高层建筑结构3高层建筑结构荷载作用与结构设计原则共52页

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。

建筑结构说明建筑结构是指建筑物的骨架系统，提供支撑、稳定和承载的功能。

在建筑设计中，结构的选择和设计是至关重要的，它直接关系到建筑物的安全、可靠性和耐久性。

本文将对建筑结构的类型、材料和设计原则进行详细说明。

一、建筑结构类型在建筑领域中，常见的建筑结构类型包括框架结构、墙体结构、桁架结构、壳体结构等。

不同的结构类型适用于不同的建筑用途和需求，下面将对各个结构类型进行介绍。

1. 框架结构：框架结构是由柱、梁和水平杆件组成的骨架系统。

它以其良好的承载能力和灵活性而被广泛应用于高层建筑和大跨度建筑中。

2. 墙体结构：墙体结构是利用墙体的稳定性和承载能力来支撑建筑物的结构形式。

墙体结构在住宅建筑中常见，可以提供良好的隔音和隔热效果。

3. 桁架结构：桁架结构是由斜杆和节点组成的骨架结构系统。

桁架结构常用于体育场馆、展览中心等需要大跨度无柱支撑的场所。

4. 壳体结构：壳体结构利用曲面形状的薄壳来支撑建筑物，具有较好的承载能力和美观性。

典型的例子包括圆顶和穹顶。

二、建筑结构材料建筑结构的材料选择直接关系到结构的性能和稳定性。

以下是常见的建筑结构材料。

1. 钢结构：钢材具有高强度和耐久性，适用于构建大跨度、高层建筑。

它可以以钢柱、钢梁等形式使用，为建筑提供稳定的承载能力。

2. 混凝土结构：混凝土结构是将混凝土与钢筋结合使用的结构形式。

它具有较好的抗压性能，适用于承受大量压力和荷载的建筑。

3. 木结构：木结构利用木材的轻便性和可塑性构建建筑物。

它在住宅建筑中常见，并且具有良好的隔热和隔声效果。

4. 砖石结构：砖石结构使用砖块或石块来构建建筑物。

这种结构常用于传统建筑和古建筑中，具有较好的抗震性能。

三、建筑结构设计原则在进行建筑结构设计时，有一些原则需要遵守，以确保结构的安全性和稳定性。

1. 承载力原则：建筑结构的设计应该能够承受建筑物所受到的力和荷载，包括重力荷载、风荷载和地震荷载等。

2. 稳定性原则：建筑结构应具有足够的稳定性，能够保持建筑物在使用寿命内不发生倾覆或垮塌等问题。

第4章高层建筑结构的计算分析和设计要求小结（1）高层建筑结构可采用线弹性分析方法、考虑塑性内力重分布的分析方法、非线性分析方法等进行分析，必要时也可采用模型试验分析方法。

目前，一般采用线弹性分析方法计算高层建筑结构的内力和位移，作为构件截面承载力计算和弹性变形验算的依据。

（2）高层建筑结构可选取平面或空间协同工作、空间杆系、空间杆-薄壁杆系、空间杆-墙板元及其他组合有限元等计算模型，一般情况下可假定楼盖在平面内的刚度为无限大，对于楼板开大洞或平面布置复杂的结构，可采用楼板分块平面内无限刚性或弹性楼板假定。

（3）高层建筑结构一般应考虑两种作用效应组合：无地震作用效应组合和有地震作用效应组合。

前者主要考虑恒荷载、楼面活荷载及风荷载的组合，后者考虑重力荷载代表值效应、水平地震作用效应、竖向地震作用效应及风荷载效应的组合。

（4）高层建筑结构应满足承载力、刚度和舒适度、稳定和抗倾覆以及延性等要求，其刚度通过使弹性层间位移小于规定的限值来保证；必要时，为了保证在强震下结构构件不产生严重破坏甚至房屋倒塌，应进行结构弹塑性位移的计算和验算。

刚重比是影响高层建筑结构整体稳定的主要因素，因此结构整体稳定验算表现为结构刚重比的验算；延性是结构抗震性能的一个重要指标，为方便设计，对不同的情况根据结构延性要求的严格程度，引入了抗震等级的概念，抗震设计时，应根据不同的抗震等级对结构和构件采取相应的计算和构造措施。

