第二章风荷载和地震作用.ppt

高层建筑结构设计流程 结构方案优选 抗震构造措施 轴压比 剪压比等参数控制要求 配筋率 加密区等参数控制要求 钢筋连接及锚固构造要求 结构计算分析及结构构件设计 构造结构计算简图内力计算分析及内力调整罕遇地震下薄弱层弹塑性变形验算构件截面配筋计算 第二章荷载作用和结构设计要求 结构计算分析及结构构件设计 步骤一 构件截面初选 估算荷载 步骤二 汇集荷载及荷载计算 精确计算荷载 竖向恒荷载竖向活荷载水平风荷载地震作用步骤三 构造结构计算简图 步骤五 内力计算分析竖向恒荷载作用下内力计算竖向活荷载作用下内力计算水平风荷载作用下内力计算 左风 右风 地震作用下内力计算 左地震 右地震 步骤六 控制截面及控制截面内力调整梁柱轴线端内力调整至构件边缘端竖向荷载梁端出现塑铰产生的塑性内力重分布 步骤四 刚度验算侧移不满足要求回到步骤二 第二章荷载作用和结构设计要求 步骤七 内力组合 确定最不利内力梁柱轴线端内力调整至构件边缘端竖向荷载梁端出现塑铰产生的塑性内力重分布 步骤八 截面配筋设计 步骤九 延性设计调整 步骤十 构造要求 第二章荷载作用和结构设计要求 荷载作用竖向荷载 恒荷载 活荷载风荷载地震作用 第二章荷载作用和结构设计要求 2 1竖向荷载 尽量做到 轻 准 一 恒荷载 结构自重 附加永久荷载隔墙 装饰 设备管道等 规范附录A 二 活荷载荷载规范 GB50009 2001多层 应考虑活荷载不利分布高层 可以不考虑活荷载不利布置 因为 占在竖向荷载中所占比重小 另外对于框架梁其水平荷载引起内力更大 注 H 100 或 30层 取上限 H20层 取下限 2 2风荷载 风对高层建筑结构有如下的特点风力作用与建筑物外形有直接关系 圆形与正方形受到的风力较合理风力受到建筑物周围环境影响较大 处于高层建筑群中的高层建筑 有时会出现受力更为不利的情况 紊流 风力作用具有静力 动力两重性质 风力在建筑物表面的分布很不均匀 在角区和建筑物内收的局部区域 会产生较大的风力 与地震作用相比 风力作用持续时间较长 其作用更接近于静力 但建筑物的使用期限出现较大风力的次数较多 由于有较长期的气象观测 大风的重现期很短 所以风力大小的估计比地震作用大小的估计较为可靠 而且抗风设计具有较大的可靠性 2 2风荷载 一 风荷载的成因和影响因素 1 成因 近地空气流动 即近地风 在建筑物表面产生的风压和风吸作用即为建筑物所受到的风荷载 2 影响因素 近地风的性质 风速 风向建筑物所在地的地貌和周边环境建筑物本身的特性 高度 形状及表面状况 这些影响因素通过中的参数综合考虑 2 2风荷载 森拉克 肆虐浙闽防波堤被冲垮百米 2003年7月28日12 43 由于16号 森拉克 台风的袭击 投资1 2亿元 总长达1837米的玉环县坎门渔港防波堤遭受严重的损坏 渔港西堤被巨浪冲垮2个缺口 造成防波堤砌面下滑 总长达100多米 险情发生后 当地政府组织公安 边防 民兵应急分队和群众及时进行抢修 力争将损失降低到最低限度 2 2风荷载 2 2风荷载 广州大道南一栋五层厂房近1000平方米的2块铁皮被卷起后砸中附近五金厂 100多名工人侥幸逃过大难 2 2风荷载 风荷载标准值 kN m2 二 风荷载的计算参数 2 2风荷载 一 基本风压空旷平坦地面 距地10m 50年一遇 10min平均最大风速计算 单位 kN m2 一般高层建筑考虑50年一遇 特别重要或者有特殊要求的高层建筑考虑100年一遇 2 2风荷载 二 风压高度变化系数 风速大小与高度及所处地貌有关系 地面粗糙度分类 A类 近海海面和海岛 海岸 湖岸及沙漠地区B类 田野 乡村 丛林 丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类 有密集建筑群的城市市区D类 有密集建筑群且房屋较高的城市市区 地面粗糙度及梯度风高度影响系数Z 计算点离地高度 标高 地面粗糙度指数 2 2风荷载 三 风荷载体型系数风对建筑表面的作用力并不等于基本风压值 而是随建筑物的体型 尺度 表面位置等而改变 其大小由实测或风洞试验确定 垂直于建筑表面的平均风作用力 基本风压值 2 2风荷载 三 风荷载体型系数 典型风荷载体型系数举例 压力为正号 吸力为负号 2 2风荷载 典型风荷载体型系数举例 压力为正号 吸力为负号 2 