第3章-高层建筑结构的荷载作用及其效应组合

高层建筑结构

—第3章高层建筑结构的荷载

作用及其效应组合

主讲卓博华闽南理工学院（土木工程专业）

3.1

竖向荷载3.2风荷载3.3地震作用23.4温度作用第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.5荷载效应组合3.1竖向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。1）竖向荷载2）水平荷载恒荷载活荷载风荷载地震作用第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.1.1恒荷载

恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件及其装修的设计尺寸和材料单位体积或面积的自重计算确定。材料容重可从《荷载规范》查取；固定设备由相关专业提供。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.1.2活荷载1、楼面活载

1）高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》的规定取用。

2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，楼面活荷载的折减可在构件内力组合时取用。2、屋面活载

1）屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》的规定取用。

2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载。3、施工活荷载施工活荷载一般取

1.0~1.5kN/m2。

对高层建筑结构，计算活荷载产生的内力时，可不考虑活荷载的最不利布置。为简化，可按活荷载满布进行计算，然后将求得的梁跨中截面和支座截面弯矩乘以

1.1~1.3的放大系数。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.1.3屋面雪荷载

（1）屋面水平投影面上的雪荷载标准值：

S0为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定。按《荷载规范》取用；μr为屋面积雪分布系数，可按《荷载规范》取用。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.2风荷载第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合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。—高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载3.2风荷载第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合风的大小与（1）近地风的性质、风速、风向有关（2）建筑物所在地的地藐及周围环境（3）建筑本身的高度、形状以及表面状况有关3.2.1风荷载的特点风荷载的特点:风力作用与建筑物外形有直接关系，圆形与正方形受到的风力较合理风力受到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风力作用具有静力、动力两重性质。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。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合风荷载的特点: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，但建筑物的使用期限出现较大风力的次数较多。由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，所以风力大小的估计比地震作用大小的估计较为可靠。而且抗风设计具有较大的可靠性。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.2.2风荷载的计算3.2.2风荷载的计算第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合1）风荷载标准值房屋高度大于200m时宜采用风洞试验来确定建筑物的风荷载；房屋高度大于150m，有下列情况之一时，宜采用风洞试验确定建筑物的风荷载：①平面形状不规则，立面形状复杂；②立面开洞或连体建筑；③周围地形和环境较复杂。(1)基本风压ω0

以空旷平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大风速v0计算。重现期(年)5050100重庆基本风压0.250.400.45北京基本风压0.300.450.50上海基本风压0.400.550.60成都基本风压0.200.300.35第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合（2）风压高度变化系数风压高度变化系数应该根据地面粗糙度类别确定地面粗糙度分类：A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类：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：有密集建筑群的城市市区；D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区；第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合地面粗糙度分类第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合（3）风荷载体型系数

第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合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。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合③风压分布系数——风压与体型的关系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。

④计算：在计算风荷载对建筑物的整体作用时，只需按各个表面的平均风压计算，即采用各个表面的平均风荷载体型系数计算。

⑤风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验

例:+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2当表面粗糙时取μs=0.8第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合（4）风振系数

平均风压与波动风压图稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影响大。风分为平均风（即稳定风）和脉动风（常称阵风脉动）平均风——静力脉动风——动力第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合风的动力效应：

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。第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.2.2风荷载的计算第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合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。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。

z高度处的总风荷载标准值按下式计算：第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合3.3地震作用的计算第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合12层钢筋混凝土住宅和商务大楼，自楼梯间相接处分裂，东侧楼6层以下全部塌陷，并向东侧倒在邻房4层楼公寓上。西侧楼5层以下全部倒塌，并向西倾倒在另一栋大楼上，柱间距介于8米到10米，且柱子数量偏少。3.3地震作用地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动。地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次；7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是

8.9级，发生于1960年5月22日的智利地震。什么是地震？第3章高层建筑结构的荷载作用及其效应组合a.地震成因分类---包括构造地震、火山地震、陷落地震1.构造地震破坏性地震主要属于构造地震，约占世界地震总数的90%以上。

92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部地震天然地震人工地震3.3.1基本概念与一般计算原则1）基本概念2.火山地震由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，只占世界地震的7%左右。

