第3章 风荷载及地震作用

修，力争将损失降低到最低限
度
。
风的破坏力
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
风的破坏力
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
风的破坏力
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
风的破坏力
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
广州大道南一栋五层厂房
近1000平方米的2块铁皮被卷起后砸中附近五金厂， 100多名工人侥幸逃过大难
(1)基本风压值
(2)风荷载体形系数 (3)风压高度变化系数
为简化计算，将建筑物分为5段，每段顶标高取在楼层处， 每段中点距地面的距离作为计算风压高度，地面粗糙度，位于 城市郊区为B类，
高度(m)
12.25 36.9 61.7 86.5 111.2
1.06 1.50 1.79 2.00 2.16
(4)求风振系数 高度 高宽比
• 风荷载与建筑物的外形（高度、平面和体形）直接 有关，也与周围环境（街区、周围建筑群）有很大 关系。
• 高层建筑外表面各部分的风压很不均匀。
迎风面 压力
背风面 吸力
浮力
因此，高层建 筑中一般不设 外伸构件。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
• 要考虑风的动力作用——风振 – 层数少的建筑物，刚度大、自振周期短、 风荷载产生的振动也小，设计中只需考 虑风压的影响，而不考虑风振； – 高层建筑，刚度小、自振周期长、风的 动力作用明显。
总重力荷载代表值：
结构等效总重力荷载：
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
例1：某三层框架的结构计算简图及恒载图、活载图如图所示。
按8度设防，第一组，Ⅱ类场地土。两跨梁的总长为12m。均
布荷载的单位为
，集中荷载的单位为
要求：计算总重力荷载代表值及等效总重力荷载代表值。
90
50
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
（B—受风宽度）
(7)基底剪力： 基底弯矩：
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
3-2 地震作用
1、地震作用 抗震设计时，结构所承受的“地震力”
实际上是由于地震地面运动引起的动态作 用，包括地震加速度、速度和动位移的作 用，属于间接作用，称为“地震作用”。 不可称为“荷载”。
基本周期大于5.0s的结 构
7度
0.016(0.024) 0.012(0.018)
8度
0.032(0.048) 0.024(0.032)
9度
0.064 0.040
注：1、基本周期介于3.5s和5s之间的结构，可插入取值； 2、括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g 和0.30g的地区。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
底部剪力法适用于重量和刚度沿高度分布比较均 匀的结构。当建筑物有突出屋面的小建筑如屋顶间、 女儿墙、烟囱等时，由于该部分的重量和刚度突然 变小，将产生鞭稍效应，使其地震反应特别强烈。 为简化计算，《抗震规范》提出，当计算这类小建 筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，此增大 部分不再向下传递。
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5层砌体房屋模型1：4 模拟地震振动台试验
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➢ 与地震作用相比，风力作用持续时间较长，其作用更接近于静力，但建 筑物的使用期限出现较大风力的次数较多。
➢ 由于有较长期的气象观测，大风的重现期很短，所以风力大小的估计比 地震作用大小的估计较为可靠。而且抗风设计具有较大的可靠性。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
3-1 风荷载
1、高层建筑风荷载的特点
载代表值； 多质点取总重力荷
载代表值的85%。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
建筑的总重力荷载代表值应按下列规定采用： 1、恒荷载——取100% 2、雪荷载——取50% 3、楼面活荷载——按实际情况计算时取100%；按 等效均布活荷载计算时，藏书库、档案室、库房取 80%，一般民用建筑取50%。 4、屋面活荷载——不考虑
在工程设计中是通过风振系数 Z 来考 虑风的动力作用的。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
平均风压与波动风压图
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002)中规 定： 当建筑物高度>30m、高宽比>1.5时，考虑风振 系数：
振型系数 脉动增大系数，按下表采用： 脉动影响系数 按照不同的地面粗糙度A类地形、 B类地形、 C类地 形和D类地形取值。见《高层建筑混凝土结构技术规 程》（JGJ3-2002)中的规定。
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Z
离地面或海平
地面粗糙度类别
风 面高度（m)
A
B
C
D
压
高
5
度
1.17 1.00 0.74 0.62
变
15
1.52 1.14 0.74 0.62
化
系
50
2.03 1.67 1.25 0.84
数
300
3.12 2.97 2.75 2.45
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
• 风荷载作用面积 ：垂直于风向的最大投影面积
– 1. 基本计算公式
k z s z w0
– 2. 计算参数
•
基本风压值
•
体型系数
•
高度变化系数
•
风振系数
风载作用面积
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
罕遇地震 —— 0.50(0.72) 0.90(1.20) 1.40
注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区
特征周期
设计地震
场地类别
分组
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
第一组
0.25
0.35
0.45
0.65
第二组
0.30
0.40
0.55
0.75
第三组
0.35
0.45
0.65
0.90
3、地震作用的计算方法
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
2、地震影响系数
地震作用计算时用到地震反应谱曲线—— 由255条地震加速度纪录经计算整理得到。
地震影响系数曲线
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
结构自振周期 场地特征周期 地震影响系数最大值 直线下降段的下降斜率调整系数(一般情况取0.2) 阻尼调整系数(一般情况取1.0) 衰减指数(一般情况取0.9)
-0.7
-0.7
+0.4
-0.5
-0.5
+0.8
-0.7
+0.4
-0.5
-0.7
0
-0.5
-0.5
0
-0.5
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• 局部风荷载 局部增大体型系数
檐口 、雨蓬 、遮阳板等水平构件， 局部上浮
玻璃幕墙 另行标准
平面形状不规则 立面开洞或连体建筑 周围地形和环境较复杂
