高层建筑结构设计高层建筑结构荷载课件

高高层建筑建筑结构构设计高高层建筑建筑结构荷构荷载 简要回顾简要回顾 图1 结构内力、位移及高度的关系HH（H）（H2）（H4）内内力力或或位位移移 高层结构中水平荷载作用下结构的侧移往往起控制作用，那么，主要的水平荷载有哪些呢？这说明了什么问题？这说明了什么问题？风荷载 地震作用.3.3 高层建筑荷载高层建筑荷载3.1 风荷载（风荷载（）本节重点（）本节重点（）基本风压值概念，确定方法基本风压值概念，确定方法风载标准值计算及系数含义风载标准值计算及系数含义横风向风振横风向风振:旋涡脱落，驰振旋涡脱落，驰振,颤振颤振,扰振等扰振等例题（结合工程实例）例题（结合工程实例）对于高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压，另一对于高层建筑，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，因此，高层建筑不仅要考虑风的静力作方面风又使建筑物产生风力振动，因此，高层建筑不仅要考虑风的静力作用，还要考虑风的动力作用。用，还要考虑风的动力作用。当风遇到建筑物时在其表面上所产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。生的压力或吸力即为建筑物的风荷载。，,3.1.1引言风灾实例 春风和煦 夏风怡人 秋风飒飒 很美好！但事物的 另一面呢？古巴首都哈瓦那海滨大街2005.10.24飓风“威尔玛”掀起滔天巨浪，越过堤岸，拍打着楼房 看！风的威力！看！风的威力！风灾实例 1926年年9月美国迈阿密市大楼（月美国迈阿密市大楼（17层钢框架）飓风袭击后发生塑性变形，层钢框架）飓风袭击后发生塑性变形，顶部水平残余位移竟达顶部水平残余位移竟达0.61m。2013年春天的一场大风年春天的一场大风历史上最著名的历史上最著名的风致桥梁毁坏实例风致桥梁毁坏实例新新Tacoma桥桥1938年开工建设，年开工建设，1940.7.1通车，通车，1940.11.7塌毁，主塌毁，主跨长跨长853.4m，全长，全长1810.56m，桥宽，桥宽11.9m，梁高仅，梁高仅1.3m，中等风速，中等风速19新桥新桥1950.10.14建成，悬索桥，加劲梁改为建成，悬索桥，加劲梁改为桁架式，比旧桥长桁架式，比旧桥长12m。桥桥 3.1.2基本概念 空气从气压高的地方流动到气压低的地方就形成了风。风遇到建筑物时，在建筑物表面产生压力和吸空气从气压高的地方流动到气压低的地方就形成了风。风遇到建筑物时，在建筑物表面产生压力和吸力，这种风力作用称为风荷载。力，这种风力作用称为风荷载。基本方程：由流体力学中的伯努利方程可知 风压及风速关系 风风 速速 风压力风压力在标准大气情况下，在标准大气情况下，约为约为沿海城市上海，上值约为沿海城市上海，上值约为高山地区的拉萨，上值约为高山地区的拉萨，上值约为空气单位体积重力空气单位体积重力空气质点密度空气质点密度(kg/m3)2007.1.18，法国北部维姆勒，大风卷起巨浪。，法国北部维姆勒，大风卷起巨浪。风压及风速 关系密切 一场强烈暴风席卷西北欧多个国家，至少6人死亡。风速最高达140(约40)。赖斯对德国的访问也因此提前结束。那么，计算风压时，该如何确定风速呢？基本风速基本风压标准标准高度高度标准标准地貌地貌平均风速时平均风速时距距最大风速样最大风速样本本 最大最大 风速风速重现期重现期概率分布曲概率分布曲线线3.1.33.1.3基本风压基本风压 50009-2012 3-2010标准高度的规定标准高度的规定 房屋建筑类统一取房屋建筑类统一取10m 标准地貌的规定标准地貌的规定 指空旷平坦地区，在具体执行时，对于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处指空旷平坦地区，在具体执行时，对于城市郊区，房屋较为低矮的小城市，也作标准地貌处理。理。平均风速的时距平均风速的时距 为为10分钟分钟 （风的卓越周期约在（风的卓越周期约在1分钟）分钟）最大风速的样本最大风速的样本 取年最大风速为统计样本取年最大风速为统计样本基本风压的确定基本风压的确定o基本风压应按照现行国家标准建筑结构荷载规范基本风压应按照现行国家标准建筑结构荷载规范50009的规定采用。对于特别重要或对风荷载比较敏的规定采用。对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按感的高层建筑，承载力设计时应按100年重现期的风压值采用。年重现期的风压值采用。