高层建筑结构设计第三章荷载

t]
1
t 0
x0
(
)e
(t
)
sin
(t
)d
构
一
高
层 2、反应谱法
建 筑
（二）等效静力
结
将惯性力作为等效侧向荷载，我们
构 设
关注质点的绝对加速度的最大值Sa，将
计 对应的最大惯性力作用于结构上，将动
力问题转化为等效静力问题。
土 木 系 结 构 一
高
层 2、反应谱法
建 筑
（三）地震加速度反应谱
结 构
层 建
1）三水准抗震设防目标
筑
结
构 设
小震不坏—结构为弹性。当遭受
计 低于本地区设防烈度的多遇地震
土 木
影响时，一般不受损坏或不需修
系 结
理仍可继续使用。
构
一
3.2 地震作用
高 3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
层
建
筑 结
中震可修—当遭受相当于本地区
构 设
抗震设防烈度的地震影响时，可
计 能损坏，经一般修理或不需修理
构
震级8级
一
高 层
3.2 地震作用
建
筑 结
3.2.1 地震作用的特点
构 3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
设 计
3.2.3 地震作用计算
土 3.2.4 结构自振周期计算
木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高 3.2.1 地震作用的特点
层 地震波传播产生地面运动，通过基础影
建 筑
响上部结构产生的振动称为结构的地震反应，
土
木
系
结 ——地震系数：反映震级、震
构 中距、地基等的影响 一
xg (t)
高
层 2、反应谱法
建 筑
（一）单自由度弹性体系地震反应计算
结
构 设
mx(t) cx(t) kx(t) mx0(t)
计
x 2x 2 x x0
土
木
系 结
x(t)
e t [ x(0)
cost
x(0)
x(0)
sin
• 标准反应谱曲线：根据大量的强震记录
计 算出对应于每一条强震记录的反应谱曲
土 木
线，然后统计求出的最有代表性的平均 曲线。
系
结
构
一
高
层 2、反应谱法
建 筑
（四）标准反应谱
结
构
加速度（ ）
加速度（ ）
设
计
标准化
土
木 系
周期（ ）
结
构
一
周期（ ）
高
层 2、反应谱法
建 筑
（五）设计反应谱
结
为了便于计算，《抗震规范》采用
计
7-9度区均算。
土
木 系
竖向地震作用：
结 构 一
8、9度大跨度结构和长悬臂结构； 9度的高层建筑。
3.2 地震作用
高
地震作用的计算方法及其适用范围
地层建震用作 结构
方法
使用范围
筑 结
底部剪力法
高度不超过40m，以剪切变形为主，质量和刚度 分布较均匀
构 设
振型分解反 应谱法
不满足底部剪力法应用条件的结构
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高
2000年地震峰值加速度区划图
层
建
筑
结
构
设
计
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高
抗震设防烈度和设计基本地
层 建
震加速度值的对应关系
筑 设防烈度
6度
7度
8度
9度
结
构
设
计
土 木
设计基本地 震加速度值
0.05g
系
结
构
一
0.10 (0.15)g
0.20 (0.30)g
筑
结 构
3.1 风荷载
设 计
3.2 地震作用
土 木 系 结 构 一
高 层 建 筑 结 构 设 计
土
木 系 结
1995年日本阪神 地震，7.5级
构
一
高 层 建 筑 结 构 设 计
土
1995年日本阪神
木 系
地震，7.5级
结
构
一
高 层 建 筑 结 构 设 计
土 木
2008年5月12日
系 结
我国汶川地震，
结
构 设
2、短时间的动力作用
计
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高
层
短时间的动力作用
建
筑
结 构
20世纪地震造成的死亡超过
设
计 200万人，地震振动时间的总和
土 木
不到1小时。
系
结
构
一
3.2 地震作用
高
地震作用的特点
层
建 筑
1、不确定的、不可预知的作用
结
构 设
2、短时间的动力作用
计
土 3、有选择的破坏作用
层
（设计校核阶段）
建 筑
采用第三水准烈度的地震动参数，计算出
结 结构（特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节）
构 设 计
的弹塑性层间位移角，使之小于《抗震规 范》限值。并结合采取必要的抗震构造措
施，从而满足第三水准的防倒塌要求。
土
木 系
可采用的计算方法：①简化计算方法
结
②弹塑性时程分析法
构
一
3.2 地震作用
结 包括加速度、速度和位移反应。
构 设 计
