第3章高层建筑结构的荷载和地震作用(精)
科学出版社 高层建筑结构设计(第二版)史庆轩 主编 国家级精品课教材 赠课件 第3章-局部修改
第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用 ——局部修改P39：作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小布满在所有楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，对活荷载标准值乘以规定的折减系数。
折减系数的确定比较复杂，目前大多数国家均通过从属面积来考虑，具体可参考《荷载规范》的规定。
P46：表3.2.2 脉动增大系数ξ注：计算201T ω时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。
P47：表3.2.4 振型系数ϕP49：表3.2.5 风荷载作用下各区段合力的计算P50：结构地震动力反应过程中存在着地面扭转运动，而目前这方面的强震实测记录很少，地震作用计算中还不能考虑输入地面运动扭转分量。
为此，《高层规程》规定，计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响，每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用，即0.05i i e L =± （3.3.1） 式中：i e 为第i 层质心偏移值(m)，各楼层质心偏移方向相同；i L 为第i 层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m)。
P51：表3.3.2 时程分析时输入地震加速度的最大值 (cm/s 2)P53：表3.3.5 水平地震影响系数最大值αP59：2）跨度大于24m 的楼盖结构、跨度大于12m 的转换结构和连体结构、悬挑长度大于5m 的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析法或振型分解反应谱方法进行计算。
时程分析计算时输入的地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65%采用，反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，但设计地震分组可按第一组采用。
3）高层建筑中，大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体的竖向地震作用标准值，不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与表3.3.9所规定的竖向地震作用系数的乘积。
高层建筑结构的荷载和地震作用31竖向荷载ss=
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 2)水平荷载活荷载 地震作用 本章主要内容z 竖向荷载（简介） z 风荷载（重点）z 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：z 竖向荷载效应远大于多层建筑结构；z 水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； z 对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。
3.1 竖向荷载3.1.1 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。
2）材料容重可从《荷载规范》查取；固定设备由相关专业提供。
3.1.2 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。
2）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。
2. 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。
2）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k s ，应按下式计算：0r k s s μ= （3.1.1）式中：0s 为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得50年一遇最大积雪的自重确定，按《荷载规范》取用；μr为屋面积雪分布系数，屋面坡度α≤25°时，μr取1.0，其它情况可按《荷载规范》取用。
2）雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0。
3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。
高层建筑设计理论第3章
2、风压高度变化系数 μ Z 风速大小不仅与高度有关，一般越靠近地面风速越小，
愈向上风速越大，而且风速的变化与地貌及周围环境有直 接关系。
风压高度变化系数
表 3-7 风压高度变化系数 z
风压的高度变化
单位面积风荷载标准值
(1)当计算主要承重结构时
wk z s z w0
式中 wk ——风荷载标准值(kN/m2)； w0 ——基本风压(kபைடு நூலகம்/m2)；
s ——风压高度变化系数； z ——风荷载体型系数； z ——z 高度处的风振系数。
(2)当计算围护结构时
wk gz s z w0
式中 gz ——高度 z 处的阵风系数。
基本风压
作用在建筑物上的风压力与风速有关，可表示为：
0
1 2
2
式中 0 ——用于建筑物表面的风压(N／m2)； ——空气的密度，取 =1.25k9／m3； ——平均风速(m／s)。
全国l0年、50年和l00年一遇的风压标准值可由《建筑结 构荷载规范》(GB50009--2012)附表中查得。
屋面活荷载
