高層結構設計第3章 高層建筑的荷載和地震作用

第3章高層建筑的荷載和地震作用豎向：恒、活（雪）其它荷載（作用）：溫度、基礎沉降等水平向：風、地震3.1豎向荷載一、恒荷載：結構自重、附加永久荷載

隔墻、裝飾、設備管道等（規(guī)范附錄A）

恒荷載標準值可由各構件的截面尺寸、長度裝飾材料情況計算；設備管道重量由有關專業(yè)設計人員提供。二、活荷載:樓面均布活荷載、雪荷載、施工檢修人員與機具的重量。荷載規(guī)范：GB50009—2001

多層：應考慮活荷載不利分布高層：不考慮，活荷載相對小，水平荷載引起內力大三、經驗值：單位面積豎向荷載重量框架、框架—剪力墻結構體系：12～14kN/m2

剪力墻、筒體結構體系：14～16kN/m2

3.2風荷載“森拉克”肆虐浙閩防波堤被沖垮百米

[

2003年7月28日12:43

]。由于16號“森拉克”臺風的襲擊，投資1.2億元、總長達1837米的玉環(huán)縣坎門漁港防波堤遭受嚴重的損壞。漁港西堤被巨浪沖垮2個缺口，造成防波堤砌面下滑，總長達100多米。

····

愛國守法自律真實文明發(fā)表評論：網友昵稱：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多名工人僥幸逃過大難一、總體風荷載

高、大、細、長等柔性工程結構的主要設計荷載

空氣流動形成的風遇到建筑物時，就在建筑物表面產生壓力或吸力，這種風力作用叫風荷載。風的大小與（1）近地風的性質、風速、風向有關（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風對高層建筑結構有如下的特點:l、風力作用與建筑物外形有直接關系，圓形與正方形受到的風力較合理。2．風力受建筑物周圍環(huán)境影響較大，處于高層建筑群中的高層建筑，有時會出現(xiàn)受力更為不利的情況。3．風力作用具有靜力、動力兩重性質。

4．風力在建筑物表面的分布很不均勻，在角區(qū)和建筑物內收的局部區(qū)域，會產生較大的風力。5．與地震作用相比，風力作用持續(xù)時間較長，其作用更接近于靜力，在建筑物的使用期限內出現(xiàn)較大風力的次數(shù)較多。6．由于有較長期的氣象觀測，大風的重現(xiàn)期很短，所以風力大小的估計比地震作用大小的估計較為可靠。而且抗風設計具有較大的可靠性。1、概念：空氣流動形成風（近地風起主要作用）迎風面：壓力背風面：吸力風毀事故：橋梁高層—少，局部破壞多（玻璃）高聳—有2、隨機性—按照統(tǒng)計規(guī)律歸納出風荷載標準值計算公式

當計算主要承重結構時：風荷載標準值（kN/m2）

2/1/2023133、風荷載的計算

(1)基本風壓空曠平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大風速計算。：空氣密度具體查閱：荷載規(guī)范附錄D，不小于0.3kN/m2說明：一般高層建筑考慮50年一遇特別重要或者有特殊要求的高層建筑考慮100年一遇2/1/2023143、風荷載的計算

(1)基本風壓空曠平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大風速計算。：空氣密度2/1/202315（2）風荷載體型系數(shù)風對建筑表面的作用力并不等于基本風壓值，而是隨建筑物的體型、尺度、表面位置等而改變，其大小由實測或風洞試驗確定

=垂直于建筑表面的平均風作用力/基本風壓值

2/1/202316（2）風荷載體型系數(shù)風對建筑表面的作用力并不等于基本風壓值，而是隨建筑物的體型、尺度、表面位置等而改變，其大小由實測或風洞試驗確定

=垂直于建筑表面的平均風作用力/基本風壓值

壓力為正號吸力為負號2/1/202318(3)風壓高度變化系數(shù)μZ

風壓高度變化系數(shù)應該根據(jù)地面粗糙度類別確定

A類：指近海面、海島、海岸、湖岸以及沙漠B類：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)C類：指密集建筑裙的城市市區(qū)D類：指有密集建筑物裙且房屋較高的城市市中心ABCD（4）風振系數(shù)(高度Z處風振系數(shù))風分為平均風（即穩(wěn)定風）和脈動風（常稱陣風脈動）平均風——靜力脈動風——動力2/1/202321與結構的自振特性有關，（包括自振周期、振型等，也與結構的高度有關）

基本自振周期T1>0.25S的工程結構，高度大于30m且高寬比大于1.5的高柔房屋，考慮風壓脈動對結構發(fā)生順風向風振的影響。風振計算按照隨機振動理論進行，結構自振周期按照結構動力學計算一般懸臂型結構（構架、塔架、煙囪等高聳結構），高度大于30m，高寬比大于1.5且可以忽略扭轉影響的高層建筑，按照下式計算：

