高层建筑结构设计 3荷载和地震作用 第3章高层建筑结构的荷载和地震作用 高层建筑结构主要承受竖向荷载和和水平荷载。 恒荷载 风荷载 1)竖向荷载 2)水平荷载 活荷载 地震作用 本章主要内容 ●竖向荷载(简介) 风荷载(重点) 地震作用(工程结构抗震课介绍此部分内容) 与多层建筑结构有所不同,高层建筑结构: 竖向荷载效应远大于多层建筑结构 ●水平荷载的影响显著增加,成为其设计的主要因素; 对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。 3.1竖向荷载 3.1.1恒荷载 1)恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、 幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量,其标准值可按构件尺寸、和材料密度(单位体 积或面积的自重)计算确定。 2)材料容重可从《荷载规范》査取;固定设备由相关专业提供。 3.1.2活荷载 1.楼面活载 1)高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数,可按《荷 载规范》的规定取用。 2)在荷载汇集及内力计算中,应按未经折减的活荷载标准值进行计算,楼面活荷载 的折减可在构件内力组合时进行。 2.屋面活载 )屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数,可按《荷载规范》 的规定取用。 2)有些情况下,应考虑屋面直升机平台的活荷载:(优于五星级酒店的是,七星级酒店将 提供秘书式的“管家服务”,辟有直升机停机坪,用直升机和“大奔”接送客人。) 3.屋面雪荷载 1)屋面水平投影面上的雪荷载标准值s,应按下式计算: (3.1.1) 式中:S0为基本雪压,系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重
高层建筑结构设计 3 荷载和地震作用 - 1 - 第 3 章 高层建筑结构的荷载和地震作用 高层建筑结构主要承受竖向荷载和和水平荷载。 恒荷载 风荷载 1) 竖向荷载 2)水平荷载 活荷载 地震作用 本章主要内容 z 竖向荷载（简介） z 风荷载（重点） z 地震作用（工程结构抗震课介绍此部分内容） 与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构： z 竖向荷载效应远大于多层建筑结构； z 水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； z 对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。 3.1 竖向荷载 3.1.1 恒荷载 1）恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、 幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件尺寸、和材料密度（单位体 积或面积的自重）计算确定。 2）材料容重可从《荷载规范》查取；固定设备由相关专业提供。 3.1.2 活荷载 1. 楼面活载 1）高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷 载规范》的规定取用。 2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，楼面活荷载 的折减可在构件内力组合时进行。 2. 屋面活载 1）屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按《荷载规范》 的规定取用。 2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载：（优于五星级酒店的是，七星级酒店将 提供秘书式的“管家服务”，辟有直升机停机坪，用直升机和“大奔”接送客人。） 3. 屋面雪荷载 1）屋面水平投影面上的雪荷载标准值 k s ，应按下式计算： k r 0 s = μ s （3.1.1） 式中： 0 s 为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得 50 年一遇最大积雪的自重
高层建筑结构设计 3荷载和地震作用 确定,按《荷载规范》取用;μ为屋面积雪分布系数,屋面坡度∝<25°时,μ取1.0,其它情况可按《荷 载规范》取用 2)雪荷载的组合值系数可取0.7;频遇值系数可取0.6;准永久值系数按雪荷载分区 Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同,分别取0.5、0.2和0 3)雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。 4.施工活荷载 1)施工活荷载一般取1.0~1.5kN/m2。 2)对高层建筑结构,在计算活荷载产生的内力时,可不考虑活荷载的最不利布置 可按活荷载满布进行计算,然后将这样求得的梁跨中截面和支座截面弯矩乘以1.1~1.3的 放大系数。 原因:目前我国钢筋混凝土高层建筑单位面积的重量大约为12-14kNm2(框架、框 架一剪力墙结构体系)和14-16kN/m2(剪力墙、筒体结构体系),而其中活荷载平均约为 2.0Nm2左右,仅占全部竖向荷载15%左右,所以楼面活荷载的最不利布置对内力产生的 影响较小;另一方面,高层建筑的层数和跨数都很多,不利布置方式繁多,难以一一计算