屋面活荷载一般可按下述方法进行取值： 1.房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载的标准值 及其组合值系数、频遇值系数和准永久值系数的取值，不应小于 表3-3的规定。 2．屋面直升机停机坪荷载应按局部荷载考虑，或根据局部荷载换 算为等效均布荷载考虑，其等效均布荷载不应低于5.0kN/m2。
2.风力受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。例如，由于不对称遮挡而使风力偏心产生扭转；相邻 建筑物之间的狭缝风力增大，使建筑物产生扭转等等。在这些情况下要适当加大 安全度。
高层建筑结构抗震期末复习题(含答案)
第一章 绪论（一）填空题1．我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)规定：把10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑，以及房屋高度大于24m的其他高层民用建筑，称为高层建筑，此处房屋高度是指室外地面到房屋主要屋面的高度。
2．高层建筑设计时应该遵循的原则是安全适用，技术先进，经济合理，方便施工。
3．复杂高层结构包括带转换层的高层结构，带加强层的高层结构，错层结构，连体结构以及竖向体型收进结构等。
4．8度、9度抗震烈度设计时，高层建筑中的大跨和长悬臂结构应考虑竖向地震作用。
5．高层建筑结构的竖向承重体系有框架结构体系，剪力墙结构体系，框架—剪力墙结构体系，筒体结构体系等；水平向承重体系有普通肋形楼盖体系，无梁楼盖体系，组合楼盖体系等。
6．高层结构平面布置时，应使其平面的质量中心和刚度中心尽可能靠近，以减少扭转效应。
7. 三种常用的钢筋混凝土高层结构体系是指框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构。
(二)选择题1．高层建筑抗震设计时，应具有[ a ]抗震防线。
a．多道；b．两道；c．一道；d．不需要。
2．下列叙述满足高层建筑规则结构要求的是[ d ]。
a．结构有较多错层；b．质量分布不均匀；c．抗扭刚度低；d．刚度、承载力、质量分布均匀、无突变。
3．高层建筑结构的受力特点是[ b ]。
a．竖向荷载为主要荷载，水平荷载为次要荷载；b．水平荷载为主要荷载，竖向荷载为次要荷载；c．竖向荷载和水平荷载均为主要荷载；d．不一定。
4．8度抗震设防时，框架—剪力墙结构的最大高宽比限值是[ C ]。
a．2；b．3；c．4；d．5。
5．钢筋混凝土高层结构房屋在确定抗震等级时，除考虑地震烈度、结构类型外，还应该考虑[ A ]。
a．房屋高度；b．高宽比；c．房屋层数；d．地基土类别。
6．随着建筑物高度的增加，变化最明显的是[ C ]。
A. 轴力B. 弯矩C.侧向位移D.剪力7．某高层建筑要求底部几层为大空间商用店面，上部为住宅，此时应采用那种结构体系[ D ]。
简化高层复习思考题
第1章绪论（1）我国对高层建筑结构是如何定义的？（2）高层建筑结构的受力及变形特点是什么？设计时应考虑哪些问题？（3）从结构材料方面来分，高层建筑结构有哪些类型？各有何特点？（4）为什么要限制结构在正常情况下的侧移？何谓舒适度？高规采用何种限制来满足舒适度要求？（5）什么是结构的重力二阶效应？高层建筑为什么要进行稳定性验算？如何进行框架结构的整体稳定验算？第2章高层建筑结构体系与布置1. 何为结构体系？高层建筑结构体系大致有哪几类？选定结构体系主要考虑的因素有哪些？各种结构体系的优缺点和受力特点如何？2．如何确定高层建筑的结构方案？3．在抗震结构中为什么要求平面布置简单、规则、对称，竖向布置刚度均匀？怎样布置可以使平面内刚度均匀，减小水平荷载引起的扭转？沿竖向布置可能出现哪些刚度不均匀的情况？高层建筑结构平面、竖向不规则有哪些类型？4.防震缝、伸缩缝和沉降缝在什么情况下设置？各种缝的特点和要求是什么？在高层建筑结构中，特别是抗震结构中，怎么处理好这三种缝？5．框架-筒体结构与框筒结构有何异同？框架结构与框筒结构相比，两者平面结构布置和受力特点有何不同？何谓框筒结构的剪力滞后现象？6高层建筑结构总体布置的原则是什么?7为什么规范对每一种结构体系规定最大的适应高度？实际工程是否允许超过规范规定的最大适应高度？8．高层建筑的基础都有哪些形式？高层建筑的基础为什么埋深要求？采用天然地基时高层建筑的基础埋深不小于多少？第3章高层建筑结构荷载（1）高层建筑结构设计时应主要考虑哪些荷载或作用？（2）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？和地震作用相比，风荷载有何特点？（4）高层建筑结构风荷载标准值计算式中，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？（6）结构自振周期的计算方法有哪些？为什么要对理论周期值进行修正？如何修正？各类结构基本周期的经验公式是什么？第4章高层建筑结构分析原则（1）在多高层建筑结构计算中，假定楼盖在自身平面内为绝对刚性有何意义？如果楼盖不满足绝对刚性的假定，则计算中应如何考虑？（2）水平荷载的作用方向如何确定？把空间结构简化为平面结构的两个基本假定是什么？楼板起什么作用？第5章 高层建筑结构的近似计算方法框架部分 （1） 简述分层法和迭代法的计算要点及步骤。
风荷载及地震作用
风荷载的特点
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。 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。
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。 风压高度变化系数，按下表采用：
Z
风 压 高 度 变 化 系 数
离地面或海平 面高度（m)
5 15 50
地面粗糙度类别
A 1.17 1.52 2.03 B 1.00 1.14 1.67 C 0.74 0.74 1.25 D 0.62 0.62 0.84
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
C Z 0.616
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
[整理版]科学出版社高层建筑结构设计（第二版）史庆轩主编国家..
