高层建筑结构设计第3章
第3章高层建筑结构的荷载和地震作用(精)
第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用[例题] 某高层建筑剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m,其他各层层高为3m ，室外地面至檐口的高度为120m ，平面尺寸为m m 4030⨯，地下室采用筏形基础，埋置深度为12m ，如图3.2.4(a)、(b)所示。
已知基本风压为2045.0m kN w =，建筑场地位于大城市郊区。
已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为800kN 。
为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为20m ，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值，计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力和筏形基础底面的弯矩。
解：（1）基本自振周期：根据钢筋混凝土剪力墙结构的经验公式，可得结构的基本周期为： s n T 90.13805.005.01=⨯==222210m s kN 62.19.145.0T w ⋅=⨯=（2）风荷载体型系数：对于矩形平面，由附录1可求得80.01=s μ57040120030480L H 0304802s .....-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=μ （3）风振系数：由条件可知地面粗糙度类别为B 类，由表3.2.2可查得脉动增大系数502.1=ξ。
脉动影响系数ν根据H/B 和建筑总高度H 由表3.2.3确定，其中B 为迎风面的房屋宽度，由H/B=3.0可从表3.2.3经插值求得=ν0.478；由于结构属于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，可近似采用振型计算点距室外地面高度z 与房屋高度H 的比值，即H H i /z =ϕ，i H 为第i 层标高；H 为建筑总高度。
则由式（3.2.8）可求得风振系数为：HH 478050211H H 11iz i z ⋅⨯+=⋅+=+=μμξνμϕνξβ.. z z z（4）风荷载计算：风荷载作用下，按式（3.2.1）可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为：()z z z z ....)z (q βμβμ6624=40×570+80×450=按上述公式可求得各区段中点处的风荷载标准值及各区段的合力见表3.2.4，如图3.2.4(c)所示。
科学出版社 高层建筑结构设计(第二版)史庆轩 主编 国家级精品课教材 赠课件 第3章-局部修改
第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 ——局部修改P39：作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小布满在所有楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，对活荷载标准值乘以规定的折减系数。
折减系数的确定比较复杂，目前大多数国家均通过从属面积来考虑，具体可参考《荷载规范》的规定。
P46：表3.2.2 脉动增大系数ξ注：计算201T ω时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。
P47：表3.2.4 振型系数ϕP49：表3.2.5 风荷载作用下各区段合力的计算P50：结构地震动力反应过程中存在着地面扭转运动，而目前这方面的强震实测记录很少，地震作用计算中还不能考虑输入地面运动扭转分量。
为此，《高层规程》规定，计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响，每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用，即0.05i i e L =± （3.3.1） 式中：i e 为第i 层质心偏移值(m)，各楼层质心偏移方向相同；i L 为第i 层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m)。
P51：表3.3.2 时程分析时输入地震加速度的最大值 (cm/s 2)P53：表3.3.5 水平地震影响系数最大值αP59：2）跨度大于24m 的楼盖结构、跨度大于12m 的转换结构和连体结构、悬挑长度大于5m 的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析法或振型分解反应谱方法进行计算。
时程分析计算时输入的地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65%采用，反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，但设计地震分组可按第一组采用。
