高层建筑结构设计(第二讲).ppt

第二讲 抗风、抗震设计方法简介,第一节 抗风设计方法,一、抗风设计原则  风作用出现的概率大，大风作用的时间较长  人们要求在50年或100年重现期的风作用下结构仍然能正常使用，也就是要求结构处于弹性和小位移状态 抗风设计主要基于承载力设计，对高度较高的高层建筑，还要保证210年重现期的风荷载作用下人处于舒适状态（风作用下的加速度）  “舒适度”的概念目前国内研究还很少 加拿大的达文波特教授（Pro. Davenport）第一次提出舒适度与房屋顶层加速度关系  控制房屋顶层加速度的方法，满足舒适度要求, 主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值：,二、风荷载计算, 几点说明  考虑到房屋高度大于60m的高层建筑对风荷载比较敏感，承载力设计时风荷载计算可按基本风压的1.1倍采用  对于房屋高度不超过60m的一般高层建筑，其基本风压是否提高，可由设计人员根据实际情况确定  相对02规程，本次修订： （1）取消了“特别重要”的高层建筑的风荷载增大要求，主要因为对重要的建筑结构，其重要性已在结构重要性系数体现在结构作用效应的设计值中； （2）对正常使用极限状态设计，其要求可比承载力设计适当降低，一般仍可采用基本风压值或由设计人员根据实际情况确定，不再作为强制性要求； （3）对风荷载比较敏感的高层建筑结构，风荷载计算时不再强调按100年重现期的风压值采用，而是直接按基本风压增大10%采用。

2、风压高度变化系数  在大气边界层内，风速随地面高度而增大当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度通常认为在离地面高度为300m～500m时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度速度”，该高度称之为梯度风高度  对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别决定《建筑结构荷载规范》（GB50009-2011）将地面粗糙度分为A、B、C、和D四类（见表）3、风载体型系数,《建筑结构荷载规范》（GB50009-2011）表7.3.1列出38项不同类型的建筑物和各类结构的体型系数，当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用  房屋和构筑物与表中的体型类同时，可按表规定取用；  房屋和构筑物与表中的体型类不同时，可参考有关资料采用；  房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定；  对重要且体型复杂的房屋和构筑物，应由风洞试验确定《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）对《建筑结构荷载规范》（GB50009-2011）表7.3.1的简化和整理，给出了12种体型的风载体型系数（附录B）。

1、矩形截面,2、L形截面,3、槽形截面,4、正多边形平面、圆形平面,11、六角形平面,12、Y形平面 , 《规程》（ JGJ3-2010）第4.2.3款，给出了按《规范》（GB50009-2011）表7.3.1的适当简化和整理后风载体型系数ms：  圆形截面建筑取ms=0.8;  正多边形及截角三角形平面建筑，由下列公式计算：, 高宽比H/B不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取ms=1.3；, 下列建筑取ms=1.4  V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑；  L形、槽形和高宽比H/B大于4的十字形平面建筑；  高宽比H/B大于4，长宽比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑, 在需要更细致进行风荷载计算的场合，风荷载体形系数可按《规程》（JGJ3-2010）附录B采用，或由风洞试验确定, 房屋高度大于200mm或（取消：房屋高度大于150m，）有下列情况之一时，宜进行风动试验判断确定建筑物的风荷载：  平面形状或立面形状复杂；  立面开洞或连体建筑；  周围地形和环境较复杂 对风动试验的结果，当与按规范计算的风荷载存在较大差距时，设计人员应进行分析判断，合理确定建筑物的风荷载取值。

 风洞试验  在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气紊流纵向分量  建筑物长度尺寸具有相同的相似常数  建筑物的风洞尺寸：宽2  4m、高2  3m，长5  30m 模拟风剖面  要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似  风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少）  风洞试验模型分类：  刚性压力模型  主要量测建筑物表面的风压力（吸力） 建筑模型材料：采用有机玻璃 建筑模型比例：约1:3001:500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟 风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数 风洞试验一次需持续60s左右，相应实际时间1h 气动弹性模型  对高宽比大于5、需要考虑舒适度的高柔建筑时采用 精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响要求模拟几何尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性  刚性高频力平衡模型  模型尺寸较小，1:500量级 将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动力效应。

模拟结构刚度或高频力平衡系统 模拟结构刚度的基座杆长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒组合，可测倾覆力矩和扭矩等,,力平衡仪实验示意图,5、总体风荷载与局部风荷载  总体风荷载是建筑物各表面承受风力作用的合力，是沿高度变化的分布荷载，用于计算抗侧力结构的侧移及各构件内力  局部风荷载用于计算结构构件或维护构件或围护构件与主体的连接（水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等），采用风荷载标准值Wk计算，但采用局部风荷载体型系数 局部风荷载用于计算结构构件或维护构件或围护构件与主体的连接（水平悬挑构件、幕墙构件及其连接件等），采用风荷载标准值Wk计算，但采用局部风荷载体型系数  当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予以考虑 《规范》GB50009规定：将单独建筑物的体型系数s 乘以相互干扰系数(可参考类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出)以考虑风力相互干扰的群体效应  风力作用在高层建筑表面，其压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位（阳台、雨篷等外挑构件），局部风压会超过按表所得的平均风压 《规范》GB50009规定：檐口、雨篷、遮阳板、阳台灯水平构件，计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于2.0.  对封闭式建筑物，考虑到建筑物内实际存在的个别孔口和缝隙，以及机械通风等因素，室内可能存在正负不同的气压。

