高層課件4 第三章荷載與地震作用

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計深圳大學(xué)土木工程學(xué)院第三章荷載與地震作用主要內(nèi)容3.1高層建筑結(jié)構(gòu)上的作用類型3.2恒載3.3樓面活荷載3.4屋面活荷載3.5雪荷載3.6風(fēng)荷載3.7地震作用3.1

高層建筑結(jié)構(gòu)上的作用類型3.2

恒載恒荷載是指各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和找平層、保溫層、防水層、裝修材料層、隔墻、幕墻及其附件、固定設(shè)備及其管道等重量，其標(biāo)準(zhǔn)值可按構(gòu)件及其裝修的設(shè)計尺寸和材料單位體積或面積的自重計算確定。材料容重可從《荷載規(guī)范》查??；固定設(shè)備由相關(guān)專業(yè)提供。3.3樓面活荷載樓面活荷載（注意折減）

1）高層建筑樓面均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)，可按《荷載規(guī)范》的規(guī)定取用。

2）在荷載匯集及內(nèi)力計算中，應(yīng)按未經(jīng)折減的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計算，樓面活荷載的折減可在構(gòu)件內(nèi)力組合時取用。3.4

屋面活荷載

1）屋面均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)，可按《荷載規(guī)范》的規(guī)定取用。

2）有些情況下，應(yīng)考慮屋面直升機(jī)平臺的活荷載；不宜小于5kN/m2。3.5

雪荷載（1）雪荷載計算

S0為基本雪壓，系以當(dāng)?shù)匾话憧諘缙教沟孛嫔辖y(tǒng)計所得50年一遇最大積雪的自重確定。按《荷載規(guī)范》取用；μr為屋面積雪分布系數(shù)，可按《荷載規(guī)范》取用。（2）雪荷載的組合值系數(shù)可取0.7；頻遇值系數(shù)可取0.6；準(zhǔn)永久值系數(shù)按雪荷載分區(qū)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分別取0.5、0.2和0。（3）雪荷載不應(yīng)與屋面均布活荷載同時組合。3.6風(fēng)荷載空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動就形成了風(fēng)，與建筑物有關(guān)的是靠近地面的流動風(fēng)，簡稱為近地風(fēng)。當(dāng)風(fēng)遇到建筑物時在其表面上所產(chǎn)生的壓力或吸力即為建筑物的風(fēng)荷載。

3.6風(fēng)荷載風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)地貌標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)的動力作用建筑外型建筑高度3.6風(fēng)荷載1、基本風(fēng)壓我國《荷載規(guī)范》規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10m高，統(tǒng)計所得的50年一遇10分鐘平均最大風(fēng)速v0（m/s）為標(biāo)準(zhǔn)，按風(fēng)速確定的風(fēng)壓值，但不得小于0.3kN/m2。特別重要的高層建筑，取100年。3.6風(fēng)荷載平均風(fēng)壓和波動風(fēng)壓風(fēng)壓和風(fēng)速關(guān)系2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)速大小與高度有關(guān)，一般近地面處的風(fēng)速較小，愈向上風(fēng)速逐步加大。當(dāng)達(dá)到一定高度時（300~500m），風(fēng)速不受地表影響，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)。風(fēng)速隨高度變化規(guī)律地面粗糙度A類：近海面和海島、海岸及沙漠地區(qū)，a=0.12，梯度風(fēng)高度取300mB類：田野、鄉(xiāng)村、叢林、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、郊區(qū)，a=0.16，梯度風(fēng)高度取350mC類：有密集建筑群的城市市區(qū)，a=0.22，梯度風(fēng)高度取400mD類：有密集建筑群且房屋較高的大城市市區(qū)，a=0.30，梯度風(fēng)高度取450m（慎用）2、風(fēng)壓高度變化系數(shù)

風(fēng)速隨高度變化規(guī)律3風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

1）風(fēng)壓分布系數(shù)——風(fēng)壓與體型的關(guān)系

2）定義：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(吸力)與原始風(fēng)速算得的理論風(fēng)壓的比值。

