高层建筑结构设计高层建筑结构荷载PPT课件

高层建筑结构设计.第三章（1）风荷载,.,简要回顾Review,图1结构内力、位移与高度的关系,H,H,N=f（H）,M=f（H2）,=f（H4）,内力或位移,高层结构中水平荷载作用下结构的侧移往往起控制作用，那么，主要的水平荷载有哪些呢？,这说明了什么问题？,风荷载地震作用,.,Chp.3高层建筑荷载,3.1风荷载（Windloads）本节重点（Emphases）基本风压值概念，确定方法风载标准值计算及系数含义横风向风振:旋涡脱落，驰振,颤振,扰振等例题（结合工程实例）,对于高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压，另一方面风又使建筑物产生风力振动，因此，高层建筑不仅要考虑风的静力作用，还要考虑风的动力作用。,当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的风荷载。,.,Breeze，wind,storm,3.1.1引言风灾实例,春风和煦夏风怡人秋风飒飒很美好！但事物的另一面呢？,.,古巴首都哈瓦那海滨大街2005.10.24飓风“威尔玛”掀起滔天巨浪，越过堤岸，拍打着楼房,hurricane,.,看！风的威力！,.,风灾实例,1926年9月美国迈阿密市Meyer-Kiser大楼（17层钢框架）飓风袭击后发生塑性变形，顶部水平残余位移竟达0.61m。,.,2013年春天的一场大风,.,.,历史上最著名的风致桥梁毁坏实例,.,新Tacoma桥,1938年开工建设，1940.7.1通车，1940.11.7塌毁，主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，梁高仅1.3m，中等风速19m/s,新桥1950.10.14建成，悬索桥，加劲梁改为桁架式，比旧桥长12m。,Tacoma桥,.,3.1.2基本概念Conception,空气从气压高的地方流动到气压低的地方就形成了风。风遇到建筑物时，在建筑物表面产生压力和吸力，这种风力作用称为风荷载。,.,基本方程：由流体力学中的伯努利方程可知风压与风速关系,风速,风压力,.,2007.1.18，法国北部维姆勒，大风卷起巨浪。,风压与风速关系密切,一场强烈暴风席卷西北欧多个国家，至少6人死亡。风速最高达140km/h(约40m/s)。赖斯对德国的访问也因此提前结束。,那么，计算风压时，该如何确定风速呢？,.,3.1.3基本风压ReferenceWindPressure,GB50009-2012,JGJ3-2010,.,标准高度的规定房屋建筑类统一取10m标准地貌的规定指空旷平坦地区，在具体执行时，对于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。平均风速的时距为10分钟（风的卓越周期约在1分钟）最大风速的样本取年最大风速为统计样本,基本风压的确定,.,基本风压应按照现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定采用。对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按100年重现期的风压值采用。基本风压按离地10m高度，空旷平坦地面，50（100）年一遇，10min平均最大风速计算。,基本风压的确定,.,基本风压不得小于0.3kN/m2高度大于200m，或者平面不规则,立面复杂/立面开洞或连体/周围地形环境复杂时宜通过风洞试验判断确定风荷载，以补规范的不足。,基本风压的确定,.,“珠江帆影”高层建筑群风洞试验,.,.,.,.,3.1.4风荷载标准值nominalvalueofwindload,计算主要承重结构时计算围护结构时,(kN/m2),.,单位面积上风荷载标准值,主体结构计算时，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。,式中wk风荷载标准值，kNm2；z高度z处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度变化系数；w0基本风压，kNm2；gz高度z处的阵风系数。,.,顺风向风振系数,在风的顺风向时程曲线中，会有两种成分：长周期-持续10分钟以上平均风（稳定风）静力作用短周期-只有几秒钟左右脉动风动力作用,目前采用对风压值乘以风振系数来加大风荷载的办法考虑风的动力效应。T10.25s的高耸结构,以及H30m且H/B1.5的高柔房屋均应按随机振动理论、结构动力学方法考虑顺风向风振的影响。,对于一般悬臂结构，如塔架，烟囱等高耸结构，以及可忽略扭转影响H30m,H/B1.5，T10.25s的高层建筑，可以只考虑第一振型作用，按下式考虑风振影响。