第3章 高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載和地震作用

1、 第第3 3章章 高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載與多層建筑結(jié)構(gòu)有所不同，高層建筑結(jié)構(gòu)與多層建筑結(jié)構(gòu)有所不同，高層建筑結(jié)構(gòu) 1）豎向荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于多層建筑結(jié)構(gòu)；）豎向荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于多層建筑結(jié)構(gòu)； 2）水平荷載的影響顯著增加，成為其設(shè)計(jì)的主要因素；）水平荷載的影響顯著增加，成為其設(shè)計(jì)的主要因素； 3）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮豎向地震的作用。）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮豎向地震的作用。高層建筑結(jié)構(gòu)主要承受高層建筑結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載豎向荷載和和水平荷載水平荷載。1）豎向荷載）豎向荷載2）水平荷載）水平荷載恒荷載恒荷載活荷載活荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載地震作用地震作用 高、大、細(xì)、長(zhǎng)等柔性工程結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載

2、 空氣流動(dòng)形成的風(fēng)遇到建筑空氣流動(dòng)形成的風(fēng)遇到建筑物時(shí)，就在建筑物物時(shí)，就在建筑物表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生壓力或吸力壓力或吸力，這種風(fēng)力作用，這種風(fēng)力作用叫風(fēng)荷載。叫風(fēng)荷載。風(fēng)的大小與風(fēng)的大小與（1）近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)（2）建筑物所在地的地藐及周圍環(huán)境（3）建筑本身的高度、形狀以及表面狀況有關(guān) 風(fēng)的破壞力v“森拉克”肆虐浙閩 防波堤被沖垮百米 2003 七月 28 12:43 由于16號(hào)“森拉克”臺(tái)風(fēng)的襲擊，投資1.2億元、總長(zhǎng)達(dá)1837米的玉環(huán)縣坎門(mén)漁港防波堤遭受嚴(yán)重的損壞。漁港西堤被巨浪沖垮2個(gè)缺口，造成防波堤砌面下滑，總長(zhǎng)達(dá)100多米。險(xiǎn)情發(fā)生后，當(dāng)?shù)卣M織公安、邊防、民兵應(yīng)急分隊(duì)和

3、群眾及時(shí)進(jìn)行搶修，力爭(zhēng)將損失降低到最低限度。 風(fēng)的破壞力 風(fēng)的破壞力 廣州大道南一棟五層廠房近1000平方米的2塊鐵皮被卷起后砸中附近五金廠，100多名工人僥幸逃過(guò)大難 一、滬環(huán)球金融中心建筑裝風(fēng)阻尼器一、滬環(huán)球金融中心建筑裝風(fēng)阻尼器 上海環(huán)球上海環(huán)球金融中心金融中心位于上海位于上海浦東陸家浦東陸家嘴地區(qū)建嘴地區(qū)建設(shè)中的設(shè)中的101層超高層層超高層綜合大廈綜合大廈（492m）。）。 該工程上海環(huán)球金融中心在該工程上海環(huán)球金融中心在90層（地上層（地上395米）設(shè)置米）設(shè)置2臺(tái)重臺(tái)重約約150噸的配重物體風(fēng)阻尼器，可抗噸的配重物體風(fēng)阻尼器，可抗12級(jí)以上臺(tái)風(fēng)。通過(guò)引入風(fēng)級(jí)以上臺(tái)風(fēng)。通過(guò)引入風(fēng)阻尼

4、器，將能使強(qiáng)風(fēng)時(shí)加在建筑物上的加速度（重力）降低阻尼器，將能使強(qiáng)風(fēng)時(shí)加在建筑物上的加速度（重力）降低40%左右。另外，風(fēng)阻尼器也可以降低強(qiáng)震對(duì)建筑物，尤其是左右。另外，風(fēng)阻尼器也可以降低強(qiáng)震對(duì)建筑物，尤其是建筑物頂部的沖擊。建筑物頂部的沖擊。 二、臺(tái)灣二、臺(tái)灣101101大樓裝風(fēng)阻尼器大樓裝風(fēng)阻尼器 “臺(tái)灣臺(tái)灣101金金融大樓融大樓”位于位于臺(tái)北信義計(jì)劃臺(tái)北信義計(jì)劃區(qū)，這座達(dá)區(qū)，這座達(dá)508米高的建米高的建筑物將超過(guò)美筑物將超過(guò)美國(guó)芝加哥的西國(guó)芝加哥的西爾斯大樓，成爾斯大樓，成全球最高的建全球最高的建筑物。筑物。 大樓樓頂內(nèi)部用鋼纜懸著一顆重大樓樓頂內(nèi)部用鋼纜懸著一顆重660噸、直徑噸、直徑5

