高层建筑结构设计--地震作用的计算

上海市工程建设规《建筑抗震设计规程》(DGJ08-9-2013)强制性条文3 抗震设计的基本要求3.1.1 抗震设防的所有建筑应按现行标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223 确定其抗震设防类别及其抗震设防标准。

3.3.1选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。

对不利地段，应提出避开要求，当无法避开时应采取有效的措施。

对危险地段，禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。

3.4.1建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。

不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；重不规则的建筑不应采用。

注：形体指建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化。

3.5.2结构体系应符合下列各项要求：1应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。

2应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

3应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

4对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。

3.7.1 非结构构件，包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。

3.7.4框架结构的围护墙和隔墙，应估计其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

3.9.1抗震结构对材料和施工质量的特别要求，应在设计文件上注明。

3.9.2 结构材料性能指标，应符合下列要求：1 砌体结构材料应符合下列规定：1)普通砖和多砖的强度等级不应低于MU10，其砌筑砂浆强度等级不应低于M5；2)混凝土小型空心砌块的强度等级不应低于MU7.5，其砌筑砂浆强度等级不应低于Mb7.5。

2混凝土结构的材料应符合下列规定：1) 混凝土的强度等级，框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核芯区，不应低于C30；构造柱、芯柱、圈梁及其它各类构件不应低于C20；2) 抗震等级为一级、二级、三级的框架和斜撑构件(含梯段)，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3，且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9%。

上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》(DGJ08-9-2013)强制性条文3 抗震设计的基本要求3.1.1 抗震设防的所有建筑应按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223 确定其抗震设防类别及其抗震设防标准。

3.3.1选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。

对不利地段，应提出避开要求，当无法避开时应采取有效的措施。

对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。

3.4.1建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。

不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。

注：形体指建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化。

3.5.2结构体系应符合下列各项要求：1应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。

2应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

3应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

4对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。

3.7.1 非结构构件，包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。

3.7.4框架结构的围护墙和隔墙，应估计其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

3.9.1抗震结构对材料和施工质量的特别要求，应在设计文件上注明。

3.9.2 结构材料性能指标，应符合下列要求：1 砌体结构材料应符合下列规定：1)普通砖和多孔砖的强度等级不应低于MU10，其砌筑砂浆强度等级不应低于M5；2)混凝土小型空心砌块的强度等级不应低于MU7.5，其砌筑砂浆强度等级不应低于Mb7.5。

2混凝土结构的材料应符合下列规定：1) 混凝土的强度等级，框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核芯区，不应低于C30；构造柱、芯柱、圈梁及其它各类构件不应低于C20；2) 抗震等级为一级、二级、三级的框架和斜撑构件(含梯段)，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3，且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9%。

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。

整体结构及单构件的竖向地震作⽤计算刘孝国中国建筑科学研究院有限公司北京构⼒科技有限公司北京 100013[摘要] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016版）（以下简称“抗规”）及《⾼层建筑混凝⼟结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称“⾼规”）等规范对于⾼烈度区的⼤跨度结构、⼤悬臂结构、转换结构及连体结构等，需要进⾏结构竖向地震作⽤分析，两本规范提供了三种计算竖向地震的⽅法，底部轴⼒法简化算法、反应谱分析⽅法及等效静⼒法。

采⽤反应谱法进⾏竖向地震作⽤分析，计算的结构楼层竖向地震作⽤标准值需要满⾜规范的底线值，不满⾜时需要进⾏地震作⽤内⼒调整。

采⽤三种不同的竖向地震分析⽅法，对⽐简单⼤悬臂框架结构整体计算结果及构件内⼒结果，不同计算⽅法有较⼤差异。

使⽤PKPM软件进⾏竖向地震作⽤分析时，可通过对局部⼤悬臂、⼤跨度构件单独定义属性为竖向地震构件，对结构局部构件实现竖向地震的分析及考虑。

[关键词] 竖向地震；底部轴⼒法；反应谱分析；等效静⼒法；局部构件；0引⾔结构设计中会遇到⼀些⾼烈度区的⾼层结构、⼤跨度结构及⼤悬臂结构等，按规范要求，这类结构需要进⾏竖向地震作⽤计算，抗规和⾼规均提出了详细要求。

但在竖向地震作⽤计算时，通常由于两本规范要求不同及不同的竖向地震计算⽅法导致内⼒计算结果差异⼤等原因，存在各种疑难细节问题。

本⽂结合两本规范对竖向地震计算的要求，介绍规范具体细节⽅⾯的差异，结合设计中常⽤的PKPM结构设计软件，阐释软件中如何实现对结构及单构件的竖向地震作⽤的计算，并介绍不同的竖向地震作⽤分析⽅法对结构整体及某些构件内⼒的影响。

