高层结构设计

1第3章荷载与地震作用高层建筑结构上的主要作用结构构件重量非结构构件重量楼面活荷载屋面活荷载雪荷载风荷载地震作用温度作用混凝土收缩徐变恒载活荷载荷载非荷载因素偶然荷载爆炸碰撞3.1高层建筑结构上荷载的类型2恒载是指结构自重、装饰层重等。结构自重=构件设计尺寸×材料单位体积自重3.2恒载常用材料和构件的自重可由《建筑结构荷载规范》GB50009附录A查得。如：钢筋混凝土24kN/𝒎𝟑-25kN/𝒎𝟑水泥砂浆20kN/𝒎𝟑铝型材28kN/𝒎𝟑杉木4kN/𝒎𝟑343.3楼面活荷载民用建筑楼面活荷载标准值可由本教材*表3.1查得。如：教室楼面活荷载标准值2.5kN/𝒎𝟐宿舍楼面活荷载标准值2.0kN/𝒎𝟐书库楼面活荷载标准值5.0kN/𝒎𝟐考虑到负荷面积越大的构件每平方米面积上同时达到活荷载标准值的可能性越小，因此，在设计楼面梁、墙、柱、基础时，可将楼面活荷载进行折减。折减系数见本教材表3.2。*注：本PPT中的“本教材”是指沈蒲生编著《高层混凝土结构设计》（第三版），中国建筑工业出版社，2017。53.4屋面活荷载屋面水平投影面积上活荷载标准值可由本教材表3.3查得。如：不上人屋面活荷载标准值0.5kN/𝒎𝟐上人屋面活荷载标准值2.0kN/𝒎𝟐屋顶花园活荷载标准值3.0kN/𝒎𝟐当屋面需考虑直升飞机降落时，直升飞机的活荷载，取按实际最大起飞重量决定的局部荷载标准值与按本教材表3.4查得的局部荷载标准值的较大值。63.5雪荷载kr0SS式中Sk——雪荷载标准值;μr——屋面积雪分布系数；S0——基本雪压;屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算：全国各城市重现期为50年的基本雪压可由本教材图3.2查得。屋面积雪分布系数见本教材表3.5。73.6风荷载3.6.1对高层建筑结构作用的特点●风力作用与建筑的外部形状有关。●风力作用与周围环境有关。●风力作用具有静力与动力的两重性质。●风力在建筑物表面不均匀分布。●与地震作用相比，风力作用持续的时间更长。●抗风设计具有较大的可靠性。8式中——建筑物表面单位面积上的风载标准值；——风载体形系数；——风压高度变化系数；——基本风压值；——风振系数。kzzs0wwkwsz0wz垂直于建筑物表面上的风荷载标准值按下式计算：3.6.2风荷载标准值（1）当计算主要受力结构时9（2）当计算围护结构时kgz0slzww式中——高度Z处阵风系数；——局部风压体形系数；gzsl基本风压应采用50年重现期的风压，但不得小于0.3kN/𝒎𝟐。对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压的取值应适当提高，并应符合有关结构设计规范的规定。一般高层建筑最大风压重现期为50年；特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑按100年重现期的风压值采用。50年一遇的基本风压标准值可由本教材图3.5查得。如：长沙020.35kN/m(n=50w年）020.40kN/m(n=100w年）3.6.3基本风压10z离地面或海平面高度(m)地面粗糙度类别ABCD51015203040506070801.171.381.521.631.801.922.032.122.202.271.001.001.141.251.421.561.671.771.861.950.740.740.740.841.001.131.671.771.861.950.620.620.620.620.620.730.840.931.021.113.6.4风压高度变化系数离地面或海平面的风压高度变化系数见表3.1。11表3.1离地面或海平面高度(m)地面粗糙度类别ABCD901001502002503003504004502.342.402.642.832.993.123.123.123.122.022.092.382.612.802.973.123.123.121.621.702.032.302.542.752.943.123.121.191.271.611.922.192.452.682.913.12注：地面粗糙度分为A、B、C、D四类。