1、高层建筑结构荷载及其效应组合,基本概念 水平荷载作用下结构简化计算原则 竖向荷载 风荷载 地震作用 荷载效应组合,主要内容,基本概念,作用：使结构或结构构件产生内力和变形的原因 荷载：施加在结构上的集中力或分布力 直接作用：荷载属于直接作用 间接作用：除荷载以外的引起结构外加变形或约束变形的原因 作用效应：由作用引起的结构或构件的反应 荷载效应：由于荷载的作用引起的结构或构件的反应,高层建筑的荷载特点： 竖向荷载远大于低层建筑，可引起相当大的结构内力 水平荷载的影响显著增加，成为高层建筑结构设计的主要因素。特别是，抗震设计对高层建筑结构来说是十分重要的,3.1 水平荷载作用下结构简化基本原则,
2、一.荷载作用方向 假定荷载作用于两个正交的方向 二.平面化 只考虑框架或剪力墙在自身平面内的侧力 楼盖结构在自身平面内刚度无限大,3.2 竖向荷载,一、恒荷载 1、恒载范围 结构本身的自重 附加于结构上的各种永久荷载 2、 恒载计算 常用材料和构件的自重可按建筑结构荷载规范 (GB500092012)取值,二、楼(屋)面活荷载 高层建筑结构的楼面活荷载应按荷载规范取用 规范中未规定的楼面均布活荷载可按表3-1取值,表3-1 规范中未规定的楼面均布活荷载,施工活荷载一般取1.01.5 kN/m2 设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以荷载规范规定的折减系数,三、高层建筑上竖向荷载的初
3、估值 在方案估算阶段，可参考表3-2提供的结构单位面积重量估算竖向荷载,表3-2 结构单位面积重力荷载估算表,3.3 风 荷 载（水平荷载）,一、风荷载的形成 空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力，即建筑物的风荷载,二、风荷载的特点 （1）动力特性 波动风压会在建筑物上产生一定的动力效应（用静荷载乘风振系数z来考虑） （2）不均匀性 在计算整体作用时，取各个表面的平均风压 在计算局部表面的作用时，采用局部风载体型系数 （3）影响因素多 近地风的性质、风速、风向有关 建筑物所在地的地貌及周围环境有关 建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关,三、风荷载标准值 垂直于建筑物表面
4、单位面积上的风荷载标准值Wk按下式计算,风荷载标准值wk 基本风压值w0 风压高度变化系数z 风载体型系数s 风振系数z,1、基本风压值w0 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分钟平均年最大风速V0来确定,w0 v02/2,基本风压W0在取值时应注意的几个问题： 基本风压W0可按全国基本风压分布图采用，但0.3kNm2 对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，需要考虑重现期为100年的强风 基本风压值不是风对建筑物表面的压力 荷载规范（GB50009-2012）附录D可查出重现期为10年、50年、100年的w0值,2、风压高度变化系数z (1)与离地面或海平面高度及
5、地面粗糙度类别有关。当与离地面高度为10米，且地面粗糙度类别为B类的z为1.00 (2)不同地面粗糙度的风速沿高度的变化曲线见教材 (3)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,(4)位于山峰和山坡地的高层建筑物，其风压高度变化系数亦应考虑进行修正 (5)风压高度变化系数见下表3-3,表3-3 风压高度变化系数s,注： 对于山顶及山坡上的高层房屋，可采用从山麓算起的风压高度变化系数。,3、风载体型系数s 风荷载体型系数是指
6、风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与基本风压w0的比值 它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关 当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建筑物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得出,风荷载体型系数在取值时应注意以下几点： 迎风面为压力(体型系数用“”号表示) 侧风面及背风面为吸力(体型系数用“” 号表示) 各面上的风压分布并不均匀(风压分布见图3-1)，采用各个表面的平均风载体型系数(高层建筑风载体
