力学与结构课件幻灯片T16

第16章

混凝土多高层建筑结构

目录.ppt多高层建筑结构的特点和结构类型多高层建筑结构体系的总体布置原则多高层建筑结构的荷载框架结构的内力和位移计算多高层建筑结构抗震设计要点本章内容教学要求：本章要求学生掌握多高层建筑结构的特点、总体布置原则、结构类型及适用范围；各种荷载的计算方法；抗震设计要点及构造措施。重点掌握底部剪力法。本节重点介绍多高层建筑的概念、结构类型、特点、适用范围以及选型原则。随着社会生产力和现代科学技术的发展，在一定条件下出现了高层建筑。从20世纪90年代到21世纪初，我国高层建筑有了很大的发展，一批现代高层建筑以全新的面貌呈现在人们面前。由于高层建筑具有占地面积小、节约市政工程费用、节省拆迁费、改变城市面貌等优点，为了改善城市居民的居住条件，在大城市和某些中等城市中，多高层住宅发展十分迅速，主要用于住宅、旅馆以及办公楼等建筑。但是对于多少层数、多大高度的建筑才算高层建筑，目前世界各国尚没有统一划分标准和界限。我国《高层建筑混凝土结构设计规程》(JGJ3—2002)(简称《高规》)规定了高层建筑的范围即10层及10层以上或房屋高度超过28m的非抗震设计和抗震设防烈度为6至9度抗震设计的高层民用建筑结构(其适用的房屋最大高度和结构类型应符合规程的有关规定)。随着社会主义经济建设的迅速发展，全国各地高层建筑似雨后春笋般拔地而起，大大改变了我国一些大城市的面貌。同时人们不断地追求着建筑造型的新颖、建筑的多功能以及多用途，使得多高层建筑不再单一化，出现了很多体型复杂以及内部空间多变的多高层建筑，除矩形、一字形以外，还出现了“Z”、“Y”等复杂体型。多高层建筑结构的特点和结构类型在我国内地具有代表性的高层建筑是：1976年在广州建成33层的白云宾馆，其中地下室1层，总高度为m，钢筋混凝土剪力墙结构，是20世纪70年代国内的最高建筑；1985年建成的深圳国际贸易中心大厦共53层，其中地下室3层，高m，钢筋混凝土筒中筒结构，这是我国20世纪80年代最高的建筑，如图16.1所示；1996年建成的深圳地王商业大厦共81层，高m，是当时全国最高的建筑，如图16.2所示；1998年建成的上海金茂大厦共88层，高m，是目前全国第一、亚洲第二、世界第三的摩天大楼，如图16.3所示。图16.1深圳国际贸易中心大厦多高层建筑结构的特点和结构类型图16.2深圳地王商业大厦多高层建筑结构的特点和结构类型图16.3上海金茂大厦多高层建筑结构的特点和结构类型我国高层建筑的迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型和功能愈来愈复杂，结构体系更加多样化，所有这些都显示我国多高层建筑结构设计和施工技术水平有了很大的提高。一、多高层建筑结构的特点(1)从受力角度出发，多高层建筑结构的主要特点是：随着建筑层数的增高，建筑物承受的水平侧向荷载将逐渐成为结构设计的控制因素。一般结构通常同时承受垂直荷载、水平荷载(风荷载和地震作用)。在低层结构中，垂直荷载起控制作用，而水平荷载所产生的内力和位移都很小，一般可以忽略；在多高层结构中，水平荷载产生的内力和位移逐渐增大；随着建筑层数的增加，水平荷载的影响比垂直荷载的影响增加得快，因此在高层建筑中，风荷载和水平地震作用将成为控制因素。正确认识多高层建筑的这一特点，对设计好多高层建筑影响颇大，在高层建筑结构体系中，必须采用可靠的抗侧力结构体系来有效抵抗水平荷载的作用。(2)高层建筑对变形要求高。高层建筑在水平荷载作用下将会产生较大的侧向位移，如这种位移过大，势必将影响结构的强度、稳定性和建筑的使用条件。因此，对于高层建筑的水平位移必须加以限制，使其具有足够的建筑刚度。(3)从材料的应用及施工角度出发，多高层建筑结构宜选用轻质、高强的材料，并应采用更先进的施工技术和机具。(4)从设计角度出发，多高层建筑结构设计除计算设计、构造设计外，应特别重视“概念设计”。因为对高层建筑而言，一些复杂部位或不确定因素的作用是无法通过计算分析来进行设计的，这就需要通过概念设计的方法来解决问题，即正确确定建筑结构方案、进行合理的结构布置、选择对抗震有利的地段、选用整体性较好的基础形式等。多高层建筑结构的特点和结构类型在多高层建筑结构中，风荷载和水平地震作用所产生的侧向力成为其主要控制，因此多高层建筑结构设计的关键问题就是应设置合理形式的抗侧力构件及有效的抗侧力结构体系，使结构具有相应的刚度来抵抗侧向力。多高层建筑结构中基本的抗侧力单元是：框架、剪力墙、井筒、框筒及支撑。在确定高层建筑结构体系时应遵守以下原则：(1)应具有明确的计算简图和合理的水平地震作用传递途径。(2)应具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力。(3)应具有必要的强度和刚度、良好的变形能力和能量吸收能力，结构体系的抗震能力表现在强度、刚度和延性恰当地匹配。(4)具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。(5)宜选用有利于抗风作用的高层建筑体型；即选用风压较小的建筑体型形状。(6)高层建筑的开间、进深尺寸和选用的构件类型应减少规格，符合建筑模数。高层建筑的建筑平面宜选用风压较小的形状，并考虑邻近建筑对其风压分布的影响。二、多高层建筑结构的结构类型多高层建筑结构的特点和结构类型(7)高层建筑结构的平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心；平面长度L及结构平面外伸部分长度均不宜过长；竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑和内收使竖向刚度突变以致在一些楼层形成变形集中而最终导致严重的震害。多层建筑结构多采用砌体结构或框架结构，高层结构常采用的结构类型有如下几种。

