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窑咸
5 years ago
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1 第 3 章高层建筑结构的荷载和地震作用高层建筑结构主要承受竖向荷载和和水平荷载恒荷载风荷载 1) 竖向荷载 ) 水平荷载活荷载地震作用本章主要内容竖向荷载 ( 简介 ) 风荷载 ( 重点 ) 地震作用 ( 工程结构抗震课介绍此部分内容 ) 与多层建筑结构有所不同, 高层建筑结构 : 竖向荷载效应远大于多层建筑结构 ; 水平荷载的影响显著增加, 成为其设计的主要因素 ; 对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用 3.1 竖向荷载恒荷载 1) 恒荷载是指各种结构构件自重和找平层保温层防水层装修材料层隔墙幕墙及其附件固定设备及其管道等重量, 其标准值可按构件尺寸和材料密度 ( 单位体积或面积的自重 ) 计算确定 ) 材料容重可从荷载规范查取 ; 固定设备由相关专业提供 3.1. 活荷载 1. 楼面活载 1) 高层建筑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 ) 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进行. 屋面活载 1) 屋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 ) 有些情况下, 应考虑屋面直升机平台的活荷载 :( 优于五星级酒店的是, 七星级酒店将提供秘书式的管家服务, 辟有直升机停机坪, 用直升机和大奔接送客人 ) 3. 屋面雪荷载 1) 屋面水平投影面上的雪荷载标准值 s k, 应按下式计算 : sk = μ rs (3.1.1) 式中 : s 为基本雪压, 系以当地一般空旷平坦地面上统计所得 5 年一遇最大积雪的自重 - 1 -

2 确定, 按荷载规范取用 ;μ r 为屋面积雪分布系数, 屋面坡度 α 5 时,μ r 取 1., 其它情况可按荷载规范取用 ) 雪荷载的组合值系数可取.7; 频遇值系数可取.6; 准永久值系数按雪荷载分区 Ⅰ Ⅱ 和 Ⅲ 的不同, 分别取.5. 和 3) 雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合 4. 施工活荷载 1) 施工活荷载一般取 1.~1.5kN/m ) 对高层建筑结构, 在计算活荷载产生的内力时, 可不考虑活荷载的最不利布置可按活荷载满布进行计算, 然后将这样求得的梁跨中截面和支座截面弯矩乘以 1.1~1.3 的放大系数原因 : 目前我国钢筋混凝土高层建筑单位面积的重量大约为 1~14 kn/m ( 框架框架 - 剪力墙结构体系 ) 和 14~16 kn/m ( 剪力墙筒体结构体系 ), 而其中活荷载平均约为. N/m 左右, 仅占全部竖向荷载 15% 左右, 所以楼面活荷载的最不利布置对内力产生的影响较小 ; 另一方面, 高层建筑的层数和跨数都很多, 不利布置方式繁多, 难以一一计算 - -

3 3. 风荷载空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风, 与建筑物有关的是靠近地面的流动风, 简称为近地风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标准地貌建筑高度标准风速风荷载标准值建筑外型风向风的动力作用风荷载的大小一般可通过实测或风洞试验来确定高层建筑的风荷载包括两部分 : 一个是基本上比较稳定的风压 ; 另一个是使建筑物产生风力振动 ( 静力 + 动力 ) 3..1 风荷载标准值垂直于建筑物表面的风荷载标准值 w k 应按下式计算, 风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积 wk = β μ sμ w (3..1) 式中,w k 为风荷载标准值 (kn/m ); w 为基本风压 (kn/m ); μ s 为风荷载体型系数, 应按荷载规范第 7.3 节的规定采用 ; μ 为风压高度变化系数 ; β 为高度处的风振系数 1. 基本风压我国荷载规范规定, 基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 1m 高统计所得的 5 年一遇 1 分钟平均最大风速 v (m/s) 为标准, 按 w = v 16 确定的风压值, 但不得小于.3kN/m 特别重要的高层建筑, 按 1 年重现期采用. 风压高度变化系数 μ 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 (3~5m), 风速不受地表影响, 达到所谓梯度风而且风速的变化还与地面粗糙程度有关风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示 : ( H ) α v = vh (3..) 式中, v 分别为任意点高度及该处的平均风速 ; H v H 分别为标准高度 ( 例如 1m) 及该处的平均风速 ;α 地面粗糙度系数 ; 地表粗糙程度愈大,α 值则愈大