1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。

3.陷落地震由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。

3.3.1基本概念与一般计算原则4.人工地震因人为因素直接造成的地震是人工地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。b.按震源深浅分类浅源地震——震源深度小于60千米的称为浅源地震，占85%以上。中源地震——震源深度在60至300千米的称为中源地震。深源地震——震源深度在300千米以上的称为深源地震。浅源地震波及范围小，但破坏力大；深源地震波及范围大，但破坏力小。2002年6月29日晨1：20发生于吉林7.2级地震，震源深度540km，无破坏。目前有记录的最深震源达720公里。1960年2月29日发生于摩洛哥艾加迪尔城的5.8级地震，深度为3km。震中破坏极为严重，但破坏仅局限在震中8km内。3.3.1基本概念与一般计算原则地球内部发生地震的地方叫震源；震源在地面上的投影点称为震中；震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区；从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。c.震源震中震中距

3.3.1基本概念与一般计算原则地震震级：能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。反映一次地震本身大小的等级，用M表示式中A表示标准地震仪距震中100km纪录的最大水平地动位移，单位为微米。震级与能量的关系：一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。

d.地震震级3.3.1基本概念与一般计算原则按震级的地震分类微震---2级以下。人感觉不到有感地震---2-4级人有感觉破坏性地震---5级以上有破坏强烈地震---7级以上有破坏特大地震---8级以上有破坏由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成的破坏也不同。震级大，破坏力不一定大；震级小，破坏力不一定就小。3.3.1基本概念与一般计算原则e.地震烈度一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度。烈度:3.3.1基本概念与一般计算原则无感

1室内个别静止中的人感觉

2悬挂物微动门、窗轻微作响室内少数静止中的人感觉

3悬挂物明显摆动，器皿作响门、窗作响室内多数人感觉。室外少数人感觉。少数人梦中惊醒

43（2-4）31（22-44）不稳定器物翻倒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落。抹灰出现微细裂缝室内普遍感觉。室外多数人感觉。多数人梦中惊醒

56（5-9）63（45-89）河岸和松软土出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝掉头损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝惊惶失措，仓皇逃出

613（10-18）125（90-177）河岸出现坍方。饱和砂层常见喷砂冒水。松软土上地裂缝较多。大多数砖烟囱中等破坏轻度破坏——局部破坏开裂，但不妨碍使用大多数人仓皇逃出

725（19-35）250（178-353）干硬土上亦有裂缝。大多数砖烟囱严重破坏中等破坏——结构受损，需要修理摇晃颠簸，行走困难

850（36-71）500（354-707）干硬土上有许多地方出现裂缝，基岩上可能出现裂缝。滑坡、坍方常见。砖烟囱出现倒塌严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌，修复困难坐立不稳。行动的人可能摔跤

9100（72-141）1000（708-1414）山崩和地震断裂出现。基岩上的拱桥破坏。大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁倒塌——大部倒塌，不堪修复骑自行车的人会摔倒。处不稳状态的人会摔出几尺远。有抛起感

10地震断裂延续很长。山崩常见。基岩上的拱桥毁坏毁灭11地面剧烈变化，山河改观12速度加速度

其它现象

一般房屋

人的感觉烈度基本烈度一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的，具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。各地区的基本烈度由《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)确定。3.3.1基本概念与一般计算原则一般情况下，可采用《中国地震动参数区划图》中的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度进行抗震设防。设防烈度的取值依据：规定规范规定：抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计多遇烈度

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。也称为常遇烈度、小震烈度，用Is表示。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。3.3.1基本概念与一般计算原则设计地震分组是新规范新提出的概念，用以代替旧规范设计近震、设计远震的概念。在宏观烈度大体相同条件下，处于大震级远离震中的高耸建筑物的震害比中小级震级近震中距的情况严重的多。设计地震分三组对于Ⅱ类场地，第一、二、三组的设计特征周期分别为：0.35s、0.40s、0.45s.6度近震6度远震7度近震7度远震设计地震分组3.3.1基本概念与一般计算原则2）“三水准”抗震设防目标与“两阶段”抗震设计方法抗震设防：是对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震措施，以达到结构抗震的效果和目的。抗震设防的目标：(三水准)

“小震不坏，中震可修，大震不倒”超越概率：在一定时期内，工程场地可能遭遇大于或等于给定的地震烈度值或地震动参数值的概率。重现期：在同一地区内某一震级地震重复发生所需要的时间间隔。3.3.1基本概念与一般计算原则抗震设计三水准：

第三水准：大震不倒，50年超越概率为2～3%，地震烈度比基本烈度高，重现期2000年（宜通过概念设计与构造措施达到具有多道防线）

第二水准：中震可修，50年超越概率为10%，地震烈度等于基本烈度高，重现期475年，规范以此定义基本烈度；第一水准：小震不坏，50年超越概率为63%，地震烈度低于基本烈度一度半，重现期50年。

