《精编》建筑结构荷载作用与结构设计原则概述

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1、高层建筑结构 授课老师 季韬 第三章高层建筑结构荷载作用与结构设计原则 3 1恒荷载及楼面活荷载的计算3 2风荷载的计算3 3地震作用的计算3 4荷载效应组合3 5结构简化计算原则3 6扭转效应简化计算3 7抗震设计的一般原则 3 1恒荷载及楼面活荷载的计算 高层建筑受到的荷载与作用有哪些 1 竖向荷载 恒荷载和活荷载 2 风荷载3 地震作用4 施工荷载5 由于材料体积变化受阻引起的作用 包括温度 混凝土的徐变和收缩引起的作用 6 地基不均匀沉降 高层建筑受荷特点是什么 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 什么是高层建筑恒荷载 恒荷载包括结构本身的自重和附加于结构上的各种永

2、久荷载 如非承重构件的自重 可移动的隔墙重 玻璃幕墙及附件重 各种外饰面的材料重 楼面的找平层重 吊在楼下的各种设备管道重 材料的自重可查 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 高层建筑活荷载的规定 1 高层建筑楼面活荷载按 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 取用 2 设计楼面梁 墙 柱及基础时 楼面活荷载标准值应乘以规定的折减系数 活荷载的折减系数按 荷载规范 3 施工活荷载取1 1 5kN m2 4 旋转餐厅轨道和驱动设备的自重应按实际情况确定 5 擦窗机等清洗设备应按其实际情况确定其自重的大小和作用位置 6 活荷载平均为1 5 2kN m2 活荷载仅占全部竖向荷载的10

3、15 7 在工程设计中 一般将恒荷载与活荷载合并计算 按满载考虑 不再考虑荷载的不利布置 如果活荷载较大 可将最终的弯矩乘以1 1 1 2 的系数加以放大 规范规定的活荷载 钢筋混凝土高层建筑单位面积重量的取值为多少 1 框架 框架 剪力墙结构体系12 14kN m2 2 剪力墙 筒体结构体系14 16kN m2 结构截面尺寸初估 柱截面尺寸的估计 第三章高层建筑结构荷载作用与结构设计原则 3 1恒荷载及楼面活荷载的计算3 2风荷载的计算3 3地震作用的计算3 4荷载效应组合3 5结构简化计算原则3 6扭转效应简化计算3 7抗震设计的一般原则 3 2风荷载的计算 风对建筑物的作用 会产生如下的

4、结果 1 强风会使外墙 装修等产生损坏 2 风力作用会使结构开裂或留下较大的残余变形 3 风力使建筑物产生摇晃 使居住者感到不适 4 长期风力作用会使结构产生疲劳 在高层建筑的抗风设计中 应考虑下列问题 1 保证结构具有足够的强度 能可靠地承受风荷载作用下的内力 2 结构必须有足够的刚度 控制高层建筑在水平荷载下的位移 保证良好的居住和工作条件 3 选择合理的结构体系和建筑外形 采用较大的刚度可以减少风振的影响 圆形 正多边形平面可以减少风压的数据 4 尽量采用对称平面形状和对称结构布置 减少风力偏心产生的扭转影响 5 外墙 玻璃 女儿墙及其他围护构件必须有足够的强度并与主体结构可靠地连接 3

5、 2 1风荷载标准值及基本风压 如何确定风荷载标准值 什么是风荷载基本风压 它应根据 荷载规范 中附表D 4采用 但不得小于0 3kN m2 对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑 60m以上 其基本风压值应按l00年重现期的风压值采用 风荷载体型系数与哪些因素有关 不但与建筑的平面外形 高宽比 风向与受风墙面所成的角度有关 而且还与建筑物的立面处理 周围建筑物密集程度及其高低等有关 空心流动产生的涡流 对建筑局部则会产生较大的压力和吸力 如何计算体型系数 圆形和椭圆形平面 矩形 鼓形 十字形平面 对于V形 Y形 弧形 双十字形 井字形平面建筑 L形 槽形平面建筑及高宽比H B大于4 长宽比

6、L B不大于1 5的矩形和鼓形平面建筑 其风荷载体型系数为1 4 迎风面积取垂直于风向的最大投影面积 在需要更细致进行风荷载计算的情况下 可按 荷载规范 附录采用 或由风洞试验确定 风压高度变化系数与哪些因素有关 位于平坦或稍有起伏的高层建筑 其高度变化系数与高度和地面粗糙度类别有关 位于山区的高层建筑 在确定高度变化系数后 还应考虑地形条件的修正 如何对地面粗糙度进和分类 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 如何查风压高度变化系数 如何考虑风载的动力效应

7、 风对建筑结构的作用是不规则的 通常把风作用的平均值看成稳定风压 即平均风压 实际风压是在平均风压上下波动的 平均风压使建筑物产生一定的侧移 而波动风压使建筑物在平均侧移附近振动 对于高度较大 刚度较小的高层建筑 波动风压会产生不可忽略的动力效应 目前采用加大风载的办法来考虑这个动力效应 即在风压值上乘以风振系数 7 4 1对于基本自振周期T1大于0 25s的工程结构 如房屋 屋盖及各种高耸结构 以及对于高度大于30m且高宽比大于1 5的高柔房屋 均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响 风振计算应按随机振动理论进行 结构的自振周期应按结构动力学计算 7 4 2对于一般悬臂型结构 例如构架

