第3章 高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載和地震作用

1、 第第3 3章章 高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載與多層建筑結(jié)構(gòu)有所不同，高層建筑結(jié)構(gòu)與多層建筑結(jié)構(gòu)有所不同，高層建筑結(jié)構(gòu) 1）豎向荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于多層建筑結(jié)構(gòu)；）豎向荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于多層建筑結(jié)構(gòu)； 2）水平荷載的影響顯著增加，成為其設(shè)計(jì)的主要因素；）水平荷載的影響顯著增加，成為其設(shè)計(jì)的主要因素； 3）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮豎向地震的作用。）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮豎向地震的作用。高層建筑結(jié)構(gòu)主要承受高層建筑結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載豎向荷載和和水平荷載水平荷載。1）豎向荷載）豎向荷載2）水平荷載）水平荷載恒荷載恒荷載活荷載活荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載地震作用地震作用 高、大、細(xì)、長等柔性工程結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載

2、 空氣流動(dòng)形成的風(fēng)遇到建筑空氣流動(dòng)形成的風(fēng)遇到建筑物時(shí)，就在建筑物物時(shí)，就在建筑物表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生壓力或吸力壓力或吸力，這種風(fēng)力作用，這種風(fēng)力作用叫風(fēng)荷載。叫風(fēng)荷載。風(fēng)的大小與風(fēng)的大小與（1）近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)（2）建筑物所在地的地藐及周圍環(huán)境（3）建筑本身的高度、形狀以及表面狀況有關(guān) 風(fēng)的破壞力v“森拉克”肆虐浙閩 防波堤被沖垮百米 2003 七月 28 12:43 由于16號(hào)“森拉克”臺(tái)風(fēng)的襲擊，投資1.2億元、總長達(dá)1837米的玉環(huán)縣坎門漁港防波堤遭受嚴(yán)重的損壞。漁港西堤被巨浪沖垮2個(gè)缺口，造成防波堤砌面下滑，總長達(dá)100多米。險(xiǎn)情發(fā)生后，當(dāng)?shù)卣M織公安、邊防、民兵應(yīng)急分隊(duì)和

3、群眾及時(shí)進(jìn)行搶修，力爭將損失降低到最低限度。 風(fēng)的破壞力 風(fēng)的破壞力 廣州大道南一棟五層廠房近1000平方米的2塊鐵皮被卷起后砸中附近五金廠，100多名工人僥幸逃過大難 一、滬環(huán)球金融中心建筑裝風(fēng)阻尼器一、滬環(huán)球金融中心建筑裝風(fēng)阻尼器 上海環(huán)球上海環(huán)球金融中心金融中心位于上海位于上海浦東陸家浦東陸家嘴地區(qū)建嘴地區(qū)建設(shè)中的設(shè)中的101層超高層層超高層綜合大廈綜合大廈（492m）。）。 該工程上海環(huán)球金融中心在該工程上海環(huán)球金融中心在90層（地上層（地上395米）設(shè)置米）設(shè)置2臺(tái)重臺(tái)重約約150噸的配重物體風(fēng)阻尼器，可抗噸的配重物體風(fēng)阻尼器，可抗12級(jí)以上臺(tái)風(fēng)。通過引入風(fēng)級(jí)以上臺(tái)風(fēng)。通過引入風(fēng)阻尼

4、器，將能使強(qiáng)風(fēng)時(shí)加在建筑物上的加速度（重力）降低阻尼器，將能使強(qiáng)風(fēng)時(shí)加在建筑物上的加速度（重力）降低40%左右。另外，風(fēng)阻尼器也可以降低強(qiáng)震對(duì)建筑物，尤其是左右。另外，風(fēng)阻尼器也可以降低強(qiáng)震對(duì)建筑物，尤其是建筑物頂部的沖擊。建筑物頂部的沖擊。 二、臺(tái)灣二、臺(tái)灣101101大樓裝風(fēng)阻尼器大樓裝風(fēng)阻尼器 “臺(tái)灣臺(tái)灣101金金融大樓融大樓”位于位于臺(tái)北信義計(jì)劃臺(tái)北信義計(jì)劃區(qū)，這座達(dá)區(qū)，這座達(dá)508米高的建米高的建筑物將超過美筑物將超過美國芝加哥的西國芝加哥的西爾斯大樓，成爾斯大樓，成全球最高的建全球最高的建筑物。筑物。 大樓樓頂內(nèi)部用鋼纜懸著一顆重大樓樓頂內(nèi)部用鋼纜懸著一顆重660噸、直徑噸、直徑5

