福州大学-第3章-荷载和地震作用

第3章荷载和地震作用高层建筑结构设计标题本章主要内容：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）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。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。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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）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。特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，取100年。0w3.2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；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。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。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=0.8s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。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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。3.2风荷载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)Wz1Wz2Wz3Wz43.2风荷载例题3.2风荷载3.2风荷载3.3地震作用和抗震设计结构抗震性能衡量指标强度变形（延性）结构延性主要靠合理的破坏机构、破坏形态、结构尺寸、适当的配筋和充分的构造措施来保证。3.3地震作用和抗震设计合理选择结构刚度“刚柔之争”：不能一概而论，应具体情况具体分析，需考虑的因素有：结构体系和材料近、远震场地土性质和卓越周期结构自振周期与场地土卓越周期间是否接近对结构抗震设计的要求选择有利地段选择合理的结构体系注意结构布置（平面、竖向）加强空间整体性保证强度、延性、刚度少设防震缝减轻自重，降低地震作用3.3地震作用和抗震设计建筑抗震设防目标与标准抗震设防及其思想设防依据设防目标及其实现：三水准、二阶段建筑类别与设防标准：不同设防类别、不同设防烈度建筑结构抗震验算地震作用计算结构抗震验算1、抗震设防及其思想抗震设防对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施指导思想预防为主减轻结构震害避免人员伤亡减少经济损失使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行趋势使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不同的抵抗能力2、设防依据——抗震设防烈度定义：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度度（或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值）对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划（抗震设防烈度或设计地震动参数）进行抗震设防设防范围6-9度3、抗震设防目标小震不坏、中震可修、大震不倒（即三水准两阶段设计）抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。大于9度地区的建筑和行业有特殊要求的工业建筑，抗震设计有专门规定。地震影响50年超越概率地震重现期多遇地震对应的烈度——众值烈度小震63.2%50年设防烈度中震10%475年罕遇地震对应的烈度大震2-3%1642-2475年4、两阶段设计阶段目标烈度地震作用性质受力状态作用效应组合第一阶段小震不坏（隐含中震可修）多遇地震作用对应的烈度（小震）可变作用弹性（部分弹塑性）承载力验算采用基本组合(多层、高层钢筋混凝土房屋层间弹性位移计算，采用短期效应组合，即作用分项系数均取1.0)第二阶段大震不倒罕遇地震作用对应的烈度（大震）偶然作用弹塑性部分建筑物的层间弹塑性位移验算，采刚短期效应组合，即怍用分项系数均取1.0说明：第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算；大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。5、建筑类别与设防标准建筑类别建筑的重要性抗震措施地震作用计算甲类特殊要求的建筑特殊考虑特殊考虑乙类国家重点抗震城市生命线工程的建筑提高一度（9度适当提高）原设防烈度丙类甲、乙、丁类以外的一般建筑原设防烈度原设防烈度丁类次要的建筑降低一度（6度不降）原设防烈度影响设计地震作用的因素地震动特性方面抗震设防烈度设计近远震场地类别结构特性方面结构自振周期建筑质量（重力荷载）结构阻尼比（材料）设计地震作用的方向水平（两个）竖向（一个）结构效应的方向平动（两个水平、一个竖向）扭转（竖轴）设计地震作用的方向地震作用的计算范围和原则计算范围水平地震作用6度区–（除甲类建筑和IV类场地上的较高房屋外）可不算7-9度区–（除可不进行上部结构抗震验算的房屋外）均算8、9度大跨度结构和长悬臂结构9度的高层建筑水平地震作用的计算原则–竖向地震作用–一般正交布置抗侧力构件的结构，可沿纵横主轴方向分别计算–斜交布置抗侧力构件的结构，宜按平行于抗侧力构件方向计算–质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响地震作用的计算方法及其适用范围地震作用结构方法使用范围水平弹性底部剪力法高度不超过40m，以剪切变形为主，质量和刚度分布较均匀振型分解反应谱法不满足底部剪力法应用条件的结构时程分析法（补充计算）甲类建筑、特别不规则的建筑H80m，7、8度I、II类场地乙、丙类建筑H60m，8度III、IV类场地和9度乙、丙类建筑弹塑性简化方法（略）时程分析法（略）竖向弹性底部轴力法需考虑竖向地震作用的结构计算模型——集中质量模型多高层房屋无扭转有扭转单层厂房横向纵向基本计算数据重力荷载代表值结构自振周期设计反应谱重力荷载代表值重力荷载代表值GE永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值+可变荷载（雪、灰、楼面活荷载）组合值niikQikEQGG1永久荷载标准值组合值系数可变荷载标准值等效重力荷载代表值Geq=0.85GE结构基本自振周期重量和刚度沿高度分布较均匀的框架、剪力墙框架-剪力墙钢筋混凝土剪力墙结构11.7TTTU21/eqTHqgEI设计反应谱水平地震影响系数–水平地震影响系数曲线eqEkGF1–水平地震影响系数最大值T(s)ααmax0.45αmax00.1Tg（特征周期）3.0α=(Tg/T)0.9αmax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烈度6789多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震----0.50（0.72）0.90（1.20）1.40设计近远震场地类别1底部剪力法计算方法总水平地震作用顶层附加水平地震作用地