高层建筑结构设计(第三讲)

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1、第三讲 高层建筑结构荷载及荷载组合,第三章 高层建筑结构荷载,一、高层建筑结构荷载类型 竖向荷载结构构件自重楼屋面可变荷载竖向地震作用（设防烈度9度高层建筑、设防烈度8、9度的大跨度梁和悬臂结构）, 水平荷载风荷载水平地震作用（地震区）,二、重力荷载的计算方法和计算要点 1、重力荷载的计算方法 重力荷载的准确计算宜从标准层开始，取标准层中的标准单元或标准块准确计算 具体计算宜采取板-梁-柱（墙）的顺序进行，即先计算板的面荷载（包括填充墙的线荷载在内的算术平均值，即总荷载/板面积），再计算梁的线荷载，最后计算主梁的集中荷载及柱（墙）上的荷载 屋面层、设备层、裙房层再分别按同样原理计算 注意：在计

2、算板的均布面荷载传递到梁（墙）上作为线荷载、梁的线荷载传递到主梁上作为集中荷载及主梁的线荷载（自重等）和集中荷载传递到柱（墙）上作为集中力的计算全过程中，一般均可按简支的方法进行，不必考虑实际结构的连续性，以简化计算。（由于高层建筑结构楼（屋）盖水平构件的连续性的影响往往被高层结构重力荷载效应下竖向构件的弹性压缩、混凝土收缩和徐变等影响调整覆盖）,2、重力荷载的计算要点 计算梁的自重时，要注意扣除梁板重叠部分的板重，尤其在扁梁、宽扁梁结构中更需注意（计算表明，由于设计计算未注意扣除梁板重叠部分的板重而引起的总重力荷载的增大的误差通常有10%20%左右） 计算墙的自重时，要注意扣除墙板重复部分的

3、板重。（计算表明，此重叠部分引起的总重力荷载的增大的误差通常在5%左右） 使用活荷载的计算要注意折减。根据建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的规定，为便利计算简化，在计算柱、墙的总重力荷载，确定墙、柱截面时，建议楼面使用或荷载标准值的折减系数可统一取值如下表所示,三、楼面可变荷载取值 建筑结构荷载规范 （GB50009-2001）确定 高层建筑屋面直升机停机坪荷载, 荷载的组合值系数应取 0.7频遇值系数应取 0.6准永久值系数应取 0,四、风荷载, 几点说明 对于特别重要的高层建筑，目前尚无统一、明确的定义，一般可根据建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）规定的设计

4、使用年限和安全等级确定。设计使用年限为100年的或安全等级为一级的高层建筑可认为是特别重要的高层建筑 考虑到房屋高度大于60m的高层建筑对风荷载比较敏感，其基本风压可按100年一遇的风压值采用。当没有100年一遇的风压资料时，也可近似将50年一遇的基本风压值乘以增大系数1.1采用 对于房屋高度不超过60m的一般高层建筑，其基本风压可按重现期50年的基本风压确定，其基本风压是否提高，可由设计人员根据实际情况确定。,2、分压高度变化系数 在大气边界层内，风速随地面高度而增大。当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。通常认为在离地面高度为300m500m时，风速

5、不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度速度”，该高度称之为梯度风高度。 对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别决定。建筑结构荷载规范（GB50009-2001）将地面粗糙度分为A、B、C、和D四类（见表）。,3、风载体型系数,建筑结构荷载规范（GB50009-2001）表7.3.1列出38项不同类型的建筑物和各类结构的体型系数，当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用。 房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用； 房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定； 对重要且体型复杂的房

6、屋和构筑物，应由风洞试验确定。,1、矩形截面,2、L形截面,3、槽形截面,4、正多边形平面、圆形平面,11、六角形平面,12、Y形平面 ,5、总体风荷载与局部风荷载 总体风荷载时建筑物各表面承受风力作用的合力，是沿高度变化的分布荷载，用于计算抗侧力结构的侧移及各构件内力。 局部风荷载用于计算结构构件或维护构件或围护构件与主体的连接（水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等），采用风荷载标准值Wk计算，但采用局部风荷载体型系数。, 局部风荷载用于计算结构构件或维护构件或围护构件与主体的连接（水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等），采用风荷载标准值Wk计算，但采用局部风荷载体型系数。 当建筑群，尤其是高层

7、建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑。 规范GB50009规定：将单独建筑物的体型系数s 乘以相互干扰系数(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)以考虑风力相互干扰的群体效应。 风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压 规范GB50009规定：对负压区可根据不同部位分别取体型系数为-1.0 -2.2 对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。 规范GB50

8、009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2,五、高层建筑结构的舒适度, 对照国外的研究成果和有关标准，与我国现行行业标准高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）相协调，要求高层建筑混凝土结构应具有更好的使用条件，满足舒适度的要求。,六、地震作用 1、结构地震作用计算方法的三个阶段 静力法1900年日本学者大森房吉提出震度法概念，将地震作用简化为静力 反应谱理论20世纪30年代美国开展了强震记录的研究(El Centro),美国M.Biot提出用地震记录计算反应谱的概念，50年代初，G.W.Housner实现了反应谱的计算，并应用于抗震设计。 时程