3）高层建筑中，大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体的竖向地震作用标准值，不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与表3.3.9所规定的竖向地震作用系数的乘积。
第3章高层建筑结构的荷载和地震作用.
第3章高层建筑结构的荷载和地震作用[例题] 某高层建筑剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m,其他各层层高为3m，室外地面至檐口的高度为120m，平面尺寸为30m⨯40m，地下室采用筏形基础，埋置深度为12m，如图3.2.4(a)、(b)所示。
已知基本风压为w0=0.45kNm，建筑场地位于大城市郊区。
已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为800kN。
为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为20m，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值，计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力和筏形基础底面的弯矩。
2解：（1）基本自振周期：根据钢筋混凝土剪力墙结构的经验公式，可得结构的基本周期为： T1=0.05n=0.05⨯38=1.90sw0T12=0.45⨯1.92=1.62kN⋅s2m2（2）风荷载体型系数：对于矩形平面，由附录1可求得μs1=0.80H⎫120⎫⎛⎛⎪=- 0.48+0.03⨯⎪=-0.57 L40⎝⎭⎝⎭（3）风振系数：由条件可知地面粗糙度类别为B类，由表3.2.2可查得脉动增大系数ξ=1.502。
脉动影响系数ν根据H/B和建筑总高度H由表3.2.3确定，其中B 为迎风面的房屋宽度，由H/B=3.0可从表3.2.3经插值求得ν=0.478；由于结构属于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，可近似采用振型计算点距室外地面高度z与房屋高度H的比值，即ϕz=Hi/H，Hi为第i层标高；H为建筑总高度。
则由式（3.2.8）可求得风振系数为：ξ ν ϕzξνHi1.502⨯0.478Hiβz=1+=1+⋅=1+⋅μzμzHμzH（4）风荷载计算：风荷载作用下，按式（3.2.1）可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为：q(z)=0.45×(0.8+0.57)×40μzβz=24.66μzβzμs2=- 0.48+0.03按上述公式可求得各区段中点处的风荷载标准值及各区段的合力见表3.2.4，如图3.2.4(c)所示。
第3章：多层和高层框架结构
帮 助
混凝土结构设计
第3章
竖向荷载作用下的内力计算方法
（1）分层法 基本假定 忽略垂直荷载作用下框架结构的侧移；
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每层梁上的荷载只在本层梁及与其相连的上、 下层柱产生内力，不在其他层梁和其他层柱 上产生内力。
帮 助
混凝土结构设计
第3章
根据以上假定，多、高层框架可分层作为若干 个彼此互不关连的且柱端为完全固定的简单刚架近 似计算。简单刚架可用弯矩分配法计算，一般循环 2次。
主 页 目 录 上一章
帮 助
混凝土结构设计
第3章
框架梁内力
（1）弯矩
主 页
M
2 u ln
`
…3-13
目 录 上一章
式中， ——弯矩系数，查表3.6.1；
n ——框架梁上恒载与活载设计值之和；
ln ——净跨跨长，求支座弯矩时用相邻
两跨净跨跨长的均值。
帮 助
混凝土结构设计 表3.6.1
第3章
纵向布置
特点：
连系梁截面较小，框 架梁截面尺寸大，室 内有效净空高； 对纵向地基不均匀沉 降较有利； 房屋横向刚度小，侧 移大。 纵向承重
帮 助 主 页 目 录 上一章
混凝土结构设计
第3章
双向布置
主 页
特点： 整体性好，受力好；
目 录 上一章
适用于整体性要求
较高和楼面荷载较
e 钢筋的截断和弯起位置不对
f 框架梁柱的剖面图配筋和剖面位置对不上 g 剖面不能全面地反映框架的配筋情况等
混凝土结构设计
第3章
§3.1 概 述
房屋按高度和层数分类
低层
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高层建筑设计理论第3章
2、风压高度变化系数 μ Z 风速大小不仅与高度有关，一般越靠近地面风速越小，
愈向上风速越大，而且风速的变化与地貌及周围环境有直 接关系。
风压高度变化系数
表 3-7 风压高度变化系数 z
风压的高度变化
单位面积风荷载标准值
(1)当计算主要承重结构时
wk z s z w0
式中 wk ——风荷载标准值(kN/m2)； w0 ——基本风压(kபைடு நூலகம்/m2)；
s ——风压高度变化系数； z ——风荷载体型系数； z ——z 高度处的风振系数。
(2)当计算围护结构时
wk gz s z w0
式中 gz ——高度 z 处的阵风系数。
基本风压
作用在建筑物上的风压力与风速有关，可表示为：
0
1 2
2
式中 0 ——用于建筑物表面的风压(N／m2)； ——空气的密度，取 =1.25k9／m3； ——平均风速(m／s)。
全国l0年、50年和l00年一遇的风压标准值可由《建筑结 构荷载规范》(GB50009--2012)附表中查得。