1.框架结构体系由承担荷载的梁、柱构件组成的称为框架结构体系。框架结构的优点：建筑平面布置灵活，可以形成较大的空间，平、立面布置设计灵活多变(如图16.4所示)。多高层建筑结构的特点和结构类型图16.4框架结构体系典型平面图多高高层层建建筑筑结结构构的的特特点点和和结结构构类类型型框架架结结构构的的缺缺点点：：框框架架结结构构的的抗抗侧侧刚刚度度较较小小，，水水平平位位移移大大，，从从而而限限制制了了框框架架结结构构的的使使用用高高度度。。同同时时高高层层框框架架结结构构在在地地震震区区，，容容易易发发生生非非结结构构构构件件的的破破坏坏。。但但可可以以选选用用重重量量轻轻且且又又能能承承受受较较大大变变形形的的隔隔墙墙材材料料，，并并通通过过合合理理的的设设计计，，使使钢钢筋筋混混凝凝土土框框架架结结构构获获得得良良好好的的延延性性，，提提高高其其抗抗震震性性能能。。在高高度度不不大大的的高高层层建建筑筑中中，，框框架架结结构构体体系系是是一一种种较较好好的的体体系系。。在在我我国国目目前前的的情情况况下下，，框框架架结结构构以以建建造造15层以以下下为为宜宜。。2.剪力力墙墙结结构构体体系系由钢钢筋筋混混凝凝土土墙墙体体互互相相连连接接构构成成的的用用以以承承担担重重力力荷荷载载及及抵抵抗抗水水平平荷荷载载的的结结构构称称为为剪剪力力墙墙结结构构体体系系，，剪剪力力墙墙又又称称为为抗抗震震墙墙或或结结构构墙墙，，同同时时也也作作为为围围护护及及内内部部房房间间的的分分隔隔构构件件(如图图16.5所示示)。剪力力墙墙结结构构的的优优点点：：现现浇浇钢钢筋筋混混凝凝土土剪剪力力墙墙结结构构的的整整体体性性好好、、施施工工速速度度快快、、抗抗侧侧刚刚度度大大，，在在水水平平荷荷载载下下侧侧向向变变形形小小，，承承载载力力容容易易满满足足，，适适于于建建造造较较高高的的建建筑筑，，具具有有良良好好的的抗抗震震性性能能，，用用钢钢量量较较省省。。与与框框架架结结构构体体系系相相比比，，施施工工相相对对简简便便与与快快速速。。剪力力墙墙结结构构的的缺缺点点：：由由于于剪剪力力墙墙间间距距较较小小，，不不能能形形成成较较大大的的空空间间，，平平面面布布置置不不灵灵活活，，不不能能满满足足公公共共建建筑筑的的使使用用要要求求，，较较适适用用于于建建造造12～30层的的高高层层住住宅宅或或高高层层公公寓寓等等。。此此外外，，结结构构自自重重较较大大，，且且抗抗侧侧刚刚度度较较大大，，结结构构自自振振周周期期较较短短，，导导致致较较大大的的地地震震作作用用。。3.框架架-剪力力墙墙结结构构在框框架架结结构构体体系系中中的的一一定定位位置置，，设设置置一一定定数数量量的的剪剪力力墙墙，，使使框框架架和和剪剪力力墙墙两两者者结结合合起起来来，，共共同同抵抵抗抗水水平平荷荷载载，，称称为为框框架架-剪力力墙墙结结构构体体系系。。他他使使得得框框架架和和剪剪力力墙墙这这两两种种结结构构可可互互相相取取长长补补短短，，既既能能提提供供较较大大较较灵灵活活布布置置的的建建筑筑空空间间，，又又具具有有良良好好的的抗抗震震性性能能，，因因此此此此种种结结构构体体系系已已得得到到广广泛泛应应用用(如图图16.6所示示)。框架架-剪力力墙墙结结构构体体系系的的优优点点：：综综合合了了框框架架结结构构和和剪剪力力墙墙结结构构的的优优点点，，其其刚刚度度和和承承载载力力比比框框架架结结构构都都大大大大提提高高，，减减小小了了结结构构在在地地震震作作用用下下的的层层间间变变形形，，使使此此种种结结构构形形式式可可用用于于较较高高(10～20层)的高高层层建建筑筑。。图16.5剪力力墙墙结结构构平平面面布布置置多高高层层建建筑筑结结构构的的特特点点和和结结构构类类型型图16.6框架-剪力墙结结构平面面布置由于剪力力墙承担担了大部部分水平平力，是是主要的的抗侧力力单元，，因此在在剪力墙墙的布置置时，应应注意对对称、周周边、均均匀、分分散及上上下贯通通、水平平对齐的的原则。。过多增增加剪力力墙的数数量是不不经济的的，因此此，在一一般工程程中，以以满足位位移限制制作为设设置剪力力墙数量量的依据据。4.筒体结构构由剪力墙墙组成的的封闭墙墙体(允许开洞洞)称为筒体体。基本本形式有有三种：：框筒、、筒中筒筒及成束束筒(如图16.7所示)。解得图16.7筒体结构构的多种种形式多高层建建筑结构构的特点点和结构构类型筒体结构构的优点点：筒体体结构具具有空间间受力的的性能，，因此比比单片平平面结构构具有更更大的抗抗侧刚度度和承载载力以及及很好的的抗扭刚刚度。当当建筑物物的层数数多、高高度大、、抗震设设防烈度度高时，，采用前前几种结结构体系系往往难难以满足足要求，，此时就就可以采采用筒体体结构体体系。5.新型材料料和结构构体系随着高层层建筑的的迅速发发展，层层数越来来越高，，结构体体系越来来越新颖颖，建筑筑造型越越来越丰丰富多样样，因此此有限的的结构体体系已经经不能适适应新的的要求。。为了满满足当今今高层建建筑的要要求，必必须要求求设计者者在材料料和结构构体系上上不断地地创新。。