高層建筑結(jié)構(gòu)設計(第二講)

第二講抗風、抗震設計方法簡介

第一節(jié)抗風設計方法一、抗風設計原則風作用出現(xiàn)的概率大，大風作用的時間較長人們要求在50年或100年重現(xiàn)期的風作用下結(jié)構(gòu)仍然能正常使用，也就是要求結(jié)構(gòu)處于彈性和小位移狀態(tài)

抗風設計主要基于承載力設計，對高度較高的高層建筑，還要保證210年重現(xiàn)期的風荷載作用下人處于舒適狀態(tài)（風作用下的加速度）“舒適度”的概念目前國內(nèi)研究還很少加拿大的達文波特教授（Pro.Davenport）第一次提出舒適度與房屋頂層加速度關系控制房屋頂層加速度的方法，滿足舒適度要求主體結(jié)構(gòu)計算時，垂直于建筑物表面的風荷載標準值：

wk=z

sz(z)w0W0基本風壓，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GBJ50009規(guī)定取用。對于特別重要的或?qū)︼L荷載比較敏感的高層建筑，其基本風壓應按100年重現(xiàn)期的風壓值采用。風荷載是否敏感？主要與高層建筑的自振特性有關，目前尚無實用的劃分標準。一般情況下，房屋高度60m的高層建筑可按100年一遇的風壓值采用；房屋高度60m的高層建筑，其基本風壓是否提高，可由設計人員根據(jù)實際情況確定。z(z)風壓高度變化系數(shù)地面的粗糙度、溫度垂直梯度

在大氣邊界層內(nèi)，風速隨離地面高度而增大當氣壓場隨高度不變時，風速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度

通常認為在離地面高度為300500m時，風速不再受地面粗糙度的影響，達到“梯度風速”，該高度稱為梯度風高度HG

地面粗糙度等級低的地區(qū)，其梯度高度比等級高的地區(qū)為低。

GB50009-2001地面的粗糙度類別

A類—近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)

B類—田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵、房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)

C類—有密集建筑群的城市市區(qū)

D類—有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)地面粗糙度類別粗糙度指數(shù)梯度風高度HG

風壓高度變化系數(shù)z

A類

0.12300m1.379(z/10)0.24

B類0.16350m1.000(z/10)0.32

C類0.22400m0.616(z/10)0.44D類0.30450m0.318(z/10)0.60地面粗糙度近似確定原則（無實測粗糙度指數(shù)）1、以擬建房2km為半徑的迎風半圓范圍內(nèi)的房屋高度和密集度來區(qū)分粗糙度類別，風向原則上應以該地區(qū)最大風的風向為準，但也可取其主導風；2、以半圓影響范圍內(nèi)建筑物的平均高度h平均來劃分地面粗糙度類別，當h平均18m，為D類，，9mh平均18m為C類，h平均9m，為B類。3、影響范圍內(nèi)不同高度的面域可按下述原則確定，即每座建筑物向外延伸距離為其高度的面域內(nèi)均為該高度，當不同高度的面域相交時，交疊部分的高度取大者；4、平均高度h平均取各面域面積為權(quán)數(shù)計算。s風載體型系數(shù)風載體型系數(shù)s一般采用相似原理，在邊界層風洞內(nèi)對擬建的建筑物模型進行試驗確定?！兑?guī)程》JGJ3-2002附錄A：風荷載體型系數(shù)1、矩形、2、L形、3、槽形、4、正多邊形、圓形、5、扇形平面、6、棱形、7、十字形、8、井字形、9、X形、10、艸形、11、六角形、12、Y形JGJ3-2002

房屋高度大于200m時宜采用風洞試驗來確定建筑物的風荷載；房屋高度大于150m，有下列情況之一時，宜采用風洞試驗確定建筑物的風荷載（1）平面形狀不規(guī)則，立面形狀復雜（2）立面開洞或連體建筑（3）周圍地形和環(huán)境較復雜風洞試驗在風洞中建筑物能實現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)風的平均風剖面、紊流和自然流動，即要求能模擬風速隨高度的變化

