高層建筑結(jié)構(gòu)第三章

第3章

高層建筑結(jié)構(gòu)荷載作用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則3.1恒荷載及樓面活荷載的計(jì)算3.2風(fēng)荷載的計(jì)算3.3地震作用的計(jì)算3.4荷載效應(yīng)組合3.5結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算原則3.6扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的簡化計(jì)算3.7抗震設(shè)計(jì)的一般原則3.1恒荷載及樓面活荷載的計(jì)算3.1恒荷載及樓面活荷載的計(jì)算3.1.1恒荷載恒荷載包括結(jié)構(gòu)本身的自重和附加于結(jié)構(gòu)上的各種永久荷載。材料的自重可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009—2001)(以下簡稱《荷載規(guī)范》)取值。3.1.2活荷載高層建筑結(jié)構(gòu)的樓面活荷載應(yīng)按《荷載規(guī)范》取用。設(shè)計(jì)樓面梁、墻、柱及基礎(chǔ)時，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以規(guī)定的折減系數(shù)。施工活荷載一般取1.0～1.5kN/㎡。直升機(jī)平臺的活荷載應(yīng)采用下列兩款中能使平臺產(chǎn)生最大內(nèi)力的荷載：（1）直升機(jī)總重量引起的局部荷載，按由實(shí)際最大起飛重量決定的局部荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以動力系數(shù)確定;(2)等效均布活荷載5kN／㎡。3.2風(fēng)荷載的計(jì)算3.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓1

.風(fēng)荷載高、大、細(xì)、長等柔性工程結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載?？諝饬鲃有纬傻娘L(fēng)遇到建筑物時，就在建筑物表面產(chǎn)生壓力或吸力，這種風(fēng)力作用叫風(fēng)荷載。風(fēng)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3.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓2.風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載應(yīng)按下式計(jì)算：房屋高度大于200m時宜采用風(fēng)洞試驗(yàn)來確定建筑物的風(fēng)荷載；房屋高度大于150m，有下列情況之一時，宜采用風(fēng)洞試驗(yàn)確定建筑物的風(fēng)荷載：①平面形狀不規(guī)則，立面形狀復(fù)雜；②立面開洞或連體建筑；③周圍地形和環(huán)境較復(fù)雜。3.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓(1)基本風(fēng)壓ω0以空曠平坦地面、距地10m、50年一遇、10min平均最大風(fēng)速v0計(jì)算。重現(xiàn)期(年)5050100重慶基本風(fēng)壓0.250.400.45北京基本風(fēng)壓0.300.450.50上?；撅L(fēng)壓0.400.550.60成都基本風(fēng)壓0.200.300.353.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓（2）風(fēng)荷載體型系數(shù)風(fēng)對建筑表面的作用力并不等于基本風(fēng)壓值，而是隨建筑物的體型、尺度、表面位置等而改變，其大小由實(shí)測或風(fēng)洞試驗(yàn)確定：

=垂直于建筑表面的平均風(fēng)作用力/基本風(fēng)壓值3.2.1風(fēng)荷栽標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓風(fēng)壓分布3.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓（3）風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)該根據(jù)地面粗糙度類別確定地面粗糙度分類：A類：近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B類：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)；C類：有密集建筑群的城市市區(qū)；D類：有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)；3.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓地面粗糙度分類3.2.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓（4）風(fēng)振系數(shù)風(fēng)分為平均風(fēng)（即穩(wěn)定風(fēng)）和脈動風(fēng)（常稱陣風(fēng)脈動）平均風(fēng)——靜力脈動風(fēng)——動力