3）特點(diǎn)：風(fēng)荷載體型系數(shù)一般都是通過實測或風(fēng)洞模擬試驗的方法確定，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，主要與建筑物的體型與尺度有關(guān)。3風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

4）風(fēng)壓的空間不均勻性5）風(fēng)荷載體型系數(shù)的確定：根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和風(fēng)洞試驗迎風(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，分布也極不均勻；背風(fēng)面一般兩邊略大，中間小。+0.8-0.6-0.6－(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2當(dāng)表面粗糙時取μs=0.8檐口、雨蓬、遮陽板、陽臺等水平構(gòu)件計算局部上浮風(fēng)荷載時，風(fēng)荷載體型系數(shù)不宜小于2.0。設(shè)計建筑幕墻時，應(yīng)按有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用。4風(fēng)振系數(shù)βz１）風(fēng)速特點(diǎn)：風(fēng)壓的時間不均勻性風(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，為便于分析，通常把實際風(fēng)分解為平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)）和脈動風(fēng)兩部分。穩(wěn)定風(fēng)周期長，對結(jié)構(gòu)影響??；脈動風(fēng)周期短，對結(jié)構(gòu)影響大。4風(fēng)振系數(shù)βz２）風(fēng)的動力效應(yīng)：對于高度較大、剛度較小的高層建筑，脈動風(fēng)壓會產(chǎn)生不可忽略的動力效應(yīng)，在設(shè)計中必須考慮，目前采用加大風(fēng)荷載的辦法來考慮這個動力效應(yīng)，即對風(fēng)壓值乘以風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)振系數(shù)反映風(fēng)荷載的動力作用，與建筑物的高度、高寬比、基本自振周期（剛度）及地面粗糙度有關(guān)4風(fēng)振系數(shù)βz3）風(fēng)振系數(shù)計算：對于高度大于30m且高寬比大于1.5的高柔房屋均應(yīng)考慮脈動風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響。參數(shù)計算過程見教材p48-50頁5總風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(KN/m)建筑物每個表面的風(fēng)荷載沿建筑物高度總風(fēng)荷載總風(fēng)荷載為建筑物各個表面上承受風(fēng)力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載。通常按x、y兩個互相垂直的方向分別計算總風(fēng)荷載。6樓層風(fēng)荷載合力集中于樓層標(biāo)高處的風(fēng)荷載合力7風(fēng)荷載換算目的：適應(yīng)用“近似法”計算高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，將分布于樓層的風(fēng)荷載換算成三種典型水平荷載：頂點(diǎn)集中荷載、均布荷載和倒三角形荷載換算原則：彎矩等效兩種方法：換算成二層樓面均布風(fēng)載加倒三角形荷載全部換算成倒三角荷載3.7地震作用地震災(zāi)害1.1995年1月17日日本神戶地震7.2級；6400多人死亡、受傷3萬多人近10萬棟房屋被摧毀，另有10萬余棟遭受不同程度的破壞；直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000億美元。日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞地震導(dǎo)致傾覆的城市高架道路（1969年建成）日本Nishinomiya港口橋震落的橋跨日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞橋梁鋼筋混凝土墩的剪切破壞剪壓破壞的槽形鋼骨鋼筋混凝土柱日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞槽形鋼骨鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中間層（第二層）的破壞日本神戶大地震對土木工程結(jié)構(gòu)的破壞

地震破壞的公路2.

2001年1月26日印度大地震7.9級；死亡人數(shù)達(dá)16403人，受傷人數(shù)達(dá)55863人，經(jīng)濟(jì)損失45億美元。

為了省錢，近年興建的建筑物沒有抗震結(jié)構(gòu)，使地震的傷亡加重。座落在活斷層上的一座二層小學(xué)教學(xué)樓被完全摧毀

伊茲米特市一樓房底層空曠，結(jié)構(gòu)不合理，房屋整體傾斜，二樓成了一樓3.