,.,最新荷载规范50009-2012,.,式中：,g峰值因子，可取2.5；I1010m高度名义湍流强度，对应A、B、C和D类地面粗糙度，可分别取0.12、0.140.23和0.39；R脉动风荷载的共振分量因子；Bz脉动风荷载的背景分量因子。,.,脉动风荷载的共振分量因子R,.,式中：,fl结构第1阶自振频率(Hz);kw地面粗糙度修正系数，对A、B、C和D四类地面粗糙度分别取1.28、1.00、0.54和0.26；结构阻尼比，钢结构可取0.01，有填充墙的钢结构房屋可取0.02，钢筋混凝土及砌体结构可取0.05，其他结构可根据工程经验确定。,.,背景分量因子Bz,对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，其脉动风荷载的背景分量因子Bz可按下式确定：,.,式中:,结构第1阶振型系数，振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的竖向悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑，振型系数也可根据相对高度z/H按荷载规范附录G确定；H结构总高度(m)，对A、B、C和D类地面粗糙度，H的取值分别不应大于300m、350m、450m和550m；脉动风荷载水平和竖直方向相关系数，可按荷载规范给出的公式计算；系数，按表3.3取值。,.,表3.3系数,.,背景分量因子Bz的修正,对迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化的高耸结构，背景分量因子Bz应乘以修正系数和。为构筑物在z高度处的迎风面宽度B(z)与底部宽度B(0)的比值；可按表3.4确定。,.,表3.4修正系数,.,风压高度变化系数,风速大小与高度有关，一般越靠近地面风速越小，愈向上越大；还与地面粗糙度有关，地面越粗糙，风速变化越慢，反之，地表越平坦，风速变化越快。通常认为在离地面高度为300550m时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”。,.,梯度风高度：风速由地面处为零沿高度按曲线逐渐增大，近地层气流为湍流，受地面粗糙度影响，风速沿高度增加的梯度不同，达到大气边界层后风速受地面影响变小，大气可以在气压梯度作用下自由流动（层流），此时风速称为梯度风速，而此时的高度称为梯度风高度。梯度风高度处风压相等。,风速随高度的变化,风压高度变化系数,.,风压高度变化系数,按照地面粗糙度类别和距地面高度查表地面粗糙度分类A近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠B田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀少的乡镇及城郊C有密集建筑群的城市市区D有密集建筑群且房屋较高的城市市区,.,1以拟建房2km为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；2以半圆影响范围内建筑物的平均高度来划分地面粗糙度类别，D类:H18m，9mH18m，为C类，B类:H9m。,3影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定,即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；4平均高度取各面域面积为权数计算。,地面粗糙度分类原则,.,New荷载规范,.,风载体型系数,当风流经建筑物时，气流会以不同的方式从房屋表面绕过，从而风对建筑物不同的部位会产生不同的效果。一般迎风面产生压力，背风面及侧风面为吸力，空气流动还会产生漩涡，对建筑物局部产生较大的压力或吸力。风压实测表明，即使在同样的风速条件下，建筑物表面上的风压分布也是很不均匀的，一般取决于房屋的体型、尺寸等几何性质。,.,风载体型系数,风流经建筑平面时的风压分布系数(表面风压/基本风压),驻涡区,.,迎风面背风面风流经建筑立面时的风压分布系数,.,风载体型系数,根据我国多年设计经验及风洞试验，高层建筑单体的风荷载体型系数可按下列规定采用：圆形平面建筑取0.8；正多边形及截角三角形平面建筑：式中：n为多边形的边数高宽比H/B4的矩形、方型、十字形平面建筑取1.3；,.,风载体型系数,下列建筑取1.4：V形、Y形、弧型、双十字形、井字形平面L形、槽形和高宽比H/B4的十字形平面高宽比H/B4，长宽比L/B1.5的矩形、鼓形平面建筑。迎风面积取垂直于风向的最大投影面积。在需要更细致进行风荷载计算的情况下，可按高规附录B采用，或由风洞试验确定。