（5）概念设计是高层建筑结构抗震设计的重要内容，应从场地条件、结构体系和抗侧刚度的合理选择、结构的结构平面和竖向布置、延性和地震能量耗散、薄弱层、多道抗震设防、缝的处理等方面，掌握高层建筑结构抗震概念设计的有关内容。

（6）近年来，全国各地出现了很多的超限高层建筑工程，其抗震设计时，除遵守国家现有技术标准的要求外，还主要包括超限程度的控制和结构抗震概念设计、结构抗震计算分析和抗震构造措施、地基基础抗震设计以及必要时须进行结构抗震试验等内容。

高层建筑结构设计教案A简化第一章：高层建筑结构概述1.1 教学目标了解高层建筑结构的定义和发展历程。

掌握高层建筑结构的分类及其特点。

理解高层建筑结构设计的基本原则。

1.2 教学内容高层建筑结构的定义和发展历程。

高层建筑结构的分类及其特点。

高层建筑结构设计的基本原则。

1.3 教学方法采用讲授法，介绍高层建筑结构的定义和发展历程。

采用案例分析法，分析高层建筑结构的分类及其特点。

采用讨论法，探讨高层建筑结构设计的基本原则。

第二章：高层建筑结构设计规范2.1 教学目标熟悉我国高层建筑结构设计规范的主要内容。

掌握高层建筑结构设计规范的应用方法。

了解高层建筑结构设计规范的发展趋势。

2.2 教学内容我国高层建筑结构设计规范的主要内容。

高层建筑结构设计规范的应用方法。

2.3 教学方法采用讲授法，介绍我国高层建筑结构设计规范的主要内容。

采用案例分析法，讲解高层建筑结构设计规范的应用方法。

采用讨论法，探讨高层建筑结构设计规范的发展趋势。

第三章：高层建筑结构体系3.1 教学目标了解高层建筑结构体系的分类及其特点。

掌握高层建筑结构体系的设计方法。

理解高层建筑结构体系的经济性和安全性。

3.2 教学内容高层建筑结构体系的分类及其特点。

高层建筑结构体系的设计方法。

高层建筑结构体系的经济性和安全性。

3.3 教学方法采用讲授法，介绍高层建筑结构体系的分类及其特点。

采用案例分析法，分析高层建筑结构体系的设计方法。

采用讨论法，探讨高层建筑结构体系的经济性和安全性。

第四章：高层建筑结构材料4.1 教学目标熟悉高层建筑结构常用材料的特性和应用。

掌握高层建筑结构材料的选择方法。

4.2 教学内容高层建筑结构常用材料的特性和应用。

高层建筑结构材料的选择方法。

高层建筑结构材料的发展趋势。

4.3 教学方法采用讲授法，介绍高层建筑结构常用材料的特性和应用。

采用案例分析法，讲解高层建筑结构材料的选择方法。

采用讨论法，探讨高层建筑结构材料的发展趋势。

第五章：高层建筑结构分析方法5.1 教学目标掌握高层建筑结构分析的基本方法。

高层建筑结构设计涉及章节：第一章——第二章一、1.高层建筑结构设计的基本原则是什么？高层建筑结构设计的基本原则是：注重概念设计，重视结构选型与平、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系，加强构造措施。

在抗震设计中，应保证结构的整体性能，使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性。

结构应满足下列基本要求：( l ）应具有必要的承载力、刚度和变形能力。

( 2 ）应避免因局部破坏而导致整个结构破坏。

( 3 ）对可能的薄弱部位要采取加强措施。

( 4 ）结构选型与布置合理，避免局部突变和扭转效应而形成薄弱部位。

( 5 ）宜具有多道抗震防线。

2.什么是结构的概念设计？概念设计是指根据理论与试验研究结果和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。

国内外历次大地震及风灾的经验教训使人们越来越认识到建筑物概念设计阶段中结构概念设计的重要性，尤其是结构抗震概念设计对结构的抗震性能将起决定性作用。

国内外许多规范和规程都以众多条款规定了结构抗震概惑设计的主要内容。

规程JGJ--2002 在总则中强调了结构概念设计的重要性，旨在要求建筑师和结构工程师在高层建筑设计中应特别重视规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷人只凭计算的误区，认为不管结构规则不规则，只要计算通得过就可以。

结构的规则性和整体性是概念设计的核心。

若结构严重不规则、整体性差，则仅按目前的结构设计计算水平，难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。

现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。

结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。

结构概念设计是一些结构设计理念，是设计思想和设计原则。