5、.5米的巨球，米的巨球，巨球位于巨球位于88樓，這是世界最大、最重、唯一外露可供參觀的風(fēng)樓，這是世界最大、最重、唯一外露可供參觀的風(fēng)阻尼器，它是通過(guò)巨大鋼球的擺動(dòng)來(lái)減緩建筑物的晃幅。造價(jià)阻尼器，它是通過(guò)巨大鋼球的擺動(dòng)來(lái)減緩建筑物的晃幅。造價(jià)新臺(tái)幣一億三千兩百萬(wàn)元新臺(tái)幣一億三千兩百萬(wàn)元(人民幣約人民幣約2640萬(wàn)元萬(wàn)元)。 3.1.1 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值kw1 1、基本風(fēng)壓、基本風(fēng)壓 我國(guó)我國(guó)荷載規(guī)范荷載規(guī)范規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上面上離地離地 10m10m高，統(tǒng)計(jì)所得的高，統(tǒng)計(jì)所得的 50 50 年一遇年一遇 10 10 分鐘平均最大風(fēng)

6、速分鐘平均最大風(fēng)速v v0 0（m/sm/s）為標(biāo)準(zhǔn)，）為標(biāo)準(zhǔn)，按風(fēng)速確定的風(fēng)壓值，但不得小于按風(fēng)速確定的風(fēng)壓值，但不得小于 0.3kN/m0.3kN/m2 2。特別重要的高層建筑，取特別重要的高層建筑，取100100年。年。0w 風(fēng)壓沿高度的變化規(guī)律一般用指數(shù)函數(shù)表示，即風(fēng)壓沿高度的變化規(guī)律一般用指數(shù)函數(shù)表示，即2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù) 風(fēng)速大小與高度有關(guān)，一般風(fēng)速大小與高度有關(guān)，一般近地面處的風(fēng)速較小，愈向上近地面處的風(fēng)速較小，愈向上風(fēng)速逐步加大風(fēng)速逐步加大。當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)（。當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)（300300500m500m），風(fēng)速不受地），風(fēng)速不受地表影響，達(dá)到所謂梯度風(fēng)。

7、而且風(fēng)速的變化還與地面粗糙程度表影響，達(dá)到所謂梯度風(fēng)。而且風(fēng)速的變化還與地面粗糙程度有關(guān)。有關(guān)。 zHzvHzHHv分別為標(biāo)準(zhǔn)高度（例如10m）及該處的平均風(fēng)速；地面粗糙度系數(shù)；地表粗糙程度愈大， 值則愈大； 梯度風(fēng)梯度風(fēng)海洋鄉(xiāng)村城市70799110049597690100617789100梯度風(fēng)離地高度（m） 風(fēng)壓高度變化系數(shù)：為某類地表上空高度處的風(fēng)壓與基本風(fēng)風(fēng)壓高度變化系數(shù)：為某類地表上空高度處的風(fēng)壓與基本風(fēng)壓的比值，該系數(shù)取決于地面粗糙程度指數(shù)。壓的比值，該系數(shù)取決于地面粗糙程度指數(shù)。 現(xiàn)行規(guī)范將現(xiàn)行規(guī)范將地面粗糙程度分為四類：地面粗糙程度分為四類： A A類類指近海海面、海島、海岸、

8、湖岸及沙漠地區(qū)；指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)； B B類類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)； C C類類指有密集建筑群的城市市區(qū)；指有密集建筑群的城市市區(qū)； D D類類指密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。指密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。 3、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù) 1）定義：）定義：風(fēng)荷載體型系數(shù)是指風(fēng)作用在建筑物表面風(fēng)荷載體型系數(shù)是指風(fēng)作用在建筑物表面所引起的壓力所引起的壓力(吸力吸力)與原始風(fēng)速算得的理論風(fēng)壓的比與原始風(fēng)速算得的理論風(fēng)壓的比值。值。 2）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：風(fēng)荷載體型系數(shù)一般都是通