,.,.,群集高层应考虑干扰效应干扰增大系数,.,相互干扰系数,对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺风向风荷载可在1.001.10范围内选取，对横风向风荷载可在1.001.20范围内选取，其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。,.,风压力与风吸力,.,要采用局部风载体型系数，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。封闭式矩形平面房屋的墙面及屋面可按荷载规范的规定取用，其他房屋和构筑物可按荷载规范中给出体型系数的1.25倍取值。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。,计算风载对建筑物某个局部表面的作用时：,.,横风向风振,通常，横风向风力较顺风向风力小得多但建筑高度超过150m或高宽比大于5的高层建筑可出现较为明显的横风向风振效应，并且效应随着建筑高度或建筑高宽比增加而增加。细长圆形截面构筑物一般指高度超过30m且高宽比大于4的构筑物。,.,横风向风振,超高层、烟囱、高耸塔架等由于气流绕过截面时产生的旋涡又不断脱落，可能会引起横风向的共振。用雷诺数Re判断结构是否会产生横风共振Re69000vDv风速D结构直径,.,Re3.0105且结构顶部风速VH大于Vcr时亚临界范围的微风共振，构造抗振，或控制Vcr不小于15m/s3.0105Re3.5106超临界范围,不处理Re3.5106且结构顶部风速VH的1.2倍大于Vcr，跨临界范围，强风共振，考虑荷载效应，设计重点,圆筒式结构临界范围的划分,.,扭转风振,当建筑物各个立面风压非对称作用时，会产生扭转风荷载。扭转风荷载受截面形状和湍流度等因素的影响较大。当建筑高度超过150m，同时满足、的高层建筑扭转风振效应明显，宜考虑扭转风振的影响。,.,扭转风振,式中B为结构迎风面宽度；D为结构平面进深(顺风向尺寸)或直径；H为结构高度；TTl为结构扭转第1阶自振周期；vH为结构顶部风速,图2-31广州塔,图2-32CN塔,.,扭转风振,截面尺寸和质量沿高度基本相同的矩形截面高层建筑，当其刚度或质量的偏心率(偏心距/回转半径)不大于0.2，且同时满足可按荷载规范附录H.3计算扭转风振等效风荷载。当偏心率大于0.2时，高层建筑的弯扭耦合风振效应显著，建议在风洞试验基础上，有针对性地进行专门研究。,.,风载效应组合,高层建筑结构在脉动风荷载作用下，其顺风向风荷载、横风向风振等效风荷载和扭转风振等效风荷载一般是同时存在的，但三种风荷载的最大值并不一定同时出现，因此在设计中应当按表3.5考虑三种风荷载的组合工况。,.,风载效应组合,.,荷载规范增加了对屋盖风振问题的要求,屋盖结构不宜采用与高层建筑和高耸结构相同的风振系数计算方法。一般对于风敏感的或跨度大于36m的柔性屋盖结构，应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。屋盖结构的风振响应，宜依据风洞试验结果按随机振动理论计算确定。,.,阵风系数,对于围护结构，包括玻璃幕墙，由于脉动引起的振动很小，可以不考虑风振的影响，但是应考虑脉动风压的分布，即在平均风的基础上乘以阵风系数。可按照地面粗糙度类别和计算高度查表确定。,.,阵风系数,.,3.1.5总风载,（kN/m）,建筑物各个表面承受的风力的合力为总风载，是沿高度变化的分布荷载,.,例题,某高层剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m,其他各层层高为3m，室外地面至檐口的高度为120m，平面尺寸为30m40m，地下室采用筏形基础，埋深12m，如图所示。基本风压w0=0.45kN/m2，建筑场地位于大城市郊区。已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为800kN。为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为20m，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值，计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力和筏形基础底面的弯矩。,.,.,解：,（1）风载体型系数因为结构的高宽比,所以（B为迎风面宽度，迎风面体型系数+0.8为风压力，背风面-0.5为风吸力，所以合力方向为1.3，两个侧风面与计算方向垂直，所以不必计算两侧风面。）,.,解：,（2）风压高度变化系数按照B类地