屋面活荷载
屋面活荷载一般可按下述方法进行取值： 1.房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载的标准值 及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于 表3-3的规定。 2．屋面直升机停机坪荷载应按局部荷载考虑，或根据局部荷载换 算为等效均布荷载考虑，其等效均布荷载不应低于5.0kN/m2。
2.风力受建筑物周围环境影响较大，处于高层建筑群中的高层建筑，有时会 出现受力更为不利的情况。例如，由于不对称遮挡而使风力偏心产生扭转；相邻 建筑物之间的狭缝风力增大，使建筑物产生扭转等等。在这些情况下要适当加大 安全度。
高层建筑钢结构-第三章结构体系和布置
偏心支撑的工作性能
采用偏心支撑的主要目的是改变支撑斜杆与梁(耗能梁段) 的先后屈服顺序。 在罕遇地震时，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行 耗能，另一方面使耗能梁段的剪切屈服在先，从而保护 支撑斜杆不屈曲或屈曲在后。 耗能梁端在多遇地震下应保持弹性状态，在罕遇地震下 产生剪切屈服。 必须提高支撑斜杆的受压承载力，使其至少应为耗能梁 段达到屈服强度时相应支撑轴力的1.6倍。
i i
1
i
实例
北京长富宫中心
1.建筑概况
地下2层、地上25层，旅馆建筑，建于1987年。 高91m，层高3.3m，25.8×48m矩形平面，柱网8×9.8m。 外墙采用带面砖的预制混凝土挂板。
2.结构体系及主要计算结果
为钢框架体系，但在2层以下和地下室为钢骨混凝土 结构。 基本周期为3.6s，最大层间位移1/337，小于1/200 的限值。
偏心支撑框架结构 框架-偏心支撑结构（双体系）
框架-剪力墙板结构（也可以是双体系）
剪力墙板类型有：钢板剪力墙、开缝剪力墙和内藏钢板支撑剪力墙
开缝剪力墙的工作原理
内藏钢板支撑剪力墙
2) 框架-支撑结构的工作特点
框架—支撑体系是由框架体系演变来的，即在框架体 系中对部分框架柱之间设置竖向支撑，形成若干榀带 竖向支撑的支撑框架。
对应伸臂桁架的楼层位置，宜沿外框架周边设置腰桁架或 帽桁架，以使外框架的所有柱子能与内筒起到整体抗弯作 用。腰桁架的高度也与设备层的层高相同。
3.5 交错桁架体系(staggered truss
1) 结构构成
systems)
2) 受力特点
3.6 筒体结构(tube structures)
1) 筒体结构的分类 外筒体系 框架筒体 桁架筒体 筒中筒 成束筒
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第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用——局部修改P39：作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小布满在所有楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，对活荷载标准值乘以规定的折减系数。
折减系数的确定比较复杂，目前大多数国家均通过从属面积来考虑，具体可参考《荷载规范》的规定。
P46：表3.2.2 脉动增大系数ξ注：计算201T ω时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。
P47：表3.2.4 振型系数ϕP49：表3.2.5 风荷载作用下各区段合力的计算P50：结构地震动力反应过程中存在着地面扭转运动，而目前这方面的强震实测记录很少，地震作用计算中还不能考虑输入地面运动扭转分量。
为此，《高层规程》规定，计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响，每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用，即0.05i i e L =± （3.3.1）式中：i e 为第i 层质心偏移值(m)，各楼层质心偏移方向相同；i L 为第i 层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m)。
P51：表 3.3.2 时程分析时输入地震加速度的最大值 (cm/s 2)P53：表3.3.5 水平地震影响系数最大值αP59：2）跨度大于24m 的楼盖结构、跨度大于12m 的转换结构和连体结构、悬挑长度大于5m 的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析法或振型分解反应谱方法进行计算。
时程分析计算时输入的地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65%采用，反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，但设计地震分组可按第一组采用。
3）高层建筑中，大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体的竖向地震作用标准值，不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与表3.3.9所规定的竖向地震作用系数的乘积。
第3章 高层建筑荷载及其效应组合