高层建筑结构设计 3 荷载和地震作用 - 2 - 确定，按《荷载规范》取用；μr 为屋面积雪分布系数，屋面坡度 α≤25°时，μr取 1.0，其它情况可按《荷 载规范》取用。 2）雪荷载的组合值系数可取 0.7；频遇值系数可取 0.6；准永久值系数按雪荷载分区 Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取 0.5、0.2 和 0。 3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。 4. 施工活荷载 1）施工活荷载一般取 1.0~1.5kN/m2。 2）对高层建筑结构，在计算活荷载产生的内力时，可不考虑活荷载的最不利布置。 可按活荷载满布进行计算，然后将这样求得的梁跨中截面和支座截面弯矩乘以 1.1~1.3 的 放大系数。 原因：目前我国钢筋混凝土高层建筑单位面积的重量大约为 12~14 kN/m2 （框架、框 架－剪力墙结构体系）和 14~16 kN/m2 （剪力墙、筒体结构体系），而其中活荷载平均约为 2.0 N/m2 左右，仅占全部竖向荷载 15%左右，所以楼面活荷载的最不利布置对内力产生的 影响较小；另一方面，高层建筑的层数和跨数都很多，不利布置方式繁多，难以一一计算
高层建筑结构设计 3荷载和地震作用 3.2风荷载 空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风,与建筑物有关的是靠近地面的 流动风,简称为近地风。当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的 风荷载 标准值 风荷载的大小一般可通过实测或风洞试验来确定。 高层建筑的风荷载包括两部分:一个是基本上比较稳定的风压:另一个是使建筑物产 生风力振动。(静力+动力) 3.2.1风荷载标准值 垂直于建筑物表面的风荷载标准偵应按下式计算,风荷载作用面积应取垂直于风向 的最大投影面积a 1x=B4y10 (3.2.1) 式中,wk为风荷载标准值(kNm2) 0为基本风压(kNm2) s为风荷载体型系数,应按《荷载规范》第7.3节的规定采用 2为风压高度变化系数; B2为高度z处的风振系数 1.基本风压 我国《荷载规范》规定,基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得 的50年一遇10分钟平均最大风速w(m/s)为标准,按w0=1/600确定的风压值,但不得 小于03kNm2。特别重要的高层建筑,按100年重现期采用。 2.风压高度变化系数2 风速大小与高度有关,一般近地面处的风速较小,愈向上风速逐步加大。当达到一定 高度时(300~500m),风速不受地表影响,达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗 糙程度有关。 风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示 (3.2.2) 式中,二、V分别为任意点高度及该处的平均风速;H、vn分别为标准高度(例如10m)及该处的 平均风速;a地面粗糙度系数;地表粗糙程度愈大,a值则愈大
高层建筑结构设计 3 荷载和地震作用 - 3 - 3.2 风荷载 空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风，与建筑物有关的是靠近地面的 流动风，简称为近地风。当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的 风荷载。 风荷载的大小一般可通过实测或风洞试验来确定。 高层建筑的风荷载包括两部分：一个是基本上比较稳定的风压；另一个是使建筑物产 生风力振动。（静力＋动力） 3.2.1 风荷载标准值 垂直于建筑物表面的风荷载标准值 wk 应按下式计算，风荷载作用面积应取垂直于风向 的最大投影面积。 wk = β zμ sμ zw0 （3.2.1） 式中，wk为风荷载标准值（kN/m2 ）； w0 为基本风压（kN/m2 ）； μs 为风荷载体型系数，应按《荷载规范》第 7.3 节的规定采用； μz为风压高度变化系数； βz为高度 z 处的风振系数。 1. 基本风压 我国《荷载规范》规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 10m 高统计所得 的 50 年一遇 10 分钟平均最大风速 v0（m/s）为标准，按 w0= 1600 2 0v 确定的风压值，但不得 小于 0.3kN/m2 。特别重要的高层建筑，按 100 年重现期采用。 2. 风压高度变化系数μ z 风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。当达到一定 高度时（300~500m），风速不受地表影响，达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗 糙程度有关。 风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示： ( ) α vz = vH z H （3.2.2） 式中, z 、 z v 分别为任意点高度及该处的平均风速； H 、 Hv 分别为标准高度（例如 10m）及该处的 平均风速；α 地面粗糙度系数；地表粗糙程度愈大，α 值则愈大。 建筑 高度 建筑 外型 风的动 力作用 风向 标准 风速 标准 地貌 风荷载 标准值
高层建筑结构设计 3荷载和地震作用 梯度风 ---1 梯度风 梯度风 乡村 图3.2.1不同地面粗糙程度影响下的风速剖面 由于《荷载规范》仅给出了高度为10m处的风压值,即基本风压w。,所以其他高度 处的风压应根据基本风压乘以风压高度变化系数换算得来 风压高度变化系数:某类地表上空z高度处的风压v2与基本风压10的比值,该系数取 决于地面粗糙程度指数∝ 现行规范将地面粗糙程度分为A,B,C,D四类 A类——指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区; B类——指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 C类——指有密集建筑群的城市市区; D类——指密集建筑群且房屋较高的城市市区 各类地面粗糙程度下的风压高度变化系数,如表3.2.1所示 表321风压高度变化系数 离地面或海平面 地面粗糙度类别 离地面或海平面 地面粗糙度类别 平均高度(m) 平均高度(m) 12 70 2201.86 1.02 312312312291 2121.77 0.84 09 27 1.38 621.19 11710007 3.风荷载体型系数 04 +08□ .02 图3.2.2风压分布系数 1)风压分布系数风压与体型的关系 迎风面的压力在建筑物的中间偏上为最大,两边及底下最小;
