受力特点和结构概念设计

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1、1,高层建筑结构受力特点 和结构概念设计,第二章,2,一、高层建筑结构上的荷载与作用,竖向荷载,恒载,楼面、屋面活载,1、组成,自重（尺寸、密度）,建筑结构荷载规范（GB500092001）,3,2、活载的不利布置,活载占竖向荷载比例小（10 20） 简化计算 支座处内力与最不利布置结果接近 梁跨中弯矩偏小（调整1.1 1.3） 楼面活载 4.0KN/m2，需考虑最不利荷载位置,逐跨布置,最不利荷载位置,满布荷载,4,风荷载,1、定义：,风遇到建筑物时，在其表面产生压力或吸力，这种风力作用称为风荷载。,2、风载标准值：,基本风压w0: 按50年一遇的风压采用，不小于0.3KN/m2 特别重要建

2、筑，按100年重现期采用（1.1 1.2）,5,风压高度变化系数Z,高度,地貌及周围环境 （地面粗糙程度）,A类： 近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区 B类： 田野、乡村、丛林、丘陵及房屋较稀疏的 乡镇和城市郊区 C类： 有密集建筑群的城市市区 D类： 有密集建筑群且房屋较高的城市市区,P14表2.1,6,山区：,考虑地形修正系数,对山峰、山坡顶部B处：,K:系数 山峰3.2；山坡1.4,tg:迎风面坡度 tg0.3,Z:建筑物计算位置离建筑 物地面高度 Z2.5H,7,山峰、山坡其它部位：,取A、C处: A =C=1,AB、BC处值线性内插,山间、谷地等闭塞地形：, = 0.75 0.85

3、,与风口一致的谷口、山口：, = 1.20 1. 50,8,风载体型系数S,建筑物表面所受实际风压与基本风压的比值,一般沿高度近似矩形分布,0.4,0.4,0.4,0.4,0.4,0.4,0.8,0.2,9,房屋结构 H 30m 且H/B 1.5 高耸结构 T1 0.25s,风振系数Z,风压,t,实际风压,稳定风压 （平均风压）,波动风压 （动力效应）,静力问题,Z,考虑范围：,10,如何考虑：,Z : 振型系数, : 脉动增大系数（地面粗糙度、 w0 、 T1 ）,Z : 振型计算点距室外地面高度 H : 房屋总高度,Z Z/H,v : 脉动影响系数 （地面粗糙度、高宽比 H/B 、 H）,

4、B : 迎风面宽度,11,3、风载组合值、频遇、准永久值系数：,0.6,0.4,0,4、总风载：, 建筑物各表面风载的合力, 为分布荷载，沿高度变化,大小 :,n：外围面数,Bi：第i个表面宽度,i：,i,第i个表面法线与风载作用方向夹角,作用点 :,各表面风载合力作用点, 压为正、吸为负,12,5、局部风载：,迎风面及房屋侧面宽度为1/6墙面宽度的部分:,迎风面：,侧面：,阳台、雨蓬等悬挑构件:,13,地震作用,1、定义：, 运动传递 结构产生位移、速度、加速度 惯性力 惯性力属间接作用，故称地震作用 偶然作用、其效应有内力和变形,加速度,地面运动,地上建筑结构运动,惯性力,水平地震作用,竖

5、向地震作用,14,2、三水准抗震设防目标：,小震不坏、中震可修、大震不倒,第一水准 小震不坏 众值烈度：50年超越概率约为63% 结构处于弹性状态，不受损或不需修理 第二水准 中震可修 基本烈度：50年超越概率约为10% 允许轻度损坏，一般修理可用 第三水准 大震不倒 罕遇烈度：50年超越概率约为23% 允许结构构件屈服、破坏，但不倒塌,15, 第一阶段： 为小震作用下的结构设计（弹性计算方法） 用小震作用计算结构弹性位移、构件内力 截面配筋（极限状态设计方法） 结构变形验算 截面承载力抗震验算 抗震构造措施,3、两阶段抗震设计法：,16, 第二阶段： 罕遇地震作用下薄弱部位弹塑性变形验算 （