1999年9月21日九二一大地震7.3級。全島均感受到嚴(yán)重?fù)u晃。共持續(xù)102秒。臺灣的臺中縣、南投縣為主震央?yún)^(qū)域，受災(zāi)特別嚴(yán)重。臺北縣、臺北市、苗栗縣、臺中市、彰化縣、云林縣等地亦有嚴(yán)重災(zāi)情。人口死亡2321名，傷8000余名傷，有40845棟房屋全倒、41373棟半倒。損失近百億美元。

臺灣南投縣集集鎮(zhèn)、原為供奉玄天上帝的武昌宮震后底層坍塌

臺灣省玉林縣多棟7層住宿樓傾倒毀損臺中東勢鎮(zhèn)東勢大橋斷裂4.

2008年5月12日汶川地震8.0級。汶川地震造成的直接經(jīng)濟(jì)損失8451億元人民幣。四川最嚴(yán)重，占到總損失的91.3%，甘肅占到總損失的5.8%，陜西占總損失的2.9%。國家統(tǒng)計局將損失指標(biāo)分三類，第一類是人員傷亡問題，第二類是財產(chǎn)損失問題，第三類是對自然環(huán)境的破壞問題。在財產(chǎn)損失中，房屋的損失很大，民房和城市居民住房的損失占總損失的27.4%。包括學(xué)校、醫(yī)院和其他非住宅用房的損失占總損失的20.4%。另外還有基礎(chǔ)設(shè)施，道路、橋梁和其他城市基礎(chǔ)設(shè)施的損失，占到總損失的21.9%，這三類是損失比例比較大

凝固了的時間的，70%以上的損失是由這三方面造成的。

夷為平地近距離房屋倒塌5.

2011年3月11日日本地震9.0級。日本警察廳指出，截至當(dāng)?shù)貢r間25日深夜11時，在強(qiáng)震及海嘯重創(chuàng)日本東北部地區(qū)兩周后，12都道縣警方已確認(rèn)有10102人遇難，17053人失蹤，共計達(dá)27155萬人。此外，在18個都道縣內(nèi)共計2777人受輕重傷。在建筑物損害方面，包括巖手縣內(nèi)約12600萬棟全毀，總共約18800萬棟全毀，若加上半毀或部分受損建筑物，則約高達(dá)13.81萬棟。至于仍被迫在避難所棲身的災(zāi)民，17都縣近2000個避難所收容約24.62萬人，其中宮城縣約86900萬人、福島縣約86300萬人、巖手縣約43700萬人。

5.

2011年3月11日日本地震美國風(fēng)險分析業(yè)者AIRWorldwide表示，西太平洋9.0強(qiáng)震或會致保險損失金額高達(dá)近350億美元，成為史上代價最昂貴災(zāi)難，這還未計入海嘯造成的損失。這項數(shù)額幾乎等同2010年全球保險業(yè)的全世界整體災(zāi)損金額，或會迫使保險市場調(diào)高保費(fèi)。5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震5.

2011年3月11日日本地震a、巖層的原始狀態(tài)b、受力發(fā)生彎曲c、巖層破裂發(fā)生震動地球板塊運(yùn)動

板塊之間的相互作用力

地殼中巖層變形變形積聚超過巖石所能承受的程度巖體就會發(fā)生突然斷裂或錯動地震

3.7地震作用震源：地球內(nèi)部斷層錯動并引起周圍介質(zhì)振動的部位

震中：震源正上方的地面位置震中距：地面某處至震中的水平距離震源震源深度震中等震線震中距1定義：震源深度:從震中到震源的距離震源深度在70公里以內(nèi)的地震為淺源地震震源深度超過300公里的地震叫深源地震震源深度介于70-300公里之間的地震為中源地震震中距在100公里-1000公里的稱為近震震中距超過1000公里的稱為遠(yuǎn)震地震分組第一、第二分組大概相當(dāng)老規(guī)范的“設(shè)計近震”，它僅與特征周期有關(guān)，且周期越長，分組越大；而第三分組大概相當(dāng)于老規(guī)范的“設(shè)計遠(yuǎn)震”。2地震波地震波：地下巖體斷裂，錯動產(chǎn)生振動，并以波的形式從震源向外傳播，形成地震波