2/1/202322

——脈動增大系數(shù)

——脈動影響系數(shù)

——振型系數(shù)

——風壓高度變化系數(shù)2/1/202323

脈動增大系數(shù)ξ

主要與結構的周期、基本風壓和地面粗糙程度有關w0·

T120.010.020.040.060.080.100.200.400.60鋼結構1.471.571.691.771.831.882.042.242.36有填充墻的房屋鋼結構1.261.321.391.441.471.501.611.731.81混凝土及砌體結構1.111.141.171.191.211.231.281.341.38w0·T120.801.002.004.006.008.0010.0020.0030.00鋼結構2.462.532.803.093.283.423.543.914.14有填充墻的房屋鋼結構1.881.932.102.302.432.522.602.853.01混凝土及砌體結構1.421.441.541.651.721.771.821.962.062/1/202324

振型系數(shù)可由結構動力計算確定，計算時可僅考慮受力方向基本振型的影響；對于質量和剛度沿高度分布比較均勻的彎剪型結構，也可近似采用振型計算點距室外地面高度Z與房屋高度H的比值代替振型系數(shù)Z/H查表

脈動影響系數(shù)與房屋總高度、粗糙度類別、H/B有關，查表。2/1/202325結構基本自振周期的經驗公式方法一：

鋼筋混凝土框架和框剪結構：

鋼筋混凝土剪力墻結構：

H——房屋總高度(m)B——房屋寬度(m)方法二：

框架結構：T1＝（0.08～0.1）N

框架－剪力墻結構：T1＝（0.06～0.08）N

剪力墻結構及筒中筒：T1＝0.05NN——房屋層數(shù)2/1/2023264、總風荷載各個表面承受風力的合力，沿高度變化的分布荷載

:建筑物表面法線與風作用方向的夾角＝0：風力作用方向與建筑表面垂直，風壓全部計算＝90：風力作用方向與建筑表面平行，風壓不算0<<90:風力的分量，注意風力分解時區(qū)別風力為壓力或吸力2/1/2023274、總風荷載各個表面承受風力的合力，沿高度變化的分布荷載windμs=

+0.8μs=-0.6μS

壓力為“+”拉力為“—”

B4α4=900μs=-0.6α2=900B1α1=0α3=00μs=-0.5B3B2h=zWZμs=

+0.82/1/202328二、局部風荷載風壓在建筑物表面是不均勻的，在計算局部構件時，應考慮風荷載的局部效應。計算時，用增大風荷載體型系數(shù)的方法考慮局部效應。局部風壓體型系數(shù)：正壓區(qū)：同上取法負壓區(qū)：

◆墻面：-1.0

◆墻角邊：-1.8

◆屋面局部部位（周邊和屋面坡度大于100的屋脊部位）：-2.2

◆檐口、雨篷、遮陽板等突出構件：-2.0

2/1/2023293.3地震作用一、地震作用計算的有關規(guī)定1、高層建筑重要性分類（1）甲類建筑是指有特殊要求，如遇地震破壞會導致嚴重次生災害的建筑。（2）乙類建筑是指地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑。屬于乙類建筑的高層建筑物可以有：對國內、外廣播的廣播電臺和節(jié)目傳輸中心、電視發(fā)射中心。通常指國家級、省和直轄市級的廣播電視中心；城市和長途通訊樞紐、國際無線電臺；有200床位以上的醫(yī)院病房樓、門診樓。（3）丙類建筑是指一般的建筑。2、設防標準甲類建筑：地震破壞會導致嚴重后果，造成經濟上嚴重損失或特別重要的建筑物；按照高于本地區(qū)抗震設防烈度計算，其值應按批準的地震安全性評價結果確定。乙類建筑：地震時必須維持正常使用和救災需要的建筑物，人員大量集中的公共建筑物或其他重要的建筑物；應按本地區(qū)抗震設防烈度計算。丙類建筑物：除上述以外的一般高層建筑；應按本地區(qū)抗震設防烈度計算?？拐鹪O防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑，必須進行抗震設計。3、抗震設防目標具體通過“三水準”的抗震設防要求和“兩階段”的抗震設計方法實現(xiàn)。三水準地震作用的標定地震影響50年超越概率地震重現(xiàn)期眾值烈度（多遇地震）小震63.2%50年基本烈度（設防烈度地震）中震10%475年罕遇烈度（罕遇地震）大震2-3%1642-2475年三水準：“小震”“中震”“大震”抗震設防目標水準涵義要求第一水準小震不壞當遭受低于本地區(qū)設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用第二水準中震可修當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用第三水準大震不倒當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的預估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞

