第3章高层建筑结构荷载课件

3.1 3.1 恒荷载及楼面活荷载（竖向荷载）恒荷载及楼面活荷载（竖向荷载）v荷载类别：荷载类别：竖向荷载竖向荷载(包括恒荷载和活荷载包括恒荷载和活荷载)；水平荷载水平荷载(风荷载、水平地震作用风荷载、水平地震作用)；施工荷载施工荷载；由于材料体积变化受阻引起的作用由于材料体积变化受阻引起的作用(包括温度、混凝土的徐包括温度、混凝土的徐变和收缩所引起的作用变和收缩所引起的作用)地基不均匀沉地基不均匀沉 降等。降等。v高层建筑的荷载特点：高层建筑的荷载特点：竖向荷载远大于低层建筑，可引起相当大的结构内力；竖向荷载远大于低层建筑，可引起相当大的结构内力；水平荷载的影响显著增加，成为高层建筑结构设计的主要因水平荷载的影响显著增加，成为高层建筑结构设计的主要因素。特别是，抗震设计对高层建筑结构来说是十分重要的。素。特别是，抗震设计对高层建筑结构来说是十分重要的。3.1.1 3.1.1 恒荷载恒荷载v 结构本身的自重；结构本身的自重；v 附加于结构上的各种永久荷载附加于结构上的各种永久荷载(2)(2)恒载计算恒载计算v 常用材料和构件的自重可按常用材料和构件的自重可按建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范(GB500092001)取值；取值；(1)(1)恒载范围恒载范围3.1.2 3.1.2 楼楼(屋屋)面活荷载面活荷载v施工活荷载一般取施工活荷载一般取1.01.5 kN/m2；表表3-1 规范中未规定的楼面均布活荷载规范中未规定的楼面均布活荷载项项 次次类类 别别标准值标准值(kNm2)准永久值系数准永久值系数(q)荷载较大时荷载较大时 按实际情况按实际情况l酒吧间、舞厅、酒吧间、舞厅、展销厅展销厅3.0 4.00.5 2屋顶花园屋顶花园4.0一一5.00.8 3贮藏室贮藏室5.0 8.00.84饭店厨房、洗衣房饭店厨房、洗衣房4.0 5.00.5 5健身房、娱乐室健身房、娱乐室3.0一一4.50.5v设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以荷载规范荷载规范规定的折减系数。规定的折减系数。v高层建筑结构的楼面活荷载应按高层建筑结构的楼面活荷载应按荷载规范荷载规范取用；取用；v规范中未规定的楼面均布活荷载可按表规范中未规定的楼面均布活荷载可按表3-1取值；取值；3.1.3 3.1.3 高层建筑上竖向荷载的初估值高层建筑上竖向荷载的初估值表表3-2 结构单位面积重力荷载估算表结构单位面积重力荷载估算表结构类型结构类型重力荷载重力荷载 包括活荷载包括活荷载 kN/m2（每层）（每层）框框 架架轻质填充墙轻质填充墙机制砖填充墙机制砖填充墙10121214框架框架-剪力墙剪力墙轻质填充墙轻质填充墙机制砖填充墙机制砖填充墙12141416剪力墙、筒体剪力墙、筒体混凝土墙体混凝土墙体1518v在方案估算阶段，可参考表在方案估算阶段，可参考表3-2提供的结构单位提供的结构单位面积重量估算竖向荷载。面积重量估算竖向荷载。3.2 3.2 风风 荷荷 载（水平荷载）载（水平荷载）3.2.1 风荷载的特点风荷载的特点3.2.2 风荷载标准值风荷载标准值wk 及基本风压值及基本风压值w03.2.3 总风荷载总风荷载3.2.4 等效风荷载等效风荷载3.2.1 风荷载的特点风荷载的特点(1)(1)动力特性动力特性v波动风压会在建筑物上产生一定的动力效应（用静荷载乘波动风压会在建筑物上产生一定的动力效应（用静荷载乘风振系数风振系数z来考虑）。来考虑）。(2)(2)不均匀性不均匀性v在计算整体作用时，取各个表面的平均风压；在计算整体作用时，取各个表面的平均风压；v在计算局部表面的作用时，采用局部风载体型系数。在计算局部表面的作用时，采用局部风载体型系数。(3)(3)影响因素多影响因素多v近地风的性质、风速、风向有关；近地风的性质、风速、风向有关；v建筑物所在地的地貌及周围环境有关；建筑物所在地的地貌及周围环境有关；v建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。v空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力，即建筑物的风荷载。压力或吸力，即建筑物的风荷载。