高层建筑荷载与地震作用
高层建筑结构设计荷载和地震作用
结构地震反应分析
结构地震反应分析是研究结构在地震作用下的反应，包括位移、速度、加速 度和内力等反应。通过结构地震反应分析，可以确定结构的动力特性、地震 作用效应以及结构薄弱环节。
抗震设计
抗震设计是根据结构地震反应分析和建筑物的使用要求，采取相应的抗震措 施，包括场地选择、地基处理、结构体系选择、构造措施等，以满足建筑物 在地震作用下的安全性和可靠性要求。
采用有限元分析法对结构进行离散化分析， 得到各种荷载作用下的应力、应变、位移等 响应，并进行组合计算。
03
地震作用分析
地震作用特点及影响因素
地震作用随震源深度的增加而减小； 地震作用随场地土质的承载能力增加而减小；
地震作用随震中距离的增加而减小； 地震作用随建筑物高度增加而增加。
地震烈度指标和地震动参数
04
高层建筑结构荷载和地震作用精细化设计
基于性能的设计理念和原则
基于性能的设计理念
强调结构设计的安全性、适用性和耐久性，以结构性能为核心，综合考虑结构安 全性、使用性能和耐久性等多方面因素。
基于性能的设计原则
采用合理、有效的设计方法和措施，提高结构性能指标，降低结构安全风险和经 济成本，实现结构设计的高效、经济和安全。
可变荷载
包括楼面活荷载、风荷载、雪荷 载等，其数值随时间变化且与结 构使用性能有关。
偶然荷载
包括地震作用、爆炸力、撞击力等 ，其数值巨大、作用时间短暂，具 有随机性和不可预测性。
结构荷载效应组合
承载能力极限状态
结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形状态，需要进行承载 能力极限状态计算。
《高层建筑结构设计荷载和地震作 用》
高层建筑结构设计要求及荷载效应组合
结构的继续使用需要修复。
从抗震角度来看，出现超过设防烈度的地震是不可避 免的，结构应该具备足够的塑性变形能力。
但是结构过早地出现塑性变形也是十分不利的。结构 在小震、甚至风荷载作用下就出现塑性变形，必然导致裂 缝和变形过大，将影响到建筑物的正常使用。
② 短暂设计状况：适用于结构出现的临时情况，包括 结构施工和维修时的情况等；
③ 偶然设计状况：适用于结构出现的异常情况，包括结 构遭受火灾、爆炸、撞击时的情况等；
④ 地震设计状况：适用于结构遭受地震时的情况，在抗 震设防地区必须考虑地震设计状况。
1.1、持久设计状况和短暂设计状况下（无地震作用组合） 当荷载与荷载效应按线性关系考虑时，按下式：
结构顶点最大加速度
使用功能 住宅、公寓 办公、旅馆
alim (m / s盖竖向振动加速度限值
《高层规程》中规定楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz， 竖向振动加速度不应超过下表的限值。
2.4、稳定性与抗倾覆
结构整体稳定性是高层建筑设计的基本要求。研究表 明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整 体丧失稳定的可能性很小。稳定性设计主要是控制在风荷 载或水平地震力作用下，重力荷载产生的二阶效应（P-Δ） 不致过大，以免引起结构的失稳、倒塌。
n—结构总层数。
2、高层建筑结构的稳定应符合下列规定
1）剪力墙、框架—剪力墙结构、筒体结构
n
EJd 1.4H 2 Gi i 1
2）框架结构：
n
Di 10 G j / hi j i
（i=1,2,…,n)
3、抗倾覆控制： ⑴、控制高宽比H/B； ⑵、控制基底零应力区面积，<15％总面积。
第3章高层建筑结构的荷载和地震作用(精)
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 μ57040120030480L H 0304802s .....-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=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：HH 478050211H H 11iz 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。
高规2010
三、结构设计基本规定3．8．1 高层建筑结构构件的承载力应按下列公式验算：持久设计状况、短暂设计状况γ0S d≤R d(3．8．1—1)地震设计状况S d≤R d／γRE (3．8．1—2)式中：γ0——结构重要性系数，对安全等级为一级的结构构件不应小于1.1，对安全等级为二级的结构构件不应小于1.0；S d——作用组合的效应设计值，应符合本规程第5．6．1～5．6．4条的规定；R d——构件承载力设计值；γRE——构件承载力抗震调整系数。
3．9．1 各抗震设防类别的高层建筑结构，其抗震措施应符合下列要求：1 甲类、乙类建筑：应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；当建筑场地为I类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。
