高层建筑结构设计荷载和地震作用

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。

建筑结构设计：高层建筑结构有哪些设计特
点？
1）水平荷载成为决定性因素。

建筑物自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑物高度成线性关系；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比。

另外，对某一定高度建筑物而言，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2）轴向变形不容忽视。

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响。

3）侧移成为控制指标。

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。

随着楼房高度的增加，水平荷载下结
构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4）结构延性是重要设计指标。

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。

为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

在结构设计中有哪些容易违反的强制性条文一、荷载及地震作用1. 楼面均布活荷载取值有误。

取值有误的楼面活荷载主要有阳台、走道、门厅、楼梯、电梯公用前室及消防疏散楼梯的活荷载。

可能出现人流密集的建筑主要是指学校、公共建筑和高层建筑。

民用建筑未明确的常用楼面活荷载标准值如下:设浴缸、坐厕的卫生间4KN/㎡;有分隔蹲厕的公共卫生间8KN/㎡(包括填料、隔墙)或按实际考虑;阶梯教室、微机房3KN/㎡;银行金库、配电室、水泵房10KN/㎡;地下一层顶板施工活荷载5 KN/㎡;楼板下挂管道及设备荷载按实际情况考虑且不小于0.5 KN/㎡;宾馆、饭店的大型厨房不小于8 KN/㎡或有较重炉灶、设备及储料时应按实际取用。

《建筑结构荷载规范》GB50009-2022第5.1.1条。

2. 基本风压、基本雪压取值不对。

对风荷载比较敏感的高层建筑(一般可认为是高度超过60m的高层建筑)，承载力设计应按基本风压的1.1倍采用。

计算位移按50年一遇基本风压，计算结构风振舒适度按10年一遇风荷载标准值。

对雪荷载敏感的结构主要是大跨、轻质屋盖结构，此类结构的雪荷载经常是控制荷载，应采用100年重现期雪压。

确定门式刚架轻型房屋钢结构的基本风压Wo时，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定值乘以1.05采用。

《建筑结构荷载规范》GB50009-2022第7.1.1条，第7.1.2条，第8.1.1条，第8.1.2;《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2022第4.2.2。

3、设计楼面梁、墙、柱及基础时，未按规范进行荷载折减。

这是考虑楼面上的活载不能同时布满所有的楼面。

如果不折减会造成基础设计过于保守，柱子内力及配筋计算有误。

新荷规修订，设计楼面梁、墙、柱及基础时对消防车的活荷载的折减不在包含在强制性条文中。

《建筑结构荷载规范》GB50009-2022第5.1.2条。

4、大、中、小学校的各类建筑，考虑到人流密集，对阳台、楼梯、看台、外廊及屋面栏板或栏杆的顶部未进行水平承载力验算。

高层建筑的抗震设计高层建筑是现代城市发展中不可或缺的一部分，它们不仅提供了大量的办公和居住空间，也是城市地标和人们生活的象征。

然而，由于地震的频发和破坏力，高层建筑的抗震设计显得尤为重要。

本文将探讨高层建筑的抗震设计原则、技术以及未来的发展趋势。

一、抗震设计原则1. 结构合理性高层建筑的结构设计应合理，结构形式选择应考虑各种力的影响，如竖向荷载、水平荷载以及地震荷载。

2. 隔震设计隔震设计是高层建筑抗震的关键措施之一。

通过设置隔震装置，能有效减轻地震对建筑物的冲击。

常见的隔震装置包括橡胶隔震支座和钢球隔震装置等。

3. 抗震墙抗震墙是高层建筑中常见的抗震设计手段。

通过将抗震墙布置在建筑的关键部位，可以提高建筑的整体抗震能力。

4. 钢结构设计钢结构在高层建筑中的应用越来越广泛，其强度和韧性使其成为抗震设计的理想选择。

钢结构能够在地震中更好地吸收能量，并分散到整个结构中。

5. 增加结构强度通过增加材料的强度和截面尺寸，可以提高高层建筑的抗震能力。

在设计过程中，应根据地震的烈度和建筑物的高度，选择适当的强度和截面尺寸。

二、抗震设计技术1. 数值模拟数值模拟是高层建筑抗震设计中常用的技术手段之一。

通过计算机模拟地震力对建筑物的作用，可以评估不同结构形式和材料参数的抗震性能。

2. 结构监测与预警系统结构监测与预警系统可以实时监测高层建筑的结构状态，并在地震发生前提供预警信息。

这为人们提供了逃生和避险的宝贵时间。

3. 新型材料的应用随着科技的进步，新型材料如碳纤维复合材料等逐渐应用到高层建筑的抗震设计中。

这些材料具有更好的抗震性能和轻质高强的特点。

4. 钢筋混凝土结构的优化在高层建筑的抗震设计中，钢筋混凝土结构是最常见的结构形式之一。

通过优化设计方法和加强施工质量管理，可以提高钢筋混凝土结构的抗震性能。

三、未来的发展趋势1. 结构柔性化未来的高层建筑抗震设计将朝着结构柔性化发展。

通过使用可调节的结构和材料，在地震发生时，建筑物可以自动调整结构形态，减少地震荷载对建筑的影响。