切变形为主的结构。由于底部剪力法比较简单，可以手箅，是一种近似计算方法，也是方案设计和初步设计阶段进行方案估算的方法，在设计中广泛应用。(2)除上述情况外，高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。振型分解反应谱法是高层建筑结构地震作用分析的基本方法。几乎所有高层建筑结构设计程序都采用了这一方法。(3)7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况宜用时程分析法进行补充计算：——甲类高层建筑结构；——表3-23所列属于乙、丙类的高层建筑结构；——竖向不规则的高层建筑结构；——复杂高层建筑结构；——质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。底部剪力法按照反应谱理论，地震作用的大小与重力荷载代表值的大小成正比：GGgSSgGmSFaaaE式中G——重力荷载代表值；——地震影响系数，即单质点体系在地震时最大反应加速度，以g为单位；EF——地震作用。eqEkGF1EeqGG85.0结构总水平地震作用标准值应按下列公式计算：地震影响系数曲线底部剪力法计算示意图)1(1nEknjjjiiiFHGHGF质点i的水平地震作用标准值计算式中iF——质点i的水平地震作用标准值；iG、jG——集中于质点i、j的重力荷载代表值；iH、jH——质点i、j的计算高度；n——顶部附加地震作用系数，可按表3-29采用。主体结构顶层附加水平地震作用标准值EknnFF式中nF——主体结构顶层附加水平地震作用标准值。振型分解反应谱法ijijjjiGXFniijiniijijGXGX121结构第j振型i质点的水平地震作用的标准值应按下式确定式中iG——质点i的重力荷载代表值；jiF——第j振型i质点水平地震作用的标准值；j——相应于第j振型自振周期的地震影响系数；jiX——第j振型i质点的水平相对位移；j——第j振型的参与系数；n——结构计算总质点数，小塔楼宜每层作为一个质点参与计算；m——结构计算振型数。规则结构可取3，当建筑较高、结构沿竖向刚度不均匀时可取5～6。水平地震作用效应(内力和位移)应按下式计算：mjjSS12式中S——水平地震作用效应；jS——第j振型的水平地震作用效应(弯矩、剪力、轴向力和位移等)。考虑扭转影响的结构，各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角位移共三个自由度，按下列振型分解法计算地震作用和作用效应。确有依据时，尚可采用简化计算方法确定地震作用效应。第j振型i层的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：ijiitjjtjiijitjjyjiijitjjxjiGrFGYFGXF2当仅考虑x方向地震作用时：niiijijijiniijitjGrYXGX122221)(/当仅考虑y方向地震作用时：niiijijijiniijitjGrYXGY122221)(/单向水平地震作用下，考虑扭转的地震作用效应，应按下列公式确定：mjmkkjjkSSS11TTkjTTTkjjk2225.1)1(4)1()1(8考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应，应按下列公式中的较大值确定：22)85.0(yxSSS22)85.0(xySSS或式中xS——为仅考虑x向水平地震作用时的地震作用效应；y