o基本风压按离地基本风压按离地10m高度，空旷平坦地面，高度，空旷平坦地面，50（100）年一遇，）年一遇，10平均最大风速计算。平均最大风速计算。基本风压的确定基本风压的确定基本风压不得小于基本风压不得小于 0.32 高度大于高度大于200m，或者，或者 平面不规则平面不规则,立面复杂立面复杂/立面开洞或连体立面开洞或连体/周围地形环境复杂时周围地形环境复杂时 宜通过风洞试验判断确定风荷宜通过风洞试验判断确定风荷 载，以补规范的不足。载，以补规范的不足。基本风压的确定基本风压的确定“珠江帆影珠江帆影”高层建筑群风洞试验高层建筑群风洞试验3.1.4风荷载标准值 o计算主要承重结构时计算主要承重结构时o计算围护结构时计算围护结构时(2)单位面积上风荷载标准值主体结构计算时，风荷载作用面积应取垂直于风向的最大投影面积。式中式中风荷载标准值，风荷载标准值，m2m2；z z高度高度z z处的风振系数；处的风振系数；s s风荷载体型系数；风荷载体型系数；z z风压高度变化系数；风压高度变化系数；w0 w0基本风压，基本风压，m2 m2；高度高度z z处的阵风系数。处的阵风系数。顺风向风振系数顺风向风振系数在风的顺风向时程曲线中，会有两种成分：在风的顺风向时程曲线中，会有两种成分：长周期持续长周期持续10分钟以上平均风（稳定风）分钟以上平均风（稳定风）静力作用静力作用短周期只有几秒钟左右短周期只有几秒钟左右 脉动风脉动风 动力作用动力作用时间风速平均风速实际风速风振动作用 目前采用对风压值乘以风振系数来加大风荷载的办法考虑风的动力效应。T10.25s的高耸结构,以及H30m且1.5的高柔房屋均应按随机振动理论、结构动力学方法考虑顺风向风振的影响。对于一般悬臂结构，如塔架，烟囱等高耸结构，以及可忽略扭转影响H301.5，T1 0.25s的高层建筑，可以只考虑第一振型作用，按下式考虑风振影响。最新荷载规范最新荷载规范50009-2012式中：式中：og峰值因子，可取2.5；oI1010m高度名义湍流强度，对应 A、B、C 和 D 类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14 0.23和0.39；oR脉动风荷载的共振分量因子；o脉动风荷载的背景分量因子。脉动风荷载的共振分量因子脉动风荷载的共振分量因子R式中：式中：o 结构第 1 阶自振频率();o地面粗糙度修正系数，对A、B、C和D四类地面粗糙度分别取1.28、1.00、0.54和0.26；o 结构阻尼比，钢结构可取0.01，有填充墙的钢结构房屋可取0.02，钢筋混凝土及砌体结构可取0.05，其他结构可根据工程经验确定。背景分量因子o对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，其脉动风荷载的背景分量因子可按下式确定：对体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑和高耸结构，其脉动风荷载的背景分量因子可按下式确定：式中式中:o 结构第结构第 1 阶振型系数，振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按阶振型系数，振型系数应根据结构动力计算确定。对外形、质量、刚度沿高度按连续规律变化的竖向悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑，振型系数也可根据相对高度连续规律变化的竖向悬臂型高耸结构及沿高度比较均匀的高层建筑，振型系数也可根据相对高度 按按荷载规范附录荷载规范附录 G 确定；确定；oH结构总高度结构总高度(m)，对，对 A、B、C 和和 D 类地面粗糙度，类地面粗糙度，H的取值分别不应大于的取值分别不应大于 300m、350m、450m 和和 550m；o 脉动风荷载水平和竖直方向相关系数，可按荷载规范给出的公式计算；脉动风荷载水平和竖直方向相关系数，可按荷载规范给出的公式计算；o 系数，按表系数，按表3.3取值。取值。表3.3 系数粗糙度类别ABCD高层建筑k0.9440.6700.2950.1120.1550.1870.2610.346高耸结构k1.2760.9100.4040.1550.1860.2180.2920.376背景分量因子背景分量因子 的修正的修正o对迎风面和侧风面的宽度沿高度按直线或接近直线变化，而质量沿高度按连续规律变化的高耸结构，背景分量因子 应乘以修正系数 和 。为构筑物在 z 高度处的迎风面宽度B(z)及底部宽度B(0)的比值；可按表 3.4确定。