3.3.1基本概念与一般计算原则3.3.1基本概念与一般计算原则

1.在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震的影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。（此时建筑物基本上处于弹性阶段,小震）2.在遭受本地区规定的设防烈度的地震的影响时，建筑物（包括结构和非结构部分）可能有一定损坏，但不至危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理仍可继续使用。（此时建筑物进入弹塑性阶段，中震）3.在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震的影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。（此时建筑物将产生严重破坏但不至于倒塌，大震）3.3.1基本概念与一般计算原则二阶段设计法

第一阶段设计：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一、二水准的要求。然后通过概念设计和构造措施来满足第三水准的要求。

第二阶段设计：对于有特殊要求的建筑和地震时容易倒塌的结构，按大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准的要求。3.3.1基本概念与一般计算原则建筑物的抗震设防类别:建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类和丁类四个抗震设防类别。甲类建筑（特殊设防类）：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，乙类建筑（重点设防类）：应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，包括未成年人学校、医院。丙类建筑（标准设防类）：应属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑，丁类建筑（适度设防类）：应属于抗震次要建筑。3.3.1基本概念与一般计算原则3.3.1基本概念与一般计算原则3）地震作用的计算方法地震区的高层建筑一般应进行抗震设防。6度设防时一般不必计算地震作用，只须采取必要的抗震措施，7~9度设防时，要计算地震的作用，10度及以上地区要进行专门研究。地震作用的计算方法:A、底部剪力法:B、振型分解反应谱法C、时程分析法

根据已有的大量地震地面运动的记录，再运用结构动力学中弹性振动理论，通过计算结构的地震反应来确定地震作用。4）反应谱理论（将计算结果以地震反应随结构自振周期的变化规律曲线的方式表达，供设计时查用。有最大加速度反应谱、最大速度反应谱、最大位移反应谱等。）3.3.1基本概念与一般计算原则速度反应谱加速度反应谱位移反应谱场地影响3.3.1基本概念与一般计算原则标准化抗震设计反应谱（标准反应谱）地震是随机的，每一次地震的加速度时程曲线都不相同，则加速度反应谱也不相同。抗震设计时，无法预计将发生地震的时程曲线。用于设计的反应谱应该是一个典型的具有共性的可以表达的一个谱线。3.3.1基本概念与一般计算原则地震影响系数曲线反应谱的特征

1.加速度反应随结构自振周期增大而减小。

2.位移随周期增大而增大。

3.阻尼比的增大使地震反应减小。

4.场地的影响，软弱的场地使地震反应的峰值范围加大。3.3.1基本概念与一般计算原则规范中的设计反应谱（1）反应谱是α-T关系谱，实质是加速度谱。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（2）α为一无量纲系数，T的量纲为秒。（3）Tg为特征周期值，与场地类别和地震分组有关。（4）用于设计的

max

值（多遇烈度，罕遇烈度）烈度6789设计基本地震加速度值0.05g0.1g0.2g0.4gK0.050.10.20.4

max（设防烈度）0.1130.230.450.90

max（多遇烈度）0.040.080.160.32

max（罕遇烈度）0.500.901.40多遇烈度=基本烈度-1.55度(1/2.82)罕遇烈度=基本烈度+1度左右3.3.1基本概念与一般计算原则3.3.2水平地震作用计算1

.底部剪力法结构总水平地震作用的标准值计算公式：

1——相应于结构基本自振周期T1的

值；Geq——结构等效总重力荷载代表值，

Geq＝0.85GEGj——第j层重力荷载代表值。：底部剪力法计算简图3.3.2水平地震作用计算考虑高层建筑弯曲振型的影响，顶层附加水平地震作用标准值为：

n——顶部附加水平地震作用系数，当基本自振周期T1<1.4Tg时，

n取为0；当基本自振周期T1＞1.4Tg时，

n按照书中表3.11采用。总水平地震作用的标准值——顶层附加水平地震作用标准值(FEK－

Fn)分配到各楼层：突出屋面上塔楼

小塔楼：突出屋面的楼梯间、水箱等，一般1～2层，高度小、体积小，小塔楼作为一个质点。鞭梢效应：屋面塔楼的刚度和质量比主体结构小得多，受到经过主体建筑放大后的地震加速度，受到强化的激励，产生显著的鞭梢效应。塔楼计算：乘以放大系数注明：有突出屋面的小塔楼时，顶部附加水平地震作用加在主体结构的顶层，不加在小塔楼上3.3.2水平地震作用计算

结构j振型i质点的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：

Fij=αjγjXjiGi

（i=1,2…n,j=1,2…m）式中：Fji

－－j振型i质点的水平地震作用标准值αj－－相应于j振型自振周期的地震影响系数

Xji－－j振型i质点的水平相对位移γj－－j振型的参与系数

Gi－－集中于i质点的重力荷载代表值。2.不考虑扭转影响的振型分解反应谱法3.3.2水平地震作用计算N个质点就有n个振型，而且每个方向都有，空间分析即有3n个振型，平面分析时2n个振型2。

