第三章 高層建筑結構荷載

第三章高層建筑結構荷載2/5/2023第三章高層建筑結構荷載§3.1豎向荷載的計算§

3.2風荷載§

3.3地震作用思考題§3.0前言2/5/2023高層建筑結構在設計使用年限以內可能承受的主要作用有荷載和其他非荷載因素。荷載可以分為恒載和活荷載，活荷載又可以分為樓面活荷載、屋面活荷載、雪荷載和風荷載。非荷載因素主要有地震作用、溫度作用和混凝土的收縮、徐變等?！?.0前言2/5/2023§3.0前言

1.豎向荷載及作用豎向荷載包括建筑物的自重，樓面屋面活荷載、雪荷載、設備設施重量及非結構構件重量等。在地震區(qū)，還有豎向地震作用。豎向荷載主要使墻、柱產生軸向力，與房屋高度一般為線性關系，對高層建筑的側移影響較小，且計算簡單，與一般多層房屋并無區(qū)別。

高層建筑所受的荷載作用按作用方式可分為兩類:2/5/2023

2.水平荷載及作用一般主要有風荷載和地震作用。高層建筑以水平作用為主，因它直接影響結構設計的合理性和經濟性。水平力主要使墻、柱產生彎矩，彎矩與房屋高度呈非線性關系，且水平力對高層建筑的側移影響大，計算比較復雜。本章主要介紹在高層建筑結構設計中起主導作用的水平荷載——風荷載和地震作用的計算方法。§3.0前言高層建筑所受的荷載作用按作用方式可分為兩類:2/5/2023豎向荷載可分為恒荷載(永久荷載)和活荷載(可變荷載)。一、恒載恒載是指由結構物內部每一構件的重量所引起的靜力。引起恒載的力包括房屋的承重構件——屋面、樓面、墻體、梁柱等構件自重和找平層、保溫層、防水層、裝修材料層等重量以及固定設備重。所有這些構件的綜合重量組成房屋的恒載?！?.1豎向荷載的計算2/5/2023§3.1豎向荷載的計算永久荷載標準值可按結構構件的設計尺寸和材料單位體積的自重計算確定，對常用材料和構件的自重可從《建筑結構荷載規(guī)范》附表中查得。對某些自重變異較大的材料和構件，考慮到結構的可靠度，在設計時應根據該荷載對結構的有利或不利影響，取其自重上限值或下限值。固定設備重由有關專業(yè)資料提供。確定材料的重量及結構物的恒載似乎是件簡單的事情，但是恒載的估算可能有15%—20%或者更大的誤差。因為在初步設計階段，結構設計者不可能確切預估還沒有選定的建筑材料的重量。

2/5/2023§3.1豎向荷載的計算二、活載活荷載是變化的和較難預測的。它不僅隨時間發(fā)生變化，而且也是位置的函數。變化可能是短期的也可能是長期的，這就使得活荷載幾乎不可能用靜力方式來預測。然而，通過經驗、調查研究和實踐，已制定出各種使用荷載的建議值。荷載規(guī)范以表格形式列出了這些荷載的數值，其特點是引用了概率及數理統計理論以考慮建筑物存在期間最大可能的荷載情況。樓面活荷載屋面活荷載雪荷載施工活荷載活荷載的最不利布置2/5/2023風荷載是指空氣流動形成的風遇到建筑物時在建筑物表面所產生的一種壓力和吸力。風載的大小、變化規(guī)律和分布情況非常復雜，除與風速、風向有關外，還與建筑物的高度、形狀和表面狀況有關，一般應進行風洞試驗加以確定。風荷載的概念§3.2風荷載前言2/5/2023風作用在建筑物上，使建筑物受到雙重的作用：一方面風力使建筑物受到一個基本上比較穩(wěn)定的風壓力；另一方面風又使建筑物產生風力振動(風振)。由于這種雙重作用，建筑物既受到靜力的作用，又受到動力的作用。風載就其對高層建筑的作用來說是屬于一種隨機性的動力荷載，它將使建筑物產生動力效應，引起建筑物振動，但房屋設計中一般把它看成靜荷載。前言§3.2風荷載2/5/2023風對高層建筑結構的作用具有如下特點：

(1)、風力作用與建筑物的外形直接有關，圓形與正多邊形受到風力較小，對抗風有利；相反，平面凹凸多變的復雜建筑物受到的風力較大，而且容易產生風力扭轉作用，對抗風不利。前言§3.2風荷載2/5/2023

(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，有時會出現受力更為不利的情況。例如．由于不對稱遮擋而使風力偏心產生扭轉；相鄰建筑物之間的狹縫風力增大，使建筑物產生扭轉等等。在這些情況下要適當加大安全度。前言§3.2風荷載2/5/2023