3.2.2總風(fēng)荷載和局部風(fēng)荷載(1)總風(fēng)荷載總風(fēng)荷載可按下式計(jì)算；

(2)局部風(fēng)荷載單位面積上風(fēng)荷載為：對于陽臺、雨篷、遮陽板等懸挑構(gòu)件，應(yīng)驗(yàn)算上浮風(fēng)荷載。當(dāng)其超過自重時，懸挑構(gòu)件會出現(xiàn)反彎矩，局部向上體型系數(shù)取2.0，即3.3地震作用的計(jì)算3.3.1一般計(jì)算原則地震區(qū)的高層建筑一般應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)防。6度設(shè)防時一般不必計(jì)算地震作用，只須采取必要的抗震措施，7~9度設(shè)防時，要計(jì)算地震的作用，10度及以上地區(qū)要進(jìn)行專門研究。地震作用的影響:地震影響系數(shù)曲線3.3.2水平地震作用計(jì)算1

.底部剪力法結(jié)構(gòu)總水平地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：1——相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期T1的值；Geq——結(jié)構(gòu)等效總重力荷載代表值，

Geq＝0.85GEGj——第j層重力荷載代表值。：底部剪力法計(jì)算簡圖3.3.2水平地震作用計(jì)算考慮高層建筑彎曲振型的影響，頂層附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為：n——頂部附加水平地震作用系數(shù)，當(dāng)基本自振周期T1<1.4Tg時，n取為0；當(dāng)基本自振周期T1＞1.4Tg時，n按照書中表3.10采用?？偹降卣鹱饔玫臉?biāo)準(zhǔn)值——頂層附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(FEK－Fn)分配到各樓層：3.3.2水平地震作用計(jì)算2

.自振周期的修正（1）周期修正計(jì)算中未考慮砌體填充墻的剛度影響，計(jì)算周期較實(shí)際周期長，地震作用偏于不安全，故應(yīng)乘以周期折減系數(shù)ΨT框架結(jié)構(gòu)：ΨT＝0.6～0.7框架－剪力墻：ΨT＝0.7～0.8剪力墻結(jié)構(gòu)：ΨT＝0.9～1.03.3.2水平地震作用計(jì)算（2）自振周期的簡化計(jì)算方法：假想頂點(diǎn)位移法：質(zhì)量、剛度沿高度分布比較均勻的框架、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

——以樓層重力荷載代表值Gi為樓層水平力，按照彈性方法計(jì)算的頂點(diǎn)位移，單位為(m)；

ΨT——周期折減系數(shù)。3.3.3突出屋面上塔樓的地震力小塔樓：突出屋面的樓梯間、水箱等，一般1～2層，高度小、體積小，小塔樓作為一個質(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，受到強(qiáng)化的激勵，產(chǎn)生顯著的鞭梢效應(yīng)。塔樓計(jì)算：乘以放大系數(shù)注明：有突出屋面的小塔樓時，頂部附加水平地震作用加在主體結(jié)構(gòu)的頂層，不加在小塔樓上小塔樓地震作用增大系數(shù)3.3.4豎向地震作用的計(jì)算⑴結(jié)構(gòu)總豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計(jì)算：⑵結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)i的豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:

(3)樓層各構(gòu)件的豎向地震作用效應(yīng)可按各構(gòu)件承受的重力荷載代表值比例分配，并宜乘以增大系數(shù)1.5。水平長懸臂構(gòu)件、大跨度結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)上部樓層外挑部分考慮豎向地震作用時，豎向地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值在8度和9度設(shè)防時，可分別取該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的重力荷載代表值的10％和20％。3.4荷載效應(yīng)組合3.4.1荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)的組合方式在高層建筑結(jié)構(gòu)上，作用有豎向荷載(包括恒荷載和使用荷載)、風(fēng)荷載；在抗震設(shè)計(jì)時，還有水平地震作用和豎向地震作用。不同設(shè)計(jì)要求下，所應(yīng)考慮的荷載和地震作用見下表。3.4.2非抗震設(shè)計(jì)時的組合

非抗震設(shè)計(jì)時，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值按下列公式確定：注：

(1)承載力計(jì)算時：①永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)γG：當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2，對由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35；當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，應(yīng)取1.0；②樓面活荷載的分項(xiàng)系數(shù)γQ