1抗规对竖向地震作⽤的要求抗规5.3.1条要求，9度时的⾼层建筑，竖向地震作⽤标准值按图1计算简图，采⽤公式（1）、（2）确定；楼层的竖向地震作⽤效应可按各构件承受的重⼒荷载代表值的⽐例分配，并宜乘以增⼤系数1.5。

图1结构竖向地震作⽤计算简图（1）（2）式中：——结构竖向地震作⽤标准值；——质点i的竖向地震作⽤标准值；——竖向地震影响系数的最⼤值，可取⽔平地震影响系数最⼤值的65%；——结构等效总重⼒荷载，可取其重⼒荷载代表值的75%。

第3章 工程结构地震反应分析与抗震验算1、地震作用的计算方法：底部剪力法（不超过40m 的规则结构）、振型分解反应谱法、时程分析法（特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑）、静力弹塑性方法。

一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法；质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法；8、9度时的大跨、长悬臂结构和9度的高层建筑：考虑竖向地震作用。

2、结构抗震理论的发展：静力法、定函数理论、反应谱法、时程分析法、非线性静力分析方法。

3、单自由度体系的运动方程：g xm kx x c x m -=++或m t F x x x e /)(22=++ωξω 。

杜哈美积分x(t)= ⎰----tt t e xd )(g dd )(sin )(1ττωτωτξω , ωξωm cm k 2,2== 单自由度体系自由振动：)sin cos ()(d d000t x xt x e t x d t ωωξωωξω++=- 。

4、最大反应之间的关系：d v a S S S 2ωω==5、地震反应谱：单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线。

特点：⑴阻尼比对反应谱影响很大；⑵对于加速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降；⑶对于速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期增大，随后趋于常数；⑷对于位移反应谱，幅值随周期增大。

地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过它把随时程变化的地震作用转化为最大等效侧向力。

6、单自由度体系的水平地震作用：F G k G gt x t xS mgg g a αβ===maxmax)()(β为动力系数，k 为地震系数，α=k β为水平地震影响系数。

7、抗震设计反应谱αmax 地震影响系数最大值，查表；T 为结构周期；T g 为特征周期，查表；例：单层单跨框架。

屋盖刚度为无穷大，质量集中于屋盖处。

地震作用和结构抗震验算5.1 一般规定5.1.1各类建筑结构的地震作用应符合下列规定：1 一般情况下，应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，并进行抗震验算各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。

2 有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

3 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。

4 8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。

注:8、9度时采用隔震设计的建筑结构应按有关规定计算竖向地震作用。

5.1.2各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法：1 高度不超过40m 以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。

2 除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。

3 特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.21所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符其加速度时程的最大值可按表5.1.2-2采用。

弹性时程分析,时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65% ，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

4 计算罕遇地震下结构的变形，应按本章第5.5节规定，采用简化的弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法。

注：建筑结构的隔震和消能减震设计应采用本规范第12章规定的计算方法。

浅谈高层结构设计与抗震摘要：随着现代城市化进程的不断加快，高层建筑群已成为城市空间中的一道亮丽风景线。

确保高层建筑的安全与质量已是结构设计中的首要任务，本文从高层建筑结构设计理论、类型、体系等，进行初步的分析并探讨高层建筑的抗震设计。

关键词：分析；类型；假定；防震设计改革开放以来，中国城市经济快速增长，高层建筑如雨后春笋般拔地而起，散发着独特的魅力。

随着科技的进步和技术的提高，新型材料的相继出现，为高层建筑创造了丰富的前提条件。

本文就高层建筑的结构设计进行分析，总结了高层建筑的结构类型，最后并分析高层建筑中抗震设计的应用。

一、结构分析1、轴向变形在一般的低层建筑结构设计中，设计者只考虑弯矩项，因为轴力项影响范围很小，而剪切项一般可不考虑。

但相对于高层建筑结构来说，情况就不同了。

由于高层建筑层数多，跨高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。

对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框－墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。

当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩增大。

对构件剪力和侧移的影响，与考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，不考虑竖杆件轴向变形时，各构件水平剪力的平均误差达30% 以上，结构顶点侧移减小一半以上。

2、侧移高层建筑又与低矮层建筑不同，高层建筑结构设计中结构侧移已成为未来设计中的的关键因素，随着楼层的不断增加，在水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。