7、型系数见下见表3-4),表3-4 高层建筑风载体型系数,图3-1 风压分布情况,图3-1 风压分布情况,计算风荷载对某个局部表面的作用时，采用局部风载体型系数 验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数,(1)外表面 正压区：按一般体型系数取值 负压区： 对墙面，取1.0； 对墙角边，取-1.8； 对屋面局部部位取-2.2； 对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件，取-2.0 (2)内表面 对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2,4、风振系数z 风振系数是用来考虑风压脉动影响的 风作用不规则，风压随着风速、风向而不停地改变 通常把风作用的平均值看成稳定风压，即平均
8、风压 实际风压是在平均风压上下波动，见图3-2 考虑的方法是采用风振系数z，设计时用它加大风荷载，仍然按照静力作用计算风载效应,图3-2 平均风压与波动风压,5、总风荷载 (1)总风荷载为建筑物各个表面承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载 通常按x、y两个互相垂直的主轴方向分别计算总风荷载 按下式计算z高度处1m高度的总风荷载标准值 Wk=zzw0(s1B1cos1+s2B2cos2+snBncosn) (2)区别是风压力还是风吸力，以便作矢量相加 (3)各表面风荷载的合力作用点，即总风荷载作用点,四、等效风荷载 (1)主体建筑上的等效均布风荷载 当按沿建筑高度H的不同点确定z、z时，总
9、风荷载的实际分布，如图（a） 如果沿H分段取z、z为常数，则总风荷载可简化为阶梯形分布，如图（b） 工程中为计算方便，常按建筑物底部弯矩相等的原则，将阶梯形分布荷载简化为沿主体建筑H的等效均布荷载, 如图（c） M0=p0H2/2=W1h1h1/2+W2h2(h1+h2/2)+Wihi(h1+h2+hi-1+hi/2) + 得：,（a） （b） （c）,(2)小塔楼上的风荷载 突出屋面的楼（电）梯间、水箱、女儿墙等的风荷载，按对主体结构顶部位移相等的原则，简化为作用在主体结构顶部的集中力P,小塔楼上风荷载的简化,经简化后，作用在高层建筑上的风荷载，结构分析时可只取主体结构参与计算,等效集中荷载
10、示意图,小塔楼上风荷载的简化 P=P2H3/(3EI) ； m1=m1H2/(2EI)； 令P =m1，得：P2=3m1/(2H)=3P1hn+1/(4H)P=P1+P2=P1+3P1hn+1/(4H)=P11+3hn+1/(4H)=Wn+1hn+11+3hn+1/(4H),3.4 地震作用,一、地震作用的几个基本概念 震级：表征地震释放能量大小 烈度：表征地表及其环境破坏程度的大小 地震动及其三要素： 振幅 频谱 持时,二、抗震设防目标及设计方法 1. 抗震设防总目标通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员死亡，减轻经济损失。具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现 2.
11、“三水准”抗震设防目标（小震不坏，中震可修，大震不倒）当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用。当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏,3.“两阶段”抗震设计方法 第一阶段：对绝大多数结构进行小震作用下的结构和构件承载力验算；在此基础上对各类结构按规定要 求采取抗震措施 第二阶段：对一些规范规定的结构（易倒塌的、明显薄弱层的、不规则的建筑）进行大震作用下的弹塑性变形验算,三、抗震计算理论 静力法 反应谱方法（拟静力法） 时程
12、分析法（直接动力法） 规范规定，设计阶段按照反应谱方法计算地震作用，少数情况下需要采用时程分析法进行补充计算,1、反应谱,体系的运动方程,单脉冲下质点的位移为：,由Duhamel积分可得零初始条件下质点的各项反应为：,a. 质点相对于地面的位移反应和最大位移反应为,c. 质点的绝对加速度和相对于地面的最大加速度反应为:,b. 质点相对于地面的速度反应和最大速度反应为:,最大相对位移最大相对速度最大绝对加速度,各类最大反应之间的关系：,当选定地面加速度时程曲线xg（t）和给定阻尼比（= 0.05），Sa、 Sd和Sv仅是体系自振周期T(或圆频率w)的函数 以T为横坐标， Sa、 Sd和Sv为纵坐
