高层建筑结构课件第3章荷载作用与结构设计原则

第三章荷载作用与结构设计原则3.1竖向荷载计算3.2风荷载计算3.3地震作用计算3.4荷载效应组合3.5结构简化计算原则3.6扭转效应的简化计算3.7抗震设计的一般原则（见《抗震设计》） 3-1竖向荷载计算一.恒荷载二.楼面活荷载1）一般恒载由楼（屋）面构造查《荷载规范》。2）应根据楼面结构平面布置，明确荷载传递路线。3）计算时不能漏项和少算。1）楼面活荷载（kN/m2）：酒吧、舞厅、展览厅：3.0-4.0健身房、娱乐室：3.0-4.5储藏室：5.0-8.0办公室、住宅等：2.0楼梯间：2.0-2.5电梯机房：6.0屋顶花园：3.0（不含覆土）不上人屋面：0.5-0.7上人屋面：2.0 2）特殊荷载应按实计算（如施工附墙塔等设备、旋转餐厅轨道和驱动设备、擦窗机等）。 3）直升机平台活荷载：4）在设计楼面梁、柱、墙及基础时，楼面活荷载应乘以折减系数（见荷载规范）。5）在高层结构设计、抗震设计时，活荷载较大小，仅占竖向荷载的10%～15%可不考虑最不利布置，恒载、活载合并满布计算，但应将框架梁正、负弯矩同时放大1.1-1.3。总重引起的局部荷载（考虑动力系数1.4）等效均布荷载（取5kN/m2）（取较大值）6）单位面积楼面荷载（恒+活）标准值（kN/m2）：KJ、K-W12-14W、T13-16back 一.高层建筑风荷载特点3-2风荷载计算1）风荷载的波动风压引起高层建筑的动力效应。2）采用等效静力法计算风荷载，即在风压值上乘以大于1的风振系数βZ，考虑风振对结构的影响。3）超高层宜做风洞试验（一般H≥200m，或≥150m且平面不规则、立面复杂，或周围地形和环境复杂时）。二.单位面积风荷载标准值(kN/m2)表3.3附录1 2.风振系数βZ高层结构H>30m、H/B>1.5高耸结构T1>0.25s2）考虑方法：与房屋的自振周期、振型和高度有关。1）考虑范围：1.基本风压w01）按荷载规范采用（50年重现期）。2）对特别重要或对风荷载较敏感的高层，应按100年重现期的风压值采用。如没有100年的数据，可将50年一遇的风压×1.1。与高层的自振特征有关。一般≥60m时宜放大；＜60m时由实际决定是否放大。（高层规程强制性条文）动力效应 三.总体风荷载和局部风荷载(kN)1.总体风荷载抗风设计时，应按整个房屋在某一高度处的总体风载计算结构的内力和位移。（如同抗震设计时计算各层的水平地震力Fi）建筑物各表面在某高度处的风载合力，是沿高度变化的线荷载，可合并为各楼层的集中力，按x、y方向分别计算。总体风荷载FiFEkFnF1WziWznWz1外围表面数风向与表面法线的夹角 2.局部风荷载1）在迎风面和侧风面1/6墙宽范围的角隅，应验算围护结构的强度和连接强度，此时风载体型系数应放大：迎风面：μs=1.5侧风面：μs=－1.52）对于檐口、雨棚、遮阳板、阳台等悬挑构件，应验算上浮风荷载，此时μs=2.0back 一.一般设计原则3-3地震作用计算地震力三要素：强度、频谱、持时建筑动力特性：自振周期、振型、阻尼1）甲类建筑，应按高于本地区设防烈度计算地震作用，其值按批准的地震安全评价结构确定。乙类、丙类建筑，应按本地区设防烈度计算地震作用。2）一般应按二主轴方向分别考虑水平地震作用。3）一般质量、刚度不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用时的扭转影响。4）8、9度设计时，大跨度、长悬臂结构应考虑竖向地震作用。使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。 二.等效水平地震作用的计算方法1）H≤40m，质量、刚度沿高度较均匀的结构底部剪力法2）除1）外的一般高层结构振型分解反应谱法3）房屋较高，烈度较大，或质量、刚度沿高度极不均匀的结构时程分析法补充三.重力荷载代表值Gi一般取0.5藏书室、档案室、库房等，取0.8 四.