地震波的組成：體波：在地球內(nèi)部傳播的波

面波：沿地球表面?zhèn)鞑サ牟v波(壓縮波)橫波(剪切波)樂夫波瑞雷波面波周期長，振幅大；比體波衰減慢，能傳到很遠(yuǎn)的地方瑞雷波樂夫波壓縮波剪切波橫波周期較長，振幅較大3地震震級地震震級

：表示地震本身大小的一種度量；用周期為0.8s、阻尼系數(shù)為0.8和放大倍數(shù)為2800的標(biāo)準(zhǔn)地震儀，在距震中100km處記錄的以微米為單位的最大水平地面位移A的常用對數(shù)。近震震級M計算：M=logA

震級M與震源釋放能量之間的關(guān)系：又稱為里氏震級式中A——記錄圖上量得的以m為單位的最大水平位移；logE=1.5M+11.84地震烈度地震烈度：是指某一區(qū)域的地表和各類建筑物遭受某一次地震影響的平均強(qiáng)弱程度一般來說，距離震中近，烈度就高；距離震中越遠(yuǎn)，烈度也越低

基本烈度：指一個地區(qū)在一定時期（我國取50年）內(nèi)在一般場地條件下按一定的概率（我國取10%）可能遭遇到的最大地震烈度5場地的類別15~80

3~15

3~500ⅣⅢⅡⅠ等效剪切波速（m/s）場地類型各類場地土的覆蓋層厚度表：土層等效剪切波速場地覆蓋層厚度場地類別確定根據(jù)：土層等效剪切波速

——計算深度，取覆蓋層厚度和20m兩者的較小值；

——計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)；

——第i層土的剪切波速；

——第i層土的厚度。剪切波速隨深度遞增的一般情況適用于：當(dāng)計算深度以下有明顯的軟弱土夾層時應(yīng)適當(dāng)提高場地類別計算：土的類型劃分和剪切波速范圍10層和高度30m以下的丙類建筑及丁類建筑適用于：---由荷載試驗等方法得到的地基土靜承載力特征值6建筑物重要性分類與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對于不同用途建筑物的抗震設(shè)防，應(yīng)根據(jù)其破壞后果加以區(qū)別對待甲類建筑：重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑破壞會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，其確定須經(jīng)國家規(guī)定的批準(zhǔn)權(quán)限批準(zhǔn)；乙類建筑：地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑；丙類建筑：一般建筑，包括除甲、乙、丁類建筑以外的一般工業(yè)與

民用建筑丁類建筑：次要建筑，包括一般的倉庫，人員較少的輔助建筑物等我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》將建筑物按其用途的重要性為四類：7我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）提出三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求：第一水準(zhǔn)：當(dāng)遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時，建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；第二水準(zhǔn)：當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時，建筑物可能損壞，但經(jīng)一般修理即可恢復(fù)正常使用；第三水準(zhǔn)：當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴(yán)重破壞。我國主要城鎮(zhèn)中心地區(qū)的抗震設(shè)防烈度設(shè)計地震加速度值城鎮(zhèn)的設(shè)計地震分組——反映震源遠(yuǎn)近的影響我國采取6度起設(shè)防的方針，地震設(shè)防區(qū)面積約占國土面積的60﹪規(guī)范規(guī)定了：8抗震設(shè)計方法簡化的兩階段設(shè)計方法：＊第一階段設(shè)計：按多遇地震烈度對應(yīng)的地震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和結(jié)構(gòu)的彈性變形——保證了第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求和變形要求＊第二階段設(shè)計：按罕遇地震烈度對應(yīng)的地震作用效應(yīng)驗算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形——保證結(jié)構(gòu)滿足第三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求目前一般認(rèn)為，良好的抗震構(gòu)造措施有助于實現(xiàn)第二水準(zhǔn)3.7地震作用9地震作用的計算底部剪力法振型分解反應(yīng)普法時程分析法3.7地震作用9地震作用的計算-底部剪力法底部剪力法的適用條件高度不超過40m、以剪切變形為主、質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的多自由度結(jié)構(gòu)；近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)。底部剪力法的基本步驟先計算作用于結(jié)構(gòu)的總水平地震作用，即作用于結(jié)構(gòu)底部的剪力；將總水平地震作用按一定的規(guī)律在分配給各個質(zhì)點(diǎn)。（1）結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)可用第一振型反應(yīng)表征；