风洞试验
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
例∶已知剪力墙结构如图所示，38层，123.5m高，位于城市郊区
Ⅱ类场地，基本风压
，已知结构基本自振周期1.9s。
(墙厚300mm)
求：在横向风荷载作用下一层底的剪力及倾覆力矩
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
解：1、求风荷载标准值 wk Z s Z w0
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《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001)中规定 把地面粗糙度分为A、B、C三类： A类指近海海面、海岛、海岸及沙漠地区； B类是田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的 中小城镇及大城市的郊区； C类指由密集建筑群的大城市市区； D类指由密集建筑群且房屋较高的城市市区；
解：1、计算各层重力荷载代表值
2、计算总重力荷载代表值 及等效总重力荷载代表值
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• 各楼层的水平地震作用标准值为：
• 顶部附加水平地震作用标准值为：
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顶部附加地震作用系数
顶部附加地震作用系数
结构基本自振周期
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
风荷载的特点
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
➢ 风力作用与建筑物外形有直接关系，圆形与正方形受到的风力较合理
➢ 风力受到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
➢ 风力作用具有静力、动力两重性质。
➢ 风力在建筑物表面的分布很不均匀，在角区和建筑物内收的局部区域， 会产生较大的风力。
❖ “森拉克”肆虐浙闽 防波堤被
冲垮百米 [ 2003 七月 28
12:43 ] 由于16号“森拉
克”台风的袭击，投资1.2亿
元、总长达1837米的玉环县坎
门渔港防波堤遭受严重的损坏
。渔港西堤被巨浪冲垮2个缺
口，造成防波堤砌面下滑，总
长Βιβλιοθήκη Baidu100多米。险情发生后，
当地政府组织公安、边防、民
兵应急分队和群众及时进行抢
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抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系
抗震设防
烈度
6
７
８
９
设计基本地 震加速度值
0.05g
0.10(0.15)g 0.20(0.30)g
0.40g
水平影响系数最大值
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地震影响 6度
7度
8度
9度
多遇地震 0.04 0.08(0.12) 0.16(0.24) 0.32
（1）反应谱底部剪力法 对于重量、刚度沿 高度分布比较均匀、高度不超过40m，以剪 切变形为主的多层和高层建筑结构，采用此 法计算水平地震作用。这时各楼层仅取一个 自由度。
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• 结构的总水平地震作用标准值
相应于结构基本自振周 期的水平地震影响数值
结构等效总重力荷载： 单质点取总重力荷
ZC
0.616 z 0.44 10
B Z
1.000
z
0.32
10
ZA
1.379 z 10
0.24
ZD
0.318
z
0.60
10
风速随高度的变化
2、风荷载
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
——由空旷平坦地面，离地10m统计的重现期 为50年(或100年）的10分钟平均最大风速计算 所得。可查荷载规范，但不得小于0.3KN/m2
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第3章：风荷载及地震作用
竖向荷载 ——自重、楼（屋）面活荷载 水平荷载 ——风荷载、地震作用
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
主要学习内容
• 3-1 风荷载及计算 • 3-2 地震作用及计算 • 3-3 设计要求及荷载效应组合
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
脉动影响系数： 脉动增大系数：
各高度处风振系数：
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
111.2m
24.6m
86.5m
24.8m
61.7m
123.5m 24.8m
36.9m 24.8m
12.25m 24.5m
(5)各段风载标准值
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(6)求各段风载集中标准值 各分段间风载集中标准值：
风压高度变化系数，按下表采用：
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地面粗糙度为B类地区脉动增大系数
注：对地面粗糙度为A类、C类和D类地区应按当地基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代 入
基本风压，按《荷载规范》中“全国基本风压分布图”采
用。
结构基本自振周期
结构层数
框架结构
框架-剪力墙结构 剪力墙和筒中筒结构
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
1）水平地震作用计算
我国《抗震规范》规定：
抗震设计——设防烈度在6度以上的建筑物必须进行； 地震作用计算——设防烈度在7、8、9度的建筑物；
6度Ⅳ类场地上的较高建筑物。
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
计算方法——反应谱底部剪力法 反应谱振型分解法 时程分析法 ——作补充计算
总风荷载和局部风荷载
总风荷载 对整体房屋的作用 ：垂直于建筑物表面 各表面承受风力的合力 ： 可采用矢量和计算 并简化为沿房屋高度变化的分布荷载 即 作用在承力面上的 倒梯形或倒三角形荷载 均布荷载
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风载作用下 房屋的水平力示意图
+0.8 +0.8
-0.5
高层建筑与抗震设计-风荷载与地震作用
• 抗震验算时，结构任意楼层的水平地震剪力 应符合下列要求：
VEki
第i层对应于水平地震作用标准值的楼层
剪力。
剪力系数，不应小于下表规定的楼层最小
剪力系数，对竖向不规则结构的薄弱层，
尚应乘以1.15的增大系数。
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楼层最小剪力系数值
类别
扭转效应明显或基本周 期小于3.5s的结构
风荷载（水平荷载之一）
—高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载
空气流动形成的风遇到建筑 物时，就在建筑物表面产生 压力或吸力，这种风力作用 叫风荷载。
风的大小与
（1）近地风的性质、风速、风向有关 （2）建筑物所在地的地藐及周围环境 （3）建筑本身的高度、形状以及表面状况有关
风的破坏力
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