1、高層建筑結(jié)構(gòu)荷載1第第3章章高層建筑結(jié)構(gòu)荷載高層建筑結(jié)構(gòu)荷載3.1 3.1 恒荷載及樓面活荷載（豎向荷載）恒荷載及樓面活荷載（豎向荷載）3.2 3.2 風風 荷荷 載（水平荷載）載（水平荷載）3.3 3.3 地震作用（水平荷載）地震作用（水平荷載）高層建筑結(jié)構(gòu)荷載23.3地震作用地震作用一、基本概念一、基本概念地震是由于地殼構(gòu)造運動地震是由于地殼構(gòu)造運動(巖層構(gòu)造狀態(tài)的變動巖層構(gòu)造狀態(tài)的變動)或或其它原因而引起的地面振動的現(xiàn)象。其它原因而引起的地面振動的現(xiàn)象。1地震的類型地震的類型地震按其成因可分為：火山地震，陷落地震和構(gòu)造地震按其成因可分為：火山地震，陷落地震和構(gòu)造地震。地震。v火山地震火山

2、地震由于火山爆發(fā)而引起的地震；由于火山爆發(fā)而引起的地震；v陷落地震陷落地震由于地表或地下巖層突然大規(guī)模陷落由于地表或地下巖層突然大規(guī)模陷落和崩塌而造成的地震；和崩塌而造成的地震；v構(gòu)造地震構(gòu)造地震由于地殼運動，推擠地殼巖層使其薄由于地殼運動，推擠地殼巖層使其薄弱部位發(fā)生斷裂錯動而引起的地震。弱部位發(fā)生斷裂錯動而引起的地震。前二種地震的影響范圍和破壞程度相對較小，而前二種地震的影響范圍和破壞程度相對較小，而后一種地震的破壞力大后一種地震的破壞力大高層建筑結(jié)構(gòu)荷載32 2、常用術語、常用術語（1）地震震級：）地震震級：震級是表示地震本身大?。ㄡ尫耪鸺壥潜硎镜卣鸨旧泶笮。ㄡ尫拍芰慷嗌伲┑某叨?。目前，

3、國際上比較通用的是能量多少）的尺度。目前，國際上比較通用的是里氏里氏震級震級，其原始定義為，其原始定義為1935年由里克特年由里克特(richter)給出，給出，即地震震級即地震震級m為為m=loga震級與震源釋放能量的大小有關，震級每差一級，震級與震源釋放能量的大小有關，震級每差一級，地震釋放的能量將差地震釋放的能量將差32倍。倍。微震微震小于小于2級的地震；級的地震；有感地震有感地震2-4級地震，人能感覺到；級地震，人能感覺到；破壞性地震破壞性地震5級以上地震，能引起不同程度的破級以上地震，能引起不同程度的破壞；壞；強烈地震強烈地震7級以上的地震。級以上的地震。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載4（2）地震

4、烈度：）地震烈度：地震烈度是指某一地區(qū)的地面和地震烈度是指某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受到一次地震影響的強弱程度。各類建筑物遭受到一次地震影響的強弱程度。v對于一次地震，表示地震大小的對于一次地震，表示地震大小的震級只有一個；震級只有一個；v隨距離震中的遠近不同，烈度就有差異隨距離震中的遠近不同，烈度就有差異。v評定地震烈度的標準就稱為評定地震烈度的標準就稱為地震烈度表。地震烈度表。絕大多數(shù)絕大多數(shù)國家包括我國都采用分成國家包括我國都采用分成12度的地震烈度表。度的地震烈度表。v基本烈度：基本烈度：作為一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地震烈度，作為一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地震烈度，它是指該地區(qū)今后一定時期

5、內(nèi)，在一般場地土條件它是指該地區(qū)今后一定時期內(nèi)，在一般場地土條件下，可能遭受的最大地震烈度，也就是由國家地震下，可能遭受的最大地震烈度，也就是由國家地震局制定的全國地震烈度區(qū)劃圖規(guī)定的烈度。局制定的全國地震烈度區(qū)劃圖規(guī)定的烈度。v設防烈度：設防烈度：建筑物抗震設防時采用的烈度。建筑物抗震設防時采用的烈度。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載53、地震對建筑物的影響、地震對建筑物的影響ggagamfaae慣性力建筑物加速度地面加速度地面運動地震0二、地震作用的特點1 1間接性間接性不是直接作用在建筑物上。不是直接作用在建筑物上。2 2復雜性復雜性地震波的影響多，運動不規(guī)則，是復雜地震波的影響多，運動不規(guī)則，是復雜的