：一般情況下應(yīng)取1.4；③風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)γW應(yīng)取1.4。

(2)位移計(jì)算時，各分項(xiàng)系數(shù)均應(yīng)取1.0。3.4.2非抗震設(shè)計(jì)時的組合（恒荷載起控制，無風(fēng)）（活荷載起控制，有風(fēng)）（風(fēng)荷載起控制，有風(fēng)）3.4.3抗震設(shè)計(jì)時的組合抗震設(shè)計(jì)時，考慮荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值按下式確定：注：(1)承載力計(jì)算時，分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)按表3.15采用。當(dāng)重力荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載力有利時，γG不應(yīng)大于1.0；(2)位移計(jì)算時，各分項(xiàng)系數(shù)均應(yīng)取1.0。

——風(fēng)荷載的組合值系數(shù),應(yīng)取0.2。3.4.3抗震設(shè)計(jì)時的組合荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值（位移計(jì)算取1.0）組合說明重力荷載及水平地震作用1.21.3——

重力荷載及豎向地震作用1.2—1.3—9度，水平長懸臂8度、9度重力荷載、水平地震及豎向地震作用1.21.30.5—9度；水平長懸臂8度、9度重力荷載、水平地震作用及風(fēng)荷載1.21.3—1.460m以上的高層建筑重力荷載、水平地震作用、豎向地震作用及風(fēng)荷載1.21.30.51.460m以上的高層建筑；9度；水平長懸臂8度、9度3.5結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算原則3.5.1彈性工作狀態(tài)高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移按彈性方法計(jì)算，在非抗震設(shè)計(jì)時，在豎向荷載和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)保持正常使用狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；在抗震設(shè)計(jì)時，結(jié)構(gòu)計(jì)算是對多遇的小震(低于設(shè)防烈度1.5度)進(jìn)行的，此時結(jié)構(gòu)處于不裂的彈性階段。

對于罕遇地震的第二階段設(shè)計(jì)，絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)不要求進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算，“大震不倒”通過構(gòu)造要求予以保證。實(shí)際上由于在強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)已進(jìn)入彈塑性階段，處于開裂、破壞狀態(tài)，構(gòu)件剛度已難以確切給定，內(nèi)力計(jì)算已無重要意義。3.5.2高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮整體共同工作高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)力和地震作用下，樓層的總水平力是已知的，但這水平力如何分配到各片框架、各片剪力墻卻是未知的。由于各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度、形式不同，變形特征也不相同，所以不能簡單地按受荷面積、構(gòu)件間距分配。3.5.3樓板在自身平面內(nèi)的剛度為無限大，平面外的剛度可以不考慮高層建筑進(jìn)深大，剪力墻、框架等抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的間距遠(yuǎn)小于進(jìn)深，樓板如同水平放置的深梁，在平面內(nèi)的剛度非常大。樓板一般可作為剛性隔板，在平面內(nèi)只有剛體位移——平移和轉(zhuǎn)動，不改變形狀。在下列情況下，考慮樓面的平面內(nèi)剛度的計(jì)算方法。

(1)樓面內(nèi)有很大的開洞或缺口，寬度削弱；

(2)樓頂有較長的外伸段；

(3)底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層樓面；

(4)樓面整體性較差。3.5.4在計(jì)算個應(yīng)考慮墻與柱子轉(zhuǎn)向變形的影響計(jì)算結(jié)構(gòu)位移的公式為：

高層建筑結(jié)構(gòu)分析中，對于簡化的手算方法，除考慮各桿件的彎曲變形外，對于高寬比大于4的結(jié)構(gòu)，宜考慮柱和墻的軸向變形的影響；剪力墻宜考慮剪切變形。3.6扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的簡化計(jì)算3.6.1質(zhì)量中心、剛度中心及扭轉(zhuǎn)偏心距在近似方法中，要先確定水平力作用點(diǎn)及剛度中心，二者距即為扭轉(zhuǎn)偏心距。1

