高层建筑结构课件第三章.ppt

高层建筑结构设计 第三章高层建筑结构荷载对风荷载的认识:1.风载属于动还是静力荷载?2.如何对不同的建筑进行风载分析? 我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)给出的基本风压值是指按当地空旷平坦地面上10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出的50年一遇最大值确定的风速，再考虑相应的空气密度，按下列公式计算得出：（《荷载规范》）基本风压应按《荷载规范》附录D.4中的附表值，同时不得小于0.3kN/m2。《高规》中规定对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压应按100年重现期的风压值采用。工程设计中常采用1.1的系数。基本风压 讨论1.风速为平均风速2.风速为一定时间间隔(时距)的平均风速3.时距的大小对风速值的影响 风载标准值风对建筑物表面的作用与建筑物高度、体型、表面位置有关。垂直于建筑物表面的单位面积上的风荷载标准值按下列公式计算：:高层建筑基本风压值(kN/m2)；:风荷载体型系数；:z高度处的风压高度变化系数；:z高度处的风振系数。 风压高度变化系数对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数根据地面粗糙度类别确定，地面粗糙度类别分为四类：A、B、C、D。A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类：有密集建筑群的城市市区；D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。对于山区的建筑物，除按地面粗糙度类别确定系数外，还应根据地形条件进行修正。具体规定见《荷载规范》7.2.2。对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度取值，还应根据距海岸距离予以修正。详见《荷载规范》7.2.3和表7.2.3。 高度系数μz定义：梯度风高度--HT风速不受地表状况影响的最小高度。 Davenport(加拿大）μz=（z/Hz)2α(35)0.32GBJ50009-2000μz=（10/Hz)2α(35)0.32(z/10)2αA类粗糙度海滩、沙漠等HT=300mα=0.12μz=1.375（z/10)0.24B类粗糙度乡村、小城镇等HT=350mα=0.16μz=1.000（z/10)0.32C类粗糙度建筑物密集的城市HT=400mα=0.22μz=0.616（z/10)0.44D类粗糙度高大建筑物的闹市区HT=450mα=0.3μz=0.318（z/10)0.6 风荷载体型系数风载体型系数是指实际风压与基本风压的比值。在计算风荷载对建筑物的整体作用时，只需按各个表面的平均风压计算，即采用各个表面的平均风载体型系数计算。 风振系数设计中采用风振系数来考虑风压变化产生的动力效应，相当于对风荷载乘以一个放大系数，仍然按照静力作用来计算风载的动力效应，这是一种近似的计算方法。《荷载规范》规定对于一般悬臂结构(如构架、塔架、烟囱)以及高度大于30米、高宽比大于1.5且可忽略扭转影响的高层建筑均应考虑风振系数，按下式计算： 振型系数可由结构动力计算确定，计算时可仅考虑受力方向基本振型的影响。对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，也可近似采用振型计算点至室外地面高度与房屋高度的比值。结构基本自振周期，对于比较规则的结构可采用近似公式计算：框架结构:(0.08~0.1)n;框架－剪力墙结构(0.06~0.08)n;剪力墙结构和筒中筒结构：(0.05~0.06)n。n为结构层数。钢结构T1=（0.10~0.15）n具体结构：钢筋混凝土框架和框剪结构：钢筋混凝土剪力墙结构： 总风荷载与局部风荷载设计时应计算总风荷载下结构的内力及位移。总风荷载为建筑物各个表面承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。z高度处总风荷载的计算公式如下所示：局部风载：风压较大的部位有时需要验算表面围护构件强度或构件连接强度。在计算建筑物突出部位如阳台、檐口、遮阳板等构件内力时，要考虑风荷载引起的上浮力。此时风荷载体型系数不宜小于2.0。 