6、三維振動。的三維振動。 3 3隨機性隨機性地震的時間、地點、大小難以預測。地震的時間、地點、大小難以預測。4 4與地基土的動力特性有關與地基土的動力特性有關。5 5與結(jié)構(gòu)本身的動力特性（自振周期、振型與阻尼）與結(jié)構(gòu)本身的動力特性（自振周期、振型與阻尼）有關。有關。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載6三、抗震設計的原則和方法三、抗震設計的原則和方法抗震設計抗震設計用定量方法估計地震反應，采取合理用定量方法估計地震反應，采取合理的構(gòu)造措施，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和抗震承載能的構(gòu)造措施，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和抗震承載能力。力。1、抗震設防的范圍：、抗震設防的范圍：6度度9度地區(qū)（低于度地區(qū)（低于6度可不設度可不設防

7、，高于防，高于9度應專門研究）。度應專門研究）。2、抗震設防的目標抗震設防的目標三水準要求：三水準要求：所謂的三水準抗震目標，可簡單的概括為：所謂的三水準抗震目標，可簡單的概括為：v小震不壞；小震不壞；v中震可修；中震可修；v大震不倒。大震不倒。3、抗震設計的方法抗震設計的方法兩階段設計方法兩階段設計方法我國抗震規(guī)范要求建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計方法是兩階段我國抗震規(guī)范要求建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計方法是兩階段設計方法。設計方法。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載7兩階段設計法步驟是：兩階段設計法步驟是： （1）第一階段）第一階段小震強度：小震強度：對絕大多數(shù)建筑結(jié)對絕大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)，應滿足第一、二水準的設計要求，構(gòu)，應滿足第

8、一、二水準的設計要求，即采用第一即采用第一水準水準(多遇地震多遇地震)的地震動參數(shù)，按反應譜理論計算的地震動參數(shù)，按反應譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內(nèi)力及位移，并用極限地震作用，用彈性方法計算內(nèi)力及位移，并用極限狀態(tài)方法進行截面設計，然后采取相應的構(gòu)造措施，狀態(tài)方法進行截面設計，然后采取相應的構(gòu)造措施，達到達到“小震不壞、中震可修小震不壞、中震可修”的要求。的要求。 （2）第二階段）第二階段大震變形：大震變形：對于重要建筑或有對于重要建筑或有特殊要求時，除進行第一階段設計外，特殊要求時，除進行第一階段設計外，還要進行罕還要進行罕遇地震（大震）作用下薄弱層部位的彈塑性變形驗遇地震（大震）作

9、用下薄弱層部位的彈塑性變形驗算和采取相應的構(gòu)造措施，使薄弱層的水平位移不算和采取相應的構(gòu)造措施，使薄弱層的水平位移不超過允許的彈塑性位移，實現(xiàn)第三水準的要求。超過允許的彈塑性位移，實現(xiàn)第三水準的要求。并并用直接動力方法用直接動力方法時程分析方法補充計算。時程分析方法補充計算。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載84抗震概念設計：抗震概念設計：概念設計概念設計指一些在計算中或在規(guī)范中難以作出具指一些在計算中或在規(guī)范中難以作出具體規(guī)定的問題，必須由工程師運用體規(guī)定的問題，必須由工程師運用“概念概念”進行分析，進行分析，作出判斷，以便采取相應的措施。作出判斷，以便采取相應的措施。v結(jié)構(gòu)破壞機理的概念；結(jié)構(gòu)破壞機理的概念

10、；v力學概念；力學概念；v由震害、試驗現(xiàn)象等總結(jié)提供的各種宏觀的和具體由震害、試驗現(xiàn)象等總結(jié)提供的各種宏觀的和具體的經(jīng)驗等。的經(jīng)驗等。概念及經(jīng)驗要貫穿在方案確定及結(jié)構(gòu)布置過程中，概念及經(jīng)驗要貫穿在方案確定及結(jié)構(gòu)布置過程中，應體現(xiàn)在計算簡圖或計算結(jié)果的處理中，應體現(xiàn)在計算簡圖或計算結(jié)果的處理中，對某些薄弱部位的配筋構(gòu)造起作用。對某些薄弱部位的配筋構(gòu)造起作用。概念設計帶有一定的經(jīng)驗性。但它和抗震計算、構(gòu)造概念設計帶有一定的經(jīng)驗性。但它和抗震計算、構(gòu)造設計等是不可分割、互為補充的抗震設計的重要組成設計等是不可分割、互為補充的抗震設計的重要組成部分。部分。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載9四、等效地震作用（荷載）的計

