3-荷载作用与结构设计原则演示教学

高层建筑结构主讲教师：陈道政教授第三章：高层建筑结构荷载作用和结构设计原则3.1恒荷载及楼面活荷载的计算3.2风荷载的计算3.3地震作用的计算3.4荷载效应组合3.5结构简化计算原则3.6高层结构的设计要求2024/9/262竖向荷载风荷载地震作用施工荷载由于材料体积变化受阻引起的作用地基不均匀沉降施加于结构层上的荷载和作用有：除了竖向荷载远大于低层建筑，水平荷载的影响也显著增加；抗风和抗震设计对高层建筑来说十分重要。高层建筑结构设计的特点：2024/9/263

3.1恒荷载及楼面活荷载的计算§3.1.2活荷载高层建筑结构的楼面活荷载应按《荷载规范》取用；规范中未规定的楼面均布活荷载按表3.1取值；表3-1规范中未规定的楼面均布活荷载项次类别标准值(kN／m2)准永久值系数(ψq)

荷载较大时按实际情况l酒吧间、舞厅、展销厅3.0—4.00.52屋顶花园4.0一5.00.83贮藏室5.0—8.00.84饭店厨房、洗衣房4.0—5.00.55健身房、娱乐室3.0一4.50.5施工荷载一般取1.0～1.5kN/m2；设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以规定的折减系数。2024/9/266§3.1.3高层建筑上竖向荷载的初估值表3-2

结构单位面积重力荷载估算表结构类型重力荷载(包括活荷载)kN/m2（每层）框架轻质填充墙机制砖填充墙10～1212～14框架-剪力墙轻质填充墙机制砖填充墙12～1414～16剪力墙、筒体混凝土墙体15～18在方案估算阶段，可参考表3-2提供的结构单位面积重量估算竖向荷载。2024/9/267

3.2风荷载的计算§3.2.1风荷载的特点(1)动力特性波动风压会在建筑物上产生一定的动力效应（用静荷载乘风振系数βz来考虑）。(2)不均匀性在计算整体作用时，取各个表面的平均风压；在计算局部表面的作用时，采用局部风载体型系数。(3)影响因素多近地风的性质、风速、风向有关；建筑物所在地的地貌及周围环境有关；建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力，即建筑物的风荷载。2024/9/269§3.2.2风荷载标准值及基本风压Wk——风荷载标准值（KN/m2）;w0——基本风压（KN/m2）；μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

βz——z高度处的风振系数。

wk=βzμzμsw02024/9/2610（1）基本风压值w0基本风压值w0

是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10min平均最大风速V0为标准；w0=

v02/2不得小于0.3KN/㎡；一般的高层建筑，用《荷载规范》中所给的w0

乘以1.1后使用；对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，需要考虑重现期为100年的强风；基本风压值不是风对建筑物表面的压力；荷载规范（GB50009-2001）》附录D可查出重现期为10年、50年、100年的w0值。§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2611（2）风荷载体形系数μs风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与基本风压w0的比值。它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关；当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建筑物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得出。§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2612—迎风面为压力(体型系数用“＋”号表示)；—侧风面及背风面为吸力(体型系数用“－”号表示)；—各面上的风压分布并不均匀(风压分布见图3-1)，采用各个表面的平均风载体型系数(高层建筑风载体型系数见表3-3)；—风压(吸)力方向都垂直于该表面；—计算风荷载对某个局部表面的作用时，采用局部风载体型系数—验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数：风荷载体型系数在取值时应注意以下几点：§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2613图3.1风压分布情况§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2614表3-3高层建筑风载体型系数§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2615（3）风压高度变化系数μz(1)与离地面或海平面高度及地面粗糙度类别有关。当与离地面高度为10米，且地面粗糙度类别为B类的μz为1.00。(2)地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：A类指近海海面和海岛、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类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。(3)位于山峰和山坡地的高层建筑物，其风压高度变化系数亦应考虑进行修正。(4)风压高度变化系数见下表3-4。§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2616表3-4风压高度变化系数μz离地面或海平面高度(m)

地面粗糙度类别离地面或海平面高度(m)

地面粗糙度类别A

B

C

D

A

BCD>45040035030025020015010090803.123.123.123.122.992.832.642.402.342.273.123.123.122.972.802.612.382.092.021.953.123.122.942.752.542.302.031.701.621.543.122.912.682.452.191.921.6l1.271.191.11706050403020151052.202.122.031.921.801.631.521.381.171.861.771.671.561.421.251.141.001.001.451.351.251.131.001.840.740.740.741.020.930.840.730.620.620.620.620.62注：对于山顶及山坡上的高层房屋，可采用从山麓算起的风压高度变化系数。§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2617通常把风作用的平均值看成稳定风压（平均风压），实际风压在平均风压上下波动；波动风压使建筑物在平均侧移附近振动（见图3-2）；对于高度大、刚度小的高层建筑，波动风压产生不看人忽略的动力效应；风振系数的计算公式如下：（4）风振系数βzφz

