高层建筑结构设计(第二讲)

z(z)风压高度变化系数地面的粗糙度、温度垂直梯度
在大气边界层内，风速随离地面高度而增大 当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面 粗糙度和温度垂直梯度 通常认为在离地面高度为300500m时，风速不再受地面粗糙度的影 响，达到“梯度风速”，该高度称为梯度风高度HG
第二讲 抗风、抗震设计方法简介
第一节 抗风设计方法源自文库
一、抗风设计原则
风作用出现的概率大，大风作用的时间较长
人们要求在50年或100年重现期的风作用下结构仍然能正常使用， 也就是要求结构处于弹性和小位移状态 抗风设计主要基于承载力设计，对高度较高的高层建筑，还要保证 210年重现期的风荷载作用下人处于舒适状态（风作用下的加速度） “舒适度”的概念目前国内研究还很少 加拿大的达文波特教授（Pro. Davenport）第一次提出舒适度与房 屋顶层加速度关系 控制房屋顶层加速度的方法，满足舒适度要求
结构顶点最大加速度amax 限值 使用功能 住宅、公寓 办公、旅馆
amax （m s 2 ）
0.15 0.25
住宅、公寓建筑:
办公、旅馆建筑:
amax 0.15 m s 2
amax 0.25 m s 2
顺风向顶点最大加速度
aw
s r w0 A
mtot
2 式中， a w —顺风向顶点最大加速度（m s ） ；
复杂高层建筑结构（带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体 结构、多塔结构等） 质量沿高度分布特别不均匀的高层建筑结构
地面粗糙度等级低的地区，其梯度高度比等级高的地区为低。
GB50009-2001地面的粗糙度类别 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、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
地面粗糙度类别 粗糙度指数 梯度风高度HG 风压高度变化系数z A类 0.12 300m 1.379(z/10)0.24 B类 0.16 350m 1.000(z/10)0.32 C类 0.22 400m 0.616(z/10)0.44 D类 0.30 450m 0.318(z/10)0.60 地面粗糙度近似确定原则（无实测粗糙度指数 ） 1、以拟建房2km为半径的迎风半圆范围内的房屋高度和密集度来区分粗 糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其 主导风； 2、以半圆影响范围内建筑物的平均高度h平均来划分地面粗糙度类别， 当h平均18m，为D类，，9m h平均18m为C类， h平均 9m，为B类。 3、影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外 延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时， 交叠部分的高度取大者； 4、平均高度h平均取各面域面积为权数计算。
主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值：
wk=z s z(z) w0
W0基本风压，按《建筑结构荷载规范》GBJ50009规定取用。对于
特别重要的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。 风荷载是否敏感？ 主要与高层建筑的自振特性有关，目前尚无实用的划分标准。 一般情况下，房屋高度60m的高层建筑可按100年一遇的风压值采 用；房屋高度60m的高层建筑，其基本风压是否提高，可由设计人 员根据实际情况确定。
s —风荷载体型系数；
r —重现期调整系数，取重现期为 10 年时的系数；
w0
2 —基本风压（kN m ） ，采用 10 年重现期的值；
—脉动增大系数；
—脉动影响系数；
A
—建筑物总迎风面面积（
m2
mtot
） ；
t —建筑物总质量（
） 。
横风向顶点最大加速度
aw
Tt2 B t .cr
模拟结构刚度的基座杆长约150mm的矩形钢棒与一组很薄的钢棒 组合，可测倾覆力矩和扭矩等
z –高度z处的风振系数，且z=1+z/
—脉动增大系数，与w0T12、房屋结构类型；
—脉动影响系数，与地面粗糙度类型、H/B、房屋总高H； z—振型系数，由结构动力计算确定（一般取第一振型）。 GB50009规定：
JGJ3-2002：79度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析 法进行多遇地震下的补充计算 甲类高层建筑结构； 8度I、II类场地和7度，建筑高度>100m 8度III、IV类场地，建筑高度>80m 乙、丙类高层建筑结构 9度，建筑高度>60m 竖向不规则的高层建筑结构
20世纪50年代末期, G.W.Housner 实现了地震反应的动力计算分析，
并成功应用于抗震设计。 20世纪70年代，地震反应动力分析得到发展，从弹性时程分析方法
发展到弹塑性时程分析方法。
基于承载力的抗震设计方法 静力法和最初的反应谱理论 基于承载力和延性的抗震设计概念 以反应谱理论为基础，以三 水准设防为目标，以构件极限承载力设计保证结构承载力，以构 造措施保证结构延性的完整的抗震设计方法。 承载力与延性的关系 承载力高的结构，延性要求可以较低，而承载力较低时，则必须 设计具有较高延性的结构。 反之，延性不好的结构承载力必须提高，延性好的结构承载力可 2 以降低。 m m R +1 y y R 2
（2）气动弹性模型
对高宽比大于5的、需要考虑舒适度的高柔建筑时采用
精确地考虑结构的柔性和自振频率、阻尼的影响。要求模拟几何
尺寸、建筑物的惯性矩、刚度和阻尼特性。 （3）刚性高频力平衡模型