（2）結(jié)構(gòu)的第一振型為線性倒三角形，即任意質(zhì)點(diǎn)的第一振型位移與其高度成正比圖結(jié)構(gòu)簡化第一振型底部剪力法的基本假定結(jié)構(gòu)總水平地震作用

——相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期T1的水平地震影響系數(shù)?！Y(jié)構(gòu)等效總重力荷載代表值。Geq——結(jié)構(gòu)等效總重力荷載;Gi——集中于質(zhì)點(diǎn)i的重力荷載代表值；

c——等效系數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析，其大小與結(jié)構(gòu)的基本周期及場地條件有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的基本周期小于0.75s時，可近似取0.85；對于單質(zhì)點(diǎn)體系等于1.0。適用于用底部剪力法計算地震作用的結(jié)構(gòu)的基本周期一般都小于0.75s，所以《抗震規(guī)范》規(guī)定對于多質(zhì)點(diǎn)體系取c=0.85；對于單質(zhì)點(diǎn)體系取c=1.0。因此，多質(zhì)點(diǎn)體系的等效總重力荷載即為：水平地震影響系數(shù)a取決于場地類型、建筑物的自振周期和阻尼比等諸多因素；反映這些因素與a的關(guān)系曲線稱為反應(yīng)普曲線。設(shè)計地震分組場地類別IIIIIIIV第一組0.250.350.450.65第二組0.300.400.550.75第三組0.350.450.650.90表3.28特征周期值Tg(s)地震影響設(shè)防烈度6789多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震-0.50（0.72）0.90（1.20）1.40表3.26水平地震影響系數(shù)最大值根據(jù)假定，振型為倒三角形時公式的適用條件上述公式的建立基于使用了結(jié)構(gòu)的基本周期和相應(yīng)的基本振型，對于基本周期較低的結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果誤差較小。因此公式適用于基本周期T1≤1.4Tg

的結(jié)構(gòu)。對于周期較長（T1>1.4Tg

）時，需考慮高振型影響的結(jié)構(gòu)，按上述公式計算的結(jié)果，結(jié)構(gòu)頂部的地震剪力偏小，還需進(jìn)行調(diào)整。頂部地震作用的調(diào)整

調(diào)整的方法是將結(jié)構(gòu)總地震作用的一部分作為集中力作用于結(jié)構(gòu)的頂部，再將余下的部分按倒三角形分配給各質(zhì)點(diǎn)。頂部附加的集中水平地震作用可表示為δn

——頂部附加地震作用系數(shù)；ΔFn

——頂部附加水平地震作用。我國抗震規(guī)范規(guī)定：結(jié)構(gòu)基本周期，則需在結(jié)構(gòu)頂部附加集中水平地震作用結(jié)構(gòu)頂部附加地震作用系數(shù)1.多層鋼筋混凝土房屋和鋼結(jié)構(gòu)房屋按下表采用不考慮0.35~0.552.多層內(nèi)框架磚房3.其它房屋可不考慮

表3.29各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計算鞭梢效應(yīng)底部剪力法適用于重量和剛度沿高度分布均比較均勻的結(jié)構(gòu)當(dāng)建