振型的参与系数：表示每个振型地震时对建筑物作用大小的影响。振型组合

水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴力和变形），应按下式确定：SEk－－水平地震作用标准值的效应Sj－－j振型水平地震作用标准值的效应，可只取前2～3个振型，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。3.3.2水平地震作用计算时程分析法步骤：

1）选择适当的地震波（3—4条）

2）建立动力方程

3）采用步步积分法求解动力方程，得到结构地震反应的全过程

4）检验中震，大震下结构层间侧移角是否符合要求5.时程分析法：将地震记录直接输入结构体系模型，求解结构任一时刻反应的方法存在的问题：

1）计算复杂

2）工作量大

3）对许多问题不能解决

4）不能预测结构在未来地震中的反应

5）只作为反应谱法的补充和修正3.3.2水平地震作用计算

震害和理论分析表明，在高烈度区，竖向地震作用对高层建筑、高耸结构及大跨结构等的影响是显著的。在9度区的高层建筑，结构总竖向地震作用标准值为：3.3.3竖向地震作用的计算楼层的竖向地震效应为:（再乘以增大系数1.5)竖向地震影响系数的最大值，可取水平地震影响系数最大值的65%；结构等效总重力荷载，可取其总重力荷载代表值的75%。3.3.3竖向地震作用的计算3.3.4结构自振周期的近似计算自振周期的修正（1）周期修正计算中未考虑砌体填充墙的刚度影响，计算周期较实际周期长，地震作用偏于不安全，故应乘以周期折减系数ΨT框架结构：ΨT＝0.6～0.7框架－剪力墙：ΨT＝0.7～0.8剪力墙结构：ΨT＝0.9～1.0（2）自振周期的简化计算方法：假想顶点位移法：质量、刚度沿高度分布比较均匀的框架、框架-剪力墙结构

——以楼层重力荷载代表值Gi为楼层水平力，按照弹性方法计算的顶点位移，单位为(m)；

ΨT——周期折减系数。3.3.4结构自振周期的近似计算7m7m4m7x3m=21m例题解：1、楼层重力荷载代表值—计算地震作用时，重力荷载代表值去全部恒载，50%活载，因而各楼层的重力荷载代表值为:顶层：2~7层：底层：总重力荷载代表值为：2、总地震作用标准值计算结构等效总重力荷载代表值为：由于地震影响系数曲线3、计算各楼层的地震作用标准值由于应考虑顶部附加水平作用，所以，顶部附加水平地震作用为：各楼层的地震作用标准值为：4、计算各楼层的地震剪力标准值总地震作用标准值为：例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。抗震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组。体系的自振周期和振型例题温度应力是产生裂缝的主要原因之一，温度裂缝会对结构造成严重的危害，对结构的安全性与耐久性产生严重影响。高层建筑结构的基础、梁、柱、墙、板等构件尺寸大，除外部温度作用变化外，在施工阶段还有可能因水化热而引起温度应力，在使用阶段也会因为日照辐射、气流、气温骤降等的影响而产生温度应力。3.4温度作用温度作用是指温度变化时建筑由于受到外部或内部的约束，其体积不能自由膨胀而产生的约束应力。3.4.1温度作用的特点为了确定弹性体内的温度应力，需进行两方面的计算：（1）按照热传导理论，根据弹性体的热学性质、内部热源、初始条件和边界条件，计算弹性体内各点在各瞬时的温度，即确定温度场，前后两个时刻的温度场之差就是弹性体的温度改变。（2）按照“热弹性力学”，根据弹性体的温度改变来求出体内各点的温度应力，即确定应力场。3.4温度作用温度作用一般采取构造措施来保证，但有时需进行定量计算。3.4.2温度作用的计算3.4温度作用计算结构或构件的温度作用效应时，应采用材料的线膨胀系数3.4.2温度作用的计算材料名称线膨胀系数a，1/℃材料名称线膨胀系数a，1/℃砖（20℃）水泥、混凝土（20℃）胶木、硬橡皮（20℃）赛璐珞（20～100℃）有机玻璃（20～100℃）辉绿岩板耐酸陶砖、陶板不透性石墨板（浸渍型）硬聚氯乙烯（10～60℃）玻璃管道（0～500℃）玻璃（2O～100℃）9.5×10-6（10～14）×10-6（64～77）×10-6100×10-6130×10-61×10-6