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
土 木 系
三个转动分量 对建筑结构造成破坏的，主要是水平振动和
结 扭转振动。
构
一
3.2 地震作用
高 大多数结构的设计计算主要考虑水平地震作
层 用，原因如下：
建 筑
• 地面水平振动使结构产生移动和摆动；
土
0.45 m ax
木
系
结 构
层
建 第一阶段：结构设计阶段
筑
结 • 建筑形体、结构方案和结构布置
构 设
•
采用多遇烈度地震（小震）的地震
计 动参数，采用弹性方法计算结构的弹性
土 位移和内力
木 • 弹性层间位移验算
系 结
•
内力组合后进行截面承载力验算
构 一
•
（延性和耗能）采取抗震构造措施
3.2 地震作用
高 第二阶段：弹塑性变形验算
➢质点的绝对最大加速度取决于地震时
设 地面运动加速度、结构的自振周期及
计 结构的阻尼比。
土 ➢在阻尼比、地面运动确定后，最大反 木 应只是结构周期的函数。
系 结 构 一
高 1940 El Centro N-S地震地面运动时程
层 建 筑 结 构 设 计 土 木 系 结 构 一
高 1940 El Centro 地震加速度谱曲线
筑 结
主要周期长）
构 设
•震中距（距离大：峰值小，持时
计 短，主要周期长）
土 •场地条件（基岩、硬土：峰值小，
木 系
主要周期短，持时短；
结 构 一
软土：峰值大，主要周期长，持 时长）
3.2 地震作用
高 设计地震分组
层 建
第一组、第二组、第三组
筑
结
构 反映了震级和震中距的影响。
设
计
土 如：昆明80抗震设防烈度，为第 木 三组。
高 层
3）抗震设防范围
建
筑 结
•设防烈度为6度及6度以上地区
构 设
的建筑结构需要抗震设防。
计
•《建筑抗震设计规范》适用于
土
木 系
6～9度地区的建筑抗震设计。
结
构
一
3.2 地震作用
高
1957年地震烈度区划图
层
建
筑
结
构
设
计
百度文库
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高
1990年地震烈度区划图
层
建
筑
结
构
设
计
0.40g
3.2 地震作用
高
全国设计基本地震加速度分布
层 建
设计基本地震加速度
城镇个数
筑 结
0.05g
近 1100
构
0.10g
约 700
设 计
0.15g
约 350
0.20g
约 300
土 木
0.30g
近 45
系
≥0.40g
15
结 构
注：不设防的城镇约 380 个。
一
3.2 地震作用
高 层
3.2.3 地震作用计算
系
结
构
一
3.2 地震作用
高 场地类别
层 建 筑
分为I、II、III、IV 四类，分别为硬 土、中硬土、中软土、软土。第I类
结 构
分成I1、I2两个亚类。
设
计 确定场地类别的依据：
土 土层等效剪切波速
木 系
场地覆盖层厚度
结
构
一
3.2 地震作用
高 场地特征周期
层
建
筑 结
分在第三组的城镇，场地
构 设
类别较低，由于特征周期Tg较
地震动参数： 强度（振动幅值）、频谱特性、持时
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高 层 建 筑 结 构 设 计
土
木
系 结 构 一
强度：可以指地震动加速度、速度、位
移三者之一的峰值、最大值或某种有意义的 有效值。最多采用的是最大加速度。
3.2 地震作用
高 层 建 筑 结 构 设 计
土
木
系 结 构 一
高
第3章
层 建
高层建筑结构荷载
筑
结 构
3.1 风荷载
设 计
3.2 地震作用
土 木 系 结 构 一
高 层 建 筑 结 构 设 计 土 木 系 结 构 一
高 层 建 筑 结 构 设 计 土 木 系 结 构 一
3.6 风荷载
高 层 建 筑 结 构 设 计 土 木 系 结 构 一
高
第3章
层 建
高层建筑结构荷载
层 建 筑 结 构 设 计 土 木 系 结 构 一
高
层 2、反应谱法
建
筑 （三）地震加速度反应谱
结
构
设 计
➢单自由度体系在给定的地震作用下，
在确定的体系阻尼比条件下，体系最
土 大绝对加速度与体系自振周期的关系
木 系
曲线称为该地震的加速度反应谱。
结
构
一
高
层 2、反应谱法
建 筑
（四）标准反应谱
结
构 设
木
系
结
构
一
3.2 地震作用
高
有选择的破坏作用
层
建 筑
• 强烈地震、远距、软土：
结
构
高柔结构震害大
设
计 • 中等强度地震、震中区、硬土：
土 木
低层建筑震害大
系
结
构
一
3.2 地震作用
高 3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
层
建 筑
1）三水准抗震设防目标
结 2）两阶段设计方法
构
设 3）抗震设防范围
计
土 木 系 结 构 一
土 木
仍可继续使用。
系 结
部分构件屈服，不严重
构
一
