高層建筑結構設計理論 第3章 荷載作用與結構計算分析

第3章荷載作用與結構計算分析

高層建筑結構在設計使用年限以內(nèi)可能承受的主要作用有荷載和其他非荷載因素。荷載可以分為恒載和活荷載，活荷載又可以分為樓面活荷載、屋面活荷載、雪荷載和風荷載。非荷載因素主要有地震作用、溫度作用和混凝土的收縮、徐變等高層建筑結構的主要作用3.1豎向荷載

恒載恒載包括結構構件(梁、板、柱、墻、支撐)和非結構構件(抹灰、飾面材料、填充墻、吊頂?shù)?的重量。這些重量的大小不隨時間而改變，又稱為永久荷載。樓面活荷載高層建筑以民用為主。對于民用建筑樓面均布活荷載標準值，可根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計而得。我國《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009--2001)規(guī)定的民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻遇值和準永久值系數(shù)。雪荷載

雪荷載屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按下式計算：3.2風荷載風對高層建筑結構作用的特點

由于氣壓變化引起大氣運動，形成風。風對高層建筑結構的作用具有如下特點：

1.風力作用與建筑物的外形直接有關，圓形與正多邊形受到風力較小，對抗風有利；相反，平面凹凸多變的復雜建筑物受到的風力較大，而且容易產(chǎn)生風力扭轉作用，對抗風不利。

2.風力受建筑物周圍環(huán)境影響較大，處于高層建筑群中的高層建筑，有時會出現(xiàn)受力更為不利的情況。例如，由于不對稱遮擋而使風力偏心產(chǎn)生扭轉；相鄰建筑物之間的狹縫風力增大，使建筑物產(chǎn)生扭轉等等。在這些情況下要適當加大安全度。

3.風力作用具有靜力作用與動力作用兩重性質(zhì)。

4.風力在建筑物表面的分布很不均勻，在角區(qū)和建筑物內(nèi)收的局部區(qū)域，會產(chǎn)生較大的風力。

5.與地震作用相比，風力作用持續(xù)時間較長，其作用更接近于靜力荷載。但對建筑物的作用期間出現(xiàn)較大風力的次數(shù)較多。

6.由于有較長期的氣象觀測，大風的重現(xiàn)期很短，對風力大小的估計要比地震作用大小的估計較為可靠，因而抗風設計也具有較大的可靠性。單位面積風荷載標準值(1)當計算主要承重結構時

(2)當計算圍護結構時基本風壓

作用在建筑物上的風壓力與風速有關，可表示為：風壓高度變化系數(shù)

風荷載體型系數(shù)風力在建筑物表面上分布是很不均勻的，一般取決于其平面形狀、立面體型和房屋高寬比。通常，在迎風面上產(chǎn)生風壓力，側風面和背風面產(chǎn)生風吸力(圖3-7)。用體型系數(shù)來表示不同體型建筑物表面風力的大小。體型系數(shù)通常由建筑物的風壓現(xiàn)場實測或由建筑物模型的風洞試驗求得。風振系數(shù)

高層建筑結構當高度大于30m、高寬比大于l.5時，可按下式計算：舒適度對風振加速度的限制

風荷載換算風荷載換算圖

倒三角形荷載最大值qk為也可以將主體結構上樓面處的集中風荷載全部換算成倒三角形荷載，則地震作用

地震作用

地震的基本知識

1.地震、震源、震中和震中距

2.地震波、震級和地震烈度

高層建筑結構的抗震設防

1.高層建筑抗震設防分類

2.高層建筑的設防標準

3.高層建筑的抗震設防目標

高層建筑抗震設防分類(1)甲類建筑甲類建筑應屬于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑。這類建筑應根據(jù)具體情況，按國家規(guī)定的審批權限審批后確定。甲類建筑應采取專門的設計方法，例如：對建筑物的不同使用要求規(guī)定專門的設防標準；采用地震危險性分析提出專門的地震動參數(shù)；采取規(guī)范以外的特殊抗震方案、抗震措施和抗震驗算方法等。

(2)乙類建筑乙類建筑應屬于地震時使用功能不能中斷或需要盡快恢復的建筑，例如：救護、醫(yī)療、廣播、通訊等，但不是所有這類型的高層建筑均列人乙類，應根據(jù)城市防災規(guī)劃確定，或由有關部門批準確定。由于其重要性，乙類建筑要提高抗震措施的要求。屬于乙類建筑有以下高層建筑物：

1)對國內(nèi)、外廣播的廣播電臺、電視臺和節(jié)目傳輸中心、電視發(fā)射中心。通常指國家級、省和直轄市級的廣播電視中心；2)城市和長途通訊樞紐；重要的市電話局；國際無線電臺；3)有200床位以上的醫(yī)院病房樓、門診樓。(3)丙類建筑高層建筑的設防標準

各抗震設防類別的高層建筑結構，其抗震措施應符合下列要求：

(1)甲類建筑，地震作用應高于本地區(qū)抗震設防烈度的要求，其值應按批準的地震安全性評價結果確定；抗震措施，當抗震設防烈度為6～8度時，應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。當建筑場地為l類時，應允許仍按本地區(qū)抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施。

(2)乙類建筑，地震作用應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求；抗震措施，一般情況下，當抗震設防烈度為6～8度時，應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求；地基基礎的抗震措施，應符合有關規(guī)定。當建筑場地為l類時，應允許仍按本地區(qū)抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施。

(3)丙類建筑：應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求。當建筑場地為工類時，除6度外，應允許按本地區(qū)抗震設防烈度降低1度的要求采取抗震構造措施。

(4)丁類建筑，一般情況下，地震作用仍應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求；抗震措施應允許比本地區(qū)抗震設防烈度的要求適當降低，但抗震設防烈度為6度時不應降低。高層建筑的抗震設防目標