2 丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施；当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施3．9．3 抗震设计时，高层建筑钢筋混凝土结构构件应根据抗震设防分类、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。
A级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3．9．3确定。
当本地区的设防烈度为9度时，A级高度乙类建筑的抗震等级应按特一级采用，甲类建筑应采取更有效的抗震措施。
注：本规程“特一级和一、二、三、四级”即“抗震等级为特一级和一、二、三、四级”的简称。
3．9．4 抗震设计时，B级高度丙类建筑钢筋混凝土结构的抗震等级应按表3.9.4确定。
四、荷载和地震作用4．2．2 基本风压应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定采用。
对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。
4．3．1 各抗震设防类别高层建筑的地震作用，应符合下列规定：1 甲类建筑：应按批准的地震安全性评价结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定；2 乙、丙类建筑：应按本地区抗震设防烈度计算。
高层建筑结构与抗震常见问题解答第9章 荷载效应组合及设计要求
第9章 荷载效应组合及设计要求1．什么是荷载效应？什么是荷载效应组合？一般用途的高层建筑结构承受哪些何载？答：所谓荷载效应，是指在某种荷载作用下结构的内力或位移。
按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。
一般用途的高层建筑结构承受的竖向荷载有结构、填充墙、装修等自重（永久荷载）和楼面使用荷载、雪荷载等（可变荷载）；水平荷载有风荷载及地震作用。
各种荷载可能同时出现在结构上，但是出现的概率不同。
2．如何考虑荷载效应的组合？分项系数与组合系数各起何作用？答：通常，在各种不同荷载作用下分别进行结构分析，得到内力和位移后，再用分项系数与组合系数加以组合。
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，以下简称为《荷载规范》）上给出的自重及使用荷载、雪荷载等值，以及风荷载及地震等效荷载值都称为荷载标准值。
各种标准荷载独立作用产生的内力及位移称为荷载效应标准值，在组合时各项荷载效应应乘以分项系数及组合系数。
分项系数是考虑各种荷载可能出现超过标准值的情况而确定的荷载效应增大系数，而组合系数则是考虑到某些荷载同时作用的概率较小，在叠加其效应时要乘以小于1的系数。
例如，风荷载和地震作用同时达到最大值的概率较小，因此在风荷载和地震作用组合时，风荷载乘以组合系数0.2。
3．如何选择控制截面及最不利内力类型答：在构件设计时，要找出构件设计的控制截面及控制截面上的最不利内力，作为配筋设计的依据。
首先要确定构件的控制截面，其次要挑选这些截面的最不利内力。
所谓最不利内力，就是使截面配筋最大的内力。
控制截面通常是内力最大的截面，但是不同的内力（如弯矩、剪力）并不一定在同一截面达到最大值，因此一个构件可能同时有几个控制截面。
对于框架横梁，其两端支座截面常常是最大负弯矩及最大剪力作用处，在水平荷载作用下，端截面还有正弯矩。
而跨中控制截面常常是最大正弯矩作用处。
在梁端截面（指柱边缘处的梁截面），要组合最大负弯矩及最大剪力，也要组合可能出现的正弯矩。
《高层结构设计》 02高层建筑结构的荷载计算
高层建筑结构的荷载计算高层建筑结构的竖向荷载包括自重等恒载及使用荷载等活载，其计算方法与一般建筑结构类似，在此不再重复。
本章主要介绍在高层建筑结构设计中起主导作用的水平荷载—风荷载和地震荷载作用的计算方法。
第一节 风荷载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。
风荷载的大小主要和近地风的性质、风速、风向有关；和该建筑物所在地的地貌及周围环境有关；同时和建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值可按下式计算：0ωµµβωz s z k =式中：k ω为风荷载标准值（kN/m 2）；z β为z 高度处的风振系数；s µ为风荷载体型系数；z µ为风压高度变化系数； 0ω为基本风压（kN/m 2）。