2风荷载 局部风压体型系数 正压区 同上取法负压区 墙面 1 0 墙角边 1 8 屋面局部部位 周边和屋面坡度大于100的屋脊部位 2 2 檐口 雨篷 遮阳板等突出构件 2 0 2 2风荷载 四 风振系数 高度Z处风振系数 风分为平均风 即稳定风 和脉动风 常称阵风脉动 平均风 静力脉动风 动力 2 2风荷载 四 风振系数 高度Z处风振系数 与结构的自振特性有关 包括自振周期 振型等 也与结构的高度有关 基本自振周期T1 0 25S的工程结构 高度大于30m且高宽比大于1 5的高柔房屋 考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响 风振计算按照随机振动理论进行 结构自振周期按照结构动力学计算一般悬臂型结构 构架 塔架 烟囱等高耸结构 高度大于30m 高宽比大于1 5且可以忽略扭转影响的高层建筑 按照下式计算 2 2风荷载 2 2风荷载 脉动增大系数 主要与结构的周期和基本风压和地面粗糙程度有关 2 2风荷载 脉动增大系数 主要与结构的周期和基本风压和地面粗糙程度有关 2 2风荷载 振型系数 可由结构动力计算确定 计算时可仅考虑受力方向基本振型的影响 对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构 也可近似采用振型计算点距室外地面高度Z与房屋高度H的比值代替振型系数Z H 2 2风荷载 脉动影响系数 与房屋总高度 粗糙度类别 H B有关 查表 注意 B为迎风面宽度 2 2风荷载 五 总风荷载各个表面承受风力的合力 沿高度变化的分布荷载 建筑物表面法线与风作用方向的夹角 0 风力作用方向与建筑表面垂直 风压全部计算 90 风力作用方向与建筑表面平行 风压不算0 90 风力的分量 注意风力分解时区别风力为压力或吸力 风荷载计算步骤 开始 计算W0 确定粗糙度 s 计算 计算各层地 Z Z Z 计算各层的Wk 计算各层的Pk 结束 2 2风荷载 六 局部风荷载计算 1 计算外挑构件 阳台 雨篷 风向上地浮力 2 围蔽构件计算 窗 幕墙等 局部风压 2 3地震作用 一 地震的成因地震发生时 由于地震波的作用产生地面运动 横向和纵向 通过房屋基础影响上部结构 使结构产生振动二 地震作用特点地震波 竖向振动和水平振动 主要破坏 P波及S波地震反应 位移 速度 加速度 产生惯性力 动力荷载作用 其作用大小除了与地震波本身的特性有关 还与场地土特性 建筑自身特性有关地震是一种随机振动 其特征包括 振幅 频谱 持续时间特征周期的影响 短周期 0 1 0 3s 长周期 1 5 2s 2 3地震作用 三 抗震设防标准 设计目标和设计方法 1 建筑物重要性分类及抗震设防标准甲类建筑 地震破坏会导致严重后果 造成经济上严重损失或特别重要的建筑物 按照高于本地区抗震设防烈度计算 其值应按批准的地震安全性评价结果确定乙类建筑 地震时必须维持正常使用和救灾需要的建筑物 人员大量集中的公共建筑物或其他重要的建筑物 应按本地区抗震设防烈度计算丙类建筑物 除上述以外的一般高层建筑 应按本地区抗震设防烈度计算丁类建筑物 次要建筑 一般情况下地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求 抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低 但抗震设防烈度为6度时不应降低 2 3地震作用 2 三水准抗震设计目标 小震不坏 中震可修 大震不倒小震不坏 建筑遭遇本地区多遇地震 小震 即相当于低于本地区设防烈度1 5度的地震作用下 结构处于弹性工作状态 中震可修 在偶遇地震 中震 即设防烈度的地震作用下 结构局部进入弹塑性状态 局部损坏 震后经修理可继续使用 大震不倒 在罕遇地震 大震 即相当于高于本地区设防烈度1 1 5度的地震作用下 结构严重损坏 但要求不倒塌 概念抗震计算抗震构造抗震 为了实现三水准的抗震设计目标 2 3地震作用 3 两阶段的抗震设计方法第一阶段 承载力和使用状态下的变形验算 取小震的地震动参数 按弹性方法进行承载力和变形验算 小震不坏 并通过抗震构造措施满足中震的抗震延性要求 中震可修 第二阶段 弹塑性变形验算 对特别重要 不规则复杂结构以及存在抗震薄弱层地震时易倒塌的结构应进行大震作用下结构薄弱层的弹塑性层间变形验算 