例题：18层框架-剪力墙结构，房屋总高度58m，H/B=2，D类地区，标准风压0.7kN/m2。计算总风荷载标准值及位置。 序号128.380.80.70115.8914.19225.52261.00.7600.52.1029.8862.7536-0.450.7300.866-1.6433.98-55.62428.38-0.50.7600.54.9629.48146.4356-0.50.7600.5-1.0523.89-25.0366-0.50.7300.8661.8222.7941.46728.38-0.50.7600.54.9613.165.0486-0.50.7012.1036.3096-0.70.790000029.16466.8 风力合力作用点到原点的距离：框架-剪力墙结构基本自振周期的近似算法：0.08n＝0.08×18＝1.44s查表得： 风洞试验1.何谓风洞试验？风洞试验是一种测量大气边界层内风对建筑物作用大小的试验方法。2.为何要进行风洞试验？现行规范中规定的风荷载值的方法适用于体型规则、高度不太大的单幢建筑。但风对于体型复杂、高柔建筑的作用不适宜采用，且缺乏深入理论研究，所以需要通过风洞试验采集到实际结构在风作用下的准确数据。 3.哪些高层建筑需要进行风洞试验？1）高度大于200m；2）高度大于150m，且平面形状不规则、立面复杂，或立面开洞、连体建筑；3）规范中未给出风载体型系数的建筑；4）周围地形复杂，邻近有高层建筑，缺乏建筑物相互干扰增大系数的。4.风洞试验的具体要求？风洞试验要求在风洞中能模拟风速随高度的变化，一般风洞尺寸：宽2-4m，高2-3m，长5-30m。建筑物模型通常有三种：刚性压力模型、气动弹性模型、刚性高频力平衡模型。第一种模型最常用，模型比例约1：300-1：500，模型采用有机玻璃制成。 5.风洞试验原理（刚性压力模型）？模型本身、周围建筑物以及地形均要与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征如建筑外形、突出部分都应正确模拟。模型上布置大量直径1.5mm的测压孔，孔内安装压力传感器，试验时量测各孔的受力，通过仪器将记录转换为数字信号，得到结构的平均风压和波动风压。风洞试验持续时间为60s，相应实际时间为1h。 地震作用重点内容回顾1.抗震设防的三水准目标；2.抗震设计的两阶段方法；3.抗震设防类别；4.地震作用计算方法；5.设计反应谱曲线。 第四章设计要求及荷载效应组合一、承载力验算结构构件承载力验算的一般表达式：无地震作用组合时：S钢筋混凝土>砌体；2）结构概念设计：结构布置对抗震有利；避免薄弱层或采取相应措施弥补；采用多道抗震防线。3）延性结构设计：延性框架、延性剪力墙。4）抗震等级 地震震级--地震释放能量的大小地震烈度--地震对地面建筑物的破坏程度抗震等级--建筑物抗震设防的水平（一二三四）抗震类别--建筑物重要程度（甲乙丙丁）抗震设计中的级、别的概念 第四章设计要求及荷载效应组合1.荷载效应组合一般来说高层建筑承受的荷载有：结构自重、填充墙及装修重量（恒荷载）、楼面活荷载，雪荷载（活荷载）；风荷载和地震作用。按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，即为荷载效应组合。分项系数：考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数；组合系数:是考虑到某些活荷载同时作用的概率很小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。 无地震作用时荷载效应组合的设计值计算ψQ、ψw——分别为楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0.0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6（多层）或1.0和1.0（高层）。注：对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房，本条楼面活荷载组合值系数取0.7的场合应取为0.9。 无地震作用效应组合时，荷载分项系数应按下列规定采用1.承载力计算时：1）永久荷载的分项系数γG：当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；当效应对结构有利时，应取1.0；2）楼面活荷载的分项系戮γQ:一般情况下应取1.4；3）风荷载的分项系数γw应取1.4。