高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電子教案第3章

1、第3講第7周， 第3、4次課 年 月 日章、節(jié)名稱第三章 荷載作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 第一節(jié) 恒荷載及樓面活荷載的計(jì)算第二節(jié) 風(fēng)荷載的計(jì)算第三節(jié) 地震作用的計(jì)算第四節(jié) 荷載效應(yīng)組合第五節(jié) 結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算原則第六節(jié) 抗震設(shè)計(jì)的一般原則教學(xué)目的與教學(xué)要求理解高層建筑結(jié)構(gòu)體系及布置的基本概念，在水平荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡化原則中熟練掌握總風(fēng)荷載和局部風(fēng)載的計(jì)算，以及用反應(yīng)譜方法計(jì)算等效地震作用的方法，理解地震作用兩階段設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法及目的以及常遇地震、罕遇地震和設(shè)防烈度的關(guān)系，掌握結(jié)構(gòu)自振周期計(jì)算的實(shí)用方法，理解結(jié)構(gòu)計(jì)算的平面結(jié)構(gòu)假定。教學(xué)重、難點(diǎn)風(fēng)荷載的計(jì)算地震作用的計(jì)算教 學(xué) 方 法利用多媒體教學(xué)手段，結(jié)

2、合規(guī)范、圖片和例題進(jìn)行分析教學(xué)教 學(xué) 內(nèi) 容第三章 荷載作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 第一節(jié) 風(fēng)荷載定義：空氣流動形成的風(fēng)遇到建筑物時(shí)，在建筑物表面產(chǎn)生的壓力或吸力即建筑物所受的風(fēng)荷載（風(fēng)壓）。是不規(guī)則動荷載，設(shè)計(jì)時(shí)看作為靜荷載。風(fēng)荷載的大小與下列因素有關(guān)：（1）近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向（2）建筑物所在地的地藐及周圍環(huán)境（3）自振周期、高度、體型、平面尺寸、表面狀況計(jì)算公式：式中： 為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（ ）；（與建筑表面垂直，正為壓力，負(fù)為吸力） z 為z高度處的風(fēng)振系數(shù)； s 為風(fēng)荷載體型系數(shù)； z 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)； 為基本風(fēng)壓。1 基本風(fēng)壓計(jì)算公式：規(guī)定： 離地10m，50年一遇，10min平均最大

3、風(fēng)速； 荷載規(guī)范給出的 值適用于普通多高層建筑； 特別重要的或較敏感的高層建筑可乘1.1 荊州 武漢 北京 廈門 烏魯木齊 2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)與離地高度和地面粗糙程度有關(guān)地面粗糙程度我國規(guī)范修訂稿將地貌分成A，B，C，D四類A類指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)。B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏C類指有密集建筑群的城市市區(qū)。D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。3 風(fēng)載體型系數(shù)風(fēng)壓分布圖分布規(guī)律一般多高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)載體型系數(shù)可按附錄1取值 4 風(fēng)振系數(shù)波動風(fēng)壓對平均風(fēng)壓有放大作用計(jì)算公式：3.2.2 總風(fēng)荷載和局部風(fēng)荷載總風(fēng)荷載： 建筑各個(gè)表面的風(fēng)壓與該面垂直 總風(fēng)荷載作用

4、為建筑各表面風(fēng)壓沿風(fēng)向投影 表面法線與風(fēng)向夾角局部風(fēng)荷載 角隅部分 懸挑構(gòu)件第二節(jié) 地震作用的計(jì)算地震作用地震時(shí)，由于地震波的作用產(chǎn)生地面運(yùn)動，并通過房屋基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動（水平、豎向，以水平為主），這就是地震作用?？拐鹪O(shè)計(jì)目標(biāo)： 小震不壞，中震可修，大震不倒 小震（低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震）作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)維持在彈性狀態(tài)，保證正常使用而不損壞；中等地震（本地區(qū)規(guī)定的設(shè)防烈度的地震）作用下，結(jié)構(gòu)可以局部進(jìn)入塑性狀態(tài)，但結(jié)構(gòu)不允許破壞，震后經(jīng)修復(fù)可以重新使用；強(qiáng)烈地震（高于本地區(qū)設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震）作用下，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)不能倒塌。1 高層建筑結(jié)構(gòu)按照重要性分類甲類建筑：重大建筑工