(3)、風力作用具有靜力作用與動力作用兩重性質。

(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荷載。但在建筑物的作用期間出現較大風力的次數較多。前言§3.2風荷載2/5/2023(6)、由于有較長期的氣象觀測，大風的重現期很短，所以對風力大小的估計比地震作用大小的估計較為可靠，因而抗風設計也具有較大的可靠性。前言§3.2風荷載2/5/2023到目前為止，尚沒有高層建筑結構因強風而倒塌破壞的事例，但是在臺風作用下建筑物留下顯著的殘余變形的事例發(fā)生過，至于圍護結構破壞則是經常發(fā)生的。據統計，全世界每年因風災產生的損失大于圍地震而產生的損失。前言§3.2風荷載2/5/2023總的來說，風力對建筑物會產生如下的結果：

(1)、強風會使圍護結構和裝修產生損壞；

(2)、風力作用會使結構開裂或留下較大的殘余變形；

(3)、風力使建筑物產生過大的搖晃，居住者感到不適；

(4)、長期風力作用使結構產生疲勞。前言§3.2風荷載2/5/2023在高層建筑的抗風設計中，應考慮下列問題：

(1)、保證結構有足夠的承載力，能可靠地承受風荷載作用下產生的內力；

(2)、結構必須具有足夠的剛度，控制高層建筑在風力作用下的位移，保證良好的居住和工作條件；前言§3.2風荷載2/5/2023

(3)、選擇合理的結構體系和建筑體型。采用較大的剛度可以降低風振的影響；圓形、正多邊形的平面可以減少風壓的數值；

(4)、盡量采用對稱的平面形狀和對稱的結構布置，減少風力偏心產生的扭轉影響；前言§3.2風荷載2/5/2023

(5)、外墻(尤其是玻璃幕墻)、窗玻璃、女兒墻及其他圍護和裝飾構件必須有足夠的承載力，并與主體結構可靠地連接，防止產生建筑物的局部損壞。前言§3.2風荷載2/5/2023

風荷載也可按荷載規(guī)范規(guī)定的公式進行計算。規(guī)范規(guī)定垂直作用在建筑物表面單位面積上的風荷載標準值為：式中：——基本風壓值，單位是kN/m2

——風載體型系數

——風壓高度變化系數

——z高度處風振系數一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/20231、基本風壓值w0

基本風壓值w0與風速大小有關。一般可近似按照v02/1600計算風壓值，v0是風速（m/s）。

荷載規(guī)范給出了各地區(qū)、各城市的基本風壓值，它是以該地區(qū)（城市）空曠平坦地面上離地10m處，重現期為50年（或100年）的10分鐘平均最大風速v0

（m/s）作為計算基本風壓值作為的依據的。荷載規(guī)范給出的w0

適用于一般的多層建筑。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/20232、風壓高度變化系數μz風速由地面處為零沿高度按曲線逐漸增大，直至距地面某高度處達到最大值，上層風速受地面影響小，風速較穩(wěn)定。不同的地表面粗糙度使風速沿高度增大的梯度不同。荷載規(guī)范給出了風壓高度變化系數，用以修正基本風壓值。風速的變化與地貌及周圍環(huán)境有關。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023規(guī)范把地面粗糙度分為四類：A類、B類、C類、D類

A類指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；

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類指有密集建筑群的城市市區(qū)；

D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)；

一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023地面粗糙度示意圖一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023風壓高度變化系數μz離地面或海平面高度(m)地面粗糙度類別ABCD510152030405060708090100150200250300350400≥4501.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620.620.730.840.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023說明:⑴、山區(qū)高層建筑高度變化系數μz的修正:

現行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》是按地形條件，對風荷載給出地形系數加以修正。對于山區(qū)的建筑物，風壓高度變化系數可按平坦地面的粗糙度類別，還應考慮地形條件的修正。修正系數η分別按下述規(guī)定采用:一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023①、對于山峰和山坡，其頂部B的修正系數一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載式中：tanα——山峰或山坡在迎風面一側的坡度，當tanα>0.3時，取tanα=0.3；

K——系數，對山峰取3.2，對山坡取1.4；2/5/2023

H——山頂或山坡全高(m);z——建筑物計算位置離建筑物地面的高度(m)，當z>2.5H時，取z=2.5H。對于山峰和山坡的其他部位，可如上圖所示，取A,C處的修正系數ηＡ、ηＣ為1,AB間和BC間的修正系數按η值線性插值確定。

一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載②、山間盆地、谷地等閉塞地形，η=0.75—0.85；對于與風向一致的谷口、山口，η=1.20—1.502/5/2023⑵、離岸海島上高層建筑物的μz修正:

遠離海岸的海島上的高層建筑物，其風壓高度變化系數可按A類粗糙度類別，除由規(guī)范中相應的表確定外，還應考慮下表中給出的修正系數。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/20233、風載體型系數μs風載是隨建筑物的體型、尺度、表面位置、表面狀況而改變。風對建筑物的表面的作用力并不等于基本風壓值。風對建筑物的作用力的大小和方向可以通過實測或風洞試驗得到。當風流動經過建筑物時，對建筑物不同的部位會產生不向的效果。有壓力，也有吸力?？諝饬鲃舆€會產生渦流，對建筑物局部會產生較大的壓力或吸力。

一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023

風載體型系數是指實際風壓與基本風壓的比值，正值是壓力，負值是吸力。規(guī)則高層建筑體型系數可由荷載規(guī)范查得，書上也給出了一些常用截面的風載體型系數。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/20234、風振系數βs

