3-荷載作用與結構設計原則演示教學

高層建筑結構主講教師：陳道政教授第三章：高層建筑結構荷載作用和結構設計原則3.1恒荷載及樓面活荷載的計算3.2風荷載的計算3.3地震作用的計算3.4荷載效應組合3.5結構簡化計算原則3.6高層結構的設計要求2024/9/262豎向荷載風荷載地震作用施工荷載由于材料體積變化受阻引起的作用地基不均勻沉降施加于結構層上的荷載和作用有：除了豎向荷載遠大于低層建筑，水平荷載的影響也顯著增加；抗風和抗震設計對高層建筑來說十分重要。高層建筑結構設計的特點：2024/9/263

3.1恒荷載及樓面活荷載的計算§3.1.2活荷載高層建筑結構的樓面活荷載應按《荷載規(guī)范》取用；規(guī)范中未規(guī)定的樓面均布活荷載按表3.1取值；表3-1規(guī)范中未規(guī)定的樓面均布活荷載項次類別標準值(kN／m2)準永久值系數(ψq)

荷載較大時按實際情況l酒吧間、舞廳、展銷廳3.0—4.00.52屋頂花園4.0一5.00.83貯藏室5.0—8.00.84飯店廚房、洗衣房4.0—5.00.55健身房、娛樂室3.0一4.50.5施工荷載一般取1.0～1.5kN/m2；設計樓面梁、墻、柱及基礎時，樓面活荷載標準值應乘以規(guī)定的折減系數。2024/9/266§3.1.3高層建筑上豎向荷載的初估值表3-2

結構單位面積重力荷載估算表結構類型重力荷載(包括活荷載)kN/m2（每層）框架輕質填充墻機制磚填充墻10～1212～14框架-剪力墻輕質填充墻機制磚填充墻12～1414～16剪力墻、筒體混凝土墻體15～18在方案估算階段，可參考表3-2提供的結構單位面積重量估算豎向荷載。2024/9/267

3.2風荷載的計算§3.2.1風荷載的特點(1)動力特性波動風壓會在建筑物上產生一定的動力效應（用靜荷載乘風振系數βz來考慮）。(2)不均勻性在計算整體作用時，取各個表面的平均風壓；在計算局部表面的作用時，采用局部風載體型系數。(3)影響因素多近地風的性質、風速、風向有關；建筑物所在地的地貌及周圍環(huán)境有關；建筑物本身的高度、形狀以及表面狀況有關?？諝饬鲃有纬傻娘L遇到建筑物時，在建筑物表面產生的壓力或吸力，即建筑物的風荷載。2024/9/269§3.2.2風荷載標準值及基本風壓Wk——風荷載標準值（KN/m2）;w0——基本風壓（KN/m2）；μs——風荷載體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