5、程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑（如核電站、三峽大壩）；計(jì)算烈度高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求，設(shè)防措施提高一度。乙類建筑：地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑（供水、供電、通訊、交通、醫(yī)療等）；同度計(jì)算，高一度設(shè)防。丙類建筑物：除上述以外的一般高層建筑；同度計(jì)算，同度設(shè)防。2 按下列原則考慮地震作用：1）一般情況下，計(jì)算兩個(gè)主軸方向的地震作用，并分別由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。2）質(zhì)量與剛度分布明顯不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，其他情況應(yīng)計(jì)算單向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。3）有斜交抗側(cè)力構(gòu)件（角度大于15度）時(shí)應(yīng)分別計(jì)算各抗側(cè)力構(gòu)件方向的地震作用。4）8度和9度的大跨

6、度和長懸臂結(jié)構(gòu)以及9度時(shí)的高層建筑應(yīng)考慮豎向地震作用。第三節(jié) 等效水平地震荷載計(jì)算方法 反應(yīng)譜底部剪力法反應(yīng)譜振型分解法時(shí)程分析法設(shè)計(jì)反應(yīng)譜地震影響系數(shù)根據(jù)大量地震波加速度反應(yīng)曲線，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、平均、平滑處理，得到地震影響系數(shù)，作為設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。 為場地的特征周期，按下表查用； 為截面抗震驗(yàn)算的水平地震影響系數(shù)最大值，按下表查用；自振周期的簡化計(jì)算方法：1） 假想頂點(diǎn)位移法（半經(jīng)驗(yàn)半理論）： 以樓層重力荷載代表值Gi為樓層水平力，按照彈性剛度計(jì)算的頂點(diǎn)位移，單位為(m)頂點(diǎn)位移 層間位移周期折減系數(shù)（考慮砌體填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，計(jì)算周期變短，地震作用增大。） 框架結(jié)構(gòu)： 框架剪力墻： 剪力墻結(jié)

7、構(gòu)： 2）經(jīng)驗(yàn)公式法（手算粗估）框架結(jié)構(gòu)： T1=(0.080.1)n框架剪力墻結(jié)構(gòu)：T1=(0.060.08)n剪力墻結(jié)構(gòu)： T1=(0.040.06)n n樓層數(shù)1、底部剪力法適用范圍：高度不超過40m，質(zhì)量和剛度沿高度方向分布比較均勻，并以剪切變形為主（第一振型為主）的高層建筑。計(jì)算圖形： 采用底部剪力法計(jì)算水平地震作用時(shí)，各樓層個(gè)僅考慮一個(gè)自由度，即只考慮第一振型。底部剪力法計(jì)算方法結(jié)構(gòu)總水平地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值頂部附加水平地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值 各樓層地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值 相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期T1的值； 結(jié)構(gòu)等效總重力荷載代表值， 結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值， 第 層重力荷載代表值。 頂點(diǎn)附加荷載系數(shù)

8、 當(dāng) T11.4Tg時(shí)，按查下表當(dāng) T11.4Tg 時(shí)，取n=02 振型分解反應(yīng)譜法 適用范圍不符合底部剪力法適用條件的其他高層建筑，宜用振型分解反應(yīng)譜法確定等效地震荷載及內(nèi)力；對質(zhì)量和剛度不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu)以及高度超過100m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連振動影響的振型分解反應(yīng)譜法（不介紹）。振型分解的概念振型：多自由度體系的多種振動型式稱振型，通常n層結(jié)構(gòu)（n個(gè)節(jié)點(diǎn)）的平面內(nèi)振動可看成n個(gè)自由度，有n個(gè)振型，對應(yīng)n個(gè)自振周期，如下圖所示（振型曲線與豎桿的交點(diǎn)數(shù)等于振型的序數(shù)）。耦聯(lián)與正交：復(fù)雜事物由多種因素組成（彼此交織，相互耦聯(lián)），各因素之間若彼此獨(dú)立、不相互依賴則稱它們具有正交性。