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第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用——局部修改P39：作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小布满在所有楼面上，因此在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，对活荷载标准值乘以规定的折减系数。
折减系数的确定比较复杂，目前大多数国家均通过从属面积来考虑，具体可参考《荷载规范》的规定。
P46：表3.2.2 脉动增大系数ξ注：计算201T ω时，对地面粗糙度B 类地区可直接代入基本风压，而对A 类、C 类和D 类地区应按当地的基本风压分别乘以1.38、0.62和0.32后代入。
P47：表3.2.4 振型系数ϕP49：表3.2.5 风荷载作用下各区段合力的计算P50：结构地震动力反应过程中存在着地面扭转运动，而目前这方面的强震实测记录很少，地震作用计算中还不能考虑输入地面运动扭转分量。
为此，《高层规程》规定，计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响，每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用，即0.05i i e L =± （3.3.1）式中：i e 为第i 层质心偏移值(m)，各楼层质心偏移方向相同；i L 为第i 层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m)。
P51：表 3.3.2 时程分析时输入地震加速度的最大值 (cm/s 2)P53：表3.3.5 水平地震影响系数最大值αP59：2）跨度大于24m 的楼盖结构、跨度大于12m 的转换结构和连体结构、悬挑长度大于5m 的悬挑结构，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析法或振型分解反应谱方法进行计算。
时程分析计算时输入的地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65%采用，反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，但设计地震分组可按第一组采用。
3）高层建筑中，大跨度结构、悬挑结构、转换结构、连体结构的连接体的竖向地震作用标准值，不宜小于结构或构件承受的重力荷载代表值与表3.3.9所规定的竖向地震作用系数的乘积。
第3章 高层建筑荷载及其效应组合
根据假定(1)，可分别考虑纵向平面结构 和横向平面结构的受力情况，即在横向水 平分力的作用下，只考虑横向框架(横向 剪力墙)而忽略纵向框架(纵向剪力墙)的 作用，而在纵向水平力作用下，只考虑纵 向框架(纵向剪力墙)而忽略横向框架(横 向剪力墙)的作用。这样可使计算大为简 化。
3.2 竖向荷载
竖向荷载包括恒载、楼面及屋面活荷载、 雪荷载。恒载由构件及装修材料的尺寸和材 料重量计算得出，材料自重可查《建筑结构 荷载规范》(GB 50009-2001)(以下简称《荷 载规范》)。楼面上的活荷载可按《荷载规 范》采用，常用民用建筑楼面均布活荷载见 表3-1。
震中距的影响 建筑物本身的动力特性对建筑破坏程 度有很大的影响 建筑物的动力特性：主要指建筑物的 自振周期、振型和阻尼。
自振周期:结构按某一振型完成一次自由振动所需
要的时间 阻尼:使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用
地震的几个名词
地震震级 地震能量的量度。 地震烈度 对地面及建筑物的破坏程度。
3.在遭受高于本地区设防烈度的预估 罕遇地震的影响时，建筑物不致倒塌 或发生危及生命的严重破坏。（此时 建筑物将产生严重破坏但不至于倒塌， 大震）
恒载的计算内容: 1、结构构件(梁、板、柱、墙、支撑) 的重量 2、非结构构件(粉灰、饰面材料、填 充墙、吊顶等)的重量 这些重量的大小不随时间而改变，又 称为永久荷载。 恒载标准值等于构件的体积乘以材料 的容重。
常用材料的容重为：
钢筋混凝土 25kN／m3； 钢材 78.5kN／m3 水泥砂浆 20kN／m3； 混合砂浆 17kN／m3 铝型材 28kN／m3； 玻璃 25.6kN／m3
水平荷载作用方向图
3.1.2 平面化假定 荷载作用下的房屋结构都是空间受力体系， 对框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构进行 计算时，可以把空间结构简化为平面结构，并作 以下两个假定。 (1) 每榀框架或剪力墙可以抵抗自身平面内的侧 力，平面外刚度很小，可忽略不计。即不考虑框 架(剪力墙)参与抵抗平面外的水平作用，当作只 抵抗自身平面内水平作用的平面结构。 (2) 楼盖结构在自身平面内刚度无限大，平面外 刚度很小，可忽略不计。
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第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用
[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120m ，平面尺寸为m m 4030⨯，地下室采用筏形基础，埋置深度为12m ，如图3.2.4(a)、(b)所示。