2.位移计算时，公式中各分项系数均应取1.0。无地震作用组合应用于非抗震设计及6度抗震设防，但不要求地震作用计算的结构。 基本荷载工况有两种：1.恒载+活载1.2×恒载效应+1.4×活载效应1.35×恒载效应+1.4×0.7×活载效应2.恒载+活载+风荷载1.2×恒载效应+1.4×活载效应+1.4×1.0×风载效应 有地震作用时组合的设计值计算S——荷载效应和地震作用效应组合的设计值；SGE——重力荷载代表值的效应；SEhk——水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk——竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；γG——重力荷载分项系数；γw——风荷载分项系数；γEh——水平地震作用分项系数；γEv——竖向地震作用分项系数；ψw——风荷载的组合值系数，应取0.2。 荷载代表值：对永久荷载采用标准值作为代表值；对可变荷载根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。重力荷载代表值：取结构和构配件自重标准值+各可变荷载组合值之和。各可变荷载组合值系数如下： 竖向活荷载的布置高层建筑结构设计时可不考虑活荷载的不利布置，而采用满布活荷载计算内力。控制截面和最不利内力控制截面：梁、柱、墙肢柱或墙肢的不利内力1）及相应的N、V；2）及相应的N、V；3）及相应的M、V；4）较大及N较大（小偏压）或较小（大偏压）； 弯矩调幅现浇框架：0.8～0.9；装配式框架：0.7～0.8。1)调幅只对竖向荷载作用下的内力进行，水平荷载作用下的弯矩不参与调幅。应先对竖向荷载作用下框架梁的弯矩进行调幅，再与水平荷载作用产生的框架梁弯矩进行组合。2）截面设计时，框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载作用下按简支梁计算的跨中弯矩设计值的一半。 课后思考题1.承载力验算公式（荷载效应与抗力的关系，理解承载力抗震调整系数的意义）2.侧移限制？（掌握弹性位移限值，了解弹塑性位移限值）3.抗震结构延性设计？4.抗震等级划分？5.荷载效应组合？（无地震作用和有地震作用）6.弯矩调幅的概念？ 第五章框架结构内力计算内力计算方法主要有：弯矩分配法、无剪力分配法和迭代法(精确计算)。为简化计算，实际常用的方法有：分层法(竖向荷载作用)、反弯点法和D值法(水平荷载作用)。5.1竖向荷载作用下的内力计算(分层法)1.力矩分配法回顾转动刚度、分配系数、传递系数的概念与计算。 基本假定：①框架的侧移忽略不计;②每层梁上的竖向荷载对本层梁及与本层梁相连的柱产生弯矩与剪力。刚度修正：除底层柱外其它各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数；除底层传递系数为1/2外，其它各层柱的弯矩传递系数取1/3。将多层框架简化为单层框架来计算，即分层进行力矩分配计算。分层计算得出的梁的弯矩即为最终弯矩，但由于每个柱均属于上下两层，所以柱的最终弯矩为上下两层计算结果相加。 分层法计算步骤及要点1.选择某榀框架作为计算单元 2.计算梁柱线刚度以及节点处分配系数1）对于现浇框架，要考虑梁有效截面惯性矩的调整；2）柱端设为固定端；3）底层柱固定在基础顶面，可以视为固定端，其它层柱要考虑到实际有柱端转动，故上层各柱线刚度乘以0.9修正系数；4）梁和底层柱的传递系数按远端固定，取1/2；上层各柱的传递系数取1/3。 3.统计各层梁上竖向荷载设计值，并计算梁的固端弯矩。4.按前面规定的分配系数和传递系数，采用力矩分配法对每一层框架分别进行计算。5.求得每层内力后，将同属于上下两层的柱弯矩值进行叠加，作为原框架该柱的最终弯矩，梁的弯矩仅属于本层，不需叠加。6.得到框架最终弯矩图后，根据节点静力平衡可求得梁跨中弯矩，支座剪力以及柱剪力和轴力。 例题 6层5层 2-4层 1层 竖向荷载作用下框架内力计算另一种方法—弯矩二次分配法其实质为简化的弯矩分配法。基本假定：节点不平衡弯矩只对与该节点相交的杆件远端有影响，忽略它对其它杆件的影响。计算步骤：先对节点不平衡弯矩进行分配，再将弯矩向远端传递，最后将远端节点的新不平衡弯矩进行第二次分配，整个过程即结束。 