—振形系数ξ—震动增大系数（见教材表3.4）v—脉动影响系数（见教材表3.5）μz—风压高度变化系数§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2618图3.2平均风压与波动风压§3.2.2

风荷载标准值及基本风压2024/9/2619§3.2.3横风向风振当结构高宽比较大，结构顶点风速大于临界风速时，会引起明显的结构横风向振动；对于横风向振动作用明显的高层建筑，应考虑横风向风振的影响；横风向风振的计算范围、方法及顺风向与横风向效应的组合方法应符合《荷载规范》相关规定；考虑横风向风振影响时，结构主轴方向的侧位移应符合有关楼层层间最大位移与层高之比的要求。2024/9/2620概念：计算总体效应时考虑，是各个表面承受风力的合力，并且沿高度变化的分布荷载。计算式：ω=βzμzω0(μs1B1cosα1+μs2B2cosα2+…+μsnBncosαn)n——建筑物外围表面积数（每一个平面作为一个表面积）；B1,B2

,…,Bn——n个表面的宽度；

μs1,μs2,…,μs2——n个表面的风荷载体型系数；

α1,α2,…,αn

——n个表面法线与风作用方向的夹角作用点：各表面风荷载合力作用点，即为总风荷载作用点。§3.2.4总风荷载和局部风荷载总体效应：作用在建筑物上的全部风荷载使结构产生的内力及位移；局部效应：风荷载对建筑物某个部位产生的内力及变形。（1）总风荷载2024/9/2621概念：在某些风压较大的部位，要考虑局部风荷载对某些构件的作用；方法：局部增大体型系数；计算式：

迎风面：ωi=1.5βzμzω0

侧面：

ωc=﹣1.5βzμzω0

局部上浮风荷载：

ωi=2βzμzω0

（2）局部风荷载§3.2.4

总风荷载和局部风荷载2024/9/2622§3.2.5等效风荷载(1)主体建筑上的等效均布风荷载M0=p0H2/2=[W1h1h1/2+W2h2(h1+h2/2)+…+Wihi(h1+h2+…+hi-1+hi/2)+…]图3.3等效均布风荷载2024/9/2623(2)小塔楼上的风荷载图3.4小塔楼上风荷载的简化突出屋面的楼（电）梯间、水箱、女儿墙等的风荷载，按对主体结构顶部位移相等的原则，简化为作用在主体结构顶部的集中力P。§3.2.5

等效风荷载2024/9/2624经简化后，作用在高层建筑上的风荷载，结构分析时可只取主体结构参与计算。图3.5等效集中荷载示意图小塔楼上风荷载的简化△P=P2H3/(3EI)

；△m1=m1H2/(2EI)；令△P=△m1，得：

P2=3m1/(2H)=3P1hn+1/(4H)P=P1+P2=P1+3P1hn+1/(4H)=P1[1+3hn+1/(4H)]=Wn+1hn+1[1+3hn+1/(4H)]§3.2.5

等效风荷载2024/9/2625图3.6塔楼风荷载示意图2024/9/2626§3.2.6关于风洞实验(1)风荷载对高层建筑的影响(2)宜按风洞试验确定风荷载的建筑物(3)风洞试验的模型2024/9/2627作业

3.3地震作用的计算§3.3.1一般计算原则高层建筑的分类：甲类、乙类、丙类。设计原则：

一般可两个方向单独计算明显不对称：双向并考虑扭转必要时考虑竖向地震影响（8、9度大跨与长悬臂，9度区的高层）计算方法：底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法。地震影响系数曲线：如下图3.7。水平地震影响系数最大值αmax：见表3-4。特征周期：表3-5。2024/9/2630设防8烈度6度7度8度9度多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32设防地震0.120.23（0.34）0.45（0.6）0.90罕遇地震0.280.50（0.72）0.90（1.20）1.40§3.3.1

一般计算原则表3-4水平地震影响系数最大值αmax

括号内为设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

场地类别地震分组Ⅰ1Ⅰ2ⅡⅢⅣ第一组0.200.250.350.450.65第二组0.250.300.400.550.75第三组0.300.350.450.650.90表3-5特征周期Tg（s）2024/9/2631α—地震影响系数；γ—衰减指数；η1—下降斜率调整系数；η2—阻尼调整系数。图3.7地震影响系数曲线2024/9/2632曲线下降段的衰减指数：下降斜率调整系数：阻尼调整系数：§3.3.1

一般计算原则2024/9/2633§3.3.2水平地震作用底部剪力法2024/9/2634j振型在i质点水平地震作用标准值：振型参与系数：总效应：

振型分解反应谱法§3.3.2水平地震作用

αj:j振型自振周期的影响系数；Xji:j振型i质点的水平相对位移;γj:j振型的参与系数。S:水平地震作用总效应；Sj:j振型的水平地震效应。2024/9/2635j振型i层水平地震作用标准值：单向水平地震作用下：双向水平地震作用下，取一下较大值：扭转耦联振型分解法§3.3.2水平地震作用

