高层建筑结构设计理论 第3章 荷载作用与结构计算分析

第3章荷载作用与结构计算分析

高层建筑结构在设计使用年限以内可能承受的主要作用有荷载和其他非荷载因素。荷载可以分为恒载和活荷载，活荷载又可以分为楼面活荷载、屋面活荷载、雪荷载和风荷载。非荷载因素主要有地震作用、温度作用和混凝土的收缩、徐变等高层建筑结构的主要作用3.1竖向荷载

恒载恒载包括结构构件(梁、板、柱、墙、支撑)和非结构构件(抹灰、饰面材料、填充墙、吊顶等)的重量。这些重量的大小不随时间而改变，又称为永久荷载。楼面活荷载高层建筑以民用为主。对于民用建筑楼面均布活荷载标准值，可根据调查统计而得。我国《建筑结构荷载规范》(GB50009--2001)规定的民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数。雪荷载

雪荷载屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：3.2风荷载风对高层建筑结构作用的特点

由于气压变化引起大气运动，形成风。风对高层建筑结构的作用具有如下特点：

1.风力作用与建筑物的外形直接有关，圆形与正多边形受到风力较小，对抗风有利；相反，平面凹凸多变的复杂建筑物受到的风力较大，而且容易产生风力扭转作用，对抗风不利。

2.风力受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。例如，由于不对称遮挡而使风力偏心产生扭转；相邻建筑物之间的狭缝风力增大，使建筑物产生扭转等等。在这些情况下要适当加大安全度。

3.风力作用具有静力作用与动力作用两重性质。

4.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。

5.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荷载。但对建筑物的作用期间出现较大风力的次数较多。

6.由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，对风力大小的估计要比地震作用大小的估计较为可靠，因而抗风设计也具有较大的可靠性。单位面积风荷载标准值(1)当计算主要承重结构时

(2)当计算围护结构时基本风压

作用在建筑物上的风压力与风速有关，可表示为：风压高度变化系数

风荷载体型系数风力在建筑物表面上分布是很不均匀的，一般取决于其平面形状、立面体型和房屋高宽比。通常，在迎风面上产生风压力，侧风面和背风面产生风吸力(图3-7)。用体型系数来表示不同体型建筑物表面风力的大小。体型系数通常由建筑物的风压现场实测或由建筑物模型的风洞试验求得。风振系数

高层建筑结构当高度大于30m、高宽比大于l.5时，可按下式计算：舒适度对风振加速度的限制

风荷载换算风荷载换算图

倒三角形荷载最大值qk为也可以将主体结构上楼面处的集中风荷载全部换算成倒三角形荷载，则地震作用

地震作用

地震的基本知识

1.地震、震源、震中和震中距

2.地震波、震级和地震烈度

高层建筑结构的抗震设防

1.高层建筑抗震设防分类

2.高层建筑的设防标准

3.高层建筑的抗震设防目标

高层建筑抗震设防分类(1)甲类建筑甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。这类建筑应根据具体情况，按国家规定的审批权限审批后确定。甲类建筑应采取专门的设计方法，例如：对建筑物的不同使用要求规定专门的设防标准；采用地震危险性分析提出专门的地震动参数；采取规范以外的特殊抗震方案、抗震措施和抗震验算方法等。

(2)乙类建筑乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需要尽快恢复的建筑，例如：救护、医疗、广播、通讯等，但不是所有这类型的高层建筑均列人乙类，应根据城市防灾规划确定，或由有关部门批准确定。由于其重要性，乙类建筑要提高抗震措施的要求。属于乙类建筑有以下高层建筑物：

1)对国内、外广播的广播电台、电视台和节目传输中心、电视发射中心。通常指国家级、省和直辖市级的广播电视中心；2)城市和长途通讯枢纽；重要的市电话局；国际无线电台；3)有200床位以上的医院病房楼、门诊楼。(3)丙类建筑高层建筑的设防标准

各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求：

(1)甲类建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。当建筑场地为l类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。

(2)乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。当建筑场地为l类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。

(3)丙类建筑：应符合本地区抗震设防烈度的要求。当建筑场地为工类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低1度的要求采取抗震构造措施。