根据假定(1)，可分别考虑纵向平面结构 和横向平面结构的受力情况，即在横向水 平分力的作用下，只考虑横向框架(横向 剪力墙)而忽略纵向框架(纵向剪力墙)的 作用，而在纵向水平力作用下，只考虑纵 向框架(纵向剪力墙)而忽略横向框架(横 向剪力墙)的作用。这样可使计算大为简 化。
3.2 竖向荷载
竖向荷载包括恒载、楼面及屋面活荷载、 雪荷载。恒载由构件及装修材料的尺寸和材 料重量计算得出，材料自重可查《建筑结构 荷载规范》(GB 50009-2001)(以下简称《荷 载规范》)。楼面上的活荷载可按《荷载规 范》采用，常用民用建筑楼面均布活荷载见 表3-1。
震中距的影响 建筑物本身的动力特性对建筑破坏程 度有很大的影响 建筑物的动力特性：主要指建筑物的 自振周期、振型和阻尼。
自振周期:结构按某一振型完成一次自由振动所需
要的时间 阻尼:使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用
地震的几个名词
地震震级 地震能量的量度。 地震烈度 对地面及建筑物的破坏程度。
3.在遭受高于本地区设防烈度的预估 罕遇地震的影响时，建筑物不致倒塌 或发生危及生命的严重破坏。（此时 建筑物将产生严重破坏但不至于倒塌， 大震）
恒载的计算内容: 1、结构构件(梁、板、柱、墙、支撑) 的重量 2、非结构构件(粉灰、饰面材料、填 充墙、吊顶等)的重量 这些重量的大小不随时间而改变，又 称为永久荷载。 恒载标准值等于构件的体积乘以材料 的容重。
常用材料的容重为：
钢筋混凝土 25kN／m3； 钢材 78.5kN／m3 水泥砂浆 20kN／m3； 混合砂浆 17kN／m3 铝型材 28kN／m3； 玻璃 25.6kN／m3
水平荷载作用方向图
3.1.2 平面化假定 荷载作用下的房屋结构都是空间受力体系， 对框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构进行 计算时，可以把空间结构简化为平面结构，并作 以下两个假定。 (1) 每榀框架或剪力墙可以抵抗自身平面内的侧 力，平面外刚度很小，可忽略不计。即不考虑框 架(剪力墙)参与抵抗平面外的水平作用，当作只 抵抗自身平面内水平作用的平面结构。 (2) 楼盖结构在自身平面内刚度无限大，平面外 刚度很小，可忽略不计。
第3,4章 高层建筑荷载
建筑物的抗震设防类别
建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙 类、丙类和丁类四个抗震设防类别。 甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发 生严重次生灾害的建筑， 乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需 尽快恢复的建筑， 丙类建筑应属于除甲、乙、丁类以外的一般建 筑， 丁类建筑应属于抗震次要建筑。
局部风荷载：用于计算局部构件或围护构件或
维护构件与主体的连接。 对于檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等突出构件的 上浮力，取μs>=-2.0。 对封闭式建筑，按外表面风压的正、负情况取2.0或+2.0。
3.1.3风洞试验
（JGJ3-2002)规定：有下列情况之一的建筑物， 宜按风洞试验确定风荷载。 1 高度大于200m 2高度大于150m，且平面性状不规则、立面形 状复杂，或立面开洞、连体建筑等 3 规范或规程中没有给出风载体形系数的建筑 物 4 周围地形和环境复杂的建筑物
3.2.3抗震计算理论
计算地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法 （拟静力法）和时程分析法（直接动力法）。
反应谱理论
反应谱：单质点弹性体系在一定的地面 运动作用下，其最大反应（加速度、速 度和位移反应）与体系自振周期之间的 变化曲线（谱曲线）。
• 直接动力理论
用地震波（加速度时程）作为地面运动输入，直接计算 并输出结构随时间而变化的地震反应。 • 地震波的选取： 采用弹塑性动力分析方法进行薄弱层验算时，宜符合以下 要求：
第3章 高层建筑荷载
教学提示：本章主要介绍了高层建筑风荷载
的计算；抗震设防的准则和基本设计方 法，水平地震作用的计算方法（主要是 反应谱法）与竖向地震作用的计算方法。 教学要求：熟练掌握风荷载的计算方法，以 及用反应谱方法计算水平地震作用的方 法，理解抗震设防的准则和基本设计方 法，理解反应谱理论。
3-1框架内力计算
q=2.8kN/m （10.21） （1.79） q=3.4kN/m
H
（4.21）
I
3.80m
D
（9.53） （7.11） （4.84）
E
（12.77） （3.64）
F
4.40m
（括号内数字为线刚度相对值）
A
（i=EI/l） 7.50m
B
5.60m
C
解：
上层各柱线刚度×0.9，然后计算各节点的弯矩分配系数
多层与高层建筑结构设计
第三章 框架结构内力与位移计算
土木工程系
框架结构内力与位移计算
• 框架结构的布置与计算简图
• 竖向荷载作用下的近似计算——分层计算法 • 水平荷载作用下的近似计算——反弯点法 • 水平荷载作用下的改进反弯点法——D值法
• 水平荷载作用下侧移的近似计算
框架结构的布置与计算简图
装配整体式楼面
框架柱的截面尺寸估算
框架柱的截面尺寸一般根据柱的轴压比限值按下列公式估算：
N＝βAGn
N Ac≤ [ N ] f c