A类指近海海面、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；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。12续表3.1s序号名称建筑体型及体型系数1矩形平面2Y形平面3L形平面+0.8-0.6-0.6(0.480.03)HB—建筑物总高—建筑物迎风面宽度HB-0.7+1.0-0.7-0.5-0.55-0.55-0.5-0.5+0.7+0.9+0.9-0.5-0.5-0.5-0.55-0.65-0.55-0.6+0.8+0.8-0.6-0.5+0.3+0.9+0.3-0.6-0.63.6.5风荷载体型系数13表3.2序号名称建筑体型及体型系数4M形平面5十字形平面6六边形平面7圆形平面-0.7-0.7-0.5+0.8+0.9+0.8+0.8-0.7-0.7-0.6-0.5-0.6+0.6-0.6+0.8+0.6-0.6-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.45-0.45+0.8+0.814续表3.22z10121zgIBR式中——峰值因子，可取2.5；g——10m高度名义喘流强度，对应A、B、C、D类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23和0.39;10I——脉动风荷载的共振分量因子；——脉动风荷载的背景分量因子。R3.6.6顺风向风振和风振系数zB15163.6.7横风向风振和扭转风振（1）横风向风振对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。高层建筑的横风向风振加速度可按《建筑结构荷载规范》GB50009附录J计算。17（2）扭转风振对于扭转风振效应明显的高层建筑和高耸结构，宜考虑扭转风振的影响。顺风向风荷载、横风向风振及扭转风振等效风荷载宜按本教材表3.16考虑风荷载组合工况。表中，单位高度风力𝑭𝑫𝒌、𝑭𝑳𝒌及扭矩𝑻𝑻𝒌可分别按下式：12()DkkkFwwBLkLkFwB2TkTkTwB式中：𝑭𝑫𝒌——顺风向单位高度风力标准值（kN/𝒎𝟐）；𝑭𝑳𝒌——横风向单位高度风力标准值（kN/𝒎𝟐）；𝑻𝑻𝒌——单位高度风致扭矩标准值（kN·m/m）；𝒘𝒌𝟏、𝒘𝒌𝟐——迎风面、背风面风荷载标准值（kN/𝒎𝟐）；𝒘𝑳𝒌、𝒘𝑩𝒌——横风向风振和扭转风振等效风荷载标准值（kN/𝒎𝟐）；B——迎风面宽度（m）。房屋高度大于200m时，或有下列情况之一时，宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载：●平面形状或立面形状复杂；●立面开洞或连体建筑；●周围地形和环境较复杂。3.6.8风洞试验18193.7温度作用3.7.1一般规定温度作用应考虑气温变化、太阳辐射及使用热源等因素，作用在结构或构件上的温度作用应采用温度的变化来表示。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。常用材料的线膨胀系数见本教材的表3.17。温度作用的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取0.6、0.5和0.4。203.7.2基本气温基本气温可采用按50年重现期的月平均最高气温和月平均最低气温。全国各城市的基本气温值可按《建筑结构荷载规范》附录E中表E.5采用。对金属结构等对气温变化较敏感的结构，应考虑极端气温的影响，基本气温最大值和最小值可根据当地气温适当增加或降低。213.7.3均匀温度作用均匀温度作用的标准值按下列方法确定：A.对结构最大升温的工况,max0,minkSTTT式中：——均匀温度作用标准值（ºC）；——结构最高平均温度（ºC）；——结构最低初始平均温度（ºC）。,minsTKT,maxST0,minTB.对结构最大降温的工况,min0,maxkSTTT式中：——结构最低平均温度（ºC）；——结构最高初始平均温度（ºC）。