第3章 高层建筑结构的荷载2016.ppt

第3章高层建筑结构荷载,高层建筑结构设计,第3章高层建筑结构的荷载,与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构；2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素；3）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。,高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。,高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载,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或吸力，这种风力作用叫风荷载。,浮力,因此，高层建筑中一般不设外伸构件。,风的破坏力,风的破坏力,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,一、沪环球金融中心建筑装风阻尼器,上海环球金融中心位于上海浦东陆家（492m）。,该工程上海环球金融中心在90层（地上395米）设置2台重约150吨的配重物体风阻尼器，可抗12级以上台风。通过引入风阻尼器，将能使强风时加在建筑物上的加速度（重力）降低40%左右。另外，风阻尼器也可以降低强震对建筑物，尤其是建筑物顶部的冲击。,二、台湾101大楼装风阻尼器,“台湾101金融大楼”位于台北信义计划区，这座达508米高的建筑物将超过美国芝加哥的西尔斯大楼，成全球最高的建筑物。,大楼楼顶内部用钢缆悬着一颗重660吨、直径5.5米的巨球，巨球位于88楼，这是世界最大、最重、唯一外露可供参观的风阻尼器，它是通过巨大钢球的摆动来减缓建筑物的晃幅。造价新台币一亿三千两百万元(人民币约2640万元)。,3.1.1风荷载标准值,风荷载作用面积：垂直于风向的最大投影面积1.基本计算公式2.计算参数基本风压值体型系数高度变化系数风载作用面积风振系数,3.1.1风荷载标准值,1、基本风压我国荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高，统计所得的50年一遇10分钟平均最大风速v0（m/s）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于0.3kN/m2。特别重要的高层建筑，取100年。,全国基本风压分布图（kN/m2）,无人区未予记录,0.80,0.90,0.90,0.60,风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示，即,2、风压高度变化系数风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。当达到一定高度时（300500m），风速不受地表影响，达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗糙程度有关。,分别为标准高度（例如10m）及该处的平均风速；,地面粗糙度系数；地表粗糙程度愈大，值则愈大；,风压高度变化系数：为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。现行规范将地面粗糙程度分为四类：A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有密集建筑群的城市市区；D类指密集建筑群且房屋较高的城市市区。,3、风荷载体型系数1）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速算得的理论风压的比值。2）特点：风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度有关。,迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。,3）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验,（2）群体风压体型系数对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。高层规程规定，当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应。一般可将单体建筑的体型系数乘以相互干扰增大系数，该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确定。（3）局部风压体型系数在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用局部风荷载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等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。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。,(1)风洞试验目的结构抗风研究与设计时需要结构的体形系数和风振系数，但仅依靠荷载规范，往往很难精确得到。在实际中，常采用风洞试验来准确获得体形复杂结构的体型系数和风振系数。,(2)模拟方法,自然形成法和人工形成法。（1）自然形成法：在均匀粗糙壁上自然形成模拟的大气边界层，所需试验段非常长，一般要求20米以上，而且通常还需加上一定的人工紊流装置，目前很少采用。（2）人工形成法：当前国际上主要采用的大气边界层模拟方法。方法有：曲网法、棍栅法、曲线切面蜂窝法、1/4椭圆尖劈+挡板+粗糙元法、大孔眼格网法、尖塔旋涡发生器法和孔板速度车法。,TJ-2：实验段高2.5米宽3.0米长15m，风速367米/秒。,国内主要风洞,TJ-3：实验段2.0米高15米宽15米长，风速0.517米/秒。,4、风振系数）风速特点：风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风两部分。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影响大。,）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑，目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应，即对风压值乘以风振系数。,对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。,2）计算：,对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。,2）计算：,3.1.2总风荷载总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。z高度处的总风荷载标准值按下式计算：,总风载计算步骤,总风载计算步骤,（kN),3.2风荷载,例题,-0.5,一高层钢筋混凝土结构，平面形状为正六边形，边长为20m。房屋共20层，除底层层高为5m外，其余层高为3.6m。该房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地区的基本风压,地面粗糙度为C类。试计算各楼层处与风向一致方向总的风荷载标准值。,风向,20m,2计算各层的风压高度系数,近似假定室内外地面相同，则二层楼面离室外地面高度为5m，查表，对于C类地面粗糙度，,同理可求得其余各层楼面标高处的风压高度系数。,4计算各个面不同高度的分布风荷载,5计算各个面各楼层处的集中风荷载,6计算各楼层处总的风荷载,风荷载计算结果,3.2.1地震作用的性质地震反应：地震振动使工程结构产生内力和变形的动态反应。即：结构由于地震激发引起的振动，在结构中产生随时间变化的位移、速度、加速度、内力和变形等,地震作用：结构上的质量因加速度的存在而产生的惯性力。,众值烈度：建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最高的烈度。其超越概率为63.2%，重现期为50年。,罕遇烈度：建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率2%-3%的地震烈度。也称为大震烈度，重现期约为2000年。,3.2.2三水准的抗震设防准则具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。“三水准”抗震设防目标：（1）第一水准：在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用。小震不坏，结构处于弹性工作阶段,（2）第二水准：在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物可能有损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。中震可修，允许结构进入非弹性工作阶段，但由此造成的结构损坏可控。（3）第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。大震不倒，结构有较大的非弹性变形,第一阶段设计：多遇地震作用下承载力验算小震不坏弹性变形验算中震可修。合理的结构布置和抗震构造措施大震不倒第二阶段设计：罕遇地震下弹塑性变形验算大震不倒针对特别重要的建筑、地震易倒塌的建筑、有明显薄弱层的建筑，不规则的建筑等,集中质量法：把结构的全部质量假想地集中到若干质点，结构杆件本身则看成无重弹性直杆.,3.2.3单自由度体系水平地震作用,反应谱曲线受多种因素影响,(a)场地条件对谱曲线的影响(b)震级与震中距对谱曲线的影响,为方便工程抗震的设计，一般采用大量同类地震记录的统计平均谱，并加以规则平滑后具有地震反应谱的形式，称为标准反应谱。,抗震规范就是以地震影响系数(T)作为设计反应谱。设计反应谱应根据抗震设防烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期及阻尼比确定。,地震影响系数曲线,3.2.4计算水平地震作用的底部剪力法,T1,T1,底部剪力法总体思路：第一步：多自由度体系等效为单自由度体系,FEk,T1,T1,第二步：求得等效单自由度体系的总体地震作用（即作用于结构底部的剪力）,Fek,Fek,Gi,Fi,T1,T1,第三步：将总地震作用按照一定规律分配到多自由度体系的各层质点上。,总重力荷载代表值：,建筑的总重力荷载代表值应按下列规定采用：,1、恒荷载取100%2、雪荷载取50%3、楼面活荷载按实际情况计算时取100%；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案室、库房取80%，一般民用建筑取50%。4、屋面活荷载不考虑,结构等效总重力荷载：,例：试用底部剪力法计算图示