表表3.4修正系数修正系数B(z)/B(0)10.90.80.70.60.50.40.30.20.11.001.101.201.321.501.752.082.533.305.60风压高度变化系数o风速大小及高度有关，一般越靠近地面风速越小，愈向上越大；还与地面粗糙度有关，地面越粗糙，风速大小及高度有关，一般越靠近地面风速越小，愈向上越大；还与地面粗糙度有关，地面越粗糙，风速变化越慢，反之，地表越平坦，风速变化越快。通常认为在离地面高度为风速变化越慢，反之，地表越平坦，风速变化越快。通常认为在离地面高度为 300550m 时，风时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速梯度风速”。梯度风高度：风速由地面处为零沿高度按曲线逐渐增大，近地层气流为湍流，受地面粗糙度影响，风速沿高度增加的梯度不同，达到大气边界层后风速受地面影响变小，大气可以在气压梯度作用下自由流动（层流），此时风速称为梯度风速，而此时的高度称为梯度风高度。梯度风高度处风压相等。风速随高度的变化风速随高度的变化风压高度变化系数风压高度变化系数风压高度变化系数o按照地面粗糙度类别和距地面高度查表o地面粗糙度分类oA 近海海面、海岛、海岸、湖岸、沙漠 oB 田野、乡村、丛林、丘陵、房屋稀少的乡 镇及城郊oC 有密集建筑群的城市市区oD 有密集建筑群且房屋较高的城市市区1 以拟建房以拟建房2为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的为半径的迎风半圆影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风；风向为准，但也可取其主导风；2 以半圆影响范围内建筑物的平均高度来划分地面粗糙度类别，以半圆影响范围内建筑物的平均高度来划分地面粗糙度类别，D类类18m，9mH18m，为，为C类，类，B类类9m。3 影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定,即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；4 平均高度平均高度 取各面域面积为权数计算。取各面域面积为权数计算。地面粗糙度分类原则荷载规范荷载规范风载体型系数o当风流经建筑物时，气流会以不同的方式从房屋表面绕过，从而风对建筑物不同的部位会产生不同的效果。当风流经建筑物时，气流会以不同的方式从房屋表面绕过，从而风对建筑物不同的部位会产生不同的效果。o一般迎风面产生压力，背风面及侧风面为吸力，空气流动还会产生漩涡，对建筑物局部产生较大的压力或一般迎风面产生压力，背风面及侧风面为吸力，空气流动还会产生漩涡，对建筑物局部产生较大的压力或吸力。吸力。o风压实测表明，即使在同样的风速条件下，建筑物表面上的风压分布也是很不均匀的，一般取决于房屋的风压实测表明，即使在同样的风速条件下，建筑物表面上的风压分布也是很不均匀的，一般取决于房屋的体型、尺寸等几何性质。体型、尺寸等几何性质。风载体型系数风载体型系数o风流经建筑平面时的风压分布系数(表面风压/基本风压)驻涡区0.80.40.4-0.4-0.4-0.4-0.2-0.4边界层尾涡区 迎风面迎风面 背风面背风面风流经建筑立面时的风压分布系数风流经建筑立面时的风压分布系数0.80.60.40.4-0.18-0.41 -0.41-0.2-0.13风载体型系数根据我国多年设计经验及风洞试验，高层建筑单体的风荷载体型系数可按下列规定采用：根据我国多年设计经验及风洞试验，高层建筑单体的风荷载体型系数可按下列规定采用：圆形平面建筑取圆形平面建筑取 0.8；正多边形及截角三角形平面建筑：正多边形及截角三角形平面建筑：式中：式中：n 为多边形的边数为多边形的边数 高宽比高宽比 4 的矩形、方型、的矩形、方型、十字形平面建筑取十字形平面建筑取 1.3；风载体型系数下列建筑取下列建筑取 1.4：V 形、形、Y形、弧型、双十字形、井字形平面形、弧型、双十字形、井字形平面 L 形、槽形和高宽比形、槽形和高宽比 4 的十字形平面的十字形平面 高宽比高宽比 4，长宽比，长宽比 1.5 的矩形、的矩形、鼓形平面建筑。鼓形平面建筑。迎风面积取垂直于风向的最大投影面积。迎风面积取垂直于风向的最大投影面积。在需要更细致进行风荷载计算的情况下，可按高规附录在需要更细致进行风荷载计算的情况下，可按高规附录B采用，或由风洞试验确定。采用，或由风洞试验确定。