模型尺寸较小，1：500量级
将一个轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到 风产生的动力效应。
模拟结构刚度或高频力平衡系统
基本自振周期T1>0.25s的工程结构（房屋、屋盖及各种高耸结构）
高度H > 30m且高宽比H/B >1.5的高柔房屋 考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响
如何验算高层建筑结构的舒适度？
高层建筑在风荷载作用小将产生振动，过大的振动加速度将使在高楼内居 住的人们感觉不舒服，甚至不能忍受，两者的关系如下表。 舒适度与风振加速度的关系 不舒适的程度 无感觉 有 扰 感 人 建筑物的加速度 ＜0.005g 0.005g～0.015g 0.015g～0.05g 0.05g～0.15g ＞0.15g
性计算方法—推覆方法(Push-Over analysis)可获得结构性能和表
现定量的两种主要计算方法。
建筑物表现等级
破损指数 破损程度 表 现 破 损 状 态
10 忽略 9 8 轻微 7 6 中等 5 4 严重 3 2 完全破坏 1 倒塌 接近倒塌 生命安全 可运行 安全可运行
无损坏，继续使用 继续使用，设备运行正常，结构和非结构微小破损 大部分运行和功能可立即修复， 有一些不重要的设施需 要修理，结构和非结构微小破损 人员安全，重要的运行得到保护，不重要的运行遭破坏 房屋中等程度破坏，外貌和内部受保护，人员安全 结构受到中等破坏，不会倒塌，一般可保证生命安全 结构破坏，房屋不会倒塌，非结构构件掉落 结构严重破坏，但仍可不倒塌，非结构构件破坏严重 主要结构部分倒塌 结构完全倒塌
竖向不规则的类型
不规则类型 侧向刚度不规 则 竖向抗侧力构 件不连续 楼层承载力突 变
定
义
该层的侧向刚度小于相邻上一层的 70%; 或小于其相邻三个楼层侧向平均值的 80%; 除顶层外,局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的 25% 竖向抗侧力构件（柱、抗震墙等）的内力由水平转换构件(梁、桁架 等)向下传递 A 级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力小于相邻上 一楼层的 80% B 级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力小于相邻上 一楼层的 75%
JGJ3-2002
房屋高度大于200m时宜采用风洞试验来确定建筑物的风荷载； 房屋高度大于150m，有下列情况之一时，宜采用风洞试验确定建 筑物的风荷载 （1）平面形状不规则，立面形状复杂 （2）立面开洞或连体建筑 （3）周围地形和环境较复杂
风洞试验在风洞中建筑物能实现大气边界层范围内风的平均风剖 面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化 大气紊流纵向分量建筑物长度尺寸具有相同的相似常数 建筑物的风洞尺寸：宽2 4m、高2 3m，长5 30m 模拟风剖面要求模型与原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频 谱在几何上和运动上都相似 风洞试验：委托风工程专家和专门的实验人员 费用较高（国外应用较普遍、国内应用较少） 风洞试验模型分类： （1）刚性压力模型主要量测建筑物表面的风压力（吸力） 建筑模型材料：采用有机玻璃， 建筑模型比例：约1：3001：500 建筑模型本身、周围结构模型以及地形都应与实物几何相似，与风 流动有明显关系的特征（建筑外形、突出部分等）都应正确模拟。 风洞试验得到结构的平均压力、波动压力、体型系数 。 风洞试验一次需持续60s左右，相应实际时间1h
基于性能设计目标 表 现 水 平 完全可运行 常遇地震 设计 地震 水平 中等地震 罕遇地震 极罕遇地震 可运行 生命安全 接近倒塌
—大多数基本建筑物 —重要的（会产生危害的）建筑物 —少数必须安全的建筑物 、—不可接受的情况
s风载体型系数 风载体型系数s一般采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建 筑物模型进行试验确定。
《规程》JGJ3-2002附录A：风荷载体型系数
1、矩形、2、L形、3、槽形、4、正多边形、圆形、5、扇形平面、 6、棱形、7、十字形、8、井字形、9、X形、10、艹形、11、六角 形、12、Y形
3
br
BL
2 式中， a w —横风向顶点最大加速度（m s ） ；
B —建筑物平均重度 kN m ； t.cr —建筑物横风向临界阻尼比；
Tt
B L


s ； —建筑物横风向自振周期（ ）
m ； —建筑物平面的宽度（ ）
m ； —建筑物平面的长度（ ）
v T br —参数 kN m ， br 2.05 10 4 n.m t ； BL vn.m v 40 z s w0 ； m —建筑物顶点平均风速（ s ） ，即 n.m
十分扰人 不能忍受 注：g 为重力加速度。
对照国外的研究成果和有关标准，与我国现行行业标准《高层民用
建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）相协调，要求高层建筑混凝土结 构应具有更好的使用条件，满足舒适度的要求。
《高层建筑混凝土结构技术规程》 （JGJ3-2002）第 4.6.6 条 规定，高度超过 150m 的高层建筑结构应具有良好的使用条件， 满足舒适度的要求，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》 （GB50009-2001） 规定的 10 年一遇的风荷载取值计算或专门风 洞试验确定的结构顶点最大加速度amax 不应超过下表的取值.
FE
地 震 力
弹性
FE
地 震 力 塑性
弹性
FD
FD
塑性
y
位移 等位移假定
m
y
位移 等能量假定
m
基于性能的抗震设计方法 人们研究的热点 要求在不同水准的地震作用下，直接以结构的性能和表现作为设计 目标。可根据业主的要求达到不同的性能目标（正常使用、生命安 全、设备安全、防止倒塌等） 现行的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标已经具备 了基于抗震设计的思想。而基于性能/位移的抗震设计方法需要定量。 地震反应的时程分析方法（Time History Analysis）和静力弹塑
3


3.3
z —风压高度变化系数；
其余符号同前。
第二节 抗震设计方法
一、结构地震作用计算方法的三个阶段
静力法
1900年日本学者大森房吉提出震度法概念，将地震作用简化为静力 反应谱理论 20世纪30年代美国开展了强震记录的研究(El Centro),美国M.Biot 提出用地震记录计算反应谱的概念，50年代初，G.W.Housner实现了 反应谱的计算，并应用于抗震设计。 时程分析方法