1)建筑结构构“轻型型化”目前我国国高层建建筑采用用的普通通钢筋混混凝土材材料总的的来讲自自重偏大大，因此此减轻建建筑物的的自重是是非常有有必要的的。减轻轻自重有有利于减减小构件件截面，，节约建建筑材料料；有利利于减小小基础投投资；有有利于改改善结构构抗震性性能等。。我们除了了可以通通过选用用合理的的楼盖形形式、尽尽量减轻轻墙体的的重量等等措施外外，还可可以对承承重构件件采用轻轻质高强强的结构构材料。。如钢材材、轻骨骨料混凝凝土以及及高强混混凝土等等。2)柱网、开开间扩大大化为了使高高层建筑筑能充分分利用建建筑空间间、降低低造价，，我们应应从建筑筑和结构构两个方方面着手手扩大空空间利用用率。不不但从建建筑上布布置大柱柱网，而而且从结结构功能能出发，，尽量满满足大空空间的要要求。当当然，柱柱网、开开间的尺尺寸并不不是越大大越好，，而是以以满足建建筑使用用功能为为度，并并同时以以满足结结构承载载力与侧侧移控制制为原则则。多高层建建筑结构构的特点点和结构构类型3)结构转换换层集吃、住住、办公公、娱乐乐、购物物、停车车等为一一体的多多功能综综合性高高层建筑筑，已经经成为现现代高层层建筑的的一大趋趋势。其其结构特特点是：：下层部部分是大大柱网，，而较小小柱网多多设于中中、上层层部分。。由于不不同建筑筑使用功功能要求求不同的的空间划划分布置置，相应应地，要要求不同同的结构构形式之之间通过过合理地地转换过过渡，沿沿竖向组组合在一一起，就就成为多多功能综综合性高高层建筑筑结构体体系的关关键技术术。这对对高层建建筑结构构设计提提出了新新的问题题，需要要设置一一种称为为“转换换层”的的结构型型式，来来完成上上下不同同柱网、、不同开开间、不不同结构构形式的的转换，，这种转转换层广广泛应用用于剪力力墙结构构及框架架-剪力墙等等结构体体系中。。4)结构体系系巨型化化当前无论论国内、、国外，，高层建建筑的高高度大幅幅度增长长，趋势势是越来来越高，，面对这这种情况况，一般般传统的的三种结结构体系系框架、、剪力墙墙、框架架-剪力墙结结构体系系已经难难以满足足要求，，需要能能适应超超高、更更加经济济有效的的抗风、、抗震结结构体系系。近年年来，为为适应发发展需要要，在一一些超高高层建筑筑工程实实践中，，已成功功应用了了一些新新型的结结构体系系，如巨巨型框架架结构体体系、巨巨型支撑撑结构体体系等，，根据其其主要特特点，可可归结为为“结构构巨型化化”。5)型钢混凝凝土的应应用型钢混凝凝土结构构又称钢钢骨混凝凝土结构构。它是是指梁、、柱、墙墙等杆件件和构件件以型钢钢为骨架架，外包包钢筋混混凝土所所形成的的组合结结构。在在这种结结构体系系中，钢钢筋混凝凝土与型型钢形成成整体，，共同受受力；而而包裹在在型钢外外面的钢钢筋混凝凝土，不不仅在刚刚度和强强度上发发挥作用用，且可可以取代代型钢外外涂的防防锈和防防火材料料，使材材料更耐耐久(如图16.8所示)。多高层建建筑结构构的特点点和结构构类型随着我国国钢产量量迅速增增加，高高层建筑筑层数增增多，高高度加大大，要求求更为复复杂，加加之型钢钢混凝土土截面小小、重量量轻、抗抗震性能能好，因因而已从从局部应应用发展展到在多多个楼层层，甚至至整座建建筑的主主要结构构均采用用型钢混混凝土。。对于型型钢混凝凝土结构构，可供供选择的的结构体体系更加加广泛。。凡是适适用于全全钢结构构和混凝凝土与钢钢的混合合结构的的各种结结构体系系，均可可采用型型钢混凝凝土结构构。图16.8型钢混凝凝土梁断断面图多高层建建筑结构构的特点点和结构构类型多高层建建筑结构构体系的的总体布布置原则则本节重点点介绍多多高层建建筑结构构总体布布置的原原则和减减少侧移移的措施施。在进行高高层结构构设计时时，应注注重概念念设计的的重要性性，宜采采用规则则的结构构，不应应采用严严重不规规则的结结构。所谓规则则结构一一般指：：体型(平面和立立面)规则，结结构平面面布置均均匀、对对称并具具有较好好的抗扭扭刚度；；结构竖竖向布置置均匀，，结构的的刚度、、承载力力和质量量分布均均匀、无无突变。。《高规》中对高层层建筑的的结构体体系做了了如下要要求：(1)结构的竖竖向和水水平布置置宜具有有合理的的刚度和和承载力力分布，，避免因因局部突突变和扭扭转效应应而形成成薄弱部部位。(2)宜具有多道道抗震防线线。除此之外，，高层建筑筑结构体系系还应注意意以下方面面。1.结构平面形形状平面布置简简单、规则则、对齐、、对称，宜宜采用方形形、矩形、、圆形、Y形等有利于于抵抗水平平荷载的建建筑平面。。尤其对于于有抗震要要求的结构构，其平面面应力求简简单，对于于复杂、不不规则、不不对称的结结构会难于于计算和处处理，在拐拐角处往往往是应力比比较集中的的部位，因因此平面布布置不宜采采用角部重重叠的平面面图形或腰腰形平面图图形。且平平面长度不不宜过长，，突出部分分长度不宜宜过大(如图16.9所示)，其值应满满足表16-1的要求。图16.9建筑平面表16-1L、l的限值多高层建筑筑结构体系系的总体布布置原则综上所述，，无论是哪哪一种平面面，都应尽尽量用规则则、简单、、对称的形形状，尽量量减少复杂杂受力和扭扭转受力。。2.结构竖向布布置沿结构竖向向布置时应应注意结构构的刚度和和质量分布布均匀，不不要发生过过大的突变变。尽量避避免夹层、、错层和抽抽柱(墙)等现象，否否则对结构构的受力极极为不利。。对有抗震震设防要求求的高层建建筑，竖向向体型应力力求规则、、均匀，避避免有过大大的外挑和和内收，结结构的侧向向刚度宜下下大上小，，变化均匀匀。