第二讲高层建筑结构荷载.doc

第二讲 高层建筑结构荷载建筑物都应该能够抵抗外荷载，高层建筑的外荷载有竖向荷 裁和水平荷载竖向荷载，包括自重等恒载及使用荷载等活载， 与一般房屋并无区别，不再重复下面主要介绍水平荷载一一风荷载和地震作用的计算方法一、风荷载空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生压力 和吸力，这种风力作用称为风荷载风的作用是不规则的，风压 随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变实际上，风荷载是随 时间而波动的动力荷载，但房屋设计中一般把它看成静荷载在 设计抗侧力结构、维护构件及考虑人们的舒适度时都要用到风荷 载首先，要确定建筑物表面单位面积上的风荷载标推值，然后 计算建筑物表面的风荷载对于高度较大且比较柔软的高层建 筑，要考虑动力效应影响，适当加大风荷载数值（大于60m的建筑基本风压乘以1.1的提高系数）确定高层建筑风荷载的方法有两种，大多数建筑（高度300m 以下）可按照荷载规范规定的方法计算风荷载值，少数建筑（高度 大、对风荷载敏感或有特殊情况者）还要通过风洞试验确定风荷 载，以补充规范的不足1、顺风向单位面积上的风荷载标准值①k 二/^M*关于风振系数风的作用是不规则的通常近似把风速的平均值看成稳定风 速或平均风速。

它对建筑物的作用使建筑物产生静侧移；实际风 速在平均风速附近被动，风压也在平均风压附近波动，称为波动 风压，因此实际上建筑物在平均侧移附近摇摆见下对于高度大于30m且高宽比大于1. 5的房屋建筑，设计时，用风振系数及加大风载（否则取凡=1.0 ）《荷载规范》给出了 P 的计算公式：Az式中:__基本振型Z高度处的振型系数，当刚度和质量沿高度分布均匀时，可近似用Z///代替•脉动增大系V一一脉动影响系数 一一风压高度变化系数2、横风向风振为说明横风向风振的产生，以柱体结构为例当空气流绕过圆截面柱体时(图(a)),沿上风面AB速度逐渐增大，到B 点压力达到最低值，再沿下风面BC速度又逐渐降低，压力又重 新增大，但实际上由于在边界层内气流对柱体表面的摩擦要消耗 部分能量，因此气流实际上是在BC中间某点S处速度停滞，漩 涡就在S点生成，并在外流的影响下，以一定的周期脱落( (b))，这种现象称为卡门(Karman)涡街漩涡周期脱落对于園柱体结构试验表明，涡流脱落振动特征描述:Re = 69000vD惯性力 _ pv2D2 _ pvD _ vD粘性力 _ _ ZDPI AIIz7= 0.145xl(r4 m2/s根据雷诺数的大小，可分为三个临界范围为1、亚临界范围：周期脱落振动Re<3xl05/Jj ― 0.2 ~ 0.52、超临界范随机不规则振动3xl05 3.5xl06jUL - 0.2 - 0.25对于建筑，1, 3范围可能产生共振。

1范围内，速度小，影响不大，可以忽略3范围内，速度大，影响很大，不可忽略 工程上关注的是跨临界范围的共振 共振临界风速：根据斯脱罗哈数（Strouhal NumberrisD7?…第j个自振周S.nt•斯脱罗哈数 涡流脱落频率产生共振的条件:Re = 69000vD>3.5xl06 DTjSt= Vl6OO/z2wo =横风向共振时运动方程为:m(z)又+ e(z)i + (7(z);/y = l/7v(2Z)/zL sin co^t 2按结构动力学即可求解为:Xmax (Z)二我D(P伸入j3200^-m^2 H(Pj(z)dz(P2f^)dz如取=0.2,则相应的横风向共振等效风荷载为:2 v；D/t.么⑵=m〒眶⑴=识,⑵16000(VcWc——————横向共振风力共振起点高度可由以下求出:voHt =10VV0y顶点风速：H=H横风向风振主要考虑的是共振影响，因而可与结构不同的振 型发生共振效应对跨临界的强风共振，设计时必须按不同振型 对结构予以验算式中的计算系数是对振型情况下考虑与共振区 分布有关的折算系数若临界风速起始点在结构底部，整个髙度 为共振区，它的效应最为严重，系数值最大；若临界风速起始点 在结构顶部，则不发生共振，也不必验算横风向的风振荷载。

一 般认为低振型的影响占主导作用，只需考虑前4个振型即可满足 要求，其中以前两个振型的共振最为常见3、高层建筑钢结构顺风向顶点最大加速度lot•一重现期调整系数，0.83 一脉动增大系数v 一脉动影响系lot一总质量A—总迎风面积4、高层建筑钢结构横风向顶点最大加速度b,. ^BLZ? =2.05x10-4nym4bl匕，w 一横风向顶点平均风速，、，恥机M典 仏一建筑物平均重力iKNIm3、一建筑物横风向的临界阻尼比值7；—建筑物横风向第一自振周期B, L 一建筑物平面的宽度和长度二、地震作用 1、结构抗震设计 1.1抗震设防目标综述目前，我国新修订的建筑结构抗震规范，将抗震设防目标分 为基本目标和性能化目标两大类基本目标是指一般情况下，建筑结构具有小震不坏、中震可 修、大震不倒的基本性能基本目标的实现仍采用二阶段设计步骤：第一阶段设计是承载力验算，取多遇地震的地震动参数计算 结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，按规定的分 项系数设计表达式进行结构构件的截面承载力验算对大多数结 构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施定 性地实现罕遇地震下的设防要求第二阶段设计是弹塑性变形验算，对地震时易倒塌的结构、 有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，除进行第一 阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间验算并采取相 应的抗震构造措施，定量地实现罕遇地震下的设防要求。