设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。

3、结构延性高层建筑结构在相对与低矮层建筑结构更柔一些，在承受地震作用下的变形更大一些。

地震作用基本原理及计算方法摘要：本文主要介绍了我国地震的特点，地震作用的基本原理和计算方法，以及抗震设计中注意事项，得出结论：地震发生虽然具有随机性和不确定性，但是地震作用却有一定的规律性。

只要科学把握地震作用发生的本质和规律，从地震灾害中总结经验和教训，就会使抗震设计理念更先进，抗震设计计算更准确。

关键词：地震地震作用基本原理设计理念1.前言我国地处世界上最活跃的地震带上，我国东部地区处在环太平洋地震带上，我国西部及西南处在欧亚地震带上，因而我国地震活动频繁，是世界大陆地震最多的国家之一。

地震发生时将释放很大的能量，但具体地震作用具有哪些特点呢？地震具有偶然性和不确定性的特点，地震发生的时间、地点、强度是随机的、不确定的，我国地震的基本特点是：震源浅、烈度高、分布广、伤亡大。

2.地震作用基本原理地震作用是短时间内的一种动力作用，地震发生时，结构的加速度和惯性力的方向和大小不断变化，作用力的大小与地震动和结构本身的动力特性有关，场地、震级和震中距都会影响地面运动。

地震是由不同周期的振动频率组成的，当建筑结构的自振频率与地震的主振频率接近时，就会产生共振而造成严重破坏甚至倒塌。

地震作用下，结构的运动微分方程，单自由度体系表达式为：m（x″+x″）+cx′+kx=0。

式中m――结构质量；c――结构阻尼系数；k――结构刚度系数；x，x′，x″――分别为结构对地面的相对位移、速度及加速度；x″――地面加速度时程。

3.地震作用的计算方法地震作用发生的概率较低，一次地震的时间不长，但地震强烈，不确定因素影响较多，在地震发生时要求结构完全处于弹性状态是十分不经济的，因此人们要求结构能保护人类的生命和财产，提出了小震不坏、中震可修，大震不倒的三水准设计对策，在地震作用下变形能力不足是结构破损和倒塌的主要原因，因此抗震设计方法由基于承载力的设计方法发展为基于延性的设计方法，并正在研究和发展基于性能的设计方法。

结构地震作用计算方法大致经历了三个阶段。

高层建筑结构抗震设计分析摘要：近年来，高层建筑在我国越来越普及，其结构抗震设计原则主要是基于“小震不损、中震可修、大震不倒”三大设防标准。

建筑结构的抗震设计主要通过两个设计阶段来实现结构的抗震目标。

建筑抗震设防的第一阶段主要是验算结构的承载力。

用地震动参数计算建筑结构地震作用的弹性特征值及其地震效应，用分项系数分析建筑结构截面的承载力，以满足小震的抗震要求。

地震下可修复的建筑结构的设防要求主要是根据建筑结构的设防措施来实现的。

本文论述了高层建筑结构抗震设计的要点。

关键词：高层建筑结构；抗震设计引言随着时代的发展，高层建筑受到许多大中城市的追捧，成为城市综合实力的象征。

然而，在地震灾害面前，高层建筑结构需要承受更大的地震作用，一旦倒塌，将面临不可估量的损失。

因此，在设计中要加强结构的抗震设计，充分考虑工程选址、结构体系和材料应用，尽可能提高高层建筑结构的整体抗震性能。

1高层建筑结构抗震设计问题1.1工程选址问题高层建筑需要很强的承载力和延性作为支撑，对地质条件要求很高。

根据相关研究，地震灾害中，地面错动、软土沉降、土壤液化和边坡失稳都是导致建筑结构破坏的重要因素。

因此，工程选址成为抗震设计的首要内容，设计烈度必须根据基本烈度和场地烈度来确定。

如遇不良地质条件或有特殊意义的建筑，可在基本烈度的基础上适度提高设计条件，综合勘察场地的地形、地质条件、水文条件等方面，为建筑结构抗震设计提供准确的数据支持。

1.2抗震设计问题在高层建筑结构设计中，抗震设计作为一项难度大、重要性高的关键工作，也需要引起设计人员的重视，这方面的问题不容忽视。

一旦建筑结构的抗震设计不合理，不仅会增加建筑结构变形的风险，还会导致地震作用下的严重破坏，影响建筑结构的安全。

通过具体分析高层建筑结构抗震设计中存在的问题，一是设计人员不能准确把握抗震设计要求，抗震等级和具体参数选择不合理，会导致后续抗震设计工作的错误指导，造成高层建筑结构整体稳定性不足。