6、弹塑性时程分析方法） 层间变形超过允许值，应修改设计 高度较大，或超过最大适用高度的建筑,17,4、抗震设防类别：,18,5、地震作用计算法：, 静力法 1899年 日本大房吉提出静力法概念 假设结构物各部分与地震具有相同振动 惯性力作用于结构作抗震计算,地震系数K=a/g,1924年 日本都市建筑规则 K=0.1 1927年 美国统一建筑规范K=0.0750.1,19, 动力法 反应谱理论 1943 美国M. A. Biot 提出反应谱概念 1948 G. W. Housner 提出基于反应谱理论的抗震计算 动力法 1958 被许多国家在工程结构抗震设计规范中采纳,结构地震反应可依叠加原理进

7、行各振型地震反应的组合 离散为多自由度体系,动力问题静力处理 只能提供弹性阶段具统计意义的最大地震反应，不能 算出具体的地震作用下的最大反应 不能用于弹塑性结构的计算,20, 动力法 时程分析法 动力分析求得结构运动状态(位移、速度、加速度) 由每个时刻位移再求出每个时刻的内力 动力方程时间积分，得到时程曲线 可用于弹性、弹塑性结构,21, 地震作用计算法及适用范围,22,6、反应谱理论：,地震影响系数曲线,T(s),: 衰减指数 2 :阻尼调整系数 1 :下降斜率调整系数,23, 钢砼高层: 阻尼比0.05 21.0 上 升 段： T 0.1s 水 平 段： 0.1 Tg max 曲线下降段

8、： Tg 5Tg 0.9 直线下降段：5Tg 6.0 1 0.02, 阻尼比0.05 21.0（0.05 ）/（ 0.061.7） 水 平 段： 2 max 曲线下降段： 0.9（0.05 ）/（ 0.55） 直线下降段：1 0.02 （0.05 ）/8 10 2 0.55,24,25,永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值 与可变荷载（雪、灰、楼面活荷载）组合 值之和,永久荷载标准值,组合值系数,可变荷载标准值,7、重力荷载代表值：,26,27,8、水平地震作用计算：, 简化：,x、y 方向通常指结构主轴方向 在主轴方向结构抗侧刚度最小，变形最大 有对称轴的平面，其对称轴及正交方向即主轴方向,

9、结构计算只考虑 x、y 两正交方向作用的水平力 各方向水平地震作用全部由该方向抗侧力结构承担,6度区：可不算 （除甲类建筑和IV类场地上的较高房屋外） 79度区：均算 （除可不进行上部结构抗震验算的房屋外）, 计算范围：,28, 底部剪力法（静力法）,各楼层在计算方向仅考虑一个自由度,、底部剪力的计算,FEK,总水平地震作用标准值FEK ：,1 ：水平地震影响系数 （对应于结构基本自振周期T1 ）,Geq ：等效重力荷载代表值,GE：总重力荷载代表值 （各质点重力荷载代表值和）,Gi,Gn,29,、质点i 的水平地震作用标准值,Fi,Hi,n ：顶部附加地震作用系数,30,Fn Fn,、主体结

10、构顶层附加水平 地震作用标准值,、突出屋面房屋 （楼梯间、电梯间、水箱等）：,作为一个质点参加计算 水平地震作用标准值乘以增大系数n 增大部分不应往下传递,31,、楼层水平地震剪力的分配,现浇和装配整体式砼楼、屋盖等 刚性楼盖建筑，宜按抗侧力构件 等效刚度比例分配,木楼、屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力 构件从属面积上重力荷载代表值比例分配,普通预制板的装配式混凝土楼、屋盖等半 刚性楼盖建筑，可取上述两种分配结果的 平均值,32, 振型分解反映谱法（拟静力法）,原理：,地面加速度,房屋动力特性,房屋最大加速度,惯性力,等效静 力荷载,m,m,单质点体系地震反应,地面运动位移x0 最大加速度x0