βz——z高度處的風振系數。

wk=βzμzμsw02024/9/2610（1）基本風壓值w0基本風壓值w0

是以當地比較空曠平坦地面上離地10m高統計所得的50年一遇10min平均最大風速V0為標準；w0=

v02/2不得小于0.3KN/㎡；一般的高層建筑，用《荷載規(guī)范》中所給的w0

乘以1.1后使用；對于特別重要或對風荷載比較敏感的高層建筑，需要考慮重現期為100年的強風；基本風壓值不是風對建筑物表面的壓力；荷載規(guī)范（GB50009-2001）》附錄D可查出重現期為10年、50年、100年的w0值?！?.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2611（2）風荷載體形系數μs風荷載體型系數是指風作用在建筑物表面上所引起的實際壓力（或吸力）與基本風壓w0的比值。它描述的是建筑物表面在穩(wěn)定風壓作用下的靜態(tài)壓力的分布規(guī)律，主要與建筑物的體型和尺度有關，也與周圍環(huán)境和地面粗糙度有關；當多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應；一般可將單獨建筑物的體型系數乘以相互干擾增大系數，該系數可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風洞試驗得出?！?.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2612—迎風面為壓力(體型系數用“＋”號表示)；—側風面及背風面為吸力(體型系數用“－”號表示)；—各面上的風壓分布并不均勻(風壓分布見圖3-1)，采用各個表面的平均風載體型系數(高層建筑風載體型系數見表3-3)；—風壓(吸)力方向都垂直于該表面；—計算風荷載對某個局部表面的作用時，采用局部風載體型系數—驗算圍護構件及其連接的強度時，可按下列規(guī)定采用局部風壓體型系數：風荷載體型系數在取值時應注意以下幾點：§3.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2613圖3.1風壓分布情況§3.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2614表3-3高層建筑風載體型系數§3.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2615（3）風壓高度變化系數μz(1)與離地面或海平面高度及地面粗糙度類別有關。當與離地面高度為10米，且地面粗糙度類別為B類的μz為1.00。(2)地面粗糙度可分為A、B、C、D四類：A類指近海海面和海島、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)。(3)位于山峰和山坡地的高層建筑物，其風壓高度變化系數亦應考慮進行修正。(4)風壓高度變化系數見下表3-4?！?.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2616表3-4風壓高度變化系數μz離地面或海平面高度(m)

地面粗糙度類別離地面或海平面高度(m)

地面粗糙度類別A

B

C

D

A

BCD>45040035030025020015010090803.123.123.123.122.992.832.642.402.342.273.123.123.122.972.802.612.382.092.021.953.123.122.942.752.542.302.031.701.621.543.122.912.682.452.191.921.6l1.271.191.11706050403020151052.202.122.031.921.801.631.521.381.171.861.771.671.561.421.251.141.001.001.451.351.251.131.001.840.740.740.741.020.930.840.730.620.620.620.620.62注：對于山頂及山坡上的高層房屋，可采用從山麓算起的風壓高度變化系數?！?.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2617通常把風作用的平均值看成穩(wěn)定風壓（平均風壓），實際風壓在平均風壓上下波動；波動風壓使建筑物在平均側移附近振動（見圖3-2）；對于高度大、剛度小的高層建筑，波動風壓產生不看人忽略的動力效應；風振系數的計算公式如下：（4）風振系數βzφz

—振形系數ξ—震動增大系數（見教材表3.4）v—脈動影響系數（見教材表3.5）μz—風壓高度變化系數§3.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2618圖3.2平均風壓與波動風壓§3.2.2

風荷載標準值及基本風壓2024/9/2619§3.2.3橫風向風振當結構高寬比較大，結構頂點風速大于臨界風速時，會引起明顯的結構橫風向振動；對于橫風向振動作用明顯的高層建筑，應考慮橫風向風振的影響；橫風向風振的計算范圍、方法及順風向與橫風向效應的組合方法應符合《荷載規(guī)范》相關規(guī)定；考慮橫風向風振影響時，結構主軸方向的側位移應符合有關樓層層間最大位移與層高之比的要求。2024/9/2620概念：計算總體效應時考慮，是各個表面承受風力的合力，并且沿高度變化的分布荷載。計算式：ω=βzμzω0(μs1B1cosα1+μs2B2cosα2+…+μsnBncosαn)n——建筑物外圍表面積數（每一個平面作為一個表面積）；B1,B2

,…,Bn——n個表面的寬度；

μs1,μs2,…,μs2——n個表面的風荷載體型系數；

α1,α2,…,αn

——n個表面法線與風作用方向的夾角作用點：各表面風荷載合力作用點，即為總風荷載作用點?！?.2.4總風荷載和局部風荷載總體效應：作用在建筑物上的全部風荷載使結構產生的內力及位移；局部效應：風荷載對建筑物某個部位產生的內力及變形。（1）總風荷載2024/9/2621概念：在某些風壓較大的部位，要考慮局部風荷載對某些構件的作用；方法：局部增大體型系數；計算式：

迎風面：ωi=1.5βzμzω0

側面：

ωc=﹣1.5βzμzω0

局部上浮風荷載：

ωi=2βzμzω0

（2）局部風荷載§3.2.4

總風荷載和局部風荷載2024/9/2622§3.2.5等效風荷載(1)主體建筑上的等效均布風荷載M0=p0H2/2=[W1h1h1/2+W2h2(h1+h2/2)+…+Wihi(h1+h2+…+hi-1+hi/2)+…]圖3.3等效均布風荷載2024/9/2623(2)小塔樓上的風荷載圖3.4小塔樓上風荷載的簡化突出屋面的樓（電）梯間、水箱、女兒墻等的風荷載，按對主體結構頂部位移相等的原則，簡化為作用在主體結構頂部的集中力P?！?.2.5