11、算四、等效地震作用（荷載）的計算 （一）計算方法簡介（一）計算方法簡介目前在工程上求解結(jié)構(gòu)地震反應的方法大致可以分為目前在工程上求解結(jié)構(gòu)地震反應的方法大致可以分為兩類。兩類。1等效荷載法等效荷載法：等效荷載的計算又有靜力法和反應譜等效荷載的計算又有靜力法和反應譜法兩種：法兩種：（ 1 1 ） 靜 力 法） 靜 力 法 ： 把 等 效 地 震 作 用 取 為 常 數(shù) ，把 等 效 地 震 作 用 取 為 常 數(shù) ，f=ma=mg(a/g)=k.g,f=ma=mg(a/g)=k.g,早期早期k k取為常數(shù)（取為常數(shù)（k=0.1k=0.1）。）。（2 2）反應譜法（擬靜力法）反應譜法（擬靜力法）：用

12、動力方法計算質(zhì)點體用動力方法計算質(zhì)點體系地震反應，建立反應譜，再用加速度反應譜計算結(jié)系地震反應，建立反應譜，再用加速度反應譜計算結(jié)構(gòu)的最大慣性力作為結(jié)構(gòu)的等效地震荷載；然后按靜構(gòu)的最大慣性力作為結(jié)構(gòu)的等效地震荷載；然后按靜力方法進行結(jié)構(gòu)計算及設計的方法，稱為反應譜方法。力方法進行結(jié)構(gòu)計算及設計的方法，稱為反應譜方法。 反應譜反應譜結(jié)構(gòu)的最大地震反應結(jié)構(gòu)的最大地震反應（u、a、m等）等）與與其自震周期其自震周期t t的關系曲線。的關系曲線。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載102 2直接動力分析法直接動力分析法：即對動力方程進行直接積分，求即對動力方程進行直接積分，求出結(jié)構(gòu)反應與時間變化的關系，得出所謂時程曲線，

13、出結(jié)構(gòu)反應與時間變化的關系，得出所謂時程曲線，故此法亦稱故此法亦稱時程分析法時程分析法。（二）設計反應譜曲線（二）設計反應譜曲線及及單質(zhì)點體系的地震作用單質(zhì)點體系的地震作用1 1、單質(zhì)點體系：、單質(zhì)點體系：等高單層廠房、水塔等。等高單層廠房、水塔等。v將該結(jié)構(gòu)中參與振動的所有質(zhì)量全部折算至頂部；將該結(jié)構(gòu)中參與振動的所有質(zhì)量全部折算至頂部；v將墻、柱視作一無重的彈性桿，這樣就形成了一個將墻、柱視作一無重的彈性桿，這樣就形成了一個單質(zhì)點體系單質(zhì)點體系v當該體系只作單向振動時，就成為一個單自由度體當該體系只作單向振動時，就成為一個單自由度體系系。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載11 式中：式中：m m、g g為單質(zhì)

14、點體系的質(zhì)量及重量；為單質(zhì)點體系的質(zhì)量及重量；g g為重力加為重力加速度；速度； 為地面運動最大加速度；為地面運動最大加速度； 稱為稱為地震系數(shù)，表示地面運動的相對強度；地震系數(shù)，表示地面運動的相對強度； 稱稱為動力系數(shù)，表示質(zhì)點加速度與地面加速度相比的放為動力系數(shù)，表示質(zhì)點加速度與地面加速度相比的放大系數(shù)；大系數(shù)；為地震影響系數(shù)，為地震影響系數(shù)，= =k。ggkmgxsgxmsfaamax0max0 2、單質(zhì)點體系的水平地震作用單質(zhì)點體系的水平地震作用max0 x gxk/max0 max0/ xsa 3、設計反應譜曲線抗震規(guī)范抗震規(guī)范（gb50011-2001）根據(jù)根據(jù)255條地震加速度條