3.2.2 风荷载标准值及基本风压值风荷载标准值及基本风压值3.2.2.1 风荷载标准值风荷载标准值wk 及基本风压值及基本风压值w03.2.2.2 风压高度变化系数风压高度变化系数z3.2.2.3 风载体型系数风载体型系数s3.2.2.4 风振系数风振系数z3.2.2.1 风荷载标准值风荷载标准值及基本风压值及基本风压值(1)风荷载标准值风荷载标准值wkv垂直于建筑物表面单位面积上垂直于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值的风荷载标准值Wk按下式计算：按下式计算：wk=zzsw0(2)基本风压值基本风压值w0v以当地比较空旷平坦地面上离地以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所高统计所得的得的50年一遇年一遇10分钟平均年最大风速分钟平均年最大风速V0来确定：来确定：w0 v02/2(3)基本风压基本风压W W0 0在取值时应注意的几个问题：在取值时应注意的几个问题：v基本风压基本风压W W0 0可按全国基本风压分布图采用，但可按全国基本风压分布图采用，但0.3kNm2；v对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，需要考虑对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，需要考虑重现期为重现期为100100年的强风；年的强风；v基本风压值不是风对建筑物表面的压力；基本风压值不是风对建筑物表面的压力；v荷载规范（荷载规范（GB50009-2001GB50009-2001）附录附录D D可查出重现期为可查出重现期为1010年、年、5050年、年、100100年的年的w w0 0值。值。3.2.2.2 风压高度变化系数风压高度变化系数(1)与离地面或海平面高度及地面粗糙度类别有关。当与离地与离地面或海平面高度及地面粗糙度类别有关。当与离地面高度为面高度为1010米，且地面粗糙度类别为米，且地面粗糙度类别为B B类的类的z z为为1.001.00。(2)(2)不同地面粗糙度的风速沿高度的变化曲线见教材。不同地面粗糙度的风速沿高度的变化曲线见教材。(3)(3)地面粗糙度可分为地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：四类：vA A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；vB B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；的乡镇和城市郊区；vC C类指有密集建筑群的城市市区；类指有密集建筑群的城市市区；vD D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。(4)(4)位于山峰和山坡地的高层建筑物，其风压高度变化系数亦位于山峰和山坡地的高层建筑物，其风压高度变化系数亦应考虑进行修正。应考虑进行修正。(5)(5)风压高度变化系数见下表风压高度变化系数见下表3-3。表表3-3 风压高度变化系数风压高度变化系数s离地离地面或面或海平海平面高面高度度(m)地面粗糙度类别地面粗糙度类别离地面离地面或或海平面海平面高高度度(m)地面粗糙度类别地面粗糙度类别 A B C D A BCD 450 400 350 300 250 200 150 100 90 803.123.123.123.122.992.832.642.402.342.273.123.123.122.972.802.612.382.092.021.953.123.122.942.752.542.302.031.701.621.543.122.912.682.452.191.921.6l1.271.191.11 70 60 50 40 30 20 15 10 52.202.122.031.921.801.631.521.381.171.861.771.671.561.421.251.141.001.001.451.351.251.131.001.840.740.740.741.020.930.840.730.620.620.620.620.62注：注：对于山顶及山坡上的高层房屋，可采用从山麓算起的风对于山顶及山坡上的高层房屋，可采用从山麓算起的风压高度变化系数。