框架柱轴压比限值，对 一级、二级和三级抗震 等级，分别取0.7, 0.8和 0.9。
其中β——考虑地震作用组合后柱轴压力增大系数，边 柱取1.3，不等跨内柱取1.25，等跨内柱取1.2； A——按简支状态计算的柱的负载面积； G——折算在单位建筑面积上的重力荷载代表值， 可根据实际荷载计算，也可近似取12～16 kN/m2； n——验算截面以上楼层层数；
-0.200 0.133
-0.267 0.231
-4.836
0.668
15.045
0.353 0.175
-13.585
0.472
0.733
荷载与设计要求,建筑结构设计计算的一般规定
确定楼面梁、墙、柱及基础的荷载标准值时，应 将楼面活荷载标准值乘以规定的折减系数。 1）设计楼面梁时，上表中的折减系数为: ①第1项当楼面梁从属面积超过25m2时，取0.9； ②第2～8项当楼面梁从属面积超过50m2时，取0.9； ③第9项对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取 0.8；
1、 单位面积上的风荷载标准值 我国《建筑结构荷载规范》规定垂直作用于 建筑物表面单位面积上的风荷载标准值 wk(KN/m2)按下式计算：
2）上人的屋面，当兼作其他用途 时，应按相应楼面活荷载采用。
3）对于因屋面排水不畅、堵塞等引 起的积水荷载，应采取构造措施加以防 止；必要时，应按积水的可能深度确定 屋面活荷载。
4）屋顶花园活荷载不包括花圃土石 等材料自重。
屋面均布活载不应与雪荷载同时组 合，雪荷载的取用见《荷载规范》。
活荷载按楼层的折减系数
确定高层建筑风荷载的方法有两种，大多 数建筑（高度300m以下）按照《荷载规范》规 定的方法计算风荷载值，少数建筑（高度大、 对风荷载敏感或有特殊情况者）还要通过风洞 试验确定风荷载，以补充规范的不足。
一般情况下，在风力不很大的地震区建 筑物仅考虑地震作用而不考虑风荷载；而在 风力较大的地震区建筑物，则需同时考虑风 荷载和地震作用；在没有抗震设防要求的地 区，风荷载起主要的控制作用。
0.7 0.7
0.7 0.7
0.7 0.7 0.7
0.7
0.5 0.7
0.4 0.5
0.4 0.5 0.3
0.5
注：1）本表所给各项活荷载适用于一般使用条件，当使用荷载较大或情 况特殊时，应按实际情况采用；
第3章高层建筑结构荷载
建筑抗震设计方法 （两阶段设计方法）
第一阶段设计：按小震作用效应和其他荷载效应的基 本组合验算结构构件的承载能力，以 及在小震作用下验算结构的弹性变形 以满足第一水准抗震设防目标
第二阶段设计： 在大震作用下验算结构的弹塑性变形 以满足第三水准抗震设防目标
以抗震构造措施来加以保证第二水准抗震设防目标的要求
（12个）
一次地震，只有一个震级，而在
不同的地区却有不同的烈度
基本烈度： 一个地区的基本烈度是指该地区在今后 50年期限内,在一般场地条件下可能遭遇 的超越概率为10%的地震烈度。
第3章 高层建筑 结构荷载
3.2 地震荷载
建筑抗震设防分类
甲类建筑—— 属于重大建筑工程和地震时可能发 生严重次生灾害的建筑
第3章 高层建筑 结构荷载
一、定义
3.1 风荷载
风可在建筑物表面产生压力与吸力，称为风荷载。
动力荷载
静荷载
（实质）
（设计）
二、风荷载标准值按下式决定
wk zszw0
w0— 基本风压(kN/m2) z —高度z处的风振系数
风荷载标准值(kN/m2)
s — 风荷载体型系数
z — 风压高度变化系数
第3章 高层建筑 结构荷载
质点 m
位移 xt 最大加速度 xt
惯性力 F t
H
L 地面运动位移 xg t
最大加速度 xg max
第3章 高层建筑 结构荷载
3.2 地震荷载
加速度反应谱曲线（地震影响系数曲线）—P28
max 水平地震影响系数最大值
与设防烈度有关 P29表2-10
设计特征周期
与场地类别有关
第3章 高层建筑 结构荷载
第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用
华南理工大学
高层建筑结构设计
第3章 荷载和地震作用
华南理工大学土木工程学院
第3章 荷载和地震作用
本章主要内容：
华南理工大学
1. 竖向荷载（简要介绍） 2. 风荷载（重点） 3. 地震作用（简要介绍，抗震课讲授）
第3章 荷载和地震作用
华南理工大学
第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用
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
标准地貌 标准风速 风向 风的动力作用
建筑外型 建筑高度
对高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定 的风压，另一方面风又使建筑物产生风力振动。(静力＋动力)
3.2 风荷载
第3章 荷载和地震作用
华南理工大学
3.2.1 风荷载标准值 主体结构计算时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值
华南理工大学
(1)楼面活载
1）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取用。
3）计算活荷载产生内力时，可不考虑活荷载的不利布置， 按活荷载满布进行计算，然后将所得梁跨中截面和支座截面弯 矩乘以1.1~1.3的放大系数。
华南理工大学