9、分析方法20世纪50年代末期, G.W.Housner 实现了地震反应的动力计算分析，并成功应用于抗震设计。20世纪70年代，地震反应动力分析得到发展，从弹性时程分析方法发展到弹塑性时程分析方法。 基于承载力的抗震设计方法 静力法和最初的反应谱理论 基于承载力和延性的抗震设计概念 以反应谱理论为基础，以三水准设防为目标，以构件极限承载力设计保证结构承载力，以构造措施保证结构延性的完整的抗震设计方法。,2、底部剪力法（自学） 3、振型分解反应谱法（自学） 4、时程分析 时程分析法 在结构基础部位作用一个地面运动加速度时程，用动力方法直接计算出结构随时间而变化的地震反应。 一、动力计算方法多自由度

10、体系的动力方程, JGJ3-2002规定：79度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算 甲类高层建筑结构 乙、丙类高层建筑结构8度I、II类场地和7度，建筑高度100m8度III、IV类场地，建筑高度80m9度，建筑高度60m 竖向不规则的高层建筑结构 复杂高层建筑结构（带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔结构等） 质量沿高度分布特别不均匀的高层建筑结构, 地震波 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线 人工模拟加速度时程曲线其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统

11、计上相符。 弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80% 地震波的持续时间不宜小于结构基本自振周期的3-4倍，也不宜少于12s，地震波的时间间距可取0.01s或0.02s 输入地震加速度的最大值,第四章 荷载效应组合,一、荷载效应组合（无地震作用组合、有地震作用组合） 1、无地震作用的荷载效应组合, 高层建筑无地震作用组合基本的荷载工况： 1.2恒载效应+1.4活荷载效应 1.2恒载效应+1.4活荷载效应+1.41.0风载效应,2、有地震作用的荷载效应组

12、合 有地震作用时承载力表达式：, 高层建筑，有地震作用组合的基本工况： 对所有高层建筑1.2恒载效应+1.3水平地震作用效应 对于60m以上高层建筑1.2恒载效应+1.3水平地震作用效应+1.40.2风荷载效应 9度设防高层建筑1.2恒载效应+1.3水平地震作用效应+0.5竖向地震作用效应 9度设防高层建筑1.2恒载效应+1.3竖向地震作用效应 对于9度设防，且60m以上高层建筑1.2恒载效应+1.3水平地震作用效应+0.5竖向地震作用效应+1.40.2风荷载效应,二、建筑物重要性分类建筑应按其使用功能的重要性，分为甲、乙、丙、丁四类，其划分应符合下列要求： 甲类建筑地震破坏后对社会有严重影响

13、，对国民经济有巨大损失或有特殊要求的建筑。 乙类建筑主要指使用功能不能中断或需尽快恢复，及地震破坏会造成社会重大影响和国民经济重大损失的建筑。 丙类建筑地震破坏后有一般影响及其他不属于甲、乙、丁类的建筑。 丁类建筑地震破坏或倒塌不会影响上述各类建筑，且社会影响、经济损失轻微的建筑。一般指储存物品价值低，人员活动少的单层仓库建筑。,三、抗震等级 抗震等级 设防烈度、结构类型、房屋高度（特一级、一级、二级、三级、四级) 在结构受力性质与变形方面，框架-核心筒结构与框架-剪力墙结构基本上是一致的，尽管框架-核心筒结构由于剪力墙组成筒体而大大提高了抗侧力能力，但周边稀柱框架较弱，设计上的处理与框架-剪

14、力墙结构仍是基本相同的。对其抗震等级的要求不应降低，个别情况要求更严。 框架剪力墙结构中，由于剪力墙部分刚度远大于框架部分的刚度，因此对框架部分的抗震能力要求比纯框架结构可以适当降低。当剪力墙部分的刚度相对较少时，则框架部分的设计仍应按普通框架考虑，不应降低要求。 A级高度的高层建筑结构，应按表4-5确定其抗震等级。B级高度的高层建筑，其抗震等级应有更严格的要求，应按表4-6采用。, 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： 甲类、乙类建筑：当本地区的抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求；当本地区的设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建

15、筑场地为类时，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。 丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。 建筑场地为、类时，对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，宜分别按抗震设防烈度8度（0.20g）和9度（0.40g）时各类建筑的要求采取抗震构造措施。, 抗震措施包含了抗震构造措施，因此，表4-*表示所有抗震措施应满足的烈度要求；表4-4表示因场地类别不同，对抗震构造措施提出的部分放松或从严的要求。具体说，与构件设计内力调整及抗震构造措施都有关时，按表4-*的烈度确定抗震等级；仅与抗震构

16、造设计有关时，按表4-4的烈度确定抗震等级。,思考题（三）,2、P72，3.2 3、P72, 3.3 4、高层建筑基本风压W0怎样取值？ 5、如何验算高层建筑结构的舒适度？ 6、建筑物的重力荷载代表值指什么？ 7、如何具体应用乙类、丙类建筑的抗震措施和抗震构造措施的规定？ 8、P89,4.5(部分)试比较一幢15层，45m高，位于7度抗震设防区的框架和框架-剪力墙结构的抗震等级有什么不同？如果在8度设防区，抗震等级有何变化？ 9、P89,4.8(部分)试分析一幢30层、99m高、位于7度抗震设防区的结构应当作哪几种工况组合？如果该建筑位于9度抗震设防区会有哪些不同？请分别列出这两幢结构的内力和位移组合的计算式（列出分项及组合系数）。,