1. 基本风压0ω我国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001），《全国基本风压分布图》中给出的基本风压值0ω，是用各地区空旷地面上离地10m 高、重现期为30年的10min 平均最大风速0υ（m/s ）计算得到的，基本风压值1600/200υω=（kN/m 2）。
荷载规范给出的0ω值适用于多层建筑；对于一般高层建筑和特别重要的或有特殊要求的高层建筑可按《全国基本风压分布图》中的数值分别乘以1.1和1.2采用。
2. 风压高度变化系数z µ表1 风压高度变化系数风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐渐加大，但风速的变化与地貌及周围环境有关。
在近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区，地面空旷，空气流动几乎无阻挡物（A 类粗糙度），风速随高度的增加最快；在中小城镇和大城市的郊区（B 类粗糙度），风速随高度的增加减慢；在有密集建筑物的大城市市区（C 类粗糙度），和有密集建筑群，且房屋较高的城市市区（D 类粗糙度），风的流动受到阻挡，风速减小，因此风速随高度增加更缓慢一些。
表1列出了各种情况下的风压高度变化系数。
高层建筑结构的荷载和地震作用
4、风振系数 z
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10min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。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构 影响大。
２）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会产生不可
2）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：风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，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。
3.2 风荷载
+0.8 －(0.48+0.03H/L)
0.8+1.2/n1/2
3）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。
4）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验 （１）单体风压体型系数
例:
-0.6
当表面粗糙时取μs = 0.8
-0.6
3.2 风荷载
（2）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
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水平荷载。
1）竖向荷载
恒荷载 活荷载
2）水平荷载
风荷载 地震作用
与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构—— 1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构； 2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； 3）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 恒荷载
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。
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荷载作用 竖向荷载
水平荷载
恒载 楼面，屋面活荷载 风荷载 地震作用 其他作用
本章主要内容
• 风荷载计算 • 地震作用特点和抗震设计目标 • 地震作用的计算方法 • 结构自振周期 • 荷载效应组合 • 结构设计要求 • 结构抗震性能设计要求 • 重力二阶效应和结构稳定性 • 高层建筑结构计算的基本假定、计算简图和计算要求
• 丙类：除了上述以外的一般高层建筑
抗震设防标准
• 甲类建筑：地震作用应高于本地区抗震设 防烈度的要求，抗震措施应比本地区设防 烈度提高1度要求。
• 乙类建筑：地震作用按本地区抗震设防烈 度的要求，抗震措施应比本地区设防烈度 提高1度要求。
• 丙类建筑:地震作用和抗震措施按本地区设 防烈度要求。
抗震设计的目标
地震加速度与设防烈度
• 一般情况下，设防烈度可采用中国地震烈度区划 图中的地震基本烈度
• 也可以采用设计地震基本加速度值对应的烈度值。 • 设计基本地震加速度定义为：50年设计基准期超
越概率10%的地震加速度设计取值。
小，中，大震概念
小、中、大震是指概率统计意义上的地震烈度大小：
小震是指该地区50年内超越概率约为63％的地震烈 度，即众值烈度，又称多遇地震。 中震是指该地区50年内超越概率约为10％的地震烈 度，又称基本烈度或设防烈度。 大震是指该地区50年内超越概率约为2％～3％的地 震烈度，又称为罕遇地震。