2、风压高度变化系数 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。且风速的变化还与地面粗糙程度有关。
离地高度（m）
梯度风 100
89
77
梯度风 100
90
梯度风 100
高层建筑结构概念设计
第四阶段从90年代开始
上海金茂大厦，(钢结构， 88层，高420m，是我国 目前最高的建筑)
金茂大厦内部结构
2. 国外现代高层建筑的发展
第一阶段是19世纪中期以前，由于主要建筑 材料是砖石和木材，以及设计手段和施工技术 的限制，欧美国家一般只能建造6层及以下的 建筑。
第二阶段是19世纪中期开始的20世纪 50年代初
第三阶段为80年代
深圳发展中心大厦，(43层， 高165.3m，加上天线的高度 共185.3m)，是我国第一座 大型高层钢结构建筑。
第三阶段为80年代
广州国际大厦 (63层，高200m)
第三阶段为80年代
北京京广中心大厦 (57层，高208m)
第三阶段为80年代
上海新锦江宾馆是一座现代化的高级宾馆，(总建 筑面积66060m2，共43层，总高153.52m) 静安希尔顿饭店，(建筑面积69224m2，包括塔 楼43层，总高143.62m)
钢骨钢筋混凝土构件
组合结构
钢管钢筋混凝土构件
钢管屈曲破坏
钢管混凝土结构 工程实例
美国西雅图 双联广场大厦
58层 四根大钢管混凝土柱 混凝土抗压强度133Mpa 直径3.05m 管壁厚30mm 承受60%竖向荷载
2)部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢 筋混凝土结构（或部分采用钢骨钢筋混凝土 结构）
1855年发明了电梯系统(OTIS)，使人们建造更高的 建筑成为可能。 家庭保险公司大楼(Home Insurance Building)， 11层，高55m，建于18841886年，采用铸铁框架 承重结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构 体系的诞生。 从1884年到19世纪，高层建筑已经发展到了采 用钢结构，建筑物的高度越过了100m大关。 1898年建成的纽约Park Row大厦（30层， 118m）是19世纪世界上最高的建筑。
高层结构设计第3章 高层建筑的荷载和地震作用
3、抗震设防目标
具体通过“三水准”的抗震设防要求和 “两阶段”的抗震设计方法实现。
三水准地震作用的标定
三水准：“小震”“中震”“大震” 地震影响 众值烈度（多遇地震）小震 基本烈度（设防烈度地震）中震 罕遇烈度（罕遇地震）大震 50年超越概率 63.2% 10% 2-3% 地震重现期 50年 475年 1642-2475年
：空气密度
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15
（2）风荷载体型系数 s 风对建筑表面的作用力并不等于基本风压值，而是随建筑物的 体型、尺度、表面位臵等而改变，其大小由实测或风洞试验确定 s =垂直于建筑表面的平均风作用力/基本风压值
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（2）风荷载体型系数 s 风对建筑表面的作用力并不等于基本风压值，而是随建筑物的 体型、尺度、表面位臵等而改变，其大小由实测或风洞试验确定 s =垂直于建筑表面的平均风作用力/基本风压值
吸力
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4、总风荷载
各个表面承受风力的合力，沿高度变化的分布荷载
Z Z 0 (1 B1 cos1 Zn Bn cos n )
α2 =900 α1=0 μs= +0.8 B1 wind B4
μs=-0.6
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μs=-0.6
4、地震作用计算原则
一般情况下，计算两个主轴方向的地震作用；有斜交抗 侧力构件（角度大于 15 度）时应分别计算各抗侧力构件 方向的地震作用 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双 向水平地震作用下的扭转影响，其他情况应计算单向地 震作用下的扭转影响 8 度和 9 度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结 构应考虑竖向地震作用 9度抗震设计时应计算竖向地震作用
高层建筑结构设计教案A简化
高层建筑结构设计教案A简化第一章：高层建筑结构概述1.1 教学目标了解高层建筑结构的定义和发展历程。
掌握高层建筑结构的分类及其特点。
理解高层建筑结构设计的基本原则。
1.2 教学内容高层建筑结构的定义和发展历程。
高层建筑结构的分类及其特点。
高层建筑结构设计的基本原则。
1.3 教学方法采用讲授法，介绍高层建筑结构的定义和发展历程。
采用案例分析法，分析高层建筑结构的分类及其特点。
采用讨论法，探讨高层建筑结构设计的基本原则。
第二章：高层建筑结构设计规范2.1 教学目标熟悉我国高层建筑结构设计规范的主要内容。
掌握高层建筑结构设计规范的应用方法。
了解高层建筑结构设计规范的发展趋势。
2.2 教学内容我国高层建筑结构设计规范的主要内容。
高层建筑结构设计规范的应用方法。
2.3 教学方法采用讲授法，介绍我国高层建筑结构设计规范的主要内容。
采用案例分析法，讲解高层建筑结构设计规范的应用方法。