9、過(guò)實(shí)測(cè)或風(fēng)風(fēng)荷載體型系數(shù)一般都是通過(guò)實(shí)測(cè)或風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的方法確定，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的方法確定，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的體型體型與尺度與尺度有關(guān)。有關(guān)。s 迎風(fēng)面的風(fēng)壓力在建筑物的中間偏上為最大，兩邊迎風(fēng)面的風(fēng)壓力在建筑物的中間偏上為最大，兩邊及底下最?。粋?cè)風(fēng)面一般近側(cè)大，遠(yuǎn)側(cè)小，分布也極及底下最小；側(cè)風(fēng)面一般近側(cè)大，遠(yuǎn)側(cè)小，分布也極不均勻；背風(fēng)面一般兩邊略大，中間小。不均勻；背風(fēng)面一般兩邊略大，中間小。 3）風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定：根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)）風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定：根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)洞

10、試驗(yàn)（）單體風(fēng)壓體型系數(shù)（）單體風(fēng)壓體型系數(shù)例例:+0.8-0.7-0.70.5 （2 2）群體風(fēng)壓體型系數(shù)）群體風(fēng)壓體型系數(shù)對(duì)建筑群，尤其是高層建筑群，當(dāng)房屋相互間距較近時(shí)，對(duì)建筑群，尤其是高層建筑群，當(dāng)房屋相互間距較近時(shí)，由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大。由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大。高層規(guī)程高層規(guī)程規(guī)定，當(dāng)多棟或群集的高層建筑相互間距較近時(shí)，規(guī)定，當(dāng)多棟或群集的高層建筑相互間距較近時(shí)，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。一宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。一般可將單體建筑的體型系般可將單體建筑的體型系數(shù)乘以相互干擾增大系數(shù)數(shù)乘以相互干擾增大系數(shù)，該系數(shù)可

11、參考類似條件的試驗(yàn)資料，該系數(shù)可參考類似條件的試驗(yàn)資料確定，必要時(shí)宜通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。確定，必要時(shí)宜通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。（3 3）局部風(fēng)壓體型系數(shù)）局部風(fēng)壓體型系數(shù)在計(jì)算風(fēng)荷載對(duì)建筑物某個(gè)局部表面的作用時(shí)，要采用在計(jì)算風(fēng)荷載對(duì)建筑物某個(gè)局部表面的作用時(shí)，要采用局部風(fēng)荷載體型系數(shù)，用于局部風(fēng)荷載體型系數(shù)，用于驗(yàn)算表面圍護(hù)結(jié)構(gòu)及玻璃等強(qiáng)度和驗(yàn)算表面圍護(hù)結(jié)構(gòu)及玻璃等強(qiáng)度和構(gòu)件連接強(qiáng)度構(gòu)件連接強(qiáng)度。檐口、雨蓬、遮陽(yáng)板、陽(yáng)臺(tái)等水平構(gòu)件計(jì)算局檐口、雨蓬、遮陽(yáng)板、陽(yáng)臺(tái)等水平構(gòu)件計(jì)算局部上浮風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于部上浮風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于2.02.0。設(shè)計(jì)建筑幕。設(shè)計(jì)建筑幕墻時(shí)，應(yīng)按有關(guān)的

12、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用。墻時(shí)，應(yīng)按有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用。 4、風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)振系數(shù) ）風(fēng)速特點(diǎn)：）風(fēng)速特點(diǎn)：風(fēng)速的變化可分為兩部分：一種是長(zhǎng)周期的成分，其值一般在風(fēng)速的變化可分為兩部分：一種是長(zhǎng)周期的成分，其值一般在10min以上；另一種是短周期成分，一般只有幾秒左右。因此，以上；另一種是短周期成分，一般只有幾秒左右。因此，為便于分析，通常把實(shí)際風(fēng)分解為為便于分析，通常把實(shí)際風(fēng)分解為平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)兩兩部分。穩(wěn)定風(fēng)周期長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)影響??；脈動(dòng)風(fēng)周期短，對(duì)結(jié)構(gòu)影部分。穩(wěn)定風(fēng)周期長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)影響??；脈動(dòng)風(fēng)周期短，對(duì)結(jié)構(gòu)影響大。響大。z ）風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)：）風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)：對(duì)于高度較大、剛