15、地震加速度記錄計算得到的反應譜曲線，經(jīng)過處理后得到的標準記錄計算得到的反應譜曲線，經(jīng)過處理后得到的標準反應譜反應譜地震影響系數(shù)地震影響系數(shù)，作為設計反應譜曲線，作為設計反應譜曲線， 高層建筑結(jié)構(gòu)荷載12地震影響系數(shù)；地震影響系數(shù)；maxmax地震影響系數(shù)最大值；地震影響系數(shù)最大值；tt結(jié)構(gòu)自振周期；結(jié)構(gòu)自振周期；tgtg特征周期；特征周期； 曲線下降段的衰減指數(shù)；曲線下降段的衰減指數(shù)；1 1直線下降段下直線下降段下降斜率調(diào)整系數(shù)；降斜率調(diào)整系數(shù)；2 2阻尼調(diào)整系數(shù)阻尼調(diào)整系數(shù)高層建筑結(jié)構(gòu)荷載13 3單質(zhì)點體系的地震作用計算方法（1 1）計算結(jié)構(gòu)自振周期：）計算結(jié)構(gòu)自振周期： ；（2 2）由場地

16、類別、設計地震分組查表）由場地類別、設計地震分組查表2-112-11，得場地特，得場地特征周期征周期t tg g；（3 3）由設防烈度查表）由設防烈度查表2-92-9得水平地震影響系數(shù)最大值得水平地震影響系數(shù)最大值maxmax；（4）確定）確定 、 1、 2；（5 5）由）由t t、t tg g、maxmax按圖按圖2-112-11計算水平地震影響系數(shù)計算水平地震影響系數(shù)；（6 6）作用在單質(zhì)點上的水平地震作用為）作用在單質(zhì)點上的水平地震作用為f fekek= =g=g=mgmg。kmtmk/2/2,/高層建筑結(jié)構(gòu)荷載14（三）多質(zhì)點體系等效（三）多質(zhì)點體系等效地震作用計算方法地震作用計算方法

17、1、結(jié)構(gòu)體系的簡化、結(jié)構(gòu)體系的簡化一般把各層質(zhì)量集中在一般把各層質(zhì)量集中在樓層處，樓層處，n n個樓層即形成個樓層即形成n n個質(zhì)點。每一樓面標高個質(zhì)點。每一樓面標高位置的重量（稱重力荷位置的重量（稱重力荷載代表值）由以下幾部載代表值）由以下幾部分組成：分組成： 恒荷載（本層樓面結(jié)恒荷載（本層樓面結(jié)構(gòu)及上、下各半層墻、構(gòu)及上、下各半層墻、柱）的全部；柱）的全部； 雪荷載的雪荷載的5050； 一般樓面活荷載的一般樓面活荷載的5050，藏書庫、檔案庫活，藏書庫、檔案庫活荷載的荷載的8080。簡化后的計算簡圖如圖，簡化后的計算簡圖如圖，圖中圖中g gi i為第為第i i層質(zhì)點的重層質(zhì)點的重力荷載代表

18、值。力荷載代表值。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載152 2、計算方法及要求、計算方法及要求高層建筑應按不同情況分別采用相應的地震作用計算高層建筑應按不同情況分別采用相應的地震作用計算方法：方法： 高度不超過高度不超過40m40m，以剪切變形為主，剛度與質(zhì)量，以剪切變形為主，剛度與質(zhì)量沿高度分布比較均勻的建筑物，可采用底部剪力法。沿高度分布比較均勻的建筑物，可采用底部剪力法。 高度超過高度超過40m40m的高層建筑物一般可采用振型分解的高層建筑物一般可采用振型分解反應譜方法。反應譜方法。 剛度與質(zhì)量分布特別不均勻的建筑物、甲類建剛度與質(zhì)量分布特別不均勻的建筑物、甲類建筑物等，宜采用時程分析法進行補充計算。筑物

19、等，宜采用時程分析法進行補充計算。高層建筑結(jié)構(gòu)荷載163、反應譜底部剪力法計算水平地震作用、反應譜底部剪力法計算水平地震作用（1 1）基本思想：）基本思想：按結(jié)構(gòu)底部總剪力相等的原則，把多按結(jié)構(gòu)底部總剪力相等的原則，把多質(zhì)點體系簡化為單質(zhì)點體系，只用基本自振周期確定總質(zhì)點體系簡化為單質(zhì)點體系，只用基本自振周期確定總底部剪力，然后按照一定規(guī)律將地震力（總底部剪力）底部剪力，然后按照一定規(guī)律將地震力（總底部剪力）沿高度沿高度分配給各質(zhì)點。沿高度沿高度分配給各質(zhì)點。 （2 2）適用條件：）適用條件：結(jié)構(gòu)高度小于結(jié)構(gòu)高度小于40m40m；沿高度方向沿高度方向質(zhì)量及剛度分布比較均勻；質(zhì)量及剛度分布比較均