无论采用何何种结构体体系，结构构的平面和和竖向布置置都应使结结构具有合合理的刚度度和承载力力分布，避避免因局部部突变和扭扭转效应而而形成薄弱弱部位；对对可能出现现的薄弱部部位，在设设计中应采采取有效措措施，增强强其抗震能能力；宜具具有多道防防线，避免免因部分结结构或构件件的破坏而而导致整个个结构丧失失承受水平平风荷载、、地震作用用和重力荷荷载的能力力。3.控制结构高高宽比和最最大适用高高度高层建筑的的高宽比(H/B)不宜超过表表16-2(a)、表16-2(b)的限值，其其中指建筑筑物地面到到檐口高度度，为建筑筑物平面的的短方向总总宽。控制制高宽比的的目的是控控制结构刚刚度及侧向向位移。多高层建筑筑结构体系系的总体布布置原则多高层建筑筑结构体系系的总体布布置原则表16-2(a)A级高度高层层建筑结构构高宽比限限值表16-2(b)B级高度高层层建筑结构构高宽比限限值《高规》还给出了各各类现浇钢钢筋混凝土土结构的最最大适用高高度和抗震震墙的最大大间距。4.减少偏心结构的刚心心、质心尽尽可能地和和水平外力力合力的作作用点重合合，减少偏偏心，否则则应考虑其其扭转不利利影响，有有时甚至要要付出很高高的代价。。5.变形缝的合合理设置及及构造对于一般的多多层结构，考考虑到沉降、、温度收缩和和体型复杂对对房屋结构的的不利，常采采用沉降缝、、伸缩缝和防防震缝将房屋屋分成若干独独立的部分。。对于高层建筑筑结构，应尽尽量不设或少少设缝，目前前的趋势是避避免设缝，从从总体布置上上或构造上采采取一些相应应的措施来减减少沉降、温温度收缩和体体型复杂引起起的问题。如如优先采用平平面布置简单单、长度不大大的结构；体体型复杂时，，可以采取加加强结构整体体性的措施(加强连接板处处楼板配筋，，避免在连接接部位的楼板板内开洞等)。(1)当必须设缝时时，其伸缩缝缝、沉降缝均均应符合防震震缝宽度的要要求。《高规》规定，高层建建筑混凝土结结构，当必须须设置防震缝缝时，其最小小宽度应符合合下列要求：：①框架房屋屋，当高度不不超过15m时可采用70mm；当超过15m时，抗震设防防烈度为6、7、8度和9度时相应增加加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。多高层建筑结结构体系的总总体布置原则则②框架-剪力墙房屋的的防震缝宽度度可按第一款款最后数值的的70%，剪力墙房屋屋的防震缝宽宽可按第一款款最后数值的的50%，同时均不宜宜小于70mm。③防震缝两两侧结构体系系不同时，防防震缝宽度按按不利的体系系考虑，并按按较低高度计计算缝缝宽。④防震缝应应沿房屋全高高设置，地下下室、基础可可不设防震缝缝，但在防震震缝处应加强强构造和连接接。(2)在抗震设计时时，高层建筑筑宜调整平面面形状和结构构布置，避免免结构不规则则，这时可不不设防震缝。。当建筑物平平面形状复杂杂而又无法调调整其平面形形状和结构布布置使之成为为较规则的结结构时，宜设设置防震缝将将其划分为较较简单的几个个结构单元。。为以下情况况时宜设防震震缝(如图16.10所示)：①平面各项项尺寸超过表表16-1的限值而无加加强措施者。。②房屋有较较大错层者，，且楼面高差差较大处。③房屋各部部分结构的刚刚度、高度或或荷载相差悬悬殊而又未采采取有效措施施者。图16.10防震缝多高层建筑结结构体系的总总体布置原则则多高层建筑结结构的荷载本节重点介绍绍恒载、楼面面活载、风载载、水平地震震作用的选用用原则和计算算方法。多高层建筑上上的荷载作用用，主要有竖竖向荷载、水水平荷载；竖竖向荷载包括括永久荷载和和可变荷载等等，水平荷载载包括风荷载载和地震作用用等。(1)永久荷载：结结构自重，包包括结构的楼楼面板自重、、梁、柱自重重、剪力墙自自重；楼地面面粉刷、吊顶顶自重、屋面面找坡、防水水、保温层自自重以及填充充墙、门窗自自重。可根据据构件尺寸和和材料的重量量直接计算，，材料的自重重按《建筑结构荷载载规范》(GB50009——2001)采用。(2)可变荷载：包包括人员、家家具、设备等等各类使用荷荷载。我国规规范给出了适适合我国国情情的各类使用用性质的楼屋屋盖使用活荷荷载的标准值值。根据大量的工工程统计，采采用普通轻质质填充墙的各各类钢筋混凝凝土民用高层层建筑的总重重量按总建筑筑面积平均计计算，其范围围大致如下：：框架结构(0.9～1.2)t/m2，框剪结构(1.1～1.4)t/m2，框筒结构(1.3～1.5)t/m2，剪力墙结构构(1.4～1.7)t/m2。(3)风荷载：其大大小主要与所所处地区、风风速、气流密密度、建筑物物的高度、形形状以及地面面粗糙度等有有关。在高层层建筑中风是是主要荷载，，应予以重视视。(4)地震作用：设设计时主要考考虑水平地震震作用，按《建筑抗震设计计规范》简称《规范》，有时要考虑虑竖向地震作作用。永久荷载和可可变荷载统称称为重力荷载载，是多高层层建筑所承受受的长期发生生作用的基本本荷载，它直直接关系到建建筑物重量、、刚度、结构构截面尺寸、、地基基础、、地震作用及及建筑物安全全度。在设计计时，应尽量量采用轻质、、高强、隔声声、防火性能能好的建筑材材料以减轻建建筑物的自重重。一、风荷载1.风荷载的标准准值垂直作用在建建筑物表面单单位面积上的的风荷载标准准值可按下式式决定：多高层建筑结结构的荷载(16-1)式中，W0——基本风压值，，单位（KN/m2）；——高度处的风压压高度变化系系数；——风载体型系数数；——高度处的风振振系数。1)基本本风风压压基本本风风压压是是指指以以该该地地空空旷旷平平坦坦地地面面以以上上10m高度度处处统统计计所所得得在在规规定定重重现现期期内内10min平均均最最大大风风速速()为基基本本风风速速，，由由基基本本风风速速计计算算得得出出基基本本风风压压。。