C，密集建筑物的大城市
D，密集建筑物群，且房屋较高
与建筑物平面形状有关
风 荷 载 体 型 系 数s
• 建筑物上各个面的风压分布并不均匀 • 迎风面一般是压力作用（体型系数用+表示） • 侧风面和背风面一般为吸力（体型系数用—表示） • 通过实测可以得到建筑物表面的实际风压 • 实际风压是指基本风压值乘以体型系数 • 实际计算风荷载对建筑物的作用时，是按照各个
• 地震作用
地震波作用，产生地面运动，通过房屋基础影响上 部结构，使结构产生振动，这就是地震作用。
• 作用方式
产生竖向振动和水平振动，破坏主要有水平振动造 成的，一般仅考虑水平振动，震中附近高烈度区或 者竖向振动产生严重影响时才考虑竖向振动。
地震反应
• 地震反应
位移，速度，加速度，引起内力，变形
• 影响因素
地震波特性有关，与场地土特性有关，场 地土类别（软土，坚硬土质，覆盖层厚度）
与房屋的动力特性有关，自振周期，振型， 阻尼，结构的质量和刚度
பைடு நூலகம்
抗震设防标准
• 功能重要性分类： • 甲类：地震破坏导致严重后果，造成严重
损伤，建筑物特别重要。
• 乙类：地震时须维持正常使用的建筑物 （医院），人员大量集中的公共建筑。
• 计算公式风：振系数z计算方法
风荷载标准值计算
• 垂直于建筑物表面
总的风荷载
所有的作用面的合力
风荷载计算例题
建筑物剖面图: 基本条件： 基本风压值:0=0.35kN/m2 地面粗糙度B类 结构基本周期0.76s
平面图
计算公式：
已知：0=0.35kN/m2 风荷载体型系数：迎风面0.8，背风面-0.5 风压高度变化系数，根据高度查表插值计算 风振系数，《荷载规范》规定，高度大于30米，高宽比大于1.5， 可忽略扭转影响的高层建筑，可仅考虑第一振型影响，按下面 公式计算。
（1）小震不坏：建筑物使用期间可能遇到的多遇地 震，相当于比设防烈度低1.5度的地震作用。建筑 物应该保持弹性作用不损坏，按这种受力状态进 行内力计算和截面设计。
（2）中震可修：出现设防烈度相同的地震作用，结 构可以出现损坏，局部进入塑性状态，经过维修 后可以使用。
（3）大震不倒：遭遇千年一遇的罕遇地震，超出设 防烈度1~1.5倍，要求不倒塌，保证生命安全。
表面的平均风压计算的平均风压系数，称为风荷 载体型系数
风压分布特点
规范规定
与风向变化有关的系数
风振系数z
什么是风振系数？
变化的风压值对高层建筑的动力效应
什么时候考虑？
高度较高，刚度较小的建筑，必须考虑
如何考虑？
其实质是乘以一个大于1的系数，仍然按照 静力作用计算风荷载效应，对于大于200
米的高层，最好进行风洞试验
抗震设计的要点
• 概念设计 • 抗震计算 • 构造措施
概念设计
• 结构方案选型 • 结构布置 • 由于设计者的经验对结构薄弱环节的加强
抗震计算
• 用定量的方法计算地震反应，保证结构有足够的刚度和承载能力 • 规范要求采用二阶段的设计方法
承载力和使用状态下的变形验算
采用第一水准烈度的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用 效应，与风、重力等荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件 截面设计，从而满足第一水准的强度要求；
风振系数计算公式
脉动影响系数：对于结构迎风面宽度较大时，可根据总高度与 迎风面宽度的比值，查表确定。迎风面H/B=0.435，粗糙度B类。 查表V=0.42。
具体计算过程
• 具体计算时，可取平面图中某一轴线的一品框架，例如③ 轴线，其负载宽度是7.2米，则沿高度分布的风荷载是：
2 地震作用特点和抗震设计目标
1 风荷载计算
关键词
作用在建筑物的表面
压力 吸力
基本风压值
风速 风向 建筑物高度
风振系数 风压高度变化系数
建筑物的位置
地面粗糙度类别
建筑物表面形状
风荷载体型系数
风荷载标准值计算
• 垂直于建筑物表面
与风速有关的基本风压值0
《荷载规范》给出
下列因素相关：
风速，50年一遇10min平均最大风速
空旷地面上
弹塑性变形验算
采用同一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角，使其不超过规定的限值。 同时采取相应的抗震构造措施，保证结构具有足够的延续、变形能力和塑性 耗能，从而自动满足第二水准的变形要求。
抗震构造措施
• 保证结构的延性 • 实现在罕遇地震下避免倒塌
3 地震作用的计算方法
10米高度处
50年一遇
具体计算公式
0=v02/1600
风速变化与高度有关
风压高度变化系数z
1. 风速变化与高度有关 （离地面高度或海平面高度） 2. 风速变化与地貌有关 3. 风速变化与周围环境有关
地面粗糙度类别
A，海面，沙漠，空旷，空 气无阻挡
地面粗糙度类别 A,B,C,D
B，田野，乡村，丘陵，房屋稀 疏，大城市郊区