大氣紊流縱向分量建筑物長度尺寸具有相同的相似常數(shù)建筑物的風洞尺寸：寬24m、高23m，長530m

模擬風剖面要求模型與原形的環(huán)境風速梯度、紊流強度和紊流頻譜在幾何上和運動上都相似風洞試驗：委托風工程專家和專門的實驗人員費用較高（國外應用較普遍、國內(nèi)應用較少）風洞試驗模型分類：（1）剛性壓力模型主要量測建筑物表面的風壓力（吸力）建筑模型材料：采用有機玻璃，建筑模型比例：約1：3001：500建筑模型本身、周圍結(jié)構(gòu)模型以及地形都應與實物幾何相似，與風流動有明顯關系的特征（建筑外形、突出部分等）都應正確模擬。風洞試驗得到結(jié)構(gòu)的平均壓力、波動壓力、體型系數(shù)。風洞試驗一次需持續(xù)60s左右，相應實際時間1h（2）氣動彈性模型

對高寬比大于5的、需要考慮舒適度的高柔建筑時采用精確地考慮結(jié)構(gòu)的柔性和自振頻率、阻尼的影響。要求模擬幾何尺寸、建筑物的慣性矩、剛度和阻尼特性。（3）剛性高頻力平衡模型模型尺寸較小，1：500量級將一個輕質(zhì)材料的模型固定在高頻反應的力平衡系統(tǒng)上，可得到風產(chǎn)生的動力效應。模擬結(jié)構(gòu)剛度或高頻力平衡系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿長約150mm的矩形鋼棒與一組很薄的鋼棒組合，可測傾覆力矩和扭矩等z

–高度z處的風振系數(shù)，且z=1+z/

—脈動增大系數(shù)，與w0T12、房屋結(jié)構(gòu)類型；—脈動影響系數(shù)，與地面粗糙度類型、H/B、房屋總高H；z—振型系數(shù)，由結(jié)構(gòu)動力計算確定（一般取第一振型）。GB50009規(guī)定：基本自振周期T1>0.25s的工程結(jié)構(gòu)（房屋、屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)）高度H>30m且高寬比H/B>1.5的高柔房屋考慮風壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風向風振的影響如何驗算高層建筑結(jié)構(gòu)的舒適度？

對照國外的研究成果和有關標準，與我國現(xiàn)行行業(yè)標準《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》（JGJ99-98）相協(xié)調(diào)，要求高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)應具有更好的使用條件，滿足舒適度的要求。第二節(jié)抗震設計方法一、結(jié)構(gòu)地震作用計算方法的三個階段

靜力法1900年日本學者大森房吉提出震度法概念，將地震作用簡化為靜力反應譜理論20世紀30年代美國開展了強震記錄的研究(ElCentro),美國M.Biot提出用地震記錄計算反應譜的概念，50年代初，G.W.Housner實現(xiàn)了反應譜的計算，并應用于抗震設計。

時程分析方法20世紀50年代末期,G.W.Housner

實現(xiàn)了地震反應的動力計算分析，并成功應用于抗震設計。20世紀70年代，地震反應動力分析得到發(fā)展，從彈性時程分析方法發(fā)展到彈塑性時程分析方法。基于承載力的抗震設計方法靜力法和最初的反應譜理論基于承載力和延性的抗震設計概念以反應譜理論為基礎，以三水準設防為目標，以構(gòu)件極限承載力設計保證結(jié)構(gòu)承載力，以構(gòu)造措施保證結(jié)構(gòu)延性的完整的抗震設計方法。

承載力與延性的關系承載力高的結(jié)構(gòu)，延性要求可以較低，而承載力較低時，則必須設計具有較高延性的結(jié)構(gòu)。反之，延性不好的結(jié)構(gòu)承載力必須提高，延性好的結(jié)構(gòu)承載力可以降低?；谛阅艿目拐鹪O計方法人們研究的熱點要求在不同水準的地震作用下，直接以結(jié)構(gòu)的性能和表現(xiàn)作為設計目標?？筛鶕?jù)業(yè)主的要求達到不同的性能目標（正常使用、生命安全、設備安全、防止倒塌等）現(xiàn)行的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準目標已經(jīng)具備了基于抗震設計的思想。而基于性能/位移的抗震設計方法需要定量。地震反應的時程分析方法（TimeHistoryAnalysis）和靜力彈塑性計算方法—推覆方法(Push-Overanalysis)可獲得結(jié)構(gòu)性能和表現(xiàn)定量的兩種主要計算方法。