8、塔架 烟囱等高耸结构 以及高度大于30m 高宽比大于1 5且可忽略扭转影响的高层建筑 均可仅考虑第一振型的影响 如何计算风振系数 振型系数 脉动增大系数 脉动影响系数 风压高度变化系数 如何计算脉动增大系数 如何计算脉动影响系数 振型系数应根据结构动力计算确定 对外形 质量 刚度沿高度按连续规律变化的悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑 振型系数也可近似采用振型计算点距室外地面高度与房屋高度H的比值 7 3 2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 s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

9、过风洞试验得出 什么情况下宜采用风洞试验来确定建筑物的风荷载 1 高度大于200m 2 高度大于150m 且有下列情况之一时 1 平面形状不规则 立面形状复杂 2 立面开洞或连体建筑 3 周围地形和环境较复杂 3 2 2总风荷载和局部风荷载 1 总风荷载 2 局部风荷载 在迎风面以及房屋侧面宽度为1 6墙面宽度的角隅部分 要验算外墙围护结构强度及连接强度 迎风面体型系数用1 5 侧面体型系数为 1 5 因此单位面积上的风荷载为 对于阳台 雨笼 遮阳板等悬挑构件应验算上浮风荷载 当上浮风荷载超过自重时 悬挑构件会出现反弯矩 局部向上体型系数取2 0 作业题 框架剪力墙结构平面如图1所示 高度为4

10、5m 共15层 设地区基本风压为0 64kN m2 D类场地 试求出总风荷载沿高度的分布及总风荷载在平面上的合力作用线 3 3地震作用的计算 略 3 4荷载效应组合 3 4 1荷载效应和地震作用效应的组合方式在高层建筑结构上 作用有竖向荷载 包括恒荷载和使用荷载 风荷载 在抗震设计时 还有水平地震作用和竖向地震作用 在结构计算时 应当首先分别计算上述各种荷载作用下产生的效应 内力和位移 然后将这些内力和位移分别按照建筑物的设计要求 进行组合 得到构件效应的设计值 内力设计值和位移设计值 3 4 2非抗震设计时的组台 非抗震设计时 荷载效应组合的设计值按下列公式确定 Q W 分别为楼面活荷载组合

11、值系数和风荷载组合值系数 当永久荷载效应起控制作用时应分别取0 7和0 0 当可变荷载效应起控制作用时应分别取1 0和0 6或0 7和1 0 注 对书库 档案库 储藏室 通风机房和电梯机房 楼面活荷载组合值系数取0 7的场合应取为0 9 各分项系数应按下列规定采用 1 承载力计算时 永久荷载的分项系数 G 当其效应对结构不利时 对由可变荷载效应控制的组合应取1 2 对由永久荷载效应控制的组合应取1 35 当其效应对结构有利时 应取1 0 楼面活荷载的分项系数 Q 一般情况下应取1 4 风荷载的分项系数 W 应取1 4 2 位移计算时 各分项系数均应取1 0 高层建筑中活荷载所占的比例很小 而且

12、一般不考虑活荷载的不利分布 按满载计算 所以常常将恒荷载和活荷载合并为竖向荷载进行一次性处理 这时竖向荷载效应的分项系数人可取为1 25 内力则应考虑表3 14中的各个组合 分别进行配筋计算 取最大配筋值为截面设计的结果 非抗震设计时 分别计算出竖向荷载 风荷载所产生的位移后 总位移可直接相加 分项系数为1 0 3 4 3抗震设计时的组合 抗震设计时 考虑荷载效应和地震作用效应组合的设计值按下式确定 S 荷载效应和地震作用效应组合的设计值SGE 重力荷载代表值的效应 SEhk一水平地震作用标准值的效应SEvk一竖向地震作用标准值的效应 G一重力荷载分项系数 w一风荷载分项系数 Eh 水平地震作

13、用分项系数 Ev 竖向地震作用分项系数 W 风荷载的组合系数 应取0 2 各分项系数应按下列规定采用 1 承载力计算时 分项系数应按表3 15采用 2 位移计算时 各分项系数均应取1 0 3 5结构简化计算原则 3 5 1弹性工作状态在抗震设计时 结构计算是对多遇的小震进行的 此时结构处于不裂的弹性阶段 但对于某些构件 由于按弹性计算所得的内力过大 出现截面设计困难 配筋不合理的情况 例如 连梁可考虑刚度折减系数 大震不倒 通过构造要求予以保证 内力计算已无意义 3 5 2高层建筑结构应考虑整体工作 高层建筑楼板在自身平面内的刚度是很大的 几乎不产生变形 同层各构件的水平位移相同 剪力墙结构中

14、各片墙的水平力大致按其等效刚度分配 框架结构中的各片框架水平力大致按其抗侧刚度分配 框架 剪力墙和筒体结构则受力较为复杂 要进行专门的计算 3 5 3楼板在自身平面内的刚度为无限大 平面外的刚度可以不考虑 楼板如同水平放置的深梁 在平面内刚度非常大 在平面内只有刚体位移 平动和移动 不改变形状 现浇楼板可以满足楼板刚度无限大的假定 框架 剪力墙采用装配式楼面时 必须加现浇面层 楼板的出平面刚度较小 一般不考虑其作用 3 5 4在计算中应考虑墙与柱子轴向变形的影响 对于高层建筑 沿高度方向积累的轴向变形显著 轴向变形会使高层建筑的内力数值与分布产生显著的改变 对于高宽比大于4的结构 宜考虑柱和墙的轴向变形的影响 结构所受的竖向荷载不是在结构完成后一次施加的 结构自重是在施工过程中逐层施加的 轴向压缩变形在施工过程中分阶段完成 并在各层标高处找平 3 6扭转效应的简化计算 略 3 7抗震设计的一般原则 略 谢谢大家