風的作用是不規(guī)則的，風壓隨著風速、風向的紊亂變化而不停地改變。實際風壓在平均風壓的上下波動。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023平均風壓使建筑物產生一定側移，而波動風壓會使建筑物在平均側移附近左右搖擺，從而產生動力效應。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023風振系數反映了風載對結構產生動力反應的影響。風振系數與結構的自振周期、阻尼、振型以及脈動風壓特性、下墊層性質等因素有關。一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023式中:φz——基本振型z高度處振型系數，當剛度和質量沿高度分布均勻時，可近似用z/H代替振型系數；

ξ——脈動增大系數；

ν——脈動影響系數；

μz——風壓高度變化系數。高層建筑的風振系數按下式計算：一、單位面積上的風荷載的標準值§3.2風荷載2/5/2023計算風荷載的總體效應時，要用建筑物承受的總風荷載，它是各個表面承受風力的合力，并且是沿高度變化的分布荷載，用于計算抗側力結構的側移及各構件內力。各表面風荷載的合力作用點，即為總風荷載的作用點。風1、總體風荷載二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023式中：n—建筑外圍表面數；

Bi—第i個表面的寬度；

μsi

—第i個表面的風載體型系數;

αi—第i個表面法線與總風荷載作用方向的夾角?？傮w風荷載的計算公式:二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023注意:

公式中計算得到的風荷載的合力值是線荷載，單位是kN／m。

式中的體型系數的正負號，表示每個表面是風壓力還是風吸力，以便在求合力時作矢量相加。

各表面風荷載的合力作用點，即為總風荷載的作用點。設計時，將沿高度分布的總體風荷載的線荷載換算成集中作用在各樓層位置的集中荷載，再計算結構的內力及位移。二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023

局部風荷載用于計算結構局部構件或圍護構件或圍護構件與主體的連接，如水平懸挑構件、幕墻構件及其連接件等。實際上風壓在建筑物表面上是不均勻的，在某些風壓較大的部位，要考慮局部風載對某些構件的不利作用。此時，采用局部風荷載體型系數。2、局部風載二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023

在迎風面以及房屋側面寬度為1/6墻面寬度的角隅部分，要驗算外墻圍護結構強度及連接強度。體型系數取為±1.5。水平風力側風面?zhèn)蕊L面迎風面二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023

建筑物外側的陽臺、雨蓬、遮陽板等懸挑構件，應驗算向上漂浮的風載，當風載超過自重時，懸挑構件會出現反向彎矩，局部向上體型系數取2.0。二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023

驗算圍護構件及其連接的承載力時，可按下列規(guī)定采用局部風壓體型系數:⑴、外表面正壓區(qū)按規(guī)范規(guī)定采用；負壓區(qū)按下列規(guī)定取值：

——對墻面，取-1.0；

——對墻角邊，取-1.8；

——對屋面局部部位(周邊和屋面坡度大于100的屋脊部位);——對檐口、雨篷、遮陽板等突出構件，取-2.0。二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023注：對墻角邊和屋面局部部位的作用寬度為房屋寬度的0.1或房屋平均高度的0.4，取其小者，但不小于1.5m。⑵、內表面對封閉式建筑物，按外表面風壓的正負情況取-0.2或0.2。二、總體風荷載與局部風荷載§3.2風荷載2/5/2023§3.2風荷載三、橫風向風振

氣流繞過圓形截面的桿件而發(fā)生漩渦脫落的現象也經常在工程中出現，如下圖所示。氣流在BC間表面某點S由于受摩擦而速度停滯，產生漩渦，并在外部氣流的影響下，以一定的周期脫落，形成渦街。當脫落頻率與結構橫向自振周期接近時，結構會產生嚴重的共振。設計時對圓形截面的結構，應根據雷諾數Re的不同情況進行橫風向風振的校核。2/5/2023

風是紊亂的隨機現象，前面我們講得風荷載的計算適用于大多數體型較規(guī)則、高度不太大的單幢高層建筑。目前還沒有有效的預測體型復雜、高柔建筑物風作用的計算方法，而風洞試驗是一種有效地手段。摩天大樓可能造成很強的地面風，對行人和商店有很大影響；當附近還有別的高層建筑時，群體效應對建筑物和建筑物之間的通道也會造成危害(見下圖)，這些都可以通過風洞試驗得到對設計有用的數據。

四、關于風洞試驗§3.2風荷載2/5/2023風荷載對高層建筑的影響§3.2風荷載四、關于風洞試驗2/5/2023下列高層建筑宜采用風洞試驗確定風荷載：(1)、高度大于200m的高層建筑；(2)、高度大于150m且有下列情況之一時的高層建筑

——平面形狀不規(guī)則、立面形狀復雜

——或立面開洞或連體建筑；§3.2風荷載四、關于風洞試驗2/5/2023(3)、規(guī)范或規(guī)程中沒有給出風載體型系數的建筑物：(4)、周圍地形和環(huán)境復雜，鄰近有高層建筑時，宜考慮互相干擾的群體效應，一般可將單個建筑物的體型系數乘以相互干擾增大系數，缺乏該系數時宜通過風洞試驗得出。§3.2風荷載四、關于風洞試驗2/5/2023