.質(zhì)心

等效地震荷載的作用點(diǎn)即慣性力的合力作用點(diǎn)，與質(zhì)量分布有關(guān)，稱為質(zhì)心。計(jì)算公式：3.6.1質(zhì)量中心、剛度中心及扭轉(zhuǎn)偏心距2

.剛心

所謂剛度中心，在近似方法中是指各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的中心，簡稱為剛心。計(jì)算公式：3.6.1質(zhì)量中心、剛度中心及扭轉(zhuǎn)偏心距3

.幾種結(jié)構(gòu)剛心計(jì)算方法框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，剛心位置的具體計(jì)算方法：(1)框架結(jié)構(gòu)(2)剪力墻結(jié)構(gòu)3.6.1質(zhì)量中心、剛度中心及扭轉(zhuǎn)偏心距(3)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)4

.偏心距計(jì)算公式：3.6.2考慮扭轉(zhuǎn)作用的剪力修正結(jié)構(gòu)在偏心的層剪力作用下發(fā)生的層間變形的情況:結(jié)構(gòu)平移及扭轉(zhuǎn)變形3.6.2考慮扭轉(zhuǎn)作用的剪力修正1

.剪力3.7抗震設(shè)計(jì)的一般原則3.7.1地震時地面運(yùn)動的特點(diǎn)1

.地震波從震源經(jīng)過基巖傳播到建筑場地后，地表土相當(dāng)于一個放大器和一個濾波器，它一方面把基巖的加速度放大，對建筑物產(chǎn)生的震害越大；另一方面，由各種不同頻率組成的地震波通過表土?xí)r，與場地土自振周期一致的成分得到放大，不一致的成分衰減，表土起了濾波器的作用，使地震波的主頻率與場地卓越周期的頻率一致，這樣，當(dāng)建筑物的自振周期與場地卓越周期一致或接近時，由于共振而使震害更加嚴(yán)重。2

.地震所產(chǎn)生的地面運(yùn)動有很大的隨機(jī)性。3.7.2結(jié)構(gòu)的抗震性能(1)構(gòu)件的抗震性能構(gòu)件破壞時的變形△v與屈服時的變形△y的比值稱為延性μ：(2)結(jié)構(gòu)整體的抗震性能結(jié)構(gòu)整體的抗震性能取決于如下因素：①各構(gòu)件的強(qiáng)度和變形性能；②構(gòu)件之間的連接構(gòu)造；③結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；④結(jié)構(gòu)的整體性及空間工作能力；⑤能有多道抗震設(shè)防系統(tǒng)；⑥非主要構(gòu)件的抗震能力。3.7.3合理選擇結(jié)構(gòu)的剛度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面大、剛性大、延性較小，比較適宜于采用剛性結(jié)構(gòu)以提高抗震能力；鋼結(jié)構(gòu)與之相反，比較適合于做成柔性結(jié)構(gòu)。3.7.4唐山地震中高層建筑的震害（1）地震區(qū)不宜采用框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)有部分剪力墻的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。（2）應(yīng)當(dāng)注意防震縫的設(shè)計(jì)。（3）平面形狀或剛度不對稱，使建筑物產(chǎn)生顯著的扭轉(zhuǎn)，震害嚴(yán)重。（4）凸出屋面的塔樓受鞭梢效應(yīng)的影響，破壞相當(dāng)嚴(yán)重。（5）樓、電梯間破壞一般都比較嚴(yán)重。（6）高層部分與低層部分之間連接構(gòu)造不合理造成嚴(yán)重震害。（7）框架柱截面尺寸太小，箍筋不充分，柱的延性與抗剪能力不足而產(chǎn)生脆性的剪切破壞或柱頭壓碎。（8）由于沿豎向樓層質(zhì)量和剛度變化太大，使樓層變形過于集中而產(chǎn)生破壞。3.7.5抗震設(shè)計(jì)的基本原則1

.抗震設(shè)計(jì)的基本要求（1）選擇有利的場地