13、标，可以绘制各种地震反应谱曲线 所谓“反应谱曲线”是单自由度弹性体系在给定的地震作用下,某个最大反应量(如Sa、Sd和Sv等)与体系自振周期T (或圆频率)的关系曲线 阻尼比大小影响反应谱的幅值，使曲线变得平缓 。地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力,质点体系的绝对加速度反应谱,不同场地条件对反应谱的影响见图：由图形可知土质越松软，加速度反应谱峰值对应的结构周期也越长,结构在地震持续过程中经受的最大地震作用为：,确定水平地震影响系数，就可确定体系上的水平地震作用,反应谱曲线表现了某一个阻尼比情况下，频率（周期）与最大加速度（位移、速度）之
14、间的关系 它反映了所有自振频率的情况，因此它反映的是地震波的特性，而不是结构自身的特性，属于一种频谱,设计反应谱：地震是随机出现的，产生的地面运动加速度时程曲线xg(t) 也有很大的差别，不同的加速度时程曲线可得出不同的反应谱曲线Sa(t) ，因此仅用某次地震加速度时程曲线所得到的反应谱曲线作为设计标准来计算地震作用是不恰当的且难以在实际设计中应用，因此应加以处理使之可用简单表达式来描述其变化为此，规范根据同一类场地在各级烈度地震作用下地面运动的xg(t) 分别计算出的反应谱曲线，进行统计分析，求出其中最有代表性的平均反应谱曲线a(t) 作为设计依据；通常称之为抗震设计反应谱。设计反应谱曲线不
15、仅考虑建筑场地类别的影响，也同时考虑震级和震中距的影响,按上述原则确定的动力系数 反应谱曲线具有以下特点：由多段曲线组成：上升段、平台段、加速下降段及下降段 反映实际曲线的主要特点 其最大值由地震烈度控制；初始值按结构为刚体情况确定,2、水平地震作用计算 振型分解反应谱法 反应谱底部剪力法 时程分析法,振型分解反应谱法 将质量集中在楼层位置，n个楼层有n个质点，也有n个阵型 分别计算每个阵型的水平地震作用及其效应 进行内力与位移的振型组合,因此，在j振型下，体系的第i 质点水平地震作用标准值：,- 相应于 j 振型自振周期的地震影响系数； - j 振型 i 质点的水平相对位移； - j 振型的
16、振型参与系数； - i 质点的重力荷载代表值。,式中,由于所计算出的地震作用为各振型下的最大值，而各振型的最大地震反应不会同时出现；此时，体系的地震作用效应（弯矩、位移等）,- 选取的振型数； - j振型地震作用产生的地震效应；,一般只取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，振型个数可适当增加。,式中,振型组合,底部剪力法 分配时只考虑第一阶振型 假设第一阶振型为倒三角形适用于高度不超过40m，剪切变形为主（框架结构），质量和刚度沿高度方向分布比较均匀的结构,体系在j振型下的底部剪力为：,组合后的结构底部剪力, 高振型影响系数,取0.85,等效总重力荷载代表值，取0.8
17、5G, 结构的总重力荷载代表值,底部剪力的计算,地震作用下各楼层水平地震层间剪力为,所以,可得,各质点的水平地震作用标准值的计算,时程分析法 以下情况需采用弹性时程分析法进行补充计算： 刚度和质量沿高度方向分布特别不均匀 甲类建筑 7、8度地区的、类场地，高度超过100m 8度地区、类场地，高度超过80m 9度地区，高度超过60m,地震是随机的，很难预估未来能遭遇什么样的地面运动 时程分析的结果与地震波的选取关系很大 选用不少于两组实际强震记录和一组人工合成地震波,四、结构自振周期的计算,根据实测统计，忽略填充墙布置、质量分布差异等，初步设计时可按下列公式估算,（1）高度低于25m且有较多的填
18、充墙框架结构基本周期,（2）高度低于50m的钢筋混凝土框架-抗震墙结构的基本周期,H-房屋总高度；B-所考虑方向房屋总宽度。,（3）高度低于50m的规则钢筋混凝土抗震墙结构的基本周期,自振周期的经验公式,五、竖向地震作用 目前，国外抗震设计规定中要求考虑竖向地震作用的结构或构件有：1.长悬臂结构； 2.大跨度结构；3.高耸结构和较高的高层建筑；4.以轴向力为主的结构构件（柱或悬挂结构）；5.砌体结构；6.突出于建筑顶部的小构件。我国抗震设计规范规定前三类结构要考虑向上或向下竖向地震作用的不利影响,六、地震作用的简化,3.5 荷载效应组合,一、承载力计算,(1)按极限状态设计要求，构件承载力验算