《建筑筑结结构构荷荷载载规规范范》(GB50009——2001)给出出了了中中国国全全国国各各地地基基本本风风压压分分布布图图。。可可按按此此图图查查取取，，但但不不得得小小于于。。2)风压压高高度度变变化化系系数数一一般般风风速速大大小小与与高高度度有有关关，，随随着着高高度度的的增增加加，，风风速速受受地地面面影影响响较较小小，，风风速速逐逐渐渐加加大大，，风风压压值值增增加加。。风风速速还还与与地地面面粗粗糙糙度度、、风风的的阻阻力力等等因因素素有有关关。。《建筑筑结结构构荷荷载载规规范范》(GB50009——2001)把地地面面粗粗糙糙度度分分为为四四类类。。A类：：指指近近海海海海面面和和海海岛岛、、海海岸岸、、湖湖岸岸及及沙沙漠漠地地区区；；B类：：指指田田野野、、乡乡村村、、丛丛林林、、丘丘陵陵以以及及房房屋屋比比较较稀稀疏疏的的乡乡镇镇和和城城市市郊郊区区；；C类：：指指有有密密集集建建筑筑物物的的大大城城市市市市区区；；D类：：指指有有密密集集建建筑筑群群且且房房屋屋较较高高的的城城市市市市区区。。表16-3给出出了了各各种种情情况况下下的的风风压压高高度度变变化化系系数数。。3)风载载体体型型系系数数风风载载体体型型系系数数是是指指实实际际风风压压与与平平均均风风压压的的比比值值，，反反映映作作用用于于建建筑筑物物表表面面的的风风压压分分布布规规律律。。其其大大小小主主要要与与建建筑筑物物的的体体型型、、尺尺寸寸等等几几何何性性质质有有关关，，高高层层建建筑筑的的体体型型变变化化大大且且复复杂杂，，一一般般都都通通过过实实测测或或风风洞洞模模拟拟试试验验得得到到。。在计计算算风风荷荷载载对对建建筑筑物物的的整整体体作作用用时时，，只只需需按按各各个个表表面面的的平平均均风风压压计计算算，，即即采采用用各各个个表表面面的的平平均均风风载载体体型型系系数数计计算算。。各各类类高高层层建建筑筑物物平平面面体体型型的的整整体体风风载载体体型型系系数数见见表表16-4。多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载表16-3风压压高高度度变变化化系系数数多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载离地面或海平面高度/m地面粗糙度类别ABCD510152030405060708090100150200250300350400≥4501.171.181.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620.620.730.840.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载表16-4风载载体体型型系系数数4)风振振系系数数《高层层规规程程》规定定，，风风振振系系数数可可按按下下式式计计算算：：表16-5结构构振振型型参参与与系系数数多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载(16-2)式中中，，———高度度处处的的风风压压高高度度变变化化系系数数；；———结构构振振型型参参与与系系数数，，可可由由结结构构动动力力学学计计算算得得出出，，可可查查表表16-5得到到；；———风压压脉脉动动增增大大系系数数，，按按表表16-6采用用；；———风压压脉脉动动影影响响系系数数，，按按表表16-7采用用。。表16-6风压压脉脉动动增增大大系系数数多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载6-7高层层建建筑筑的的风风压压脉脉动动影影响响系系数数多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载H/B粗糙度类别房屋总高度H/m30501001502002503003503.0ABCD0.530.510.480.430.510.500.490.460.490.490.490.490.450.450.480.490.420.430.460.480.380.400.430.460.380.400.430.460.360.380.410.455.0ABCD0.520.500.470.430.530.530.500.480.510.520.520.520.490.500.520.530.460.480.500.530.440.450.480.520.420.440.470.510.390.420.450.508.0ABCD0.530.510.480.430.540.530.510.480.530.540.540.540.510.520.530.530.480.500.520.550.460.490.520.550.430.460.500.510.420.440.480.532.总风风荷荷载载计算算总总风风荷荷载载，，是是建建筑筑物物各各表表面面承承受受风风力力的的合合力力，，沿沿建建筑筑物物高高度度变变化化的的线线荷荷载载。。迎迎风风面面积积取取垂垂直直于于风风向向的的最最大大投投影影面面积积，，z高度度处处的的总总风风荷荷载载标标准准值值可可按按下下式式计计算算：：多高高层层建建筑筑结结构构的的荷荷载载(16-3)式中中，，n————建筑筑物物外外围围表表面面数数，，每每一一个个平平面面作作为为一一个个表表面面；；———各个个表表面面的的宽宽度度；；———各个个表表面面的的平平均均风风载载体体型型系系数数；；———各个个表表面面法法线线与与风风作作用用方方向向的的夹夹角角。。