5、.5米的巨球，米的巨球，巨球位于巨球位于88樓，這是世界最大、最重、唯一外露可供參觀的風(fēng)樓，這是世界最大、最重、唯一外露可供參觀的風(fēng)阻尼器，它是通過巨大鋼球的擺動(dòng)來減緩建筑物的晃幅。造價(jià)阻尼器，它是通過巨大鋼球的擺動(dòng)來減緩建筑物的晃幅。造價(jià)新臺(tái)幣一億三千兩百萬元新臺(tái)幣一億三千兩百萬元(人民幣約人民幣約2640萬元萬元)。 3.1.1 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值kw1 1、基本風(fēng)壓、基本風(fēng)壓 我國我國荷載規(guī)范荷載規(guī)范規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上面上離地離地 10m10m高，統(tǒng)計(jì)所得的高，統(tǒng)計(jì)所得的 50 50 年一遇年一遇 10 10 分鐘平均最大風(fēng)

6、速分鐘平均最大風(fēng)速v v0 0（m/sm/s）為標(biāo)準(zhǔn)，）為標(biāo)準(zhǔn)，按風(fēng)速確定的風(fēng)壓值，但不得小于按風(fēng)速確定的風(fēng)壓值，但不得小于 0.3kN/m0.3kN/m2 2。特別重要的高層建筑，取特別重要的高層建筑，取100100年。年。0w 風(fēng)壓沿高度的變化規(guī)律一般用指數(shù)函數(shù)表示，即風(fēng)壓沿高度的變化規(guī)律一般用指數(shù)函數(shù)表示，即2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù) 風(fēng)速大小與高度有關(guān)，一般風(fēng)速大小與高度有關(guān)，一般近地面處的風(fēng)速較小，愈向上近地面處的風(fēng)速較小，愈向上風(fēng)速逐步加大風(fēng)速逐步加大。當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)（。當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)（300300500m500m），風(fēng)速不受地），風(fēng)速不受地表影響，達(dá)到所謂梯度風(fēng)。

7、而且風(fēng)速的變化還與地面粗糙程度表影響，達(dá)到所謂梯度風(fēng)。而且風(fēng)速的變化還與地面粗糙程度有關(guān)。有關(guān)。 zHzvHzHHv分別為標(biāo)準(zhǔn)高度（例如10m）及該處的平均風(fēng)速；地面粗糙度系數(shù)；地表粗糙程度愈大， 值則愈大； 梯度風(fēng)梯度風(fēng)海洋鄉(xiāng)村城市70799110049597690100617789100梯度風(fēng)離地高度（m） 風(fēng)壓高度變化系數(shù)：為某類地表上空高度處的風(fēng)壓與基本風(fēng)風(fēng)壓高度變化系數(shù)：為某類地表上空高度處的風(fēng)壓與基本風(fēng)壓的比值，該系數(shù)取決于地面粗糙程度指數(shù)。壓的比值，該系數(shù)取決于地面粗糙程度指數(shù)。 現(xiàn)行規(guī)范將現(xiàn)行規(guī)范將地面粗糙程度分為四類：地面粗糙程度分為四類： A A類類指近海海面、海島、海岸、

8、湖岸及沙漠地區(qū)；指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)； B B類類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)； C C類類指有密集建筑群的城市市區(qū)；指有密集建筑群的城市市區(qū)； D D類類指密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。指密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。 3、風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù) 1）定義：定義：風(fēng)荷載體型系數(shù)是指風(fēng)作用在建筑物表面風(fēng)荷載體型系數(shù)是指風(fēng)作用在建筑物表面所引起的壓力所引起的壓力(吸力吸力)與原始風(fēng)速算得的理論風(fēng)壓的比與原始風(fēng)速算得的理論風(fēng)壓的比值。值。 2）特點(diǎn)：特點(diǎn)：風(fēng)荷載體型系數(shù)一般都是通過實(shí)