群集高层应考虑干扰效应群集高层应考虑干扰效应 干扰增大系数干扰增大系数相互干扰系数相互干扰系数o对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑及受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺风向风荷对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑及受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺风向风荷载可在载可在1.00 1.10 范围内选取，对横风向风荷载可在范围内选取，对横风向风荷载可在1.001.20 范围内选取，其他情况可比照范围内选取，其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。风压力及风吸力o要采用局部风载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。要采用局部风载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。o檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于 2.0。o封封闭闭式式矩矩形形平平面面房房屋屋的的墙墙面面及及屋屋面面可可按按荷荷载载规规范范的的规规定定取取用用，其其他他房房屋屋和和构构筑筑物物可可按按荷荷载载规规范范中中给给出出体体型型系数的系数的1.25 倍取值。倍取值。o设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。计算风载对建筑物某个局部表面的作用时：计算风载对建筑物某个局部表面的作用时：横风向风振横风向风振o通常，横风向风力较顺风向风力小得多o但建筑高度超过 150m 或高宽比大于 5 的高层建筑可出现较为明显的横风向风振效应，并且效应随着建筑高度或建筑高宽比增加而增加。o细长圆形截面构筑物一般指高度超过 30m 且高宽比大于 4 的构筑物。横风向风振横风向风振o超高层、烟囱、高耸塔架等由于气流绕过截面时产生的旋涡又不断脱落，可能会引起横风向的共振。o用雷诺数判断结构是否会产生横风共振o 69000o v 风速 D 结构直径o3.0105 且结构顶部风速且结构顶部风速 大于大于 时时 亚临界范围的微风共振，构造抗振，或控制不小于亚临界范围的微风共振，构造抗振，或控制不小于15o3.0105 3.5106 超临界范围超临界范围,不处理不处理o 3.5106且结构顶部风速的且结构顶部风速的 1.2 倍大于倍大于，跨临界范围，强风共振，考虑荷载效应，设计重点，跨临界范围，强风共振，考虑荷载效应，设计重点圆筒式结构临界范围的划分圆筒式结构临界范围的划分扭转风振扭转风振o当建筑物各个立面风压非对称作用时，会产生扭转风荷载。扭转风荷载受截面形状和湍流度等因素的影响较大。o当建筑高度超过150m，同时满足o o 、o 的高层建筑扭转风振效应明显，宜考虑扭转风振的影响。扭转风振扭转风振o式中式中B为结构迎风面宽度；为结构迎风面宽度；D为结构平面进深为结构平面进深(顺风向尺寸顺风向尺寸)或或直径；直径；H为结构高度；为结构高度；为结构扭转第为结构扭转第 1 阶自振周期；阶自振周期；为结构为结构顶部风速顶部风速图2-31 广州塔图 2-32 CN塔扭转风振扭转风振o截面尺寸和质量沿高度基本相同的矩形截面高层建筑，当其刚度或质量的偏心率(偏心距/回转半径)不大于0.2，且同时满足o 可按荷载规范附录H.3计算扭转风振等效风荷载。o当偏心率大于 0.2 时，高层建筑的弯扭耦合风振效应显著，建议在风洞试验基础上，有针对性地进行专门研究。风载效应组合风载效应组合o高层建筑结构在脉动风荷载作用下，其顺风向风荷载、横风向风振等效风荷载和扭转风振等效风荷载高层建筑结构在脉动风荷载作用下，其顺风向风荷载、横风向风振等效风荷载和扭转风振等效风荷载一般是同时存在的，但三种风荷载的最大值并不一定同时出现，因此在设计中应当按表一般是同时存在的，但三种风荷载的最大值并不一定同时出现，因此在设计中应当按表3.5考虑三种考虑三种风荷载的组合工况。风荷载的组合工况。风载效应组合风载效应组合工况顺风向风荷载横风向风振等效风荷载扭转风振等效风荷载120.63荷载规范增加了对屋盖风振问题的要求荷载规范增加了对屋盖风振问题的要求o屋盖结构不宜采用及高层建筑和高耸结构相同的风振系数计算方法。一般对于风敏感的或跨度大于 36m 的柔性屋盖结构，应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。屋盖结构的风振响应，宜依据风洞试验结果按随机振动理论计算确定。