高层建筑结构受力特点和结构概念设计

第2章 高层建筑结构受力特点 和结构概念设计2.1 高层建筑结构上的荷载和作用 2.2 高层建筑结构的受力特点和工作特点 2.3 高层建筑结构的结构体系和结构布置

2.4 高层建筑结构的概念设计《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001) 《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001) 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)

2.1 高层建筑结构上的荷载和作用2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 竖向荷载 风荷载 地震作用 温度和其他作用

2.1.1 竖向荷载

恒荷载 楼面和屋面活荷载 活荷载的不利布置

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概述

竖向荷载 包括恒荷载和活荷载，特殊情况下还有竖向地 震作用

水平向荷载或作用 风荷载、地震作用

其它荷载或作用 施工荷载、地基不均匀沉降、温度变化

在地震区，往往是地震荷载与垂直荷载的组合起控制作用； 在非地震区，则是风荷载和垂直荷载的组合起控制作用。 抗风设计和抗震设计对高层建筑结构来说是十分重要的。back

2.1.1 竖向荷载1.恒荷载结构自重是永久荷载，又称为恒荷载(恒载),是由于结构自 身重力产生的竖向荷载。 恒载可由构件和装修的尺寸和材料的重力密度直接计算。 材料的自重一般可按《建筑结构荷载规范》 GB50009-2001 的规定采用 钢筋混凝土自重：25kN/m3; 钢材自重：78.5kN/m3; 玻璃：25.6kN/m3

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2.楼面和屋面活荷载

楼面活荷载 高层建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久 值系数，应按《荷载规范》取值。 设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以规定 的折减系数。

屋面活荷载 房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载应按下表 中的数值采用。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。表2.1.1项次 1 2 3 类别 不上人屋面 上人屋面 屋顶花园 标准值 组合值系数 频遇值系数 准永久值系数 2 f c q (kN/m ) 0.5 2 3 0.7 0.7 0.7 0.5 0.5 0.6 0 0.4 0.5back

同时有以下情况发生时，给与特别处理：施工中采用附墙塔、爬塔等对结构受力有影响的起重机械或其他施工设备 时，根据具体情况验算施工荷载对结构的影响。 旋转餐厅轨道和驱动设备的自重应按实际情况确定。 擦窗机等清洗设备应按实际情况确定其自重的大小和作用位置。当有直升 机平台时，直升机的活荷载按JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》 第3.1.5条采用。

3.活荷载的不利布置大量工程设计结果：钢筋混凝土高层建筑结构竖向荷载(恒荷载或活荷载)平均值约为15kN/m2 框架、框架-剪力墙结构：12~14kN/m2 剪力墙、筒中筒结构：14~16kN/m2 这些竖向荷载估算的经验数据，在方案阶段非常

有用，它成为估算地基承 载力、估算结构底部剪力和初定结构截面的依据。 在计算高层建筑竖向荷载下产生的内力时，一般可以不考虑活荷载的不 利布置，按满布活荷载计算。

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2.1.2 风荷载

定义 空气流动形成的风遇到建筑物时，就在建筑物表面产生 压力或吸力，这种风力作用称为风荷载。

影响因素 近地区性质、风速、风向有关，同时与建筑物的高度、 形状、表面状况有关。

风载的摩擦力 建筑物表面与空气之间还有摩擦力，然而在一般情况下， 它是风力的(1~2)%左右，设计中不予考虑。

风作用的特点 不规则；波动性。back

风荷载

风荷载标准值

基本风压ω0 风压高度变化系数μz

风载体型系数μs 风振系数βz 阵风系数βgz总风荷载 局部风荷载

总风荷载和局部风荷载计算

1.风荷载标准值垂直作用在建筑物表面上的单位面积风荷载按下述公式计算：

当计算主要承重结构时

wk = z s z w0 计算围护结构时

( kN m 2 )

(2-1-1)

wk = gz s z w0式中 ωk-风荷载标准值(kN/m2 βz - z高度处风振系数； μz-风压高度变化系数；

( kN m )

2

(2-1-2)

)

ω 0-基本风压(kN/m2) βgz- z高度处阵风系数； μs-风荷载体型系数。back

(1)基本风压ω0基本风压值系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所 得的50年一遇10min平均最大风速ν0为标准，确定的风压值。基

本风压计算公式如下：

1 2 w0 = v 0 2式中 ω 0-基本风压(kN/m2); ρ -空气的密度，取=0.125kg/m3; ν 0 -平均风速(m/s)。

(2-1-3)

上海：重现期50年:ω0 =0.55;重现期100年:ω0 =0.60back

(2)风压高度变化系数μz 定义 某类地区上空z高度处的风压与基本风压的比值。 通常认为在离地面高度为300~500m时，风速不再受地面粗 糙度的影响。 地面粗糙度分类 A类：近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类：田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和 城市郊区； C类：有密集建筑群的城市市区； D类：有密集建筑群且房屋较高的城市市区。 山区高层建筑高度变化系数的修正 位于山区的高层建筑，高度变化系数按荷载规范相应的规定 进行修正。back

(3)风载体型系数μ概述 各种体型风荷载体型系数 群体效应 维护结构的风荷载体型系数

s

概述 风荷载体型系数 是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力(或吸力)与来流风的 速度压的比值，它描述了建筑物表面在稳定风压作用下静态压力的 分布规律。

相关因素：建筑物的体型、尺度、表面位置及表

面状况、 也与周围环境和底面粗糙度有关。 风载体型系数的标注正值为压力，负值为吸力。 作用方向：与建筑物表面垂直。

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各种体型风荷载体型系数 荷载规范列出了38项不同类型建筑物和各类结构体型及其体 型系数。 与规范中给定的体型类同时，按规范采用； 与规范中给定的体型不同时，可参考有关资料采用； 与规范中给定的体型不同且无参考资料可以借鉴时，宜 由风洞试验确定； 对于重要且体型复杂的结构，应由风洞试验确定。

群体效应 多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互之间距离较近时， 宜考虑风力相互干扰的群体效应。 一般将单独建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系 数可参考类似条件的试验资料确定； 必要时宜通过风洞试验得出。back

维护结构的风荷载体型系数 验算维护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风 压体型系数： ① 外表面 正压区：按规范采用 负压区： 对墙面，取-1.0; 对墙角边，取-1.8; 对檐口、雨蓬、遮阳板、等突出构件，取-2.0.; 对屋面局部部位(周边和屋面坡度大于10°的屋脊部 位),取-2.2。 ② 内表面 对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2。back

(4)风振系数β

z

对于基本自振周期大于0.25s的工程结构,如房屋、屋盖及各种高 耸结构，以及对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋， 应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。

式中

z z =1+ z

(2-1-4)

量和刚度沿高度分布均匀的弯剪型结构，也可近似采用 振型计算点高度与房屋高