0,maxT结构的最高平均温度和最低平均温度宜分别根据基本气温按热工学原理确定。223.8偶然荷载3.8.1一般规定偶然荷载应包括爆炸、撞击、火灾及其他偶然出现的荷载。当偶然荷载作为结构设计的主导荷载时，在允许结构出现局部构件破坏的情况下，应保证结构不致因偶然荷载引起连续倒塌。233.8.2爆炸在常规炸药爆炸动荷载作用下，结构构件的等效均布静力荷载标准值为：cedccqKp式中：——作用在结构上的等效均布静力荷载标准值；——作用在结构构件上的均布荷载动荷载最大压力；——动力系数。ceqcpdcK243.8.3撞击（1）汽车撞击顺行方向的汽车撞击力标准值为：𝑃𝑘=𝑚𝑣𝑡KPKP式中：m——汽车质量（t），包括车自重和载重；v——车速（m/s）；t——撞击时间（s）。（2）直升机撞击竖向等效静力撞击力标准值为：𝑃𝑘=𝐶𝑚式中：C——系数，取3kN·𝑘𝑔−0.5；m——直升机的质量（kg）。竖向撞击力的作业区域宜取2m×2m。（1）地球的构造地球由地壳、地幔和地核三部分组成。地球的平均半径为6371km，地壳的平均厚度为17km。地球在不停地运动中（自转和公转）。地壳厚薄不均，裂缝将其分为六个板块。253.9地震作用3.9.1地震的基本知识图3.1地球的构造图3.2地球表面板块分布图2627我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与亚欧地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾板块挤压，地震断裂带十分活跃。我国的地震主要分布在五个区域：台湾省、西南地区、西北地区、华北地区、东南沿海地区和23条地震带上。图3.3我国的地震带（2）地震当板块运动过程中，使地壳岩石发生断裂、错动时，会产生强烈的震动，这就是地震。A、地震的起因B、地震的几个重要知识a.地震震级衡量一次地震释放能量大小的等级称为震级。1935年里克特首先提出震级的计算方法，简称为里氏震级或震级。28地震震级每提高一级，地震释放的能量增大30倍左右。目前记录到的最大地震震级为8.9级。一般来说，M2的地震称为微震，或无感地震；M=2-4的地震称为有感地震；M5的地震称为破坏性地震；M7的地震称为强烈地震或大地震；M8的地震称为特大地震。b.震源深度按震源分为：浅源地震：震源深度小于60km；中源地震：震源深度60-300km；深源地震：震源深度大于300km。29小震（多遇地震）：本地区出现次数最多的地震，50年超越概率63.2%。中震（设防烈度地震或基本地震）：50年超越概率为10%。大震：50年超越概率为2%-3%。c.小震、中震、大震小震的地震烈度比基本烈度低1.55度，大震的地震烈度比基本烈度高1度。d.地震烈度地震烈度是指地震时在一定地点振动的强烈程度。地震烈度分为12度。烈度越高，地震产生的强烈程度越大。30（3）地震灾害我国地处亚欧板块与印度板块交界处，是一个多地震的国家。最近几十年来发生的大地震有：A.唐山大地震唐山大地震发生在1976年7月28日3时42分53.8秒，里氏7.8级，震中烈度11度，震源深度12千米，地震持续时间约12秒，死亡242769人，伤16.4万人。31图3.4唐山大地震：城市夷为平地32图3.5唐山大地震：地表裂缝图3.6唐山大地震：铁路扭曲变形33B.四川汶川大地震四川汶川大地震发生在2008年5月12日14时28分04秒，8.1级，地震烈度为11度，死亡人数为69227人，受伤人数为374643人，失踪人数为17923人。34图3.7汶川地震所在地位置8.135图3.8汶川地震破坏图136图3.9汶川地震破坏图23.9.2高层建筑结构的抗震设防分类建筑类型设防标准甲类重大建筑、产生次生灾害建筑高于本地区设防烈度乙类不能中断或需尽快恢复建筑计算按本地区设防烈度构造高一度丙类一般建筑计算和构造均按本地区设防烈度丁类次要建筑计算按本地区设防烈度构造适当降低（1）高层建筑抗震设防分类37表3.3（2）三水准设防目标和两阶段设计方法目标地震三个设防标准及要求结构状态50年