9、由于多自由度體系的各主振型彼此之間具有正交特性，結(jié)構(gòu)在地震作用下的復(fù)雜振動可分解（解藕）成為按各主振型獨(dú)立振動的疊加。即利用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜分別計(jì)算結(jié)構(gòu)在各自主振型下的地震效應(yīng)，然后對各自振型下的地震效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到結(jié)構(gòu)的整體地震效應(yīng)。振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算方法：式中： 為第 j 振型 i 質(zhì)點(diǎn)水平地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值； 為相應(yīng)于 j 振型自振周期Tj 的地震影響系數(shù)； 為第 j 振型i 質(zhì)點(diǎn)的水平相對位移； 為第 j 振型的參與系數(shù)。計(jì)算水平地震作用效應(yīng)（組合） 式中： S為水平地震作用效應(yīng)（組合以后的彎矩、剪力、軸力和位移）； Sj為第 振型的水平地震作用效應(yīng)彎矩、剪力、軸力和位移； m為參加組

10、合的振型數(shù)，一般情況下可 m=3，當(dāng)建筑物較高，或結(jié)構(gòu)沿豎向的剛度很不均勻時(shí)，宜 m=56。 理論上，分析時(shí)應(yīng)采用全部振型；因前幾個(gè)振型影響最大，實(shí)際工程中采用前幾個(gè)振型疊加即可。且各振型的最大位移反應(yīng)并不在同一時(shí)刻發(fā)生，故采用平方之和的平方根近似表示最大效應(yīng)。3 時(shí)程分析法時(shí)程分析法（精確算法） 是由初始狀態(tài)開始逐步積分直到地震終止，求出結(jié)構(gòu)在地震作用下從靜止到振動、直至振動終止整個(gè)過程的地震反應(yīng)（位移、速度和加速度）。適用范圍 79度設(shè)防的高層建筑，下列情況宜采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算： (1)甲類高層建筑結(jié)構(gòu) (2)剛度與質(zhì)量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結(jié)構(gòu) (3)

11、表中所示的乙、丙類高層建筑結(jié)構(gòu)4 突出屋面小塔樓的地震力小塔樓： 突出屋面的樓梯間、水箱等，一般12層，高度小體積小，小塔樓作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。鞭梢效應(yīng)： 屋面塔樓的剛度和質(zhì)量比主體結(jié)構(gòu)小得多，受到經(jīng)過主體建筑放大后的地震加速度作用，產(chǎn)生激勵(lì)效應(yīng)（內(nèi)力和位移激增），形成顯著的鞭梢效應(yīng)。修正方法： 采用底部剪力法時(shí)，對于小塔樓質(zhì)點(diǎn)作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)參加計(jì)算，算得水平地震作用后再乘放大系數(shù)。 采用振型分解法時(shí)，宜選用6個(gè)以上振型，以考慮高階振型的影響。 采用時(shí)程分析法，不必修正。例 題 下圖為三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，各部分尺寸如圖所示。各樓層重力荷載代表值為 ， ， ；場地土為III類，設(shè)防烈度為8度第一組，

12、多遇地震；現(xiàn)已算得前三個(gè)振型的自振周期為 ， ， ，振型分別如圖（c）、（d）、（e）所示。試用振型分解反應(yīng)譜法求該框架結(jié)構(gòu)的層間地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值。計(jì)算結(jié)果頂層第二層第一層5 豎向地震作用計(jì)算一般僅在9度地震設(shè)防區(qū)的建筑物中考慮，豎向地震作用會改變豎向構(gòu)件的軸力。結(jié)構(gòu)總豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)構(gòu)等效總重力荷載代表值豎向地震影響系數(shù)最大值質(zhì)點(diǎn)i豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值第四節(jié) 荷載效應(yīng)組合荷載效應(yīng)組合無地震作用組合時(shí)： 無地震作用組合時(shí)的荷載總效應(yīng) 永久荷載的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值； 樓面活荷載的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值； 風(fēng)荷載的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值； 荷載分項(xiàng)系數(shù)； 活荷載和風(fēng)荷載組合系數(shù)有地震作用組合時(shí)： 有地震作用組合時(shí)的荷