我國《建筑抗震設計規(guī)范》對建筑結構采用“三水準、二階段”方法作為抗震設防目標，其要求是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。三水準的內(nèi)容是：第一水準：高層建筑在其使用期間，對遭遇頻率較高、強度較低的地震時，建筑不損壞，不需要修理，結構應處于彈性狀態(tài)，可以假定服從線性彈性理論，用彈性反應譜進行地震作用計算，按承載力要求進行截面設計，并控制結構彈性變形符合要求。第二水準：建筑物在基本烈度的地震作用下，允許結構達到或超過屈服極限(鋼筋混凝土結構會產(chǎn)生裂縫)，產(chǎn)生彈塑性變形，依靠結構的塑性耗能能力，使結構穩(wěn)定地保存下來，經(jīng)過修復還可使用。此時，結構抗震設計應按變形要求進行。第三水準：在預先估計到的罕遇地震作用下，結構進入彈塑性大變形狀態(tài)，部分產(chǎn)生破壞，但應防止結構倒塌，以避免危及生命安全。這一階段應考慮防倒塌的設計。

從三個水準的地震出現(xiàn)的頻度來看，第一水準，即多遇地震，約50年一遇；第二水準，即基本烈度設防地震，約475年一遇；第三水準，即罕遇地震，約為2000年一遇的強烈地震。二階段抗震設計是對三水準抗震設計思想的具體實施。通過二階段設計中第一階段對構件截面承載力驗算和第二階段對彈塑性變形驗算，并與概念設計和構造措施相結合，從而實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震要求。

三個水準下的烈度

水平地震作用計算

高層建筑結構應根據(jù)不同情況，分別采用相應的地震作用計算方法：

(1)高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量與剛度沿高度分布比較均勻的高層建筑結構，可采用底部剪力法?？蚣?、框架一剪力墻結構是比較典型的以剪切變形為主的結構。由于底部剪力法比較簡單，可以手箅，是一種近似計算方法，也是方案設計和初步設計階段進行方案估算的方法，在設計中廣泛應用。

(2)除上述情況外，高層建筑結構宜采用振型分解反應譜法。振型分解反應譜法是高層建筑結構地震作用分析的基本方法。幾乎所有高層建筑結構設計程序都采用了這一方法。

(3)7～9度抗震設防的高層建筑，下列情況宜用時程分析法進行補充計算：

——甲類高層建筑結構；

——表3-23所列屬于乙、丙類的高層建筑結構；

——豎向不規(guī)則的高層建筑結構；

——復雜高層建筑結構；

——質(zhì)量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構。底部剪力法

按照反應譜理論，地震作用的大小與重力荷載代表值的大小成正比：

結構總水平地震作用標準值應按下列公式計算：地震影響系數(shù)曲線

底部剪力法計算示意圖

質(zhì)點i的水平地震作用標準值計算主體結構頂層附加水平地震作用標準值振型分解反應譜法

結構第j振型i質(zhì)點的水平地震作用的標準值應按下式確定水平地震作用效應(內(nèi)力和位移)應按下式計算：

考慮扭轉影響的結構，各樓層可取兩個正交的水平位移和一個轉角位移共三個自由度，按下列振型分解法計算地震作用和作用效應。確有依據(jù)時，尚可采用簡化計算方法確定地震作用效應。

第j振型i層的水平地震作用標準值，應按下列公式確定：當僅考慮x方向地震作用時：當僅考慮y方向地震作用時：單向水平地震作用下，考慮扭轉的地震作用效應，應按下列公式確定：考慮雙向水平地震作用下的扭轉地震作用效應，應按下列公式中的較大值確定：或時程分析法

7～9度抗震設防的高層建筑，下列情況應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算：

(1)甲類高層建筑結構；

(2)表3-23所列的乙類和丙類高層建筑結構；

(3)不滿足下列各條規(guī)定的高層建筑結構：

1)抗震設計的高層建筑結構，其樓層的側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70％或其上相鄰三層側向剛度平均值的80％。

2)A級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80％，不應小于其上一層受剪承載力的65％；B級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的75％。

3)抗震設計時，結構豎向抗側力構件宜上下連續(xù)貫通。

4)抗震設計時，當結構上部樓層收進部位到室外地面的高度Hl與房屋高度H之比大于0.2時，上部樓層收進后的水平尺寸Bl不宜小于下部樓層水平尺寸B的0.75倍；當上部結構樓層相對于下部樓層外挑時，下部樓層的水平尺寸B不宜小于上部樓層水平尺寸Bl的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。

(4)復雜高層建筑結構；

(5)質(zhì)量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構。地震波選取原則時程分析計算時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于兩組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程血線，其平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，且彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65％，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80％；地震波的持續(xù)時間不宜小于建筑結構基本自振周期的3～4倍，也不宜少于12s，地震波的時間間距可取0.0ls或0.02s；輸入地震加速度的最大值，可按表3.32采用；結構地震作用效應可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果兩者中的較大值。各樓層最小地震剪力

水平地震作用計算時，結構各樓層對應于地震作用標準值的剪力應符合下式要求：豎向地震作用計算

規(guī)程JGJ3—2002規(guī)定，下列情況應考慮豎向地震作用計算或影響：

1)9度抗震設防的高層建筑；

2)8度抗震設防的大跨度或長懸臂結構；

3)8度抗震設防的帶轉換層結構的轉換構件；

4)8度抗震設防的連體結構的連接體。所謂大跨度和長懸臂結構，是指結構轉換層中的轉換構件、跨度大于24m的樓蓋或屋蓋、懸挑大于2m的水平懸臂構件等，這些結構構件在8度和9度抗震設防時豎向地震作用的影響比較明顯，設計中應予考慮。