自振周期计算1、对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构、框架-剪力墙结构，其自振周期T1可按下式计算：2、经验公式：框架结构五.剪力要求（剪重比）（高层规程强制性条文）各楼层对应于Fki的剪力水平地震剪力系数，不应小于P34页表3.11的值。各层重力荷载代表值back框架-剪力墙结构剪力墙结构 3-4荷载效应组合设计中考虑的荷载和地震作用表P36表3.13解决两个问题：1、那些荷载参与组合；2、各荷载如何组合。 一.无地震作用效应组合时永久荷载控制时，楼面活荷载控制时，风荷载控制时，（或1.0）位移计算时，所有分项系数均取1.0（有利时1.0）（书库、档案库等0.9）（有利时1.0）（书库、档案库等0.9）永久荷载控制时，风荷载控制时，（有利时1.0）高层建筑中活荷载所占的比例很小，而且一般不考虑活荷载的不利分布，按满载计算，所以常常将恒荷载和活荷载合并为竖向荷载进行一次性处理，这时竖向荷载效应的分项系数γG可取为1.25。 非抗震设计时结构内力的组合P37表3.14 二.有地震作用效应组合时位移计算时，所有分项系数均取1.01.2或≤1.01.41.30.5或1.30.2恒+0.5活（或0.8藏书室、档案室、库房等）9度抗震设计时，或水平长悬臂结构8、9度设计时，才考虑竖向地震作用参与组合60m以上的高层，才考虑风荷载与地震作用组合 无地震作用组合时：有地震作用组合时：无地震作用组合时构件内力设计值不考虑地震作用时构件的承载能力设计值有地震作用组合时构件内力设计值考虑地震作用时构件的承载能力设计值承载力抗震调整系数承载力验算地震作用属于可变作用或偶然作用，其可靠指标的取值应低于静力作用下的可靠指标。因而，从理论上说，抗震设计中采用的材料强度设计值应高于静力作用时的材料强度设计值。但设计规范为了使用方便，便于将地震作用效应与静力荷载作用效应直接比较，在抗震设计中仍采用静力设计时的材料强度设计值。但通过引入承载力抗震调整系数来提高其承载力。 抗震承载力调整系数材料钢筋混凝土结构构件梁轴压比小于0.15的柱轴压比不小于0.15的柱剪力墙各类受剪、偏拉构件0.750.750.800.850.85back 3-5结构简化计算原则一.一般规定1.计算方法风荷载作用下，弹性方法2.分析手段程序分析（各种有限元模型）地震作用下，1、弹性方法（小震：低于设防烈度1.5度）2、（局部构件）弹塑性分析方法：如连梁3、罕遇地震：构造保证，计算无意义后处理—输出计算结果，截面配筋及超筋、前处理—图形输入原始数据及选择参数。计算部分—动力特性、及内力分析、内力组合及截面计算、弹性时程分析。超轴压比等信息。手算分析 3.计算假定楼板平面内无限刚性假定楼板如同水平放置的深梁，平面内刚度无限大，平面外刚度不考虑。即在平面内只有刚体的位移——平动和转动，不改变形状。下列情况，楼板变形显著，楼板刚度无限大的假定不适应。1、楼面内有很大的开洞或缺口，宽度削弱。2、楼面有较长的外伸段。3、底层大空间剪力墙结构的转换层楼面。4、楼面整体性较差。 4.应考虑墙与柱子的构件变形结构高度超过50m、高宽比大于4时，宜考虑柱轴向变形剪力墙宜考虑剪切变形在考虑轴向变形的影响时，要考虑施工过程分层施加竖向荷载这一因素，不能一次加载，否则出现不合理的结果。back 3-6扭转效应的简化计算实际工程中结构扭转难以避免，不能精确计算，只有通过调整设计方案和结构布置，或配筋构造，减轻扭转，或通过连接构造加强抗扭能力，计算仅仅是补充手段。计算思路在刚性楼盖和平面结构的假定基础上先作平移时的内力分析计算刚心、质心和扭转偏心距考虑扭转影响，修正平移时的层间剪力质心------等效地震作用的作用点（类似求形心）刚心------各抗侧力结构抗侧刚度的中心（将抗侧刚度假想为面积，求形心）扭转偏心距------质心和刚心的距离back 本章学习要求熟悉高层建筑结构竖向荷载、风荷载的计算特点。掌握地震作用的基本概念、计算原则和方法。理解并掌握高层荷载效应组合的形式、原则和系数取值。掌握高层建筑简化计算原则。了解扭转效应简化分析方法。