《规范》GB50009规定：对封闭式建筑物的内表面压力系数，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2,三、高层建筑结构的舒适度验算, 对照国外的研究成果和有关标准，与我国现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）相协调，要求高层建筑混凝土结构应具有更好的使用条件，满足舒适度的要求第二节 抗震设计方法,一、结构地震作用计算方法的三个阶段  静力法 1900年日本学者大森房吉提出震度法概念，将地震作用简化为静力  反应谱理论 20世纪30年代美国开展了强震记录的研究(El-Centro),美国M.Biot提出用地震记录计算反应谱的概念，50年代初，G.W.Housner实现了反应谱的计算，并应用于抗震设计  时程分析方法 20世纪50年代末期, G.W.Housner 实现了地震反应的动力计算分析，并成功应用于抗震设计 20世纪70年代，地震反应动力分析得到发展，从弹性时程分析方法发展到弹塑性时程分析方法 基于承载力的抗震设计方法  静力法和最初的反应谱理论  基于承载力和延性的抗震设计概念  以反应谱理论为基础，以三水准设防为目标，以构件极限承载力设计保证结构承载力，以构造措施保证结构延性的完整的抗震设计方法。

 承载力与延性的关系 承载力高的结构，延性要求可以较低，而承载力较低时，则必须设计具有较高延性的结构 反之，延性不好的结构承载力必须提高，延性好的结构承载力可以降低 基于性能的抗震设计方法  人们研究的热点  要求在不同水准的地震作用下，直接以结构的性能和表现作为设计目标可根据业主的要求达到不同的性能目标（正常使用、生命安全、设备安全、防止倒塌等）  现行的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标已经具备了基于抗震设计的思想而基于性能/位移的抗震设计方法需要定量  地震反应的时程分析方法（Time History Analysis）和静力弹塑性计算方法—推覆方法(Push-Over Analysis)可获得结构性能和表现定量的两种主要计算方法 《规程》（JGJ3-2010）：79度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算  甲类高层建筑结构；  8度I、II类场地和7度，建筑高度100m 8度III、IV类场地，建筑高度80m 乙、丙类高层建筑结构 9度，建筑高度60m  竖向不规则的高层建筑结构, 复杂高层建筑结构（带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔结构等）  质量沿高度分布特别不均匀的高层建筑结构,,二、地震反应谱  地震反应谱  单自由体系的地震最大绝对加速度反应与其自振周期T的关系, 地震反应谱的意义  一个确定的地面运动，通过一组阻尼比相同但自振周期各不相同的单自由度体系，所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线, 设计反应谱,,,,A点的结构特点： 自振周期T=0，即频率无限大，说明该结构为刚体，所以其运动和地面的相同，其最大加速度即地面运动的加速度，该点的地震影响系数为0.45。

A-B段结构在地震作用下的特点： A-B段结构当进入弹塑性阶段，其刚度降低，自振周期加长，地震作用加大，对抗震很不利，结构物的自振周期不宜设计在该区域结构自振周期应尽可能位移C-D段（大于Tg，并小于5Tg），当结构进入弹塑性阶段，其刚度降低，自振周期加长，地震作用减小，对抗震有利GB50011-2010地震影响系数曲线的计算表达式不变，只对其参数进行调整，具体：  阻尼比为5%的地震系数维持不变（即，与2001规范相同）  基本解决了2001规范在长周期段，不同阻尼比地震影响系数交叉、大阻尼曲线值高于小阻尼曲线值的不合理现象I、II、III类场地的地震影响系数曲线在周期接近6s时，基本交汇于一点上，符合理论和统计规律  降低了小阻尼（2%3.5%）的地震影响系数值，最大降低幅度达18% 略微提高了阻尼比6%10%地震影响系数，长周期部分最大增幅约5%  适当降低了大阻尼（20%30%）的地震影响系数值，在5Tg周期以内，基本不变，长周期部分最大降幅约10%，有利于消能减震技术的推广应用思考题： 试按GB50011-2001规范和GB50011-2010规范分别作出Tg=0.35时不同阻尼比0.02、0.035、0.05、0.10、0.20、0.30的地震影响系数曲线，作比较分析。

 反应谱方法是我国结构抗震设计采用的基本方法  优点： 考虑了地震的强烈程度—烈度、地面运动的特征、结构自身的动力特征—周期与阻尼等通过反应谱值将结构的动力反应转化为作用于结构上的静力  缺点：  只考虑地面运动中的加速度分量，未考虑地面运动中的速度和位移（实际上地面运动中的速度分量对结构反应影响很大，在相同加速度峰值下，速度愈大，结构反应愈强烈，结构容易受到破坏） 设计反应谱只取加速度反应中的最大值，是惯性力的最大值，但不一定是结构的最危险状态  反应谱通过单自由度体系计算得到的，应用于多自由度结构，只能采用振型分解法 振型组合采用SRSS方。