JGJ3-2002：79度抗震設防的高層建筑，下列情況應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算甲類高層建筑結(jié)構(gòu)；8度I、II類場地和7度，建筑高度>100m8度III、IV類場地，建筑高度>80m

乙、丙類高層建筑結(jié)構(gòu)9度，建筑高度>60m

豎向不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)復雜高層建筑結(jié)構(gòu)（帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強層的結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔結(jié)構(gòu)等）質(zhì)量沿高度分布特別不均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)二、地震反應譜地震反應譜單自由體系的地震最大絕對加速度反應與其自振周期T的關系地震反應譜的意義一個確定的地面運動，通過一組阻尼比相同但自振周期各不相同的單自由度體系，所引起的各體系最大加速度反應與相應體系自振周期間的關系曲線設計反應譜反應譜方法是我國結(jié)構(gòu)抗震設計采用的基本方法優(yōu)點：考慮了地震的強烈程度—烈度、地面運動的特征、結(jié)構(gòu)自身的動力特征—周期與阻尼等。通過反應譜值將結(jié)構(gòu)的動力反映轉(zhuǎn)化為作用于結(jié)構(gòu)上的靜力。缺點：

只考慮地面運動中的加速度分量，未考慮地面運動中的速度和位移（實際上地面運動中的速度分量對結(jié)構(gòu)反應影響很大，在相同加速度峰值下，速度愈大，結(jié)構(gòu)反應愈強烈，結(jié)構(gòu)容易受到破壞）

設計反應譜只取加速度反應中的最大值，是慣性力的最大值，當不一定是結(jié)構(gòu)的最危險狀態(tài)。

反應譜通過單自由度體系計算得到的，應用于多自由度結(jié)構(gòu)，只能采用振型分解法。振型組合采用SRSS方法或CQC方法得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。經(jīng)過振型組合的內(nèi)力不再符合平衡條件。結(jié)構(gòu)的動力特性對地震作用的大小影響極大，由于對結(jié)構(gòu)計算簡圖對結(jié)構(gòu)的簡化，結(jié)構(gòu)自振特性（周期、振型扥等）的確定也是粗糙的目前應用的設計反應譜是單自由度彈性結(jié)構(gòu)的反應譜，只能進行彈性計算，未考慮持時的影響，未考慮結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)塑性和塑性變形的累計過程。對高層建筑結(jié)構(gòu)，反應譜計算得到的地震作用只能是經(jīng)驗的，有很多不確定因素，并不能代表真正的地震作用，特別是等效地震荷載計算得到的內(nèi)力和位移，不是真正地震時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。實踐表明：在正確進行概念設計的基礎上，按規(guī)范規(guī)定的方法進行計算和構(gòu)件設計，可以保證大多數(shù)結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。更需要有效的概念設計和保證延性的構(gòu)造措施，對高度較大和較為復雜的高層建筑還需要進行第二階段的變形驗算。經(jīng)過全面的抗震設計的各個步驟和采取各種措施，結(jié)構(gòu)的安全性才能得到保證。第三節(jié)彈塑性地震反應分析時程分析法在結(jié)構(gòu)基礎部位作用一個地面運動加速度時程，用動力方法直接計算出結(jié)構(gòu)隨時間而變化的地震反應。一、動力計算方法多自由度體系的動力方程二、計算模型

桿模型以桿件為計算的基本單元，剛度矩陣的建立、計算簡圖（平面、空間）、質(zhì)量集中到樓板高度。確定每個桿件最大內(nèi)力和最大變形，以及桿件和樓層的位移

適用：彈性時程分析、用于研究

層模型整個結(jié)構(gòu)視為一根懸臂桿，每個樓層質(zhì)量集中為一個質(zhì)點，樓層的剛度凝聚在一根桿中。

層模型：剪切型（S型）、彎剪型（SB型）、彎曲型（B型）、局部彎剪型（局部SB型）、等效剪切型（等效S型）等確定結(jié)構(gòu)層剪力、層位移、層間位移角等確定結(jié)構(gòu)薄弱層設計第二階段的層間位移角驗算