9、測或風(fēng)風(fēng)荷載體型系數(shù)一般都是通過實(shí)測或風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的方法確定，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)洞模擬試驗(yàn)的方法確定，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的體型體型與尺度與尺度有關(guān)。有關(guān)。s 迎風(fēng)面的風(fēng)壓力在建筑物的中間偏上為最大，兩邊迎風(fēng)面的風(fēng)壓力在建筑物的中間偏上為最大，兩邊及底下最??；側(cè)風(fēng)面一般近側(cè)大，遠(yuǎn)側(cè)小，分布也極及底下最小；側(cè)風(fēng)面一般近側(cè)大，遠(yuǎn)側(cè)小，分布也極不均勻；背風(fēng)面一般兩邊略大，中間小。不均勻；背風(fēng)面一般兩邊略大，中間小。 3）風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定：根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)）風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定：根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)

10、（）單體風(fēng)壓體型系數(shù)（）單體風(fēng)壓體型系數(shù)例例:+0.8-0.7-0.70.5 （2 2）群體風(fēng)壓體型系數(shù)）群體風(fēng)壓體型系數(shù)對(duì)建筑群，尤其是高層建筑群，當(dāng)房屋相互間距較近時(shí)，對(duì)建筑群，尤其是高層建筑群，當(dāng)房屋相互間距較近時(shí)，由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大。由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大。高層規(guī)程高層規(guī)程規(guī)定，當(dāng)多棟或群集的高層建筑相互間距較近時(shí)，規(guī)定，當(dāng)多棟或群集的高層建筑相互間距較近時(shí)，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。一宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)。一般可將單體建筑的體型系般可將單體建筑的體型系數(shù)乘以相互干擾增大系數(shù)數(shù)乘以相互干擾增大系數(shù)，該系數(shù)可參考

11、類似條件的試驗(yàn)資料，該系數(shù)可參考類似條件的試驗(yàn)資料確定，必要時(shí)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定。確定，必要時(shí)宜通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定。（3 3）局部風(fēng)壓體型系數(shù)）局部風(fēng)壓體型系數(shù)在計(jì)算風(fēng)荷載對(duì)建筑物某個(gè)局部表面的作用時(shí)，要采用在計(jì)算風(fēng)荷載對(duì)建筑物某個(gè)局部表面的作用時(shí)，要采用局部風(fēng)荷載體型系數(shù)，用于局部風(fēng)荷載體型系數(shù)，用于驗(yàn)算表面圍護(hù)結(jié)構(gòu)及玻璃等強(qiáng)度和驗(yàn)算表面圍護(hù)結(jié)構(gòu)及玻璃等強(qiáng)度和構(gòu)件連接強(qiáng)度構(gòu)件連接強(qiáng)度。檐口、雨蓬、遮陽板、陽臺(tái)等水平構(gòu)件計(jì)算局檐口、雨蓬、遮陽板、陽臺(tái)等水平構(gòu)件計(jì)算局部上浮風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于部上浮風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于2.02.0。設(shè)計(jì)建筑幕。設(shè)計(jì)建筑幕墻時(shí)，應(yīng)按有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

12、規(guī)定采用。墻時(shí)，應(yīng)按有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用。 4、風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)振系數(shù) ）風(fēng)速特點(diǎn)：）風(fēng)速特點(diǎn)：風(fēng)速的變化可分為兩部分：一種是長周期的成分，其值一般在風(fēng)速的變化可分為兩部分：一種是長周期的成分，其值一般在10min以上；另一種是短周期成分，一般只有幾秒左右。因此，以上；另一種是短周期成分，一般只有幾秒左右。因此，為便于分析，通常把實(shí)際風(fēng)分解為為便于分析，通常把實(shí)際風(fēng)分解為平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)兩兩部分。穩(wěn)定風(fēng)周期長，對(duì)結(jié)構(gòu)影響?。幻}動(dòng)風(fēng)周期短，對(duì)結(jié)構(gòu)影部分。穩(wěn)定風(fēng)周期長，對(duì)結(jié)構(gòu)影響?。幻}動(dòng)風(fēng)周期短，對(duì)結(jié)構(gòu)影響大。響大。z ）風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)：）風(fēng)的動(dòng)力效應(yīng)：對(duì)于高度較大、剛度較