阵风系数阵风系数 对于围护结构，包括玻璃幕墙，由于脉动引起的振动很小，可以不考虑风振的影响，但是应考虑脉对于围护结构，包括玻璃幕墙，由于脉动引起的振动很小，可以不考虑风振的影响，但是应考虑脉动风压的分布，即在平均风的基础上乘以阵风系数。可按照地面粗糙度类别和计算高度查表确定。动风压的分布，即在平均风的基础上乘以阵风系数。可按照地面粗糙度类别和计算高度查表确定。阵风系数阵风系数离地高度m地面粗糙度类别离地高度m地面粗糙度类别ABCDABCD51.651.702.052.401001.461.501.691.98101.601.702.052.401501.431.471.631.87151.571.662.052.402001.421.451.591.79201.551.631.992.402501.411.431.571.74301.531.591.902.403001.401.421.541.70401.511.571.852.293501.401.411.531.67501.491.551.812.204001.401.411.511.64601.481.541.782.144501.401.411.501.62701.481.521.752.095001.401.411.501.60801.471.511.732.045501.401.411.501.59901.461.501.712.013.1.53.1.5总风载总风载（）建筑物各个表面承受的风力的合力为总风载，是沿高度变化的分布荷载例题o某高层剪力墙结构，上部结构为某高层剪力墙结构，上部结构为 38层，底部层，底部 1-3层层高为层层高为 4m,其他各层层高为其他各层层高为 3m，室外地面至檐，室外地面至檐口的高度为口的高度为120m，平面尺寸为，平面尺寸为30m40m，地下室采用筏形基础，埋深，地下室采用筏形基础，埋深12m，如图所示。基本风，如图所示。基本风压压 w0=0.45 2，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，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的总值为800。为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为。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，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。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：解：（1）风载体型系数）风载体型系数 因为结构的高宽比因为结构的高宽比 ,所以所以 （B为迎风面宽度，迎风面体型系数为迎风面宽度，迎风面体型系数+0.8为风压力，背风面为风压力，背风面-0.5为风吸力，所以合力方向为为风吸力，所以合力方向为1.3，两个侧风面及计算方向垂直，两个侧风面及计算方向垂直，所以不必计算两侧风，所以不必计算两侧风面。）面。）解：解：（2）风压高度变化系数）风压高度变化系数 按照按照B类地区，每类地区，每20米为一计算区段查表可得，具体见表米为一计算区段查表可得，具体见表3.6（3）钢筋混凝土剪力墙结构的基本自振周期按荷载规范附录）钢筋混凝土剪力墙结构的基本自振周期按荷载规范附录F给出的经验公式计算给出的经验公式计算:解：解：（4）顺风向风振系数）顺风向风振系数解：解：解解表表3.6总风荷载计算表总风荷载计算表各区段中点高度（m）10305070901101.001.391.621.791.932.05 0.080.250.420.580.750.920.0160.1000.2520.4360.6900.8880.0160.0720.1550.2430.3560.4311.0161.0741.1581.2481.3631.4400.5940.8731.0971.3071.5391.727475.2698.4877.61045.61231.21381.6解：解：o在风荷载作用下结构底部一层的剪力为o筏形基础底面的弯矩为作 业o按照青岛地区，查荷载规范，计算P88习题3.3，坐标方向如图o注意：每一个量的量纲o 风载体型系数正负号的含义思考题思考题o基本风压是如何确定的？o影响风荷载大小的因素有哪些？o高耸结构设计时要考虑风的哪些效应？o何谓风载体型系数，风压高度系数，风振系数？o工程中为什么要重视横风向风振？谢谢！