高层建筑结构设计 3 荷载和地震作用 - 4 - 图 3.2.1 不同地面粗糙程度影响下的风速剖面 由于《荷载规范》仅给出了高度为 10m 处的风压值，即基本风压 w0 ，所以其他高度 处的风压应根据基本风压乘以风压高度变化系数μ z 换算得来。 风压高度变化系数：某类地表上空 z 高度处的风压wz 与基本风压w0 的比值，该系数取 决于地面粗糙程度指数α 。 现行规范将地面粗糙程度分为 A，B，C，D 四类： A 类——指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B 类——指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区； C 类——指有密集建筑群的城市市区； D 类——指密集建筑群且房屋较高的城市市区。 各类地面粗糙程度下的风压高度变化系数，如表 3.2.1 所示。 表 3.2.1 风压高度变化系数 μz 离地面或海平面 地面粗糙度类别 地面粗糙度类别 平均高度（m） A B C D 离地面或海平面 平均高度（m） A B C D ≥450 3.12 3.12 3.12 3.12 70 2.20 1.86 1.45 1.02 400 3.12 3.12 3.12 2.91 60 2.12 1.77 1.35 0.93 200 2.83 2.61 2.30 1.92 20 1.63 1.25 0.84 0.62 100 2.40 2.09 1.70 1.27 10 1.38 1.00 0.74 0.62 90 2.34 2.02 1.62 1.19 5 1.17 1.00 0.74 0.62 3. 风荷载体型系数μ s 图 3.2.2 风压分布系数 1）风压分布系数——风压与体型的关系 z 迎风面的压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小； 梯度风 梯度风 城市 乡村 海洋 70 79 91 100 49 59 76 90 100 61 77 89 100 梯度风 离地高度（m）
高层建筑结构设计 3荷载和地震作用 侧风面一般近侧大,远侧小,分布也极不均匀 背风面一般两边略大,中间小。 2)定义:风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速 算得的理论风压的比值。 3)特点:它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律,主要与建筑物的 体型与尺度有关。 4〕计算: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荷载体型系数计算 5)风荷载体型系数的确定:根据我国多年设计经验及风洞试验。 (1)单体风压体型系数 当表面粗糙时取P=0.8 (2)群体风压体型系数 对建筑群,尤其是高层建筑群,当房屋相互间距较近时,由于漩涡的相互干扰,房屋 某些部位的局部风压会显著增大。 一般可将单体建筑的体型系数μ乘以相互干扰增大系数,该系数可参考类似条件的试 验资料确定,必要时宜通过风洞试验确定。 4.风振系数B 1)风速特点: 风速的变化可分为两部分:一种是长周期的成分,其值一般在10min以上:另一种是 短周期成分,一般只有几秒左右。因此,为便于分析,通常把实际风分解为平均风(稳定 风)和脉动风两部分 稳定风的周期长,对结构影响小,可忽略,可将其等效为静力作用,使建筑物产生一定的侧移: 脉动风周期短,对结构影响大。 实际风速 脉动风压 半均风速 平均风压 时间 图3.2.3平均风压和脉动风压
高层建筑结构设计 3 荷载和地震作用 - 5 - z 侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀； z 背风面一般两边略大，中间小。 2）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力（吸力）与原始风速 算得的理论风压的比值。 3）特点：它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的 体型与尺度有关。 4）计算：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荷载体型系数计算。 5）风荷载体型系数的确定：根据我国多年设计经验及风洞试验。 （1）单体风压体型系数 （2）群体风压体型系数 对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋 某些部位的局部风压会显著增大。 一般可将单体建筑的体型系数μ s 乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试 验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。 4. 风振系数β z 1）风速特点： 风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在 10min 以上；另一种是 短周期成分，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定 风）和脉动风两部分。 z 稳定风的周期长，对结构影响小，可忽略，可将其等效为静力作用，使建筑物产生一定的侧移； z 脉动风周期短，对结构影响大。 图 3.2.3 平均风压和脉动风压 0.8+1.2/n1/2 当表面粗糙时取μs = 0.8 +0.8 -0.6 -0.6 －(0.48+0.03H/L)