大震不倒 2 3地震作用 四 高层建筑结构应按下列原则考虑地震作用 一般情况下 计算两个主轴方向的地震作用 有斜交抗侧力构件 角度大于15度 时应分别计算各抗侧力构件方向的地震作用质量与刚度分布明显不对称 不均匀的结构 应计算双向水平地震作用下的扭转影响 其他情况应计算单向地震作用下的扭转影响8度和9度抗震设计时 高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用9度抗震设计时应计算竖向地震作用 2 3地震作用 五 高层建筑结构应根据不同情况采用不同计算方法 对质量和刚度不对称 不均匀的结构和高度超过100m的高层建筑应采用考虑扭转耦连振动影响的反应谱振型分解反应谱法高度不超过40m 以剪切变形为主的且质量和刚度沿高度分布较均匀的高层建筑结构 可采用反应谱底部剪力法7 9度设防的高层建筑 下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算 1 甲类高层建筑结构 2 刚度与质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构 3 表中所示的乙 丙类高层建筑结构 2 3 1水平地震作用计算 一 重力荷载代表值 100 恒荷载 50 雪荷载 50 楼面活荷载 80 藏书库 档案库 库房活荷载 二 水平地震影响系数 反应谱曲线 根据设防烈度 场地类别 地震分组 结构自振周期T和阻尼比确定 由下式计算 当T Tg时 max当T Tg时 max 2 3 1水平地震作用计算 三 反应谱底部剪力法 1 结构总水平地震作用的标准值计算公式 1 相应于结构基本自振周期T1的 值Geq 结构等效总重力荷载代表值Geq 0 85GEGj 第j层重力荷载代表值考虑高层建筑弯曲振型的影响 顶层附加水平地震作用标准值为 n 顶部附加水平地震作用系数 当基本自振周期T1 1 4Tg时 n取为0 当基本自振周期T1 1 4Tg时 n按照表中采用 2 3 1水平地震作用计算 2 总水平地震作用的标准值 顶层附加水平地震作用标准值 FEK Fn 分配到各楼层 3 屋面小塔楼地震力小塔楼 突出屋面的楼梯间 水箱等 一般1 2层 高度小体积小 小塔楼作为一个质点 鞭梢效应 屋面塔楼的刚度和质量比主体结构小得多 受到经过主体建筑放大后的地震加速度 受到强化的激励 产生显著的鞭梢效应塔楼计算 乘以放大系数注明 有突出屋面的小塔楼时 顶部附加水平地震作用加在主体结构的顶层 不加在小塔楼上 2 3 1水平地震作用计算 四 反应谱振型分解法 1 分别计算X和Y方向 有扭转时应考虑耦联地震作用力 各阶振型的等效地震作用力 一般根据结构的规则程度选取前几个振型影响 2 求出将各阶振型等效地震力按静力方法分别计算各个振型的内力及变形 3 按平方根方法计算综合各阶振型等效地震力作用反应 2 3 1水平地震作用计算 五 反应谱振型分解法优缺点及时程分析法 1 设计方法为拟静力方法 计算方法简单 优点 2 未能考虑地震作用持续时间的影响 3 未能考虑结构弹塑性性能影响 4 反应谱曲线从单质点体系得到 不能真实反应高层建筑多质点体系的实际受力 5 不能了解结构的破坏过程 无法确定薄弱层各种危险状态因此建议必要时采用时程分析法进行补充计算 7 9度设防的高层建筑 下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算 1 甲类高层建筑结构 2 刚度与质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构 3 表中所示的乙 丙类高层建筑结构 2 3 1水平地震作用计算 2 3 2竖向地震作用计算 需要计算竖向地震作用计算 1 9度抗震设防区的建筑 2 8度及9度长悬臂或大跨度建筑及构件 2 4结构的自振周期 一 刚度法求多自由度体系周期和振型的概念平面振动平面耦联振动 二 周期的近似计算方法顶点位移法能量法框架 剪力墙结构周期经验方法三 自振周期的修正 计算中未考虑砌体填充墙的刚度影响 计算周期较实际周期长 地震作用偏于不安全 故应乘以周期折减系数 T框架结构 T 0 6 0 7框架 剪力墙 T 0 7 0 8剪力墙结构 T 0 9