風洞試驗采用的模型通常有三類：(1)、剛性壓力模型；(2)、氣動彈性模型；(3)、剛性高頻力平衡模型?！?.2風荷載四、關于風洞試驗2/5/2023例：計算具有下圖所示平面的框架-剪力墻結構的風荷載及合力作用位置。18層房屋總高58m，H／B＝1.72,D類地區(qū)，地區(qū)標準風壓=0.70kN／m2。風向為圖中箭頭所示方向。五、計算實例§3.2風荷載2/5/2023§3.2風荷載五、計算實例2/5/2023解：每個表面建筑物高度每米的風荷載為：首先計算，按8塊表面積分別計算風力（壓力或吸力）在y方向的投影值，投影后與y坐標正向相同者取正號，反之取負號。表面序號在圖中○內注明，計算如表1，xi為wi到原點O的距離?！?.2風荷載五、計算實例2/5/2023466.80∑29.16∑6.33.02.1016×0.5×0.7865.0413.104.960.528.38×0.5×0.7741.4622.791.826×0.5×0.76-25.0823.89-1.050.5-6×0.5×0.75146.4329.484.960.528.38×0.5×0.74-55.6233.98-1.64-6×0.45×0.7362.7529.882.100.56×1.0×0.72225.5214.1915.89

128.38×0.8×0.71序號表1§3.2風荷載五、計算實例2/5/2023風合力作用點距離原點：高寬比1.72，大于1.5，要考慮風振影響，以下計算風振系數βz

所需各系數?？蚣?剪力墻結構基本周期取0.07N，N為層數。

T=0.07×18=1.26S

查表3-3，得ξ=1.45D類地區(qū)，查表3-4，得υ=0.43§3.2風荷載五、計算實例2/5/2023振型系數簡化為直線，令z=Hi，即φz=Hi/H，則計算結果見表2§3.2風荷載五、計算實例2/5/202369.166.865.063.060.959.257.454.852.850.748.446.143.440.537.634.431.524.82.372.292.232.162.092.031.971.881.811.741.661.581.491.391.291.181.080.851.751.711.681.651.611.581.551.501.461.421.371.321.271.201.131.050.980.800.620.580.550.510.480.450.420.380.350.320.290.260.220.190.160.130.100.055854514845423936333027242118151295181716151413121110987654321分布圖形βzμzμzHi（m）層數69.1kN/m層數63.052.840.531.524.8181510521表2§3.2風荷載五、計算實例課本上按B類地區(qū)取2/5/2023

地震時，由于地震波的作用產生地面運動，通過房屋基礎影響上部結構，使結構產生振動，稱為結構的地震反應。地震反應包括加速度、速度和位移反應。地震波可能使房屋產生豎向振動、水平振動和扭轉振動。地震作用與地面運動特性有關：地面運動的特性可以用三個特征量來描述：強度(由振幅值大小表示)、頻譜和持續(xù)時間。這三個量也被稱為地震動三要素?！?.3

地震作用一、地震作用的特點2/5/2023

地震波可以分解為六個振動分量：兩個水平分量，一個豎向分量和三個轉動分量。對建筑結構造成破壞的，主要是水平振動和扭轉振動。一、地震作用的特點§3.3

地震作用2/5/2023

地面水平振動使結構產生移動和搖擺，扭轉振動使結構扭轉，后者對房屋破壞性很大，但目前尚無法計算，主要采用概念設計方法加大結構的抵抗能力，以減小破壞程度。地面豎向振動只在震中附近的高烈度區(qū)影響房屋結構，因此，大多數結構的設計計算主要考慮水平地震作用。一、地震作用的特點§3.3

地震作用2/5/2023

地面運動的特性除了與震源所在位置、深度、地震發(fā)生原因、傳播距離等因素有關外，還與地震傳播經過的區(qū)域和建筑物所在區(qū)域的場地土性質有密切關系。觀測表明，不同性質的土層對地震波包含的各種頻率成分的吸收和過濾效果不同。地震波在傳播過程中，低頻成分振動傳播得更遠。此外，當深層地震波傳到地面時，土層又會將振動放大，土層性質不同，放大作用也不同，軟土的放大作用較大。一、地震作用的特點§3.3

地震作用2/5/2023地震作用與地基土的卓越周期有關：當地震波的卓越周期與建筑物自振周期相近時，會引起類共振，結構的地震反應加劇。地震作用與建筑本身的動力特性有關：建筑物動力特性是指建筑物的自振周期、振型與阻尼，它們與建筑物的質量和結構的剛度有關。地震作用與建筑本身的質量、剛度有關：通常質量大、剛度大、周期短的建筑物在地震作用下的慣性力較大；剛度小、周期長的建筑物位移較大，但慣性力較小。一、地震作用的特點§3.3