采用讨论法，探讨高层建筑结构设计规范的发展趋势。
第三章：高层建筑结构体系3.1 教学目标了解高层建筑结构体系的分类及其特点。
掌握高层建筑结构体系的设计方法。
理解高层建筑结构体系的经济性和安全性。
3.2 教学内容高层建筑结构体系的分类及其特点。
高层建筑结构体系的设计方法。
高层建筑结构体系的经济性和安全性。
3.3 教学方法采用讲授法，介绍高层建筑结构体系的分类及其特点。
采用案例分析法，分析高层建筑结构体系的设计方法。
采用讨论法，探讨高层建筑结构体系的经济性和安全性。
第四章：高层建筑结构材料4.1 教学目标熟悉高层建筑结构常用材料的特性和应用。
掌握高层建筑结构材料的选择方法。
4.2 教学内容高层建筑结构常用材料的特性和应用。
高层建筑结构材料的选择方法。
高层建筑结构材料的发展趋势。
4.3 教学方法采用讲授法，介绍高层建筑结构常用材料的特性和应用。
采用案例分析法，讲解高层建筑结构材料的选择方法。
采用讨论法，探讨高层建筑结构材料的发展趋势。
第五章：高层建筑结构分析方法5.1 教学目标掌握高层建筑结构分析的基本方法。
第3章1-风荷载
s ——第i个表面的风载体型系数；
ai ——第i个表面法线与总风荷载作用方向的夹角。
3.2 风荷载
3.2.2总体风荷载和局部风荷载
W z z0 (s1B1 cos1 s 2 B2 cos2 ... sn Bn cosn )
3.2 风荷载
3.2.3风洞试验
风洞试验要求在风 洞中能实现大气边界层 内风的平均风剖面、紊 流和自然流动，即能模 拟风速随高度的变化， 大气紊流纵向分量与建 筑物长度尺寸应具有相 同的相似常数。一般， 风洞尺寸达到宽2-4m、 高2-3m、长5-10m时可满 足要求。
3.2 风荷载
例题3-1
计算具有右图平面的 框架-剪力墙结构的总 风荷载及其合力作用 点。18层，高58m， H/B=1.72，D类地区， 地区标准风压 w0=0.70kN/m2。
-0.7
+0.4
-0.7
0 +0.8
-0.5 -0.5
0
-0.5
3.2 风荷载
4.风振系数 z
稳定风压(平均风压——静力): 风速的平均值产生的风压, 使建筑 物产生静侧移； 波动风压——动力：实际风速产生的风压，在平均风压附近 波动。
它把圣保罗大教堂与新的泰特现代艺 术画廊和星球剧院联系起来。这座泰 晤士河上的“千年桥”耗资1820万英 镑，2000年6月10日首次向公众开放时， 桥身出现明显摆动，三天后被迫关闭。 有关部门在这座350米长的步行桥上加 装了91个类似汽车减震器的装置，方 得以重新向公众开放。重新开放后的 千年桥热闹非凡。
伦敦千年桥
4.风振系数 z
3.2 风荷载
考虑范围： 房屋结构 H>30m 且 H/B>1.5 高耸结构 T1>0.25s
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3.1.3 风洞试验介绍
宜进行风洞试验的建筑物： （1）高度大于200m； （2）平面形状或立面形状复杂；
（3）立面开洞或连体建筑；
（4）周围地形和环境较复杂。
图3-5
风洞试验
3.1
风荷载
3.1.3 风洞试验介绍
2.特征周期Tg与场地土和场地
特征周期(s) 表3-9
各类建筑场地的覆盖层厚度(m)
表3-10
3.2
地震作用
3.2.4 设计反应谱
2.特征周期Tg与场地土和场地
土的类型划分和剪切波速范围 表3-11
第3章 高层建筑结构荷载
3.2 地震作用
3.2.5 水平地震作用计算
1.反应谱底部剪力法
FEk α1G eq (3-9)
高层建筑结构设计
（第二版）
•
钱稼茹 赵作周 叶列平 编著
第3章 高层建筑 结构荷载
3.1 风荷载
3.2
地震作用
第3章 高层建筑结构荷载
3.1 风荷载
wk β zμ sμ z w0 (3-1)
1.基本风压值w0 它是取该地区(城市)空旷平坦地面上离地10m处、重现期为50年(或100年) 的10分钟平均最大风速v0(m/s)作为计算基本风压值的依据(近似按照v20/1600 计算风压值)。 2.风压高度变化系数μz
2 S Ek S2 (3-22a) x (0.85S y )
2 S Ek S2 (3-22b) y (0.85Sx )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.2
地震作用
3.2.5 水平地震作用计算
3.时程分析法 采用时程分析法主要是对甲类高层建筑，竖向布置不规则的 高层建筑，8度Ⅰ、Ⅱ类场地和7度高度超过100m的高层建筑， 8 度Ⅲ、Ⅳ类场地高度超过80m和9度高度超过60m的房屋建筑，以 及复杂高层建筑等在多遇地震作用下的补充计算。
i 1 i 1 n n
2 2 2 γtj Y ji Gi / (X 2 (3-18b) ji Y ji θ ji r i )Gi i 1 i 1
n
n
γtj γxjcosθ γ yj sinθ (3-18c)
S Ek ρ jr S j S r (3-19)
γ 0.9 0.05-ζ (3-6) 0.3 6ζ
η1 0.02
0.05-ζ (3-7) 4 32ζ
η2 1
图3-10 地震影响系数曲线
0.05-ζ (3-8) 0.08 1.6ζ
水平地震影响系数最大值
表3-8
3.2
地震作用
3.2.4 设计反应谱
第3章 高层建筑结构荷载
3.2 地震作用