11、max,质点位移x,地震影响系数 Sa / g,33,不考虑扭转耦联影响：,X1i,Xji,Xmi,、第j 振型第i 质点水平地震作用标准值Fji ：,i 质点重力 荷载代表值,j振型地震影响系数,j振型参与系数,34,确定振型,计算地震影响系数和 振型参与系数,计算振型地震作用,计算振型地震效应,振型组合,、水平地震作用效应S ：,j振型水平地震作用 标准值的效应,可取前23个振型 T11.5s或H/B5，个数适当增加,35, 剪力验算：,第i层对应于水平 地震作用的剪力,水平地震剪力系数,第j层重力荷载 代表值,36,注： 1、基本周期介于3.5 s和5 s之间的结构可插入取值； 2、括号

12、内数值用于设计基本地震加速度为0.15g和 0.30g的地区。,楼层最小地震剪力系数值,37,9、竖向地震作用计算：,9度的高层建筑 8、9度大跨度结构和长悬臂结构, 计算范围：, 底部轴力法：,FEVK,、总竖向地震作用标准值：,Vmax ：竖向地震作用影响系数最大值,Geq ：等效总重力荷载代表值,38,、竖向地震作用效应分配按各构件承受的 重力荷载代表值比例分配（宜乘1.5）,FVi,FVn,、质点i 的竖向地震作用标准值：,Hi,、第i 层竖向总轴力NVi ：,39,温度等其它作用,温度：, 设计思路：,“放”与“抗”, 变形缝：,伸缩缝,上部结构断开,缝宽、构造,（30层以上高层建筑

13、必须考虑）,间距, 减小温度 收缩应力：,建筑平、立面,设后浇带,屋顶保温隔热,温度应力较大处,局部伸缩缝,40,薄弱部位：,加强各部分连接,设防震缝,最小宽度要求,框架,高度15m ：,取70mm,高度15m ：,6度、7度、8度、9度每增加 5m、4m、3m、2m增加20mm,框剪：,按框架的70%采用，但应70mm,剪力墙：,按框架的50%采用，但应70mm,防震缝两侧高度不同，按较低的高度确定,41,如图：框剪结构、抗震 设防8度，防震缝最小 宽度？,42,二、高层建筑结构的受力、工作特点, 整体工作性能, 水平荷载与作用起控制作用, 刚度大, 结构薄弱层,43,三、高层建筑结构布置,

14、采用有利平面和立面（规则性） 具有明确的计算简图 具有合理、直接的传力路径 具有整体牢固性，构件与构件之间、结构与 结构之间或牢固连接、或彻底分离 多道抗震防线, 结构布置总原则, 控制房屋适用高度H、结构高宽比H/B,44, 平面形状简单、规则、对称 （尽量使质心、刚心重合、增大抗扭刚度） 平面突出部分不宜过长, 平面布置, 不利平面,45,框架体系 对称布置刚度较大隔断墙，扭转效应一般不大 非框架体系 对称布置剪力墙，可减小扭转 剪力墙布置成筒体，可增大抗扭刚度 墙（筒）设在四周，可增大抗扭刚度, 有利平面的实现,46, 竖向布置,沿高度刚度、承载力、质量均匀 轮廓尺寸连续、立面无过大外挑和内收,不利建筑立面,47,不利竖向布置, 有利竖向结构的实现,加厚剪力墙，尽可能围成井筒； 采用钢骨混凝土柱（墙）、钢管混凝土柱（墙）、钢 管混凝土叠合柱等延性大的竖向构件； 加强层附近不利可采用空腹桁架， 对结构的抗震有利 大于不利。,48,四、高层建筑结构概念设计, 概念设计法定义, 概念设计要点,结构简单规则均匀 刚柔适度、延性好 整体稳定性好 轻质高强、多道设防,第一道防线：其部分构件可能屈服， 要求具有良好延性； 第二道防线：能形成独立的结构， 抵抗总刚度减小后的地震作用。,49,第二章作业 P37 1、2、12,