4 离地高度 (m) 梯度风 1 89 梯度风梯度风 1 61 城市乡村 76 海洋图 3..1 不同地面粗糙程度影响下的风速剖面由于荷载规范仅给出了高度为 1m 处的风压值, 即基本风压 w, 所以其他高度处的风压应根据基本风压乘以风压高度变化系数 μ 换算得来风压高度变化系数 : 某类地表上空高度处的风压 w 与基本风压 w 的比值, 该系数取决于地面粗糙程度指数 α 现行规范将地面粗糙程度分为 A,B,C,D 四类 : A 类指近海海面海岛海岸湖岸及沙漠地区 ; B 类指田野乡村丛林丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区 ; C 类指有密集建筑群的城市市区 ; D 类指密集建筑群且房屋较高的城市市区各类地面粗糙程度下的风压高度变化系数, 如表 3..1 所示表 3..1 风压高度变化系数 μ 离地面或海平面地面粗糙度类别离地面或海平面地面粗糙度类别平均高度 (m) A B C D 平均高度 (m) A B C D 风荷载体型系数 μ s 图 3.. 风压分布系数 1) 风压分布系数风压与体型的关系迎风面的压力在建筑物的中间偏上为最大, 两边及底下最小 ; - 4 -

5 侧风面一般近侧大, 远侧小, 分布也极不均匀 ; 背风面一般两边略大, 中间小 ) 定义 : 风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力 ( 吸力 ) 与原始风速算得的理论风压的比值 3) 特点 : 它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律, 主要与建筑物的体型与尺度有关 4) 计算 : 在计算风荷载对建筑物的整体作用时, 只需按各个表面的平均风压计算, 即采用各个表面的平均风荷载体型系数计算 5) 风荷载体型系数的确定 : 根据我国多年设计经验及风洞试验 (1) 单体风压体型系数 (.48+.3H/L).8+1./n 1/ 当表面粗糙时取 μ s =.8 () 群体风压体型系数对建筑群, 尤其是高层建筑群, 当房屋相互间距较近时, 由于漩涡的相互干扰, 房屋某些部位的局部风压会显著增大一般可将单体建筑的体型系数 μ 乘以相互干扰增大系数, 该系数可参考类似条件的试验资料确定, 必要时宜通过风洞试验确定 s 4. 风振系数 β 1) 风速特点 : 风速的变化可分为两部分 : 一种是长周期的成分, 其值一般在 1min 以上 ; 另一种是短周期成分, 一般只有几秒左右因此, 为便于分析, 通常把实际风分解为平均风 ( 稳定风 ) 和脉动风两部分稳定风的周期长, 对结构影响小, 可忽略, 可将其等效为静力作用, 使建筑物产生一定的侧移 ; 脉动风周期短, 对结构影响大图 3..3 平均风压和脉动风压 - 5 -