19、表达式为：,不考虑地震作用的组合时：,0SR,考虑地震作用的组合时：,SERE/RE 或：RESERE,(2)地震作用下，构件承受反复作用力及变形，承载力RE要降低,(3)抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数,承载力抗震调整系数RE,二、侧移限值 1、 使用阶段层间位移限制,(1)正常使用条件下的结构水平位移，考虑风荷载和地震作用，用弹性方法计算,(2)以楼层层间最大位移与层高h之比作为限制条件，即：,/h / h,风荷载引起的侧移与摆动,地震作用下的振动,使用阶段层间位移限制值,高度在150m250m之间的钢筋混凝土高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比u/h的限值按线性插入取用,2 、
20、防止倒塌的层间位移限制,(1)验算范围：,79度设防的、楼层屈服强度系数y小于0.5的框架结构；,采用隔震和消能减震技术的建筑结构；,79度时的甲类建筑和9度时的乙类建筑结构。,(2)要求：,up p h,p = / h,罕遇地震作用下薄弱层弹塑性层间位移限制值,3、结构层间弹塑性变形的计算,不超过12层且刚度无突变的框架结构、填充墙框架结构可以采用下述简化方法验算：,计算楼层的层剪力,确定结构的薄弱层,楼层屈服强度系数y定义为：y=Vya/Ve,计算薄弱层的层间弹塑性位移：,up =p ue 或 up =uy = uyp/y,除上述情况以外的高层建筑结构，可采用静力弹塑性或动力弹塑性分析方法
21、计算结构的层间位移，时程分析方法是一种直接动力法。,三、舒适度要求,(1)高度超过150m的高层建筑结构应满足舒适度的要求。,(2)顶点最大加速度amax按荷载规范规定的10年一遇的风荷载取值和专门风洞试验计算确定。,(3)顺风向与横风向结构顶点最大加速度amax不应超过下表的限值。过大的侧向位移会使结构产生附加内力。,四、荷载效应组合,1、无地震作用组合：,S=GSGK + QQSQK + WWSWk,2、有地震作用组合：,SE= GSGE+EhSEhk+EvSEvk+WWSWk,竖向荷载的布置,2、活载布置,高层民用建筑一般满布计算内力，为了安全起见，可以把框架梁的弯矩乘以1.11.2的放
22、大系数。在贮藏、书库或其他有很重使用荷载的结构中，应考虑最不利荷载布置。,1、恒载布置全部作用在结构上,水平荷载的作用方向,2、在结构计算中常假设水平力作用于结构平面的主轴方向。,1、风荷载及水平地震作用的方向是随意的、不定的,五、抗震措施,1.延性的概念,延性结构(截面)能维持承载能力而又具有较大的塑性变形的能力。,截面开始屈服 My、 y、fy、 y,截面破坏 Mu、 u、fu、 u,截面和构件的塑性变形能力常常用构件延性比来衡量：,构件位移延性比：f=fu / fy,截面曲率延性比：=u/ y,顶点位移延性比: =u/y,延性比越大，延性越好。,2、延性结构设计基本措施,钢筋混凝土结构的
23、“塑性铰控制”理论基本要点：,允许某些截面出现塑性铰，吸收、耗散地震能量；,控制塑性铰出现部位选择合理截面形式及配筋构造；,塑性铰本身有较好的塑性变形能力和吸收耗散能量的能力；,塑性铰能使结构具有较大的延性。,实现抗震高层建筑延性的措施：,合理选择结构体系；,合理布置结构；,对构件及其连接采取各种构造措施；,控制施工质量。,3.抗震等级,抗震等级是结构抗震计算(指内力调整)和采取抗震措施的依据，与设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件的重要性等有关,抗震等级共分为特一及一、二、三、四级，其划分考虑了技术要求和经济条件及科技和经济水平的提高,房屋结构的建筑类别按其重要性分为甲、乙、丙三类，其抗震等级与设防烈度有关,决定抗震等级时考虑的设防烈度可以不同于计算地震作用时的设防烈度。在同等的设防烈度和房屋高度的情况下，重要性不同的构件，抗震要求可不相同,结构确定抗震等级时的烈度表,1、什么是三水准设防目标？什么是两阶段设计方法？两阶段设计方法如何确保三水准设防目标？2、计算水平地震作用有哪些方法？适用条件是什么？3、承载力验算和水平位移限制为什么是不同的极限状态？两种验算在荷载效应组合是有什么不同？,课程结束，谢谢听讲！,混凝土结构设计原理,