等效風荷載2024/9/2624經簡化后，作用在高層建筑上的風荷載，結構分析時可只取主體結構參與計算。圖3.5等效集中荷載示意圖小塔樓上風荷載的簡化△P=P2H3/(3EI)

；△m1=m1H2/(2EI)；令△P=△m1，得：

P2=3m1/(2H)=3P1hn+1/(4H)P=P1+P2=P1+3P1hn+1/(4H)=P1[1+3hn+1/(4H)]=Wn+1hn+1[1+3hn+1/(4H)]§3.2.5

等效風荷載2024/9/2625圖3.6塔樓風荷載示意圖2024/9/2626§3.2.6關于風洞實驗(1)風荷載對高層建筑的影響(2)宜按風洞試驗確定風荷載的建筑物(3)風洞試驗的模型2024/9/2627作業(yè)

3.3地震作用的計算§3.3.1一般計算原則高層建筑的分類：甲類、乙類、丙類。設計原則：

一般可兩個方向單獨計算明顯不對稱：雙向并考慮扭轉必要時考慮豎向地震影響（8、9度大跨與長懸臂，9度區(qū)的高層）計算方法：底部剪力法、振型分解反應譜法、時程分析法。地震影響系數曲線：如下圖3.7。水平地震影響系數最大值αmax：見表3-4。特征周期：表3-5。2024/9/2630設防8烈度6度7度8度9度多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32設防地震0.120.23（0.34）0.45（0.6）0.90罕遇地震0.280.50（0.72）0.90（1.20）1.40§3.3.1

一般計算原則表3-4水平地震影響系數最大值αmax

括號內為設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。

場地類別地震分組Ⅰ1Ⅰ2ⅡⅢⅣ第一組0.200.250.350.450.65第二組0.250.300.400.550.75第三組0.300.350.450.650.90表3-5特征周期Tg（s）2024/9/2631α—地震影響系數；γ—衰減指數；η1—下降斜率調整系數；η2—阻尼調整系數。圖3.7地震影響系數曲線2024/9/2632曲線下降段的衰減指數：下降斜率調整系數：阻尼調整系數：§3.3.1

一般計算原則2024/9/2633§3.3.2水平地震作用底部剪力法2024/9/2634j振型在i質點水平地震作用標準值：振型參與系數：總效應：

振型分解反應譜法§3.3.2水平地震作用

αj:j振型自振周期的影響系數；Xji:j振型i質點的水平相對位移;γj:j振型的參與系數。S:水平地震作用總效應；Sj:j振型的水平地震效應。2024/9/2635j振型i層水平地震作用標準值：單向水平地震作用下：雙向水平地震作用下，取一下較大值：扭轉耦聯振型分解法§3.3.2水平地震作用

φji—j振型i層的相對扭轉角；γj—考慮扭轉j振型參與系數；θ—地震作用與x軸方向的夾角。S—考慮扭轉的地震作用標準值效應；Sj、Sk—j、k振型地震作用標準值效應；ρjk—j振型與k振型的耦聯系數；λT—k振型與j振型的自振周期比；ζj、ζk—分別為j、k振型阻尼比。2024/9/2636塔樓水平地震作用：側向剛度K：V—層剪力

Δu—樓層層間位移§3.3.3突出屋面上塔樓的地震力βn—第n層的地震作用增大系數2024/9/2637結構總豎向地震作用標準值：結構質點i的豎向地震作用標準值：§3.3.4豎向地震作用的計算αvmax—結構豎向地震影響系數最大值Hi—質點i的計算高度2024/9/2638

3.4荷載效應組合§3.4.1荷載效應和地震作用效應的組合方式設計要求豎向荷載風荷載水平地震作用豎向地震作用非抗震設計√√抗震設計6~8度√√√9度√√√√荷載類型：豎向荷載、風荷載、水平地震作用、豎向地震作用表3-4