6 ) 风的动力效应 : 对于高度较大, 刚度较小的高层建筑, 波动风压会产生不可忽略的动力效应, 在设计中必须考虑目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应, 即对风压值乘以风振系数 3) 风振系数的计算对于 T 1 >.5s 的结构, 以及高度大于 3m 且高宽比大于 1.5 的高柔房屋均应考虑脉动风压的风振影响风振系数 β 按下式计算 : ξ υ ϕ β = 1+ (3..8) μ 式中 :ξ 脉动增大系数, 和地面粗糙程度 T 1 有关, 按表 3.. 采用 ; υ 脉动影响系数, 和结构总高度 H 及其与迎风面宽度 B 的比值有关, 表 3..3; ϕ 振型系数, 由动力计算确定, 仅考虑受力方向基本振型的影响 ; 对于质量刚度沿高度分布均匀的弯剪型结构, 可采用振型计算点距室外地面高度与房屋高度 H 的比值, 即 ϕ = H i / H, H i 为第 i 层标高 ;H 为建筑总高度 w T 1 表 3.. 地面粗糙度类别脉动增大系数 w T A 类 B 类 C 类 D 类地面粗糙度类别 ( kns m ) kns m H/B.5 1. 粗糙度表高层建筑的脉动影响系数 υ 总高度 H(m) A 类 B 类 C 类 D 类类别 A B C D A B C D T 可由结构动力学计算, 对比较规则的结构, 可采用近似公式 : 1 钢结构 : T (.1 ~.15) n 1 = 钢筋混凝土框架结构 : T (.8 ~.1) n 1 = 钢筋混凝土框架 - 剪力墙和框架 - 核心筒结构 : T (.6 ~.8) n 1 = 钢筋混凝土剪力墙结构和筒中筒结构 : T 1 = (.5 ~.6) n 3 H 3 B H 钢筋混凝土剪力墙结构 : T 1 = B 式中 : n 为结构层数 ; H 为房屋总高度 (m); B 为房屋宽度 (m) 或钢筋混凝土框架和框剪结构 : T1 = 总风荷载总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力, 是沿建筑物高度变化的线荷载通常按 x y 两个互相垂直的方向分别计算总风荷载高度处的总风荷载标准值 : - 6 -

7 W = β μ w μ B cosα + μ B cosα + K + μ B cosα ) (3..9) ( s1 1 1 s sn n n 式中 : α 1 α K α n 为 n 个表面法线与风作用方向的夹角建筑物表面与风力垂直时, α =, 风压全部计入总风荷载 ; 表面与风力平行时, 即 α i = 9, 则风压不计入总风荷载 i 各表面风荷载的合力作用点, 即总风荷载作用点, 其位置按静力平衡条件确定 [ 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 1m, 平面尺寸为 3 m 4m, 地下室采用筏形基础, 埋置深度为 1m, 如图 3..4(a) (b) 所示已知基本风压为 w =. 45kN m, 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 8 kn 为简化计算, 将建筑物沿高度划分为六个区段, 每个区段为 m, 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 (a) (b) (c) 图 3..4 高层结构外形尺寸及计算简图解 :(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 : T1 =.5n =.5 38 = 1. 9s w T = = 1.6 kn s 1 m () 风荷载体型系数 : 对于矩形平面, 由附录 1 可求得 μ s1 =.8 H 1 μ s = = =. 57 L 4 (3) 风振系数 : 可知地面粗糙度类别为 B 类, 表 3.. 可得脉动增大系数 ξ = 1. 5 脉动影响系数 ν 根据 H/B 和建筑总高度 H 由表 3..3 确定, 其中 B 为迎风面的房屋宽度, 由 H/B=3. 可从表 3..3 经插值求得 ν =.478; 结构属于较均匀的弯剪型结构, 则 ϕ = H i / H 则由式(3..8) 可求得风振系数为 : ξ ν ϕ ξν H i H i β = 1 + = 1 + = 1 + μ μ H μ H (4) 风荷载计算 : 风荷载作用下, 按式 (3..1) wk = β μ sμ w 可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为 : q( ) = μ β = 4 66μ β ( ). 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..4, 如图 3..4(c) 所示 - 7 -

8 区段 H i (m) 表 3..4 风荷载作用下各区段合力的计算 H i H μ β ( )( kn m) q 区段合力 F i (kn) 突出屋面在风荷载作用下结构底部一层的剪力为 V 1 = = 6853.kN 筏形基础底面的弯矩为 M = = 666.4kN m 思考题 (1) 高层建筑结构设计时应主要考虑哪些荷载或作用? () 高层建筑结构的竖向荷载如何取值? 进行竖向荷载作用下的内力计算时, 是否要考虑活荷载的不利布置? 为什么? (3) 结构承受的风荷载与哪些因素有关? (4) 高层建筑结构计算时, 基本风压风载体型系数和风压高度变化系数分别如何取值? (5) 什么是风振系数? 在什么情况下需要考虑风振系数? 如何取值? - 8 -

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