注：地震的发生及其强度的随机性很强，现阶段采用概率的统计分析来估计本地区可能遭受的地震影响，小震、中震和大震有相对明确的概率含义在建筑结构设计基准期50年内，对当地可能发生的对建筑结构有影响的各种强度的地震次数进行概率统计分析，小震为超越概率约63%的地震烈度，对应的重现期约50年，是出现概率最大（众值）的地震影响，规范称为“多遇地震”；中震为超越概率约10%的地震烈度，对应的重现期约475年，规范称为“设防 烈度（基本烈度）”大震为超越概率2%~3%的地震烈度，对应的重现期约抗震性能化目标是针对每个工程的具体情况，包括技术和经 济的可能条件，设计上提出比基本目标更为具体的、灵活的、明 确的、定量的、切实可行的设防目标__实际指标该目标不得 低于基本设防目标，适用于对使用功能或其他方面有专门要求的 建筑工程基于性能的抗震设计要点：（1）基于性能的抗震设计特点是：使抗震设计从宏观定性的目 标向具体量化的多重目标过渡，有利于针对不同设防烈度、场地 条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施这种方法 是一种发展方向，还未得到广泛应用复杂和“超限”高层建筑结构设计比较适合采用基于性能的 抗震设计方法。

结构抗震性能设计应分析结构方案不符合抗震概念设计的 情况，选用适宜的结构抗震性能目标，并分析论证结构设计与结 构抗震性能目标的符合性结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场 地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等 各项因素后选定1.2地震作用的特点1） 地震波传播产生地面运动，通过基础影响上部结构产生的振 动称为结构的地震反应，包括加速度、速度和位移反应2） 地震波可以分解为六个振动分量：两个水平分量，一个竖向 分量和三个转动分量对建筑结构造成破坏的，主要是水平振动 和扭转振动3） 大多数结构的设计计算主要考虑水平地震作用，原因如下：地面水平振动使结构产生移动和摆动扭转振动使结构扭转，其对房屋破坏性很大，但目前尚无法 计算，主要采用概念设计方法加大结构的抵抗能力，以减少房屋 破坏程度地面竖向振动只在震中附近的高烈度区影响房屋结构4） 地面运动的特性可以用三个特征量来描述：强度（由振幅值 大小表示）、频谱和持续时间强度、频谱和持续时间也被称为 地震动三要素，其原因是：如果地震的加速度或速度幅值很大，但地震时间短，建筑的 破坏可能不大如果地面运动的加速度或速度幅值不太大，但地震波的卓越 周期（频谱分析中能量占主导地位的频率成分）与结构物基本周 期接近，或者振动时间很长，其将对建筑物造成严重影响。

5） 地面运动的特性除了与震源所在位置、深度、地震发生原 传播距离等因素有关外,还与地震传播经过的区域和建筑物所在 区域的场地土性质有密切关系：观测表明，不同性质的土层对地震波包含的各种频率成分的 吸收和过滤效果不同地震波在传播过程中，振幅逐渐衰减，在土层中高频成分易 被吸收，低频成分振动传播得很远因此，在震中附近或在岩石等坚硬土壤中，地震波中短周期 成分丰富在距震中较远的地方，或当冲击土层厚、土壤又较软 时，短周期成分被吸收而导致长周期成分为主，这对高层建筑十 分不利此外，当深层地震波传到地面时，土层又会将振动放大， 土层性质不同，放大作用也不同，软土的放大作用较大6）建筑本身的动力特性对建筑物是否破坏和破坏程度也有很大 的影响建筑物动力特性是指建筑物的自振周期、振型和阻 尼，它们与建筑的质量和结构的刚度有关质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较 大，刚度小、周期长的建筑物位移较大，但惯性力较小，当地震 波的卓越周期与建筑物自振周期相近时，会引起类共振，结构的 地震反应加剧地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂缝或错位等地面变形， 对上部建筑物的直接危害地震引起的砂土液化，软土震陷等地基失效，对上部建筑物 的破坏。

建筑物在地面激发下产生剧烈震动过程中因结构强度不足、 过大变形、连接破坏，结构失稳或整体倾覆而破坏7）地基方砂土液化引起地基不均匀沉陷，导致上部结构破坏或整体倾在具有深厚软弱冲击土层的场地土，高层建筑的破坏率显著 曾高当高层建筑的基础周期与场地自振周期相近时，破坏程度 共振效应而加重8）房屋体形方面※L形等复杂平面房屋破坏率显著增高※有大地盘的高层建筑群房顶面与主楼相接处,楼板面积突然减 小的楼层破坏程度加重※房屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑底层,框架 柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏 ※防震缝处多因缝的宽度太小而发生碰撞9）结构体系方面相对框架体系而言，采用“框一墙体系”（框剪体系）的房屋 破坏程度轻，特别有利于保护填充墙和装饰免遭破坏采用“填充墙框架”体系的房屋，在钢筋混凝土框架平面内嵌 砌砖填充墙时，柱上部易发生剪切破坏，外墙框架柱在窗洞处因 受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏采用“钢筋混凝土板柱体系”的房屋，或因楼板冲切破坏，或楼层侧移过大柱顶、柱脚破坏，各层楼板坠落，重叠在地采用“框托墙”体系（框支剪力墙）的房屋，相对柔弱的底层破坏程度十分严重。