3.2 地震作用
高 3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
层
建
筑 结
大震不倒—当遭受高于本地区抗
构 震设防烈度的预估的罕遇地震影
设 计
响时，不致倒塌或发生危及生命
土 的严重破坏。
木 系
结构破坏，保证生命安全。
结
构
一
3.2 地震作用
高 2）两阶段抗震设计方法
构 设 计
相对于重力加速度的单质点绝对最大加
速度（α= Sa/g）与体系自振周期之间
的关系谱，实质是加速度谱。称α为地
土 木
震影响系数。 F αG
系 结 构 一
F
mSa
mg
Sa x0 (t)
x0 (t) g
Gk
高
层 2、反应谱法
建 筑
（五）设计反应谱
结
构
设
2 m ax
计
(Tg T
) 2max
计 弹性
甲类建筑、特别不规则的建筑
水平
土 木 系 结 构
时程分析法 （补充计算）
简化方法 弹塑性
时程分析法
H>100m，7度及8度I、II类场地乙、丙类建筑 H>80m，8度III、IV类场地乙、丙类建筑 H>60m，9度乙、丙类建筑
（略） （略）
一竖向 弹性 底部轴力法
需考虑竖向地震作用的结构
3.2 地震作用
频谱特性：地震动不是简谐振动，而是复杂
的随机振动，但总可以把它看成是由许多不同频 率的简谐振动叠加而成。
3.2 地震作用
高 层
地震动
结构
地震反应
建
筑
结
构 设 计
地震动参数： 强度（振动幅值）、频谱特性、持时
——地震动三要素
土
木
系
结
构
一
3.2 地震作用
高
影响地震地面运动的因素
层
建 •震级（震级大：峰值大，持时长，
结 • 结构不对称时，也使结构产生扭转；
构 设 计
• 地面转动使结构扭转，其对房屋破坏性很 大，但目前尚无法计算，主要采用概念设计
方法加大结构的抵抗能力，以减少房屋破坏
土 木 系
程度； • 地面竖向振动只在震中附近的高烈度区影
结 响房屋结构。
构
一
3.2 地震作用
高 层
地震动
结构
地震反应
建
筑
结
构 设 计
大震—50年内超越概率（2-3）% 的地震，重现期大于2000年
结
构
一
3.2 地震作用
高 层
小震烈度—多遇烈度，众值烈度，比基本 烈度低约1.55度；
建 中震烈度—设防烈度，基本烈度，由国家
筑 结
规定；
构 大震烈度—罕遇烈度，比基本烈度高1度。
设
计
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高 3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
计 大，长周期结构的地震作用会
土 较大。
木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高 层
地震动
结构
建
筑
结
构 设
地震动
动力特性
计 地震动参数：
地震反应
土 强度、频谱特性、持时
木
系
结构的自振周期、阻尼、振型等。由建筑物
结 的质量、结构的刚度及所用的材料决定。
构
一
3.2 地震作用
高
地震作用的特点
层
建 筑
1、不确定的、不可预知的作用
结
构
设
计
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高 不确定的、不可预知的作用
层
建 筑
• 地震发生的时间、地点、强
结 构
度是不确定的、随机的。
设
计 • 没有两次地震的特性是相同
土 木 系
的，同一地震不同地点的特性 不同，同一地点不同地震的特
结 构
性不同 。
一
3.2 地震作用
高
地震作用的特点
层
建 筑
1、不确定的、不可预知的作用
3.2 地震作用
高 3.2.2 抗震设防目标、方法及范围
层 建
1）三水准抗震设防目标
筑
结
构 设
小震不坏，中震可修，大震不倒
计
土 木 系 结 构 一
3.2 地震作用
高 层
小震—50年内超越概率63%的地
建 筑
震，重现期50年
结
构 设 计
中震—50年内超越概率10%的地 震，重现期475年
土 木 系
建 筑
设计地震作用的方向：
结 构
设计地震作用的方向
设
• 水平（两个）
计
• 竖向（一个）
土 木
结构效应的方向
系 结 构
• 平动（两个水平、一个竖向） • 扭转（竖轴）
一
3.2 地震作用
高
地震作用的计算范围
层 建
计算范围：
筑 水平地震作用：
结 构
6度区（除甲类建筑、不规则建筑和IV
设 类场地上的较高建筑外）可不算；
高 地震作用的计算方法
层
建
筑 结
1、静力法
构 设
2、反应谱法
计 3、时程分析法
土
木
系
结
构
一
高 1、静力法
层 建
假设建筑物为绝对刚体，结构所受
筑 的水平地震作用，可以简化为作用
结 构
于结构上的等效水平静力F，其大小
设 等于结构重力荷载G的k倍，即
计
F
mxg max
G g
xg max
Gk
m
mxg (t)