已知基本风压为2045.0m kN w =，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800kN 。
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：（1）基本自振周期：根据钢筋混凝土剪力墙结构的经验公式，可得结构的基本周期为： s n T 90.13805.005.01=⨯==
222210m s kN 62.19.145.0T w ⋅=⨯=
（2）风荷载体型系数：对于矩形平面，由附录1可求得
80.01=s μ
57040120030480L H 03
04802s .....-=⎪⎭⎫ ⎝
⎛
⨯+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=μ （3）风振系数：由条件可知地面粗糙度类别为B 类，由表3.2.2可查得脉动增大系数502.1=ξ。
脉动影响系数ν根据H/B 和建筑总高度H 由表3.2.3确定，其中B 为迎风面的房屋宽度，由H/B=3.0可从表3.2.3经插值求得=ν0.478；由于结构属于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，可近似采用振型计算点距室外地面高度z 与房屋高度H 的比值，即H H i /z =ϕ，i H 为第i 层标高；H 为建筑总高度。
则由式（3.2.8）可求得风振系数为：
H
H 478050211H H 11i
z i z ⋅⨯+=⋅+=+=μμξνμϕνξβ.. z z z
（4）风荷载计算：风荷载作用下，按式（3.2.1）可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为：
()z z z z ....)z (q βμβμ6624=40×570+80×450=
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3.2.4，如图3.2.4(c)所示。
表3.2.4 风荷载作用下各区段合力的计算
（a ） （b ） （c ）
图3.2.4 高层结构外形尺寸及计算简图
在风荷载作用下结构底部一层的剪力为
kN 2.68538.5226.7880.9718.11232.12628.1384800V 1=++++++=
筏形基础底面的弯矩为
m
kN 4.600266228.522426.788620.97182
8.11231022.12621228.1384132800M ⋅=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=
小 结
（1）作用于高层建筑结构上的荷载可分为两类：竖向荷载，包括恒载和楼、屋面活荷载以及竖
向地震作用；水平荷载，包括风荷载和水平地震作用。
（2）计算作用在高层建筑结构上的风荷载时，对主要承重结构和围护结构应分别计算。
对高度大于30m 且高宽比大于1.5的高层建筑结构，采用风振系数考虑脉动风压对主要承重结构的不利影响。
(3)计算高层建筑结构水平地震作用的基本方法是振型分解反应谱法，此法适用于任意体型、平面和高度的高层建筑结构。
当建筑物高度不大且体型比较简单时，可采用底部剪力法计算。
对于重要的或复杂的高层建筑结构，宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。
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？
（2）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？ （6）高层建筑地震作用计算的原则有哪些？ （7）高层建筑结构自振周期的计算方法有哪些？
（8）计算地震作用的方法有哪些？如何选用？地震作用与哪些因素有关？ （9）底部剪力法和振型分解反应谱法在计算地震作用时有什么异同？
（10）在计算地震作用时，什么情况下应采用动力时程分析法？计算时有哪些要求？ （11）在什么情况下需要考虑竖向地震作用效应？ （12）突出屋面小塔楼的地震作用影响如何考虑？
习 题
1、某高层建筑筒体结构，其质量和刚度沿高度分布比较均匀，建筑平面尺寸为m m 4040⨯的方形，地面以上高度为150m ，地下埋置深度为13m 。
已知基本风压为0.402m kN ，建筑场地位于大城市市区，已计算求得作用于突出屋面塔楼上的风荷载标准值为kN 1050，结构的基本自振周期为s T 45.21=。
为简化计算，将建筑物沿高度划分为五个区段，每个区段为30m ，并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的剪力和基础底面的弯矩值。
2、某12层高层建筑剪力墙结构，层高均为3.0m ，总高度为36.0m ，抗震设防烈度为8度，Ⅲ类场地，设计地震分组为第二组。
已计算各质点的重力荷载代表值如图所示，第1和第2振型如图所示，对应的自振周期分别为s 750T 1.=，s 200T 2.=。
试采用振型分解反应谱法，考虑前两个振型计算水平地震作用下结构的底部剪力和弯矩值。
层，高度为85m ，抗震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组，总重力荷载代表值为∑=kN G i 286000，基本自振周期为s T 34.11=，采用底部剪力法计算底部剪力值。
4、某高层建筑结构，地震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，结构的基本自振周期为1.36s 。
按底部剪力法计算水平地震作用时，计算顶部附加水平地震作用系数n δ。
习题1图 习题2图。