压高度变化系数。3.2.2.3 风载体型系数风载体型系数sv 它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关；环境和地面粗糙度有关；v 当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考筑物的体型系数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得出。类似条件的试验资料确定；必要时宜通过风洞试验得出。v 风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与际压力（或吸力）与基本风压基本风压w0的比值。的比值。迎风面为压力迎风面为压力(体型系数用体型系数用“”号表示号表示)；侧风面及背风面为吸力侧风面及背风面为吸力(体型系数用体型系数用“”号表示号表示)；各面上的风压分布并不均匀各面上的风压分布并不均匀(风压分布见图风压分布见图3-1)，采用各个，采用各个表面的平均风载体型系数表面的平均风载体型系数(高层建筑风载高层建筑风载体型系数见体型系数见下见下见表表3-4或或教材表教材表3-2)；风压风压(吸吸)力方向都垂直于该表面；力方向都垂直于该表面；计算风荷载对某个局部表面的作用时，采用局部风载体型系数计算风荷载对某个局部表面的作用时，采用局部风载体型系数验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数：压体型系数：v风荷载体型系数在取值时应注意以下几点：风荷载体型系数在取值时应注意以下几点：(1)外表面外表面v正压区：按一般体型系数取值。正压区：按一般体型系数取值。v负压区：负压区：对墙面，取对墙面，取1.01.0；对墙角边，取对墙角边，取-1.8-1.8；对屋面局部部位取对屋面局部部位取-2.2-2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件，取对檐口、雨篷、遮阳板等突出构件，取-2.0-2.0。(2)内表面内表面v对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2-0.2或或0.20.2。表表3-4 高层建筑风载体型系数高层建筑风载体型系数3.2.2.4 风振系数风振系数(2)(2)风作用不规则，风压随着风速、风向而不停地改变。风作用不规则，风压随着风速、风向而不停地改变。(3)(3)通常把风作用的平均值看成稳定风压，即平均风压。通常把风作用的平均值看成稳定风压，即平均风压。(4)(4)实际风压是在平均风压上下波动，实际风压是在平均风压上下波动，见图见图3-23-2。(5)考虑的方法是采用风振系数考虑的方法是采用风振系数z，设计时用它加大风荷，设计时用它加大风荷载，仍然按照静力作用计算风载效应。载，仍然按照静力作用计算风载效应。(1)(1)风振系数是用来考虑风压脉动影响风振系数是用来考虑风压脉动影响的的。3.2.3 总风荷载总风荷载v 通常按通常按x、y两个互相垂直的主轴方向分别计算总风荷载。两个互相垂直的主轴方向分别计算总风荷载。v 按下式计算按下式计算z高度处高度处1m高度的总风荷载标准值：高度的总风荷载标准值：Wk=zzw0(s1B1cos1+s2B2cos2+snBncosn)(2)(2)区别是风压力还是风吸力，以便作矢量相加；区别是风压力还是风吸力，以便作矢量相加；(3)(3)各表面风荷载的合力作用点，即总风荷载作用点。各表面风荷载的合力作用点，即总风荷载作用点。(1)(1)总风荷载为建筑物各个表面承受风力的合力，总风荷载为建筑物各个表面承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载；是沿建筑物高度变化的线荷载；v 当按沿建筑高度当按沿建筑高度H的不同点确定的不同点确定z、z时，总风荷载的实际时，总风荷载的实际分布，分布，如图（如图（a）；v 如果沿如果沿H分段取分段取z、z为常数，则总风荷载可简化为阶梯形为常数，则总风荷载可简化为阶梯形分布，分布，如图（如图（b）；v 工程中为计算方便，工程中为计算方便，常按建筑物底部弯矩相等的原则，将阶常按建筑物底部弯矩相等的原则，将阶梯形分布荷载简化为梯形分布荷载简化为沿主体建筑沿主体建筑H的等效均布荷载的等效均布荷载,如图如图（c）。）