13、載總效應(yīng) 重力荷載代表值產(chǎn)生的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值； 水平及豎向地震作用的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值； 風(fēng)荷載的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值； 荷載分項(xiàng)系數(shù)； 風(fēng)荷載組合系數(shù)荷載效應(yīng)組合情況及分項(xiàng)系數(shù)荷載效應(yīng)組合無地震作用組合時(shí)：有地震作用組合時(shí)：承載能力的驗(yàn)算不考慮地震作用的組合時(shí)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)抗震承載力設(shè)計(jì)值無地震作用內(nèi)力基本組合設(shè)計(jì)值考慮地震作用的組合時(shí)有地震作用內(nèi)力基本組合設(shè)計(jì)值抗震承載力設(shè)計(jì)值承載力抗震調(diào)整系數(shù)第五節(jié) 結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算原則1 彈性工作狀態(tài)假定小震作用結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段（不開裂）中震作用主體仍采用彈性工作階段，對局部構(gòu)件采用剛度折減方法允許進(jìn)入塑性內(nèi)力重分布（開裂）狀態(tài)。大震作用結(jié)構(gòu)已進(jìn)入彈塑性階段，多

14、處開裂破壞，剛度已難以給定，彈性方法計(jì)算內(nèi)力已無意義，大震不倒由構(gòu)造保證。2 平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)假定：一榀框架或一片墻在自身平面內(nèi)剛度很大，可抵抗本身平面內(nèi)的側(cè)向力；平面外的剛度很小，可忽略，不抵抗平面外側(cè)向力。3 剛性樓板假定：樓板平面內(nèi)剛度無限大，平面外的剛度可忽略。剛性樓板將各平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)連接在一起共同承受側(cè)向水平力。實(shí)質(zhì)是同一層樓板上的所有點(diǎn)的水平位移一致，即梁、樓板沒有軸向變形，樓板的這種作用稱為“水平位移協(xié)調(diào)” 。結(jié) 論：由于樓板的“水平位移協(xié)調(diào)”作用，各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的抗力按其抗側(cè)移剛度分配。無扭轉(zhuǎn)時(shí)，同一樓層處的側(cè)移都相等，稱為平面協(xié)同計(jì)算(正交方向的抗側(cè)單元不參加工作)有扭轉(zhuǎn)時(shí)，側(cè)

15、移分布成直線關(guān)系，稱為空間協(xié)同計(jì)算(正交方向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參加抵抗扭矩)。高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形的影響構(gòu)件有軸向、彎曲及剪切三種變形，相應(yīng)剛度EA、EI及GA。彎曲變形是基本變形，抗彎剛度EI必須考慮。在高度較小的多高層結(jié)構(gòu)中，柱軸向變形小，可忽略，因而視EA為無限大；在高度較大時(shí)忽略柱軸向變形會造成較大的誤差；規(guī)范規(guī)定在高度超過50m、以及高寬比大于4的結(jié)構(gòu)中，宜考慮柱軸向變形影響。一次加載：充分考慮永久豎向軸壓變形的影響。（適于小高層）分層加載：考慮分層施工、分層找平對軸壓變形的抵消作用。（適于高層）兩者宜綜合考慮長細(xì)比lh大于4的構(gòu)件中剪切變形可忽略，GA無限大。3.7 抗震設(shè)計(jì)的一般原則（自學(xué)）1、地震時(shí)地面遠(yuǎn)動的特點(diǎn)2、結(jié)構(gòu)的抗震性能3、合理的選擇結(jié)構(gòu)的剛度4、抗震設(shè)計(jì)的基本原則解 釋在同樣的地震作用下，彈塑性結(jié)構(gòu)所受的等效地震力比彈性結(jié)構(gòu)大大降低。因此，在設(shè)防烈度地震作用下，利用結(jié)