地震作用2/5/2023§3.3

地震作用一、地震作用的特點模擬地震2/5/2023廣州電視塔的震動影響§3.3

地震作用一、地震作用的特點2/5/2023§3.3

地震作用一、地震作用的特點廣州電視塔的震動影響2/5/2023小震：50年內超越概率約為63.2％，稱眾值烈度或多遇地震；中震：50年內超越概率約為10％，稱基本烈度或設防烈度；大震：50年內超越概率約為2％-3％，稱為罕遇地震。1、小震、中震、大震二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/20232、抗震設防的三水準目標按《規(guī)范》進行抗震設計的建筑，其抗震設防目標是：當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用(簡稱“小震不壞”，俗稱第一水準)；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(簡稱“中震可修”，俗稱第二水準)；當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度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(簡稱“大震不倒”，俗稱第三水誰)。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

所以，抗震設防目標可簡述為“小震不壞，中震可修，大震不倒”，即在小震作用下，房屋應該不需修理仍可繼續(xù)使用；在中震作用下，允許結構局部進入屈服階段，經過一般修理仍可繼續(xù)使用；在大震作用下，構件可能嚴重屈服，結構破壞，但房屋不應倒塌、不應出現危及生命財產的嚴重破壞。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

抗震設防目標和要求，是根據一個國家的經濟力量、科學技術水平、建筑材料和設計、施工現狀等綜合制訂的，并會隨著經濟和科學水平的發(fā)展而改變。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/20233、抗震設計的兩階段方法

為了實現三水準抗震設防目標，抗震設計采取二階段方法。第一階段為結構設計階段。在這階段，用相應于該地區(qū)設防烈度的小震作用計算結構的彈性位移和構件內力，并進行結構變形驗算，用極限狀態(tài)方法進行截面承載力驗算，按延性和耗能要求進行截面配筋及構造設計，采取相應的抗震構造措施。經過第一階段設計，結構應該實現小震不壞，中震可修，大震不倒的目標。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023第二階段為驗算階段。對地震時抗震能力較低、容易倒塌的高層建筑結構(如純框架結構)以及抗震要求較高的建筑結構(如甲類建筑)，要進行易損部位(薄弱層)的塑性變形驗算，并采取措施提高薄弱層的承載力或增加變形能力，使薄弱層的塑性水平變值不超過允許的變位。這一階段設計主要是對甲類建筑和特別不規(guī)則的結構，用與該地區(qū)設防烈度相應的大震作用進行彈塑性變形驗算，以檢驗是否達到了大震不倒的目標。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/20233、抗震設防范圍

我國最新修訂的《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011—2001(以下簡稱《抗震規(guī)范》)規(guī)定，在基本烈度為6度及6度以上地區(qū)內的建筑結構，應當抗震設防?，F行《抗震規(guī)范》適用于設防烈度為6—9度地區(qū)的建筑抗震設計。10度地區(qū)建筑的抗震設計，按專門規(guī)定執(zhí)行。我國設防烈度為6度和6度以上地區(qū)約占全國總面積的60％。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

某地區(qū)、某城市的建筑設防烈度是國家地震局(1990)頒發(fā)的《中國地震烈度區(qū)劃圖》上規(guī)定的基本烈度，也可采用抗震設防區(qū)劃提供的地震動參數進行設計，《抗震規(guī)范》規(guī)定的抗震設防烈度和基本地震加速度值的對應關系見下頁表格所示。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023抗震設防烈度6789基本地震加速度0.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g抗震設防烈度和基本地震加速度值的對應關系二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

我國《抗震規(guī)范》又按建筑物使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁四個抗震設防類別。

①、甲類建筑：甲類建筑應屬于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑。4、抗震設防類別二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023②、乙類建筑：乙類建筑應屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑。如醫(yī)療、廣播、通訊交通、供電、供水、消防和糧食等工程及設備所使用的建筑。③、丙類建筑：丙類建筑屬于除甲、乙、丁類以外的一般建筑。④、丁類建筑：丁類建筑屬于抗震次要建筑，一般指地震破壞不易造成人員傷亡和較大經濟損失的建筑。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023①、甲類建筑

地震作用應高于本地區(qū)抗震設防烈度的要求，其值應按批準的地震安全性評價結果確定；抗震措施：當抗震設防烈度為6—8度時，應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求：當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。5、抗震設防標準二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023②、乙類建筑

地震作用應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求；抗震措施：一般情況下，當抗震設防烈度為6—8度時，應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求；地基基礎的抗震措施，應符合有關規(guī)定。對較小的乙類建筑，當其結構改用抗震性能較好的結構類型時，允許仍按本地區(qū)抗震設防烈度的要求采取抗震措施。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023③、丙類建筑地震作用和抗震措施均應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求。④、丁類建筑一般情況下，地震作用仍應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求；抗震措施允許比本地區(qū)抗震設防烈度的要求適當降低，但抗震設防烈度為6度時不應降低。抗震設防烈度為6度時，除規(guī)范有具體規(guī)定外，對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算。二、抗震設防準則及基本方法§3.3