20、勻；以剪切變形為主（以剪切變形為主（h/bh/b4 4）的高層建筑。）的高層建筑。 （3 3）計算方法：）計算方法：v由基本自振周期由基本自振周期t t1 1、按反應譜曲線（、按反應譜曲線（t-t-）確定）確定1 1；（地震影響系數(shù)最大值地震影響系數(shù)最大值maxmax ；特征周期；特征周期t tg g；曲線下降；曲線下降段衰減指數(shù)段衰減指數(shù)；直線下降段下降斜率調(diào)整系數(shù)；直線下降段下降斜率調(diào)整系數(shù)1 1；阻；阻尼調(diào)整系數(shù)尼調(diào)整系數(shù)2 2）v計算底部剪力計算底部剪力f fekek：f fekek= =1 1g geqeq （g geqeq=0.85g=0.85ge e=0.85=0.85 g gi

21、） v將將fek分配給各質(zhì)點：分配給各質(zhì)點：高層建筑結(jié)構(gòu)荷載17當建筑為當建筑為n n層時，各樓層處地震力為層時，各樓層處地震力為f fi i，用頂部附加荷載用頂部附加荷載f fn n近似考慮高振型影響。頂層近似考慮高振型影響。頂層等效地震力為等效地震力為f fn n+ +f fn n。 多質(zhì)點體系的水平地震作用分布特點：多質(zhì)點體系的水平地震作用分布特點：當質(zhì)量、當質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻（剛度沿高度分布較均勻（gigj）時，）時，fi與與hi成正比。成正比。4 4、水平地震作用的簡化、水平地震作用的簡化 （1 1）主體結(jié)構(gòu)：）主體結(jié)構(gòu)：高層建筑主體結(jié)構(gòu)上的水平地震作高層建筑主體結(jié)構(gòu)上的水平

22、地震作用力可按底部彎矩相等的原則，簡化為倒三角形分布，用力可按底部彎矩相等的原則，簡化為倒三角形分布，高層建筑結(jié)構(gòu)荷載18（a) 實際地震作用： （b） 簡化后： niiihfm102max031hqmniiihfhq12max3（2 2）頂部小塔樓：）頂部小塔樓：按主體結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移相等的原則，按主體結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移相等的原則，簡化為作用在主體結(jié)構(gòu)頂部的水平力。簡化為作用在主體結(jié)構(gòu)頂部的水平力。取取p p1 1=f=fn+1n+1, m, m1 1=f=fn+1n+1h hn+1n+1, p, p2 2=3m=3m1 1/(2h)=3f/(2h)=3fn+1n+1h hn+1n+1/(2h) /(

23、2h) 得：得：p=pp=p1 1+p+p2 2=f=fn+1n+1+3f+3fn+1n+1h hn+1n+1/(2h)=f/(2h)=fn+1n+11+3h1+3hn+1n+1/(2h)/(2h) 高層建筑結(jié)構(gòu)荷載19 5 5、結(jié)構(gòu)自振周期的近似計算、結(jié)構(gòu)自振周期的近似計算 在應用反應譜底部剪力法計算等效地震荷載時，只在應用反應譜底部剪力法計算等效地震荷載時，只需要基本自振周期需要基本自振周期t t1 1，常?？梢圆捎眠m合于手算的近似，常?？梢圆捎眠m合于手算的近似計算方法。計算方法。 （1 1）頂點位移法）頂點位移法 對于質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的框架結(jié)構(gòu)、對于質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均

24、勻的框架結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)：框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)： （s s） t t結(jié)構(gòu)頂點假想側(cè)移：結(jié)構(gòu)頂點假想側(cè)移：即把集中在各層樓面處的即把集中在各層樓面處的重量重量g gi i視為作用于視為作用于i i層樓面的假想水平荷載，按彈性剛層樓面的假想水平荷載，按彈性剛度計算得到的結(jié)構(gòu)頂點側(cè)移度計算得到的結(jié)構(gòu)頂點側(cè)移( (以以m m為單位為單位) )； 0 0基本周期的縮短系數(shù)，基本周期的縮短系數(shù)，v 框架結(jié)構(gòu)取框架結(jié)構(gòu)取0 0=0.6=0.60.70.7；v框架一剪力墻結(jié)構(gòu)取框架一剪力墻結(jié)構(gòu)取0 0=0.7=0.70.80.8；v剪力墻結(jié)構(gòu)取剪力墻結(jié)構(gòu)取0 00.9 0.9 1.01.0。tt017 . 1高層