13、小的高層對(duì)于高度較大、剛度較小的高層建筑，脈動(dòng)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生不可忽略的動(dòng)力效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中建筑，脈動(dòng)風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生不可忽略的動(dòng)力效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中必須考慮，目前采用加大風(fēng)荷載的辦法來考慮這個(gè)動(dòng)力必須考慮，目前采用加大風(fēng)荷載的辦法來考慮這個(gè)動(dòng)力效應(yīng)，即對(duì)風(fēng)壓值乘以風(fēng)振系數(shù)。效應(yīng)，即對(duì)風(fēng)壓值乘以風(fēng)振系數(shù)。 2）計(jì)算：）計(jì)算： 對(duì)于基本自振周期對(duì)于基本自振周期T T1 1大于大于0.25s0.25s的工程結(jié)構(gòu)，以及的工程結(jié)構(gòu)，以及高度大于高度大于30m30m且高寬比大于且高寬比大于1.51.5的高柔房屋均應(yīng)考慮脈的高柔房屋均應(yīng)考慮脈動(dòng)風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。動(dòng)風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。 2）計(jì)算：）計(jì)算： 3.

14、1.2 總風(fēng)荷載總風(fēng)荷載 總風(fēng)荷載為建筑物各個(gè)表面上承受風(fēng)力的合力，是總風(fēng)荷載為建筑物各個(gè)表面上承受風(fēng)力的合力，是沿建筑物高度變化的沿建筑物高度變化的線荷載。線荷載。 z高度處的總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：高度處的總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：Wz1Wz2Wz3Wz4 例例 題題 -0.5-0.5 一高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面形狀為正六邊形，邊長為20m。房屋共20層，除底層層高為5m外，其余層高為3.6m。該房屋的第一自振周期T1=1.2S，所在地區(qū)的基本風(fēng)壓20/7 . 0mkNw 地面粗糙度為C類。試計(jì)算各樓層處與風(fēng)向一致方向總的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。風(fēng)向解1 確定體形系數(shù)0-0.5+0.8-0.50-

15、0.5 60該房屋共有6個(gè)面，查表得到各個(gè)面的風(fēng)荷載體形系數(shù)，如圖所示，不為零的4個(gè)面分別用表示。20m 2 計(jì)算各層的風(fēng)壓高度系數(shù)近似假定室內(nèi)外地面相同，則二層樓面離室外地面高度為5m，查表，對(duì)于C類地面粗糙度，74. 0z同理可求得其余各層樓面標(biāo)高處的風(fēng)壓高度系數(shù)。3 計(jì)算風(fēng)振系數(shù)zzz101. 12 . 17 . 02210Tw查表386. 1房屋高寬比H/B=(5+3.619)/34.64=2.1，查表，485. 0對(duì)于質(zhì)量和剛度沿高度比較均勻的房屋，結(jié)構(gòu)振型系數(shù)可以取4 .73/zHzz對(duì)于C類地面，乘0.62根據(jù)0.621.01=0.63 4 計(jì)算各個(gè)面不同高度的分布風(fēng)荷載0wwz

16、sziz5 計(jì)算各個(gè)面各樓層處的集中風(fēng)荷載頂層中間層底層izizizizjizwwwwhBW)2/6 . 3(206 . 3202/ )6 . 35(206 計(jì)算各樓層處總的風(fēng)荷載60cos2321zzzzWWWW izwizW層數(shù)HI(m)zzz面面面面面面zW150.740.071.060.440.280.2837.9023.6923.6985.2928.60.760.290.2933.0920.6820.6874.45312.20.780.300.3034.4421.5321.5377.50415.80.710.32

17、0.3236.6122.8822.8882.36519.40.840.261.210.570.360.3640.9225.5725.5792.066230.890.311.230.620.380.3844.2927.6827.6899.65726.60.950.361.250.670.420.4248.0630.0430.04108.14830.210.411.280.710.450.4551.4332.1532.15115.72933.81.050.461.290.760.480.4854.8034.2534.25123.311011.310.810.500.5058.1

18、736.3636.36130.8911411.140.561.330.850.530.5361.1438.2138.21137.57111.340.900.560.5664.5140.3240.32145.161361.360.940.590.5967.4842.1842.18151.831451.81.270.711.380.980.610.6170.4544.0344.03158.511551.391.010.630.6372.7445.4645.46163.6716591.340.81.401.050.660.6675.7147.3247.32170.351762.61.380.851.411.090.680.6878.6849.1749.17177.031866.21.410.91.431.130.710.7181.2450.7850.78182.801969.81.450.951.441.170.730.7384.2152.6352.63189.482073.41.4811.451.