φji—j振型i层的相对扭转角；γj—考虑扭转j振型参与系数；θ—地震作用与x轴方向的夹角。S—考虑扭转的地震作用标准值效应；Sj、Sk—j、k振型地震作用标准值效应；ρjk—j振型与k振型的耦联系数；λT—k振型与j振型的自振周期比；ζj、ζk—分别为j、k振型阻尼比。2024/9/2636塔楼水平地震作用：侧向刚度K：V—层剪力

Δu—楼层层间位移§3.3.3突出屋面上塔楼的地震力βn—第n层的地震作用增大系数2024/9/2637结构总竖向地震作用标准值：结构质点i的竖向地震作用标准值：§3.3.4竖向地震作用的计算αvmax—结构竖向地震影响系数最大值Hi—质点i的计算高度2024/9/2638

3.4荷载效应组合§3.4.1荷载效应和地震作用效应的组合方式设计要求竖向荷载风荷载水平地震作用竖向地震作用非抗震设计√√抗震设计6~8度√√√9度√√√√荷载类型：竖向荷载、风荷载、水平地震作用、竖向地震作用表3-4

设计中考虑的荷载和地震作用表注：当建筑高度超过60m时，才同时考虑风与地震的效应。“√”表示参与效应组合2024/9/2640§3.4.2非抗震设计师的组合Sd—荷载效应组合设计值；γG—永久荷载分项系数；γQ—楼面活荷载分项系数；γw—风荷载分项系数；γL—考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，50年时取1.0，100年时取1.1；SGk—永久荷载效应标准值；SQk—楼面活荷载效应标准值；SWk—风荷载效应标准值；ψQ、ψw—分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数。2024/9/2641§3.4.3抗震设计时的组合S

—荷载效应和地震效应组合的设计值；SGE—重力荷载代表值效应；SEhk—水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk—竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；γG—重力荷载分项系数；γw—风荷载荷载分项系数；γEh—水平地震作用分项系数；γEv—竖向地震作用分项系数；ψw—风荷载的组合系数，应取0.2。各分项系数取值按表3-5采用。2024/9/2642表3-5有地震作用效应组合时荷载和作用分项系数所考虑的组合γGγEhγEv

γw说明重力荷载及水平地震作1.21.3——重力荷载及竖向地震作用用1.2—1.3—9度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7、8、9度抗震设计时考虑重力荷载、水平地震及竖向地震作用1.21.30.5—9度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7、8、9度抗震设计时考虑重力荷载、水平地震作用及风荷载1.21.3—1.460m以上的高层建筑考虑重力荷载、水平地震作用、竖向地震作用及风荷载1.21.30.51.460m以上的高层建筑，9度抗震设计时考虑；水平长悬臂和大跨度结构7、8、9度抗震设计时考虑1.20.51.31.4水平长悬臂和大跨度结构7、8、9度抗震设计时考虑注：当重力荷载对结构承载力有效时，表中γG不应大于1.02024/9/2643

3.5结构简化原则§3.5.1弹性工作状态从结构整体来说，高层建筑结构的内力和位移按弹性方法计算；对于某些局部构件，在某些情况下考虑局部构件的塑性变形内里重分布，对内力适当予以调整；对于汉语地震的第二阶段设计，绝大多说构件不进行内力和位移计算，通过构造要求予以保证；（已经入弹塑性阶段）2024/9/2645在底层建筑设计中，常将整个结构划分为若干平面结构，按间距分配荷载，进行独立分析；高层建筑结构在风力和地震作用下，水平力不能简单的按受荷面积、构件间距分配；在不考虑扭转影响时，同层各构件水平位移相同，剪力墙构件中各片墙的水平力大致按其等效刚度分配；框架结构中的各篇框架的水平力大致按其抗侧刚度分配；框架-剪力墙和筒体结构受力较复杂，进行专门的计算。§3.5.2高层建筑结构应考虑整体共同工作2024/9/2646§3.5.3楼板在自身平面内的刚度为无限大，平面外的刚度可以不考虑在内力和位移计算中，楼板一般可作为刚性隔板，在平面内只有刚体位移——平移和转动，不改变形状；对于保证楼板刚度无限大的要求，现浇楼面可以满足，框架-剪力墙结构采用装配式楼面时，必须加现浇面层；在下列情况下，楼板刚度无限大不适用：

（1）楼面内有很大的开洞或缺口，宽度削弱；

（2）楼面有较长的外伸段；

（3）底层大空间剪力墙结构的转换层楼面；

（4）楼面整体性较差。在无梁楼盖中，楼板的平面外刚度作为等效框架梁的刚度2024/9/2647§3.5.4在计算中应考虑墙与柱子轴向