计算算时时，，应应注注意意区区别别是是风风压压力力还还是是风风吸吸力力，，以以便便作作矢矢量量相相加加。。各表表面面风风荷荷载载的的合合力力作作用用点点，，即即总总风风荷荷载载作作用用点点。。二、、地震震作作用用地震震作作用用是是多多高高层层建建筑筑结结构构要要承承受受的的一一种种重重要要作作用用。。地震震时时由由于于地地震震波波的的作作用用产产生生地地面面运运动动，，通通过过房房屋屋基基础础影影响响上上部部结结构构，，使使结结构构产产生生强强迫迫振振动动。。它它的的大大小小量量级级取取决决于于地地面面振振动动的的强强烈烈程程度度即即地地震震基基本本烈烈度度、、建建筑筑物物所所在在场场地地类类别别(由场场地地土土剪剪切切波波速速和和覆覆盖盖层层厚厚度度确确定定)、建建筑筑物物场场地地与与震震中中距距离离的的远远近近(设计计分分组组)，以以及及建建筑筑结结构构自自身身的的质质量量、、周周期期、、振振型型、、阻阻尼尼等等动动力力特特性性。。由由于于它它是是间间接接施施加加在在结结构构上上，，故故称称为为地地震震作作用用而而不不称称为为荷荷载载，，结结构构的的地地震震反反应应包包括括速速度度、、加加速速度度和和位位移移反反应应。。水水平平传传播播的的地地震震波波使使结结构构产产生生水水平平振振动动，，竖竖向向传传播播的的地地震震波波使使房房屋屋产产生生竖竖向向振振动动，，设设计计中中主主要要考考虑虑水水平平地地震震作作用用。。建筑筑抗抗震震设设计计的的计计算算方方法法主主要要采采用用两两种种。。一一种种是是反反应应谱谱法法，，这这种种方方法法应应用用普普遍遍，，适适合合于于大大多多数数建建筑筑。。反反应应谱谱法法又又分分为为底底部部剪剪力力法法和和振振型型分分解解反反应应普普法法。。另一一种种方方法法是是时时程程分分析析法法，，属属于于直直接接动动力力法法。。这这种种方方法法适适用用于于特特别别重重要要、、特特别别不不规规则则的的建建筑筑及及超超高高层层建建筑筑。。高层层建建筑筑应应根根据据不不同同情情况况，，分分别别采采用用不不同同的的地地震震作作用用计计算算方方法法。。1.抗震设计的的基本要求求1)抗震设防烈烈度基本烈度是是指该地区区在未来50年设计基准准期内一般般场地条件件下可能遭遭遇超越概概率约为10%的地震烈度度。抗震设防烈烈度是按国国家规定的的权限批准准作为一个个地区抗震震设防依据据的地震烈烈度，一般般情况下可可采用基本本烈度。《规范》给出了中国国各地主要要城镇抗震震设防烈度度及其对应应的设计基基本地震加加速度值和和设计地震震分组。2)建筑抗震设设防分类和和设防标准准(1)《《规范》规定建筑应应根据其使使用功能的的重要性分分为甲类、、乙类、丙丙类、丁类类四个抗震震设防类别别。甲类建筑应应属于重大大建筑工程程和地震时时可能发生生严重次生生灾害的建建筑；乙类类建筑应属属于地震时时使用功能能不能中断断或需尽快快恢复的建建筑；丙类类建筑应属属于除甲乙乙丁类以外外的一般建建筑；丁类类建筑应属属于抗震次次要建筑。。多高层建筑筑结构的荷荷载多高层建筑筑结构的荷荷载(2)《《规范》规定了上述述四类建筑筑的抗震设设防标准应应符合下列列要求：甲类建筑地地震作用应应高于本地地区抗震设设防烈度的的要求，其其值应按批批准的地震震安全性评评价结果确确定。抗震措施：：当抗震设设防烈度为为6～8度时，应符符合本地区区抗震设防防烈度提高高一度的要要求；当为为9度时，应符符合比9度抗震设防防更高的要要求。乙类建筑地地震作用应应符合本地地区抗震设设防烈度的的要求。抗震措施：：当抗震设设防烈度为为6～8度时，应符符合本地区区抗震设防防烈度提高高一度的要要求；当为为9度时应符合合比9度抗震设防防更高的要要求；地基基基础的抗抗震措施应应符合有关关规定。对较小的乙乙类建筑，，当其结构构改用抗震震性能较好好的结构类类型时，应应允许仍按按本地区抗抗震设防烈烈度的要求求采取抗震震措施。丙类建筑地地震作用和和抗震措施施均应符合合本地区抗抗震设防烈烈度的要求求。丁类建筑地地震作用仍仍应符合本本地区抗震震设防烈度度的要求。。抗震措施应应允许比本本地区抗震震设防烈度度的要求适适当降低，，但抗震设设防烈度为为6度时不应降降低。抗震设防烈烈度为6度时，除有有具体规定定外，对乙乙、丙、丁丁类建筑可可不进行地地震作用计计算，但要要采取相应应的抗震构构造措施。。3)抗震设防目目标《建筑抗震设设计规范》(GB50011—2001)规定了三水水准的建筑筑抗震设防防目标。一般情况下下，遭遇第第一水准烈烈度(众值烈度，，低于该地地区抗震设设防烈度)时，即小震震时，建筑筑物处于正正常使用状状态，建筑筑一般不损损坏。从结结构抗震分分析角度，，可以视为为弹性体系系，采用弹弹性反应谱谱进行弹性性分析。遭遇第二水水准烈度(基本烈度)时，即中震震时，结构构进入非弹弹性工作阶阶段，但非非弹性变形形或结构体体系的损坏坏控制在可可修复的范范围，经修修理后仍可可使用。遭遇第三水水准烈度(预估的罕遇遇地震)时，即大震震时，结构构有较大的的非弹性变变形，但应应控制在规规定的范围围内以免倒倒塌。归纳起来就就是，“小小震不坏、、中震可修修、大震不不倒”。4)二阶段的设设计方法采用二阶段段设计实现现上述三个个水准的设设防目标。。第一阶段设设计是弹性性阶段计算算。