(4)丁类建筑，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。高层建筑的抗震设防目标

我国《建筑抗震设计规范》对建筑结构采用“三水准、二阶段”方法作为抗震设防目标，其要求是：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。三水准的内容是：第一水准：高层建筑在其使用期间，对遭遇频率较高、强度较低的地震时，建筑不损坏，不需要修理，结构应处于弹性状态，可以假定服从线性弹性理论，用弹性反应谱进行地震作用计算，按承载力要求进行截面设计，并控制结构弹性变形符合要求。第二水准：建筑物在基本烈度的地震作用下，允许结构达到或超过屈服极限(钢筋混凝土结构会产生裂缝)，产生弹塑性变形，依靠结构的塑性耗能能力，使结构稳定地保存下来，经过修复还可使用。此时，结构抗震设计应按变形要求进行。第三水准：在预先估计到的罕遇地震作用下，结构进入弹塑性大变形状态，部分产生破坏，但应防止结构倒塌，以避免危及生命安全。这一阶段应考虑防倒塌的设计。

从三个水准的地震出现的频度来看，第一水准，即多遇地震，约50年一遇；第二水准，即基本烈度设防地震，约475年一遇；第三水准，即罕遇地震，约为2000年一遇的强烈地震。二阶段抗震设计是对三水准抗震设计思想的具体实施。通过二阶段设计中第一阶段对构件截面承载力验算和第二阶段对弹塑性变形验算，并与概念设计和构造措施相结合，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求。

三个水准下的烈度

水平地震作用计算

高层建筑结构应根据不同情况，分别采用相应的地震作用计算方法：

(1)高度不超过40m，以剪切变形为主且质量与刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。框架、框架一剪力墙结构是比较典型的以剪切变形为主的结构。由于底部剪力法比较简单，可以手箅，是一种近似计算方法，也是方案设计和初步设计阶段进行方案估算的方法，在设计中广泛应用。

(2)除上述情况外，高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。振型分解反应谱法是高层建筑结构地震作用分析的基本方法。几乎所有高层建筑结构设计程序都采用了这一方法。

(3)7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况宜用时程分析法进行补充计算：

——甲类高层建筑结构；

——表3-23所列属于乙、丙类的高层建筑结构；

——竖向不规则的高层建筑结构；

——复杂高层建筑结构；

——质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。底部剪力法

按照反应谱理论，地震作用的大小与重力荷载代表值的大小成正比：

结构总水平地震作用标准值应按下列公式计算：地震影响系数曲线

底部剪力法计算示意图

质点i的水平地震作用标准值计算主体结构顶层附加水平地震作用标准值振型分解反应谱法

结构第j振型i质点的水平地震作用的标准值应按下式确定水平地震作用效应(内力和位移)应按下式计算：

考虑扭转影响的结构，各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角位移共三个自由度，按下列振型分解法计算地震作用和作用效应。确有依据时，尚可采用简化计算方法确定地震作用效应。

第j振型i层的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：当仅考虑x方向地震作用时：当仅考虑y方向地震作用时：单向水平地震作用下，考虑扭转的地震作用效应，应按下列公式确定：考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应，应按下列公式中的较大值确定：或时程分析法

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：

(1)甲类高层建筑结构；

(2)表3-23所列的乙类和丙类高层建筑结构；

(3)不满足下列各条规定的高层建筑结构：

1)抗震设计的高层建筑结构，其楼层的侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。

2)A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80％，不应小于其上一层受剪承载力的65％；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75％。

3)抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

4)抗震设计时，当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度Hl与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸Bl不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍；当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸Bl的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。

(4)复杂高层建筑结构；

(5)质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。地震波选取原则时程分析计算时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程血线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65％，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80％；地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的3～4倍，也不宜少于12s，地震波的时间间距可取0.0ls或0.02s；输入地震加速度的最大值，可按表3.32采用；结构地震作用效应可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果两者中的较大值。各楼层最小地震剪力

水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求：竖向地震作用计算

规程JGJ3—2002规定，下列情况应考虑竖向地震作用计算或影响：

1)9度抗震设防的高层建筑；

2)8度抗震设防的大跨度或长悬臂结构；

3)8度抗震设防的带转换层结构的转换构件；

4)8度抗震设防的连体结构的连接体。所谓大跨度和长悬臂结构，是指结构转换层中的转换构件、跨度大于24m的楼盖或屋盖、悬挑大于2m的水平悬臂构件等，这些结构构件在8度和9度抗震设防时竖向地震作用的影响比较明显，设计中应予考虑。