適用：彈塑性時程分析、用于設計第二階段倒塌驗算局部層間SB模型S模型三、恢復力模型滯回曲線—反復荷載作用下桿件實測的力位移曲線唐興榮,劉偉慶,錢奕技.空間鋼構(gòu)架混凝土柱抗震性能的試驗研究.建筑結(jié)構(gòu)學報，2005,25（5）：11-28退化三線性滯回模型

恢復力模型滯回曲線模型化，給出可用于數(shù)值計算的反復循環(huán)力-變形的非線性關系（反復荷載作用下桿件剛度、開裂、屈服、荷載反向作用等原因，桿件剛度的變化）拐點的確定

唐興榮，姚江峰.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應分析四、質(zhì)量矩陣與阻尼矩陣五、地震波

應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于二組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線

人工模擬加速度時程曲線其平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計上相符。

彈性時程分析時，每條撐程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%

地震波的持續(xù)時間不宜小于結(jié)構(gòu)基本自振周期的倍，也不宜少于12s，地震波的時間間距可取0.01s或0.02s

輸入地震加速度的最大值

靜力彈塑性分析

推覆分析

Push-OverAnalysis在結(jié)構(gòu)上施加一組靜力(豎向荷載和水平荷載)，考慮構(gòu)件從開裂到屈服，剛度逐步改變的彈塑性計算方法。計算時豎向荷載不變，水平荷載由小到大，逐步加載，每一步會有部分構(gòu)件屈服，屈服的構(gòu)件需要改變剛度，重新建立剛度矩陣，在增量荷載作用下再進行分析，得到的結(jié)果疊加在前一步計算的結(jié)果上，如此逐步計算，直到結(jié)構(gòu)達到其極限承載力或極限位移，結(jié)構(gòu)倒塌。靜力彈塑性分析需給出的條件計算簡圖及荷載與一般靜力分析相同（平面結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)）；豎向荷載不變，水平荷載盡可能能代表地震作用的荷載分布形式，荷載由小到大變化，分布形式不變。構(gòu)件參數(shù)：幾何尺寸、彈性剛度；每個構(gòu)件力變形的彈塑性骨架線（有明顯的屈服點和極限承載力的二線性或三線性骨架線）靜力彈塑性分析的主要功能結(jié)構(gòu)承受的水平荷載作用時內(nèi)力和變形的全過程；結(jié)構(gòu)的最大承載能力和極限變形能力，包括層間位移角和頂點位移等重要指標；估價相對于設計荷載而言的結(jié)構(gòu)承載力的安全儲備等第一批塑性鉸位置和各個階段的塑性鉸出現(xiàn)次序和分布狀態(tài)；判斷結(jié)構(gòu)是否符合強柱弱梁、強剪弱彎等設計要求不同受力階段下樓層側(cè)移和層間位移角沿高度的分布，結(jié)合塑性鉸的分布情況可以檢查是否存在薄弱層不同受力階段結(jié)構(gòu)各部分塑性內(nèi)力重分布情況，結(jié)合塑性鉸分布，檢查設計的多道設防意圖是否能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)每一層的層剪力位移角曲線，作為彈塑性層模型時程分析需要的各層等效層剛度

結(jié)構(gòu)總承載力頂點位移全曲線，它綜合表示結(jié)構(gòu)在各個受力階段的能力和性能。

能力曲線靜力彈塑性分析得到的結(jié)構(gòu)性能曲線

要求曲線地震反應譜

如果“要求曲線”和“能力曲線”有交點，表示結(jié)構(gòu)可以抵抗該地震，交點稱為“結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)點”，交點對應的位移是結(jié)構(gòu)在地震作用下的頂點位移，對該位移處結(jié)構(gòu)的各項性能進行分析，可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)。性能點計算

加速度反應譜Sa和位移反應譜Sd作為比較坐標

“能力曲線”和“要求曲線”坐標轉(zhuǎn)換方式

用加速度譜Sa周期T作為比較坐標靜力彈塑性分析法存在一些問題結(jié)構(gòu)計算時施加的水平荷載形式的不確定性（均勻分布荷載計算的極限承載力最大；頂點集中力計算的極限承載力最小；倒三角形荷載計算的結(jié)果介于二者之間）

水平荷載形式基底剪力法得到的層荷載分布形式或反應譜分析的第一振型的地震力分布形式或振型組合以后的地震力分布形式構(gòu)件的彈塑性性能需要在材料非線性性能的基礎上確定，其中三維構(gòu)件