13、度較小的高層對(duì)于高度較大、剛度較小的高層建筑，脈動(dòng)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生不可忽略的動(dòng)力效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中建筑，脈動(dòng)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生不可忽略的動(dòng)力效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中必須考慮，目前采用加大風(fēng)荷載的辦法來(lái)考慮這個(gè)動(dòng)力必須考慮，目前采用加大風(fēng)荷載的辦法來(lái)考慮這個(gè)動(dòng)力效應(yīng)，即對(duì)風(fēng)壓值乘以風(fēng)振系數(shù)。效應(yīng)，即對(duì)風(fēng)壓值乘以風(fēng)振系數(shù)。 2）計(jì)算：）計(jì)算： 對(duì)于基本自振周期對(duì)于基本自振周期T T1 1大于大于0.25s0.25s的工程結(jié)構(gòu)，以及的工程結(jié)構(gòu)，以及高度大于高度大于30m30m且高寬比大于且高寬比大于1.51.5的高柔房屋均應(yīng)考慮脈的高柔房屋均應(yīng)考慮脈動(dòng)風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。動(dòng)風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。 2）計(jì)算：）計(jì)算：

14、3.1.2 總風(fēng)荷載總風(fēng)荷載 總風(fēng)荷載為建筑物各個(gè)表面上承受風(fēng)力的合力，是總風(fēng)荷載為建筑物各個(gè)表面上承受風(fēng)力的合力，是沿建筑物高度變化的沿建筑物高度變化的線荷載。線荷載。 z高度處的總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：高度處的總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：Wz1Wz2Wz3Wz4 例例 題題 -0.5-0.5 一高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面形狀為正六邊形，邊長(zhǎng)為20m。房屋共20層，除底層層高為5m外，其余層高為3.6m。該房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地區(qū)的基本風(fēng)壓20/7 . 0mkNw 地面粗糙度為C類。試計(jì)算各樓層處與風(fēng)向一致方向總的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。風(fēng)向解1 確定體形系數(shù)0-0.5+0.8-0.5

15、0-0.5 60該房屋共有6個(gè)面，查表得到各個(gè)面的風(fēng)荷載體形系數(shù)，如圖所示，不為零的4個(gè)面分別用表示。20m 2 計(jì)算各層的風(fēng)壓高度系數(shù)近似假定室內(nèi)外地面相同，則二層樓面離室外地面高度為5m，查表，對(duì)于C類地面粗糙度，74. 0z同理可求得其余各層樓面標(biāo)高處的風(fēng)壓高度系數(shù)。3 計(jì)算風(fēng)振系數(shù)zzz101. 12 . 17 . 02210Tw查表386. 1房屋高寬比H/B=(5+3.619)/34.64=2.1，查表，485. 0對(duì)于質(zhì)量和剛度沿高度比較均勻的房屋，結(jié)構(gòu)振型系數(shù)可以取4 .73/zHzz對(duì)于C類地面，乘0.62根據(jù)0.621.01=0.63 4 計(jì)算各個(gè)面不同高度的分布風(fēng)荷載0w

16、wzsziz5 計(jì)算各個(gè)面各樓層處的集中風(fēng)荷載頂層中間層底層izizizizjizwwwwhBW)2/6 . 3(206 . 3202/ )6 . 35(206 計(jì)算各樓層處總的風(fēng)荷載60cos2321zzzzWWWW izwizW層數(shù)HI(m)zzz面面面面面面zW150.740.071.060.440.280.2837.9023.6923.6985.2928.60.760.290.2933.0920.6820.6874.45312.20.780.300.3034.4421.5321.5377.50415.80.710.

17、320.3236.6122.8822.8882.36519.40.840.261.210.570.360.3640.9225.5725.5792.066230.890.311.230.620.380.3844.2927.6827.6899.65726.60.950.361.250.670.420.4248.0630.0430.04108.14830.210.411.280.710.450.4551.4332.1532.15115.72933.81.050.461.290.760.480.4854.8034.2534.25123.311011.310.810.500.5058

18、.1736.3636.36130.8911411.140.561.330.850.530.5361.1438.2138.21137.57111.340.900.560.5664.5140.3240.32145.161361.360.940.590.5967.4842.1842.18151.831451.81.270.711.380.980.610.6170.4544.0344.03158.511551.391.010.630.6372.7445.4645.46163.6716591.340.81.401.050.660.6675.7147.3247.32170.351762.61.380.851.411.090.680.6878.6849.1749.17177.031866.21.410.91.431.130.710.7181.2450.7850.78182.801969.81.450.951.441.170.730.7384.2152.6352.63189.482073.41.4811.451