“兩階段”抗震設計方法第一階段設計：按小震作用效應和其它荷載效應的基本組合驗算結構構件的承載能力和結構的彈性變形，以滿足第一水準抗震設防目標的要求。

第二階段設計：在大震作用下驗算結構的彈塑性變形，以滿足第三水準抗震設防的要求。說明：第二水準的設防要求，是通過概念設計和構造措施來滿足的，對大多數(shù)結構．可只進行第一階段設計；只有對《抗震現(xiàn)范》所規(guī)定的部分結構，如有特殊要求的建筑和地震時易倒塌的結構以及有明顯薄弱層的不規(guī)則結構，才進行第二階段的抗震驗算。4、地震作用計算原則一般情況下，計算兩個主軸方向的地震作用；有斜交抗側力構件（角度大于15度）時應分別計算各抗側力構件方向的地震作用質量與剛度分布明顯不對稱、不均勻的結構，應計算雙向水平地震作用下的扭轉影響，其他情況應計算單向地震作用下的扭轉影響8度和9度抗震設計時，高層建筑中的大跨度和長懸臂結構應考慮豎向地震作用9度抗震設計時應計算豎向地震作用

2/1/202336二、高層建筑結構應根據(jù)不同情況采用不同計算方法：對質量和剛度不對稱、不均勻的結構和高度超過100m的高層建筑應采用考慮扭轉耦連振動影響的振型分解反應譜法高度不超過40m、以剪切變形為主的且質量和剛度沿高度分布較均勻的高層建筑結構，可采用底部剪力法7～9度設防的高層建筑，下列情況宜采用彈性時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算：

(1)甲類高層建筑結構

(2)剛度與質量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構

(3)表中所示的乙、丙類高層建筑結構

設防烈度、場地類別建筑高度范圍7度、8度I、II類場地>100m8度III、IV類場地>80m9度>60m2/1/2023371、底部剪力法結構總水平地震作用的標準值計算公式：1——相應于結構基本自振周期T1的值Geq——結構等效總重力荷載代表值Geq＝0.85GEGj——第j層重力荷載代表值考慮高層建筑彎曲振型的影響，頂層附加水平地震作用標準值為：n——頂部附加水平地震作用系數(shù)，當基本自振周期T1<1.4Tg時，n取為0；當基本自振周期T1≥1.4Tg時，n按照表中采用

2/1/202338總水平地震作用的標準值－頂層附加水平地震作用標準值(FEK－Fn)分配到各樓層：

2/1/202339（1）、水平地震影響系數(shù)根據(jù)烈度、場地類別、設計地震分組、結構自振周期T和阻尼比確定，由下式計算：當T≤Tg時＝max當T>Tg時＝max（2）、重力荷載代表值：100％恒荷載＋50％雪荷載＋50％樓面活荷載（80％藏書庫、檔案庫、庫房活荷載）（3）、結構等效總重力荷載代表值Geq＝0.85GE（4）、頂部附加水平地震作用標準值2/1/202340（5）、基本自振周期的簡化計算方法：假想頂點位移法：

質量、剛度沿高度分布比較均勻的框架、框架－剪力墻結構

——以樓層重力荷載代表值Gi為樓層水平力，按照彈性方法計算的頂點位移，單位為(m)ΨT

——周期折減系數(shù)自振周期的修正：計算中未考慮砌體填充墻的剛度影響，計算周期較實際周期長，地震作用偏于不安全，故應乘以周期折減系數(shù)ΨT框架結構：ΨT＝0.6～0.7框架－剪力墻：ΨT＝0.7～0.8剪力墻結構：ΨT＝0.9～1.0

2/1/202341（6）、帶小塔樓的高層建筑結構小塔樓：突出屋面的樓梯間、水箱等，一般1～2層，高度小體積小，小塔樓作為一個質點。鞭梢效應：屋面塔樓的剛度和質量比主體結構小得多，受到經過主體建筑放大后的地震加速度，受到強化的激勵，產生顯著的鞭梢效應塔樓計算：乘以放大系數(shù)注明：有突出屋面的小塔樓時，頂部附加水平地震作用加在主體結構的頂層，不加在小塔樓上

2/1/2023422、振型分解反應譜法（1）、單向水平地震作用下，考慮扭轉的地震作用效應(2)、考慮雙向水平地震作用下的扭轉地震作用效應，應按下列公式中較大值確定3、時程分析法（1）、振動方程（2）、輸入地震波的選用三、豎向地震作用地震時地面運動是多分量的，即3個位移分量和3個轉動分量。大量的宏觀震害表明，建筑物在地震時，主要是由于水平運動造成的破壞，因此在抗震設計時較多地考慮水平地震作用的影響，僅對9