除了在在确定结构构方案和结结构布置时时应考虑抗抗震要求外外，还要按按设防烈度度相应的多多遇地震(小震)进行结构分分析和地震震内力计算算及弹性位位移计算，，用极限状状态方法设设计截面配配筋，并按按延件要求求采取相应应的抗震措措施，使之之具有第二二水准的变变形能力，，从而实现现“小震不不坏”和““中震可修修”的目标标。第二阶段是是弹塑性验验算阶段。。对抗震要要求较高的的建筑结构构(如甲类建筑筑)，要用罕遇遇地震作用用计算易损损部位(薄弱层)的弹塑性侧侧移变形。。如果层间间变形不超超过允许值值，应采取取措施提高高薄弱层的的承载能力力，增加变变形能力，，加强抗震震构造措施施；若变形形超过允许许值，应重重新设计(修改第一阶阶段设计)，使薄弱层层的弹塑性性位移不超超过允许位位移，满足足“大震不不倒”的要要求。多高层建建筑结构构的荷载载多高层建建筑结构构的荷载载抗震设计计除应重重视抗震震计算及及抗震构构造外，，还应体体现概念念设计的的重要性性。由于于地震是是随机事事件对，，于建筑筑结构设设计时，，有一些些在计算算和规范范中都难难以作出出具体规规定的问问题，必必须由工工程师运运用“概概念”进进行分析析、作出出判断，，并结合合抗震计计算、构构造设计计，达到到抗震设设防目标标的要求求。建筑筑设计应应符合抗抗震概念念设计的的要求，，概念设设计是从从以往工工程结构构的震害害、抗震震理论和和设计经经验总结结出来的的，主要要包括：：场地的的选择、、建筑的的平立面面布置、、结构选选型和结结构布置置、增大大延性、、设置多多道抗震震防线和和确保结结构的整整体性等等。2.地震作用用的计算算原则多高层建建筑结构构应按下下列原则则考虑地地震作用用：(1)一般情况况下，应应允许在在建筑结结构的两两个主轴轴方向分分别计算算水平地地震作用用并进行行抗震验验算，各各方向的的水平地地震作用用应由该该方向抗抗侧力构构件承担担。(2)有斜交抗抗侧力构构件的结结构，当当相交角角度大于于15°时，应分分别计算算各抗侧侧力构件件方向的的水平地地震作用用。(3)质量和刚刚度分布布明显不不对称的的结构，，应计入入双向水水平地震震作用下下的扭转转影响；；其他情情况，应应允许采采用调整整地震作作用效应应的方法法计入扭扭转影响响。(4)设防烈度度为8、9度时的大大跨度和和长悬臂臂结构及及9度时的高高层建筑筑，应计计算竖向向地震作作用。计算地震震作用时时，建筑筑的重力力荷载代代表值应应取结构构和构配配件自重重标准值值和各可可变荷载载组合值值之和。。各可变变荷载的的组合值值系数应应按表16-8采用。表16-8组合值系系数多高层建建筑结构构的荷载载可变荷载种类组合值系数雪荷载0.5屋面积灰荷载0.5屋面活荷载不计入可变荷载种类组合值系数按实际情况计算的楼面活荷载1.0按等效均布荷载计算的楼面活荷载藏书库、档案库0.8其他民用建筑0.5吊车悬吊物重力硬钩吊车0.3软钩吊车不计入3.水平地震震作用的的计算方方法1)加速度反反应谱《建筑抗震震设计规规范》(GB50011—2001)给出了设设计用的的地震影影响系数数曲线，，它是由由强震地地面运动动加速度度反应谱谱平均化化、标准准化整理理后得出出。如图图16.11所示。图16.11地震影响响系数曲曲线多高层建建筑结构构的荷载载图中，α——水平地震震影响系系数；αmax——水平地震震影响系系数最大大值，见见表16-9所示；；T——结构自振振周期；；Tg——场地特征征周期，，见表16-10所示；η1———直线下降降段的下下降斜率率调整系系数；η2——阻尼调整整系数；；γ——衰减指数数。多高层建建筑结构构的荷载载表16-9水平地震震影响系系数最大大值地震影响6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震—0.50(0.72)0.90(1.20)1.40表16-10场地特征征周期(S)设计地震分组场地类别ⅠⅡⅢⅣ第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90多高层建建筑结构构的荷载载直线下降降段的下下降斜率率调整系系数η1按下式确确定：(16-4)若计算得得到的η1小于0时，应取取0。阻尼调整整系数η2按下式确确定：(16-5)若计算得得到的η2小于0.55时，应取取0.55。下降段的的衰减指指数γ按下式确确定：(16-6)式中，——阻尼比。。2)底部剪力力法计算算水平地地震作用用对多高层层建筑中中，高度度不超过过40m，以剪剪切变形形为主且且质量和和刚度沿沿高度分分布比较较均匀的的结构以以及近似似于单质质点体系系的结构构，可采采用底部部剪力法法计算水水平地震震作用，，其计算算结果安安全可靠靠。采用底部部剪力法法时，每每一楼层层可各取取为一个个质体，，结构的的水平地地震作用用标准值值的计算算简图如如图16.12所示。并应按下下列公式式确定：：多高层建建筑结构构的荷载载式中，——结构总水水平地震震作用标标准值；；——相应于结结构基本本自振周周期的水水平地震震影响系系数值，，多层砌砌体房屋屋、底部部框架和和多层内内框架砖砖房，宜宜取水平平地震影影响系数数最大值值；对于于钢筋混混凝土结结构，(16-7)(16-8)(16-9)图16.12结构水平平地震作作用计算算简图多高层建建筑结构构的荷载载Geq——结构等效效总重力力荷载，，单质点点应取总总重力荷荷载代表表值，多多质点可可取总重重力荷载载代表值值的85%，即；Fi——质点的水水平地震震作用标标准值，，沿高度度呈倒三三角形直直线分布布；Gi、Gj——分别为集集中于质质点、的的重力荷荷载代表表值；Hi、Hj——分别为质质点、的的计算高高度；δn——顶部附加加地震作作用系数数，多层层钢筋混混凝土和和钢结构构房屋可可按表16-11采用，多多层内框框架砖房房可采用用0.2，其他房房屋可采采用0.0；ΔFn——顶部附加加水平地地震作用用。