設計中考慮的荷載和地震作用表注：當建筑高度超過60m時，才同時考慮風與地震的效應?！啊獭北硎緟⑴c效應組合2024/9/2640§3.4.2非抗震設計師的組合Sd—荷載效應組合設計值；γG—永久荷載分項系數；γQ—樓面活荷載分項系數；γw—風荷載分項系數；γL—考慮結構設計使用年限的荷載調整系數，50年時取1.0，100年時取1.1；SGk—永久荷載效應標準值；SQk—樓面活荷載效應標準值；SWk—風荷載效應標準值；ψQ、ψw—分別為樓面活荷載組合值系數和風荷載組合值系數。2024/9/2641§3.4.3抗震設計時的組合S

—荷載效應和地震效應組合的設計值；SGE—重力荷載代表值效應；SEhk—水平地震作用標準值的效應，尚應乘以相應的增大系數或調整系數；SEvk—豎向地震作用標準值的效應，尚應乘以相應的增大系數或調整系數；γG—重力荷載分項系數；γw—風荷載荷載分項系數；γEh—水平地震作用分項系數；γEv—豎向地震作用分項系數；ψw—風荷載的組合系數，應取0.2。各分項系數取值按表3-5采用。2024/9/2642表3-5有地震作用效應組合時荷載和作用分項系數所考慮的組合γGγEhγEv

γw說明重力荷載及水平地震作1.21.3——重力荷載及豎向地震作用用1.2—1.3—9度抗震設計時考慮；水平長懸臂和大跨度結構7、8、9度抗震設計時考慮重力荷載、水平地震及豎向地震作用1.21.30.5—9度抗震設計時考慮；水平長懸臂和大跨度結構7、8、9度抗震設計時考慮重力荷載、水平地震作用及風荷載1.21.3—1.460m以上的高層建筑考慮重力荷載、水平地震作用、豎向地震作用及風荷載1.21.30.51.460m以上的高層建筑，9度抗震設計時考慮；水平長懸臂和大跨度結構7、8、9度抗震設計時考慮1.20.51.31.4水平長懸臂和大跨度結構7、8、9度抗震設計時考慮注：當重力荷載對結構承載力有效時，表中γG不應大于1.02024/9/2643

3.5結構簡化原則§3.5.1彈性工作狀態(tài)從結構整體來說，高層建筑結構的內力和位移按彈性方法計算；對于某些局部構件，在某些情況下考慮局部構件的塑性變形內里重分布，對內力適當予以調整；對于漢語地震的第二階段設計，絕大多說構件不進行內力和位移計算，通過構造要求予以保證；（已經入彈塑性階段）2024/9/2645在底層建筑設計中，常將整個結構劃分為若干平面結構，按間距分配荷載，進行獨立分析；高層建筑結構在風力和地震作用下，水平力不能簡單的按受荷面積、構件間距分配；在不考慮扭轉影響時，同層各構件水平位移相同，剪力墻構件中各片墻的水平力大致按其等效剛度分配；框架結構中的各篇框架的水平力大致按其抗側剛度分配；框架-剪力墻和筒體結構受力較復雜，進行專門的計算?！?.5.2高層建筑結構應考慮整體共同工作2024/9/2646§3.5.3樓板在自身平面內的剛度為無限大，平面外的剛度可以不考慮在內力和位移計算中，樓板一般可作為剛性隔板，在平面內只有剛體位移——平移和轉動，不改變形狀；對于保證樓板剛度無限大的要求，現澆樓面可以滿足，框架-剪力墻結構采用裝配式樓面時，必須加現澆面層；在下列情況下，樓板剛度無限大不適用：

（1）樓面內有很大的開洞或缺口，寬度削弱；

（2）樓面有較長的外伸段；

（3）底層大空間剪力墻結構的轉換層樓面；

（4）樓面整體性較差。在無梁樓蓋中，樓板的平面外剛度作為等效框架梁的剛度2024/9/2647§3.5.4在計算中應考慮墻與柱子軸向