地震波传播产生地面运动，通过基础影响上部结构，上部结构产生的振动 称为结构的地震反应，包括加速度、速度和位移反应。 地震波可以分解为六个振动分量：两个水平分量、一个竖向分量和三个转 动分量。对建筑结构造成破坏的，主要是水平振动。 地面运动的特性可以用三个特征量来描述：强度(用振幅值大小表示)、频 谱和持续时间。
3.1.1 单位面积上的风荷载标准值
图3-1
风速随高度的变化
3.1
风荷载
3.风荷载体型系数μs
高层建筑风载体型系数表3-2
3.1.1 单位面积上的风荷载标准值
图3-2 风压分布 (a)空气流经建筑物时风压对建筑物的作用(平面); (b)迎风面风压分布系数;(c)背风面风压分布系数
3.1
风荷载
4.风振系数βz
3.2.3 抗震计算方法
F mSa (3-5a)
F mS a x 0,max Sa mg g x 0,max kβG αG (3-5b)
图3-9 不同性质土壤的地震反应谱
2.时程分析法
第3章 高层建筑结构荷载
3.2 地震作用
3.2.4 设计反应谱
1.地震影响系数曲线
时程分析所用地震加速度时程的最大值(cm/s2) 表3-13
第3章 高层建筑结构荷载
3.2 地震作用
3.2.6 结构自振周期计算
1.理论方法及其修正系数 理论方法即采用刚度法或柔度法，通过求解特征方程，得到结构的 自振周期和振型。 2.半理论半经验公式 （1）顶点位移法 （2）能量法
T1 1.7α0 ΔT (3-23)
Gi Δi2
g Gi Δi
i 1 i 1 N N
T1 2πα0
(3-24)
3.2
地震作用
3.2.6 结构自振周期计算
3.经验公式 钢筋混凝土剪力墙结构
T1横 0.06 N (3-25) T1纵 0.05N
(3-26) 钢筋混凝土框架-剪力墙结构 T1 (0.06~0.09)N
ji
N
Thanks
抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系 表3-7
3.2.3 抗震计算方法
1.反应谱法
m x c x kx -m x 0 (3-4)
图3-8 1940年El Centro NS 记录加速度反应谱
图3-7 单自由度体系地震反应及反应谱
3.2
地震作用
1.反应谱法 我国抗震设计的加速度反应谱计算方法：
Fji α j γ j X jiGi (i 1,2,...n,j 1,2,...m) (3-12)
γj
n
X ji Gi X Gi
i 1 2 ji i 1 n
(3-13)
2
n X G i 1 ji i γGj n (3-14a) 2 X ji Gi
3.2.1 地震作用的特点
3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
1.三水准抗震设防目标
“小震不坏，中震可修，大震不倒”
2.两阶段抗震设计方法 第一阶段，小震作用下的结构设计； 第二阶段，大震作用下的弹塑性变形验算。
3.2
地震作用
3.抗震设防范围
3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
《抗震规范》规定，基本烈度为6度及6度以上地区内的建筑结构，应当 抗震设防。《抗震规范》适用于设防烈度为6～9度地区的建筑抗震设计。
i 1
γ
m G
γGj
j1
m
GE
m
(3-14b)
图3-12 不考虑扭转耦联的结构的振型示意图
S Ek S2 (3-15) j
j1
3.2
地震作用
3.2.5 水平地震作用计算
2.振型分解反应谱法 （2）扭转耦联振型分解反应谱法
Fxji α jγtj X ji Gi (3-16a)
Fyji αjγtjYjiGi (i 1,2,...n,j 1,2,...m) (3-16b)
r 2i I i g /Gi (3-17)
Ftji α jγtjri 2θ ji Gi (3-16c)
γtj X ji Gi / (X 2 ji Y 2 ji θ 2 ji ri 2 )Gi (3-18a)
j1 r 1 m m
ρ jr
3/ 2 8 ζ jζ r (ζ j λT ζ r )λT 2 2 2 2 (1-λT ) 4ζ jζ r λT (1 λT ) 4(ζ j2 ζ r2 )λT
(3-20)
3/ 2 8ζ 2 (1 λT )λT ρ jr (3-21) 2 2 2 2 (1-λT ) 4ζ 2 λT (1 λT ) 8ζ 2 λT
3.1.1 单位面积上的风荷载标准值
图3-3
风振动作用
βz 1
φ z ξν (3-2) μz
第3章 高层建筑结构荷载
3.1 风荷载
总体风荷载是建筑物各表面承受风作用力的合力，是沿高度变 化的分布荷载，用于计算抗侧力结构的侧移及各构件内力。
3.1.2 总体风荷载与局部风荷载
w βzμ z w0 (μ s1B1cosα1 μ s 2 B2cosα2 … μ sn βncosαn ) (3-3)
钢筋混凝土框架结构 钢结构
T1 (0.08~0.1)N (3-27)
T1 0.1N (3-28)
FEvk αv ,max Geq (3-29)
3.2.7 竖向地震作用计算
Gi H i
Fvi
G jH j
j1
N
FEvk (3-30)
Nvi Fvj (3-31)
Fi
Gi Hi
Gj H j
j 1
n
FEk (1-δn )(i 1,2,....n) (3-10)
ΔFn δnFEk (3-11)
图3-11 水平地震作用沿高度分布
顶部附加地震作用系数δn
表3-12
3.2
地震作用
3.2.5 水平地震作用计算
2.振型分解反应谱法 （1）不考虑扭转耦联的振型分解反应谱法