表16-11顶部附加加地震作作用系数数结构基本本自振周周期T1可以采用用适合于于手算的的近似计计算方法法求得。。下面介绍绍一些常常用的近近似计算算方法：：①顶点位移移法。对于质质量和刚度沿沿高度分布比比较均匀的框框架结构、框框架-剪力墙结构和和剪力墙结构构，其基本自自振周期可按按下式计算：：多高层建筑结结构的荷载(16-10)式中，T1——结构的基本自自振周期，单单位为s；ΔT——计算结构基本本自振周期用用的结构顶点点假想位移，，即把集中在在各层楼面处处的重力荷荷载代表表值看作为作作用于层楼面面的假想水平平荷载，按弹弹性刚度计算算得到的结构构顶点位移，，单位为m；α0——考虑填充墙后后基本周期的的折减系数。。框架结构取取α0=0.6-0.7，框架-剪力墙结构取取α0=0.7-0.8，剪力墙结构构取α0=1.0。②经验公式式。高层钢筋筋混凝土剪力力墙结构，高高度为20m～50m，剪力墙间距距为3m～6m的住宅、旅馆馆等类建筑：：当横墙间距较较密时：多高层建筑结结构的荷载当横墙间距较较疏时：式中，n——建筑物层数；；H——建筑物总高度度；B——建筑物总宽度度。钢筋混凝土框框架、框架-剪力墙结构(16-11a)(16-11b)(16-12a)(16-12b)(16-13)(16-14a)(16-14b)多高层建筑结结构的荷载3)注意事项采用底部剪力力法时，突出出屋面的屋顶顶间、女儿墙墙、烟囱等的的地震作用效效应，宜乘以以增大系数3，此增大部分分不应往下传传递，但与该该突出部分相相连的构件应应予计入；采采用振型分解解法时，突出出屋面部分可可作为一个质质点。结构的楼层水水平地震剪力力应按下列原原则分配：现现浇和装配整整体式混凝土土楼、屋盖等等刚性楼盖建建筑，宜按抗抗侧力构件等等效刚度的比比例分配；木木楼盖、木屋屋盖等柔性楼楼盖建筑，宜宜按抗侧力构构件从属面积积上重力荷载载代表值的比比例分配；普普通的预制装装配式混凝土土楼、屋盖等等中性楼、屋屋盖的建筑，，可取上述两两种分配结果果的平均值。。4.截面抗震验算算(1)结构构件的地地震作用效应应和其他荷载载效应的基本本组合应按下下式计算:(16-15)式中，S——结构构件内力力组合的设计计值，如组合合的弯矩、轴轴向力和剪力力设计值；γG——重力荷载分项项系数，一般般情况应采用用1.2，当重力荷载载效应对构件件承载能力有有利时，不应应大于1.0；vEh、γEv——分别为水平、、竖向地震作作用分项系数数，应按表16-12采用；γW——风荷载分项系系数，应采用用1.4；SGE——重力荷载代表表值的效应，，有吊车时，，尚应包括悬悬吊物重力标标准值的效应应；SEhK——水平地震作用用标准值的效效应，尚应乘乘以相应的增增大系数或调调整系数；SEVK——竖向地震作用用标准值的效效应，尚应乘乘以相应的增增大系数或调调整系数；SWK——风荷载标准值值的效应；ФW——风荷载组合值值系数，一般般结构取0.0，风荷载起控控制作用的高高层建筑应采采用0.2。表16-12地震作用分项项系数多高层建筑结结构的荷载(2)结构构件的截截面抗震验算算应采用下列列设计表达式式:(16-16)式中，S——结构构件的内内力组合设计计值；γKE——承载力抗震调调整系数，除除另有规定外外应按表16-13采用；R——结构构件承载载力设计值。。多高层建筑结结构的荷载表16-13承载力抗震调调整系数5.抗震变形验算算1)多遇地震作用用下的抗震变变形验算表16-14所列各类结构构应进行多遇遇地震作用下下的抗震变形形验算，其楼楼层内的弹性性层间位移应应符合下式要要求：(16-17)多高层建筑结结构的荷载表16-14弹性层间位移移角限值式中，Δμe——多遇地震作用用标准值产生生的楼层内最最大的弹性层层间位移。计计算时除以弯弯曲变形为主主的高层建筑筑外，可不扣扣除结构整体体弯曲变形；；应计入扭转转变形；各作作用分项系数数均应采用1.0；钢筋混凝土土结构构件的的截面刚度可可采用弹性刚刚度；[θe]——弹性层间位移移角限值，按按《高规》相关规定取用用；h——计算楼层层高高。2)罕遇地震作用用下薄弱层的的弹塑性变形形验算下列结构应进进行弹塑性变变形验算：①设防烈度度为8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的的单层钢筋混混凝土柱厂房房的横向排架架；②7～9度时楼层屈服服强度系数小小于0.5的钢筋混凝土土框架结构；；③高度大于于150m的钢结构；④④甲类建筑和和9度时乙类建筑筑中的钢筋混混凝土结构和和钢结构；⑤⑤采用隔震和和消能减震设设计的结构。。结构薄弱层(部位)弹塑性层间位位移的应符合合下式为：多高层建筑结结构的荷载(16-18)式中，ηP——弹塑性位移增增大系数，按按规范采用。。结构薄弱层弹弹塑性层间位位移应符合下下式要求：(16-19)式中，[θP]——弹塑性层间位位移角限值，，按《高规》相关规定取用用。6.抗震等级和措措施结构在进行了了多遇地震(小震)作用下的承载载力及弹性变变形验算，以以及罕遇地震震作用下的弹弹塑性变形验验算后，还要要根据抗震等等级采取相应应的抗震构造造措施。高层建筑设计计时，要求结结构应具有良良好的延性性性能。即在设设防烈度(中震)下，允许某些些部位进入屈屈服状态，形形成塑性铰，，结构进入弹弹塑性阶段，，通过结构塑塑性变形来