5.2水平荷载作用下的内力计算简化计算模型：刚性横梁侧移模型。在水平节点力作用下的位移与内力特点？ 5.2.1水平荷载作用下内力计算(反弯点法与D值法)基本假定:①除底层外,各柱上下端节点转角相等;②忽略框架梁的轴向变形;适用范围:梁的线刚度与柱的线刚度之比大于3。该方法的两个关键问题为：水平荷载在楼层各柱的分配反弯点高度的确定。 反弯点高度反弯点高度为反弯点至柱下端的距离。对上层柱，假定各柱上下转角相等，则柱上下端弯矩相等，反弯点在柱中央，即对于底层柱，柱脚转角为零，而上端转角不为零，故反弯点向上端移动，假定：铰接：无约束作用，弯矩为零，自由转动；固接：约束作用强，弯矩很大，转角为零。 抗侧移刚度d侧移刚度系数d表示柱上下两端相对有单位侧移时柱中产生的剪力，它与两端约束情况有关。由于梁的线刚度比柱的大，各柱端转角很小，可假定结点转角为零，可得： 柱端弯矩计算柱下端弯矩：柱上端弯矩：梁端弯矩计算 改进后的反弯点法——D值法反弯点法的缺陷：1)梁柱线刚度之比无穷大(实际情况中梁的线刚度可能小于柱的线刚度,柱的侧向刚度不仅与柱的线刚度、层高有关，还与梁的线刚度有关)2)柱反弯点高度固定(柱的反弯点高度也与梁柱线刚度比、上下层横梁的线刚度比、上下层层高的变化等因素有关)D值法：对反弯点高度和柱的抗侧移刚度进行修正。 求得框架柱侧向刚度D后，可计算层间剪力分配给各柱： 反弯点高度修正影响柱两端转角的因素：梁柱线刚度比、柱所在楼层、横梁线刚度比、上下层层高变化。 标准反弯点高比y0：可根据荷载方式，由n、j、K查表得出。上下层梁线刚度变化时修正系数y1：当取此时反弯点上移，y1取正值。若，取，此时反弯点下移，y1取负值。对于底层，不考虑y1修正值。 上下层层高变化时修正系数y2、y3：令，从表中可查出y2，当>1时，y2取正值,反弯点上移；当<1时，y2取负值，反弯点下移。对于最上层，不考虑y2修正值。同理，令，查表可得出y3。当>1时，y3取负值,反弯点下移；当<1时，y3取正值，反弯点上移。对于最下层，不考虑y3修正值。 反弯点法和D值法的主要参数比较 3）水平荷载作用下侧移的计算侧移计算： 框架结构在水平荷载作用下的侧移曲线表现为剪切型。梁柱弯曲引起的侧移为剪切型(主要变形)；柱轴向变形引起的侧移为弯曲型(次要变形)。 框架结构概念设计 框架结构设计的一般规定一、框架结构基本概念1.一般规定1)梁柱连接方式一般为刚接，个别节点可为铰接；2)梁柱中心线宜重合，框架梁宜拉通、对直，框架柱宜上下对中，梁柱轴线宜在同一竖向平面内；当梁柱中心线间的偏心距不宜大于柱截面在该方向宽度的1/4，否则，可采取增设梁水平加腋等措施。3)填充墙及隔墙宜选用轻质墙体；4)不应采用部分由砌体墙承重的混合结构形式，楼梯、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等应采用框架承重，不应采用砌体墙承重。 4.构件截面选择(1)梁截面设计一般尺寸:h=(1/8～1/12)L,L为梁的跨度；框架主梁可放宽至(1/10～1/18)L。悬臂梁h=(1/6～1/8)L。b=(1/2～1/3)h,且不应小于200mm。高宽比不宜大于4，净跨与截面高度比值不宜小于4。为了降低楼层高度，可将梁设计成宽度较大而高度较小的扁梁，扁梁的截面高度可按(1/18~1/15)l估算。扁梁的截面宽度b（肋宽）与其高度h的比值b/h不宜超过3。框架梁的截面形状常见的有：矩形、T型、L型、花篮型等。 (2)柱截面设计框架柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm，圆形截面直径不宜小于350mm。高度与宽度的比值不宜大于3。常见的柱截面形状：方型、矩形、圆形等。轴压比：（避免柱脆性破坏） 非抗震 节点简化现浇框架：梁柱节点简化为刚接节点；装配式框架：梁柱节点简化为铰接或半铰接；装配整体式框架：梁柱节点简化为刚接节点，但刚性不如现浇式框架。框架支座现浇钢筋混凝土柱：按固定支座计算；预制钢筋混凝土柱：根据构造措施按固定支座和铰支座计算 3）跨度与高度的确定框架梁的跨度：取框架柱轴线间的距离；对于不等跨框架，当各跨跨度相差不大于10％，可近似按等跨框架计算，简化后的跨度取原各跨跨度的平均值。层高(框架柱的长度)：本层楼面至上层楼面的高度。 作业1.什么是高层建筑结构？与多层建筑结构的主要不同点是什么？2.简述高层建筑结构的变形缝设置方式？3.为什么要对反弯点法进行修正？如何修正？