地震作用2/5/2023

計算地震作用的方法可分為靜力法、反應譜方法(擬靜力法)和時程分析法(直接動力法)三大類。

我國(抗震規(guī)范)要求在設計階段按照反應譜方法計算地震作用，少數情況才需要采用時程分析法進行補充計算。規(guī)范要求進行第二階段驗算的建筑也是少數，第二階段驗算采用彈塑性靜力分析或彈塑性時程分析方法。

三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/20231、反應譜理論反應譜理論是采用反應譜確定地震作用的理論。20世紀40年代開始，世界上結構抗震理論開始進入反應譜理論階段，是抗震理論的一大飛躍，到20世紀50年代末已基本取代了靜力理論。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023由于地震的作用，建筑物產生位移、速度和加速度。我們把不同周期下建筑物反應值的大小畫成曲線，這些曲線稱為反應譜。一般來說，隨周期的延長，位移反應譜為上升的曲線；速度反應譜比較恒定；而加速度的反應譜則大體為下降的曲線。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023一般說來，設計的直接依據是加速度反應譜。反應譜是指不同周期的單自由度體系在同一地震波下的最大反應。同一次地震下不同結構的加速度反應記為Sa，Sa

與結構的自振周期T有關。單自由度體系地震反應三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023某次地震的Sa-T關系曲線，稱為該次地震的加速度反應譜。如果結構的阻尼比ζ不同，得到的地震的加速度反應譜也不同，阻尼比增大，譜值降低。單自由度體系加速度反應譜三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023加速度反應譜在周期很短時有一個上升段(高層建筑的基本自振周期一般都在這一區(qū)段)，當建筑物周期與場地的特征周期接近時，出現峰值，隨后逐漸下降。出現峰值時的周期與場地的類型有關：Ⅰ類場地約為0.1—0.2s；Ⅱ類場地約為0.3—0.4s；Ⅲ類場地約為0.5—0.6s；Ⅳ類場地約為0.7—1.0s。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023

不同性質土壤的場地上記錄的地震波作出的反應譜不同。卓越周期是指地震功率譜中能量占主要部分的周期。硬土中反應譜的峰值對應的周期較短，即硬土的卓越周期短。軟土的反應譜峰值對應的周期較長，即軟土的卓越周期長，且曲線的平臺(較大反應值范圍)較硬土大，說明長周期結構在軟土地基上的地震作用更大。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023目前我國抗震設計都采用加速度反應譜計算地震作用。取加速度反應絕對最大值計算慣性力作為等效地震荷載，即

地震系數動力系數地震影響系數三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023動力系數β與，結構周期T及阻尼比ζ有關，β-T曲線，稱為β譜。通過計算發(fā)現，不同地震波得到的βmax值相差并不太多，平均在2.25左右。

因此,可以從不同地震波求出的β-T曲線取具有代表性的平均曲線作為設計依據，稱為標準β譜曲線。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023我國設計采用α曲線，即kβ曲線，它可以同時表達地面運動強烈程度。由于同一烈度的k值為常數,α譜曲線的形狀與β譜曲線形狀是相同的，α曲線又稱為地震影響系數曲線。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/20232、直接動力理論直接動力理論又稱時程分析法，它是一種動力計算方法，用地震波(加速度時程)作為地面運動輸入，直接計算并輸出結構隨時間而變化的地震反應。它既考慮了地震動的振幅、頻率和持續(xù)時間三要素，又考慮了結構的動力特性。計算結果可得到結構地震反應的全過程，包括每一時刻的內力、位移、屈服位置、塑性變形等，也可以得到反應的最大值，是一種先進的直接動力計算方法。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023采用時程分析法的建筑物設防烈度7度和8度Ⅰ、Ⅱ類場地8度Ⅲ、Ⅳ類場地9度建筑物高度>100m>80m>60m

采用時程分析法所求得的底部剪力值小于底部剪力法或振型分析反應譜法所求得的底部剪力值的80%時，至少按80%取用。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023振型分解法是高層建筑結構進行地震作用的主要方法。底部剪力法只適用于高度不超過40m、以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的高層建筑結構。世界各國抗震規(guī)范也大抵如此。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023對質量和剛度不對稱、不均勻的結構以及高度超過100m的高層建筑結構應采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。鑒于計算機技術的強大能力和普及的事實，同時考慮到高層建筑結構的相對重要性，建議高層建筑結構抗震計算均采用考慮扭轉耦聯的計算方法。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/2023綜合“新高規(guī)”和“新抗規(guī)”的有關規(guī)定，列出應進行彈性時程法進行多遇地震下補充計算的建筑結構如下：①7-9度時甲類高層建筑結構；②7-9度時符合“新高規(guī)”表3.3.4條件的高層建筑結構；③7-9度時不滿足“新高規(guī)”關于豎向規(guī)則性要求的高層建筑結構；④7-9度時質量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構。⑤B級高度和“新高規(guī)”第10章規(guī)定的復雜高層建筑結構。⑥特別不規(guī)則的多層建筑結構。三、抗震計算理論§3.3

地震作用2/5/20231、規(guī)范規(guī)定的反應譜曲線00.1Tg5Tg6.0T(s)設計反應譜四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023圖中：—地震影響系數