。M0=p0H2/2=W1h1h1/2+W2h2(h1+h2/2)+Wihi(h1+h2+hi-1+hi/2)+得：得：)2(211120ijijniiihhhWHp3.2.4 3.2.4 等效风荷载等效风荷载(1)(1)主体建筑上的等效均布风荷载主体建筑上的等效均布风荷载(2)(2)小塔楼上的风荷载小塔楼上的风荷载小塔楼上风荷载的简化小塔楼上风荷载的简化主体结构塔楼Hhn+1wn+1hn+1P1P1=Wn+1hn+1P1hn+12m1m1=P12P1m1P1P2P1+P2v突出屋面的楼（电）梯间、水箱、女儿墙等的风荷载，突出屋面的楼（电）梯间、水箱、女儿墙等的风荷载，按对按对主体结构顶部位移相等主体结构顶部位移相等的原则，简化为作用在主体结的原则，简化为作用在主体结构顶部的集中力构顶部的集中力P。v经简化后，作用在高层建筑上的风荷载，结构分析时可经简化后，作用在高层建筑上的风荷载，结构分析时可只取主体结构参与计算。只取主体结构参与计算。等效集中荷载示意图等效集中荷载示意图v小塔楼上风荷载小塔楼上风荷载的简化的简化P=P2H3/3EI ；m1 1=m1 1H2/2EI；令令P=m1，得：，得：P2=3m1/2H=3P1hn+1/4H P=P1+P2=P1+3P1hn+1/4H =P11+3hn+1/4H =Wn+1hn+11+3hn+1/4H 3.3 3.3 地震作用地震作用多质点体系水平地震作用简化后的计算简图如图，简化后的计算简图如图，图中图中G Gi i为第为第i i层质点的重层质点的重力荷载代表值。力荷载代表值。1、结构体系的简化、结构体系的简化n一般把各层质量集中在一般把各层质量集中在楼层处；楼层处；nn n个楼层即形成个楼层即形成n n个质点。个质点。n每一楼面标高位置的重量每一楼面标高位置的重量(称重力荷载代表值称重力荷载代表值)由以下由以下几部分组成：几部分组成：恒荷载（本层楼面结构及上、下各半层墙、柱）的全部；恒荷载（本层楼面结构及上、下各半层墙、柱）的全部；雪荷载的雪荷载的5050；一般楼面活荷载的一般楼面活荷载的5050，藏书库、档案库活荷载的，藏书库、档案库活荷载的8080。多质点体系的水平地震作用分布特点：多质点体系的水平地震作用分布特点：当质量、刚当质量、刚度沿高度分布较均匀（度沿高度分布较均匀（GiGj）时，）时，Fi与与Hi成正比。成正比。3 3、水平地震作用的简化、水平地震作用的简化 （1 1）主体结构）主体结构:高层建筑主体结构上的水平地震作用高层建筑主体结构上的水平地震作用力可按底部弯矩相等的原则，简化为倒三角形分布，力可按底部弯矩相等的原则，简化为倒三角形分布，2 2、反应谱底部剪力法计算水平地震作用、反应谱底部剪力法计算水平地震作用（a)实际地震作用：（b）简化后：niiiHFM102max031HqMniiiHFHq12max3（2 2）顶部小塔楼：）顶部小塔楼：按主体结构顶部侧移相等的原则，按主体结构顶部侧移相等的原则，简化为作用在主体结构顶部的水平力。简化为作用在主体结构顶部的水平力。取取:P:P1 1=F=Fn+1n+1,m,m1 1=F=Fn+1n+1h hn+1n+1,P,P2 2=3m=3m1 1/(2H)=3F/(2H)=3Fn+1n+1h hn+1n+1/(2H)/(2H)得：得：P=PP=P1 1+P+P2 2=F=Fn+1n+1+3F+3Fn+1n+1h hn+1n+1/(2H)=F/(2H)=Fn+1n+11+3h1+3hn+1n+1/(2H)/(2H)作 业课程结束，谢谢听讲！课程结束，谢谢听讲！3.2.5 关于风洞试验关于风洞试验(1)(1)风荷载对高层建筑的影响风荷载对高层建筑的影响(2)(2)宜按风洞试验确定风荷载的建筑物宜按风洞试验确定风荷载的建筑物(3)(3)风洞试验的模型风洞试验的模型图图3-1 风压分布情况风压分布情况图图3-1 风压分布情况风压分布情况图图3-2 平均风压与波动风压平均风压与波动风压)2(211120ijijniiihhhWHpM0=p0H2/2=W1h1h1/2+W2h2(h1+h2/2)+Wihi(h1+h2+hi-1+hi/2)+（a）（b）（c）