—地震影響系數最大值

T—結構自振周期

Tg

—特征周期

—衰減指數

—直線下降段下降斜率調整系數

—阻尼調整系數四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023由圖可見，α反應譜曲線由4部分組成：在T＜0.1s范圍內，采用一條向上傾斜的直線，即采用線性上升段；在0.1sT≤Tg范圍內，采用一水平線，即取α的最大值αmax；在Tg＜T≤5范圍內，采用式①所示的曲線下降段；在5Tg＜7≤6.0s范圍內，采用式②所示的直線下降段。但應注意，當T＞6.0s時，此設計反應譜已超出其適用范圍，此時結構的地震影響系數應專門研究。①

；②四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023彈性反應譜理論仍是現階段抗震設計的最基本理論，《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)的設計反應譜以地震影響系數曲線的形式給出，曲線制定時考慮了以下因素：⑴、設計反應譜周期延至6s。根據地震學研究和強震觀測資料統計分析，在周期6s范圍內，有可能給出比較可靠的數據，也基本滿足了國內絕大多數高層建筑和長周期結構的抗震設計需要。對于周期大于6s的結構，抗震設計反應譜應進行專門研究。四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023⑵、理論上，設計反應譜存在兩個下降段，即：速度控制段和位移控制段，在加速度反應譜中，前者衰減指數為1，后者衰減指數為2。設計反應譜是用來預估建筑結構在其設計基準期內可能經受的地震作用，通常根據大量實際地震記錄的反應譜進行統計并結合工程經驗判斷加以規(guī)定。為保持規(guī)范的延續(xù)性，在T5Tg范圍內與“89抗震規(guī)范”相同，在T5Tg的范圍把“89抗震規(guī)范”的下平臺改為傾斜段，不同場地類別的最小值不同，較符合實際反應譜的統計規(guī)律。在T等于6Tg附近，新的反應譜比89規(guī)范約增加15％，其余范圍取值的變動更小。四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/20232、特征周期Tg與場地土、場地地震影響曲線上由最大值開始下降的周期稱為場地特征周期Tg。Tg

愈大，曲線平臺段愈長，長周期結構的地震作用將加大。場地特征周期Tg與場地和場地土的性質有關，也與設計地震分組有關。

場地劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類，場地類別綜合考慮了場地土的性質。場地土是指場地范圍內的地基土。四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023我國將場地土根據其剪切波速和場地土覆蓋層厚度劃分為四類：堅硬、中硬、中軟和軟弱。場地土愈軟，軟土覆蓋層厚度愈大，場地類別就愈高，特征周期Tg就愈大，對長周期結構愈不利。 四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023設計地震分組在地球內部發(fā)生巖層斷裂、錯動的地方稱為震源，震源正上方的地面稱為震中，地向上某一點距震中的距離稱為震中距。某一地區(qū)遭遇不同震級、不同的震中距(即不同震源)的地震而烈度相同時，對該地區(qū)不同動力特性的建筑物的震害并不相同。四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023一般而言，震中距較遠、震級較大的地震對自振周期長的高柔結構的破壞比同樣宏觀烈度但震級較小、震中距較近的破壞要嚴重?？紤]到這一差別，在確定地震影響參數時，用“設計地震分組”分為第一組、第二組、第三組。《規(guī)范》附錄Ａ列出了我國抗震設防區(qū)各縣級及縣級以上城鎮(zhèn)中心地區(qū)的分組。四、設計反應譜§3.3

地震作用2/5/2023高層建筑結構應按以下原則來考慮地震的作用：

①、一般情況下按建筑結構的兩個主軸方向分別考慮水平地展作用并進行抗震驗算；各方向的水平地震作用應全部由該方向抗側力構件承擔。②、質量與剛度不對稱、明顯不均勻，可能產生顯著扭轉的結構應考慮水平地震作用產生的扭轉影響。五、地震作用一般計算原則§3.3

地震作用2/5/2023③、有斜交抗側力結構時，應按各斜交方向分別進行驗算。④、對于8度和9度的大跨度、長懸臂結構以及9度時的高層建筑，應考慮豎向地震作用，并與水平地震作用進行不利組合。五、地震作用一般計算原則§3.3

地震作用2/5/2023通過加速度反應譜將結構所受的最大地震作用通過反應譜轉換成作用于結構的等效側向荷載，然后根據這一荷載用靜力分析方法，按ｘ、y兩個方向分別求得結構的地震內力和變形。具體計算方法又分為反應譜底部剪力法和反應譜振型分解法兩種方法。在少數情況下需采用彈性時程分析方法作補充計算。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/20231、反應譜底部剪力法對于大量一般的多高層房屋結構，當滿足如下條件時，可采用底部剪力法進行簡化計算。這些條件是：建筑結構高度不超過40m，以剪切變形為主（房屋高寬比不超過4），質量和剛度沿高度分布比較均勻，以及近似于單質點體系的結構。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用在上述條件下，結構的振動具有如下特點：①位移反應以基本振型(第一振型)為主；②基本振型的各質點位移接近直線。2/5/2023用底部剪力法計算地震作用時，將多自由度體系等效為單自由度體系，只考慮結構基本自振周期計算總水平地震力，然后再按一定規(guī)律分配到各個樓層。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023結構底部總剪力標準值為式中：α1—相應于結構基本周期T1的地震影響系數值，由設計反應譜公式計算得到；

Geq—結構等效總重力荷載，Geq＝0．85GE；

GE—結構總重力荷載代表值，為各層重力荷載代表值之和。重力荷載代表值是指100％的恒荷載、50％—80％的樓面活荷載和50％的雪荷載之和。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023等效地震荷載分布形式見下圖HHi?FnFnFiFEk六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023由等效地震荷載分布形式圖可知：i樓層處的水平地震力Fi按下式計算：式中：為頂部附加地震作用系數。為了考慮高振型對水平地震力沿高度分布的影響，在頂部附加一集中水個力。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023頂部附加水平力為Tg(s)T1＞1.4Tg≤0.350.08T1+0.070.35-0.550.08T1+0.01＞0.550.08T1-0.02基本周期T1≤1.4Tg時，高振型影響小，不考慮頂部附加水平力，即

=0；基本周期T1＞1.4Tg時,與Tg有關，見下表。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/20232、振型分解反應譜法較高的結構，除基本振型的影響外，高振型的影響比較大，因此,一般高層建筑都要用振型分解反應譜法考慮多個振型的組合。一般可將質量集中在樓層位置，n個樓層為n個質點，有n個振型。在組合前分別計算每個振型的水平地震作用及其效應(彎矩、軸力、剪力、位移等)，然后進行內力與位移的振型組合。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023結構計算模型分為平向結構及空間結構，振型組合也相應有兩種方法：⑴、平面結構振型分解反應譜法⑵、空間結構振型分解反應譜法六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023按平面結構計算時，沿X、Y兩個水平方向分別計算，一個水平方向每個樓層有一個平移自由度，n個樓層有n個自由度、n個頻率和n個振型。平面結構的振型如下圖所示。平面結構振型分解反應譜法六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023每個振型的等效地震力與上圖給出的振幅方向相同，每個振型都可由等效地震力計算得到結構的位移和各構件的彎矩、剪力和軸力。因為采用了反應譜理論，由各振型的地震影響系數αi得到的等效地震力是振動過程中的最大值，其產生的內力和位移也是最大值，實際上各振型的內力和位移并不是同時達到最大值的，因此，不能簡單地將各振型的內力和位移直接相加，而是通過概率統計將各個振型的內力和位移組合起來，這就是振型組合。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023一般采用的方法是：先求出對應于每一振型的最大地震作用（同一振型中各質點地震作用將同時達到最大值）及其相應的地震作用效應，然后將這些效應進行組合，以求得結構的最大地震效應。因為總是前幾個振型起主要作用，在工程設計時，只需要用有限個振型計算內力和位移。如果有限個振型參與的等效重量(或質量)達到總重量(或總質量)的90％，就已經足夠精確了。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023按空間結構計算時，每個樓層有兩個平移、一個轉動，即x、y、θ共三個自由度，n個樓層有3n個自由度、3n個頻率和3n個振型，每個振型中各質點振幅有三個分量，當其兩個分量不為零時，振型耦聯。采用空間結構計算模型時，x、y兩個水平方向地震仍然分別獨立作用，但由于結構具有空間振型，如果振型耦聯，每個方向地震作用會同時得到x、y方向及扭轉效應?？臻g結構振型分解反應譜法六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/20233、時程分析法反應譜法因其計算簡便，所以廣泛為各國的《抗震規(guī)范》所采納。但地震作用是一個時間過程，反應譜法不能反映結構在地震動過程中的經歷，同時目前應用的加速度反應譜屬于彈性分析范疇，當結構在強烈地震下進入塑性階段時，用此法進行計算將不能得到真正的結構地震反應，也判斷不出結構真正的薄弱部位。所以，可以采用時程分析法作補充計算。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023所謂時程分析法，亦稱直接動力法，又稱動態(tài)分析法，是根據選定的地震波和結構恢復力特性曲線．采用逐步積分的方法對動力方程進行直接積分，從而求得結構在地震過程中每一瞬時的位移、速度相加速度反應，以便觀察結構在強震作用下從彈性到非彈性階段的內力變化以及構件開裂、損壞直至結構倒塌的破壞全過程。六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023時程分析法的計算工作量十分繁重，必須借助于計算機才能完成，費用較高且確定計算參數尚有許多困難，因此目前僅在高層建筑以及一些重要的、特殊的、復雜的結構的抗震設計中應用。我國《抗震規(guī)范》規(guī)定，對特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和下表所列高度范圍的高層建筑，應采用時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算。烈度、場地類別房屋高度范圍（m）8度Ⅰ、Ⅱ類場地和7度＞1008度Ⅲ、Ⅳ類場地＞809度＞60六、水平地震作用計算§3.3

地震作用2/5/2023注意：建筑物頂部突出的小塔樓（樓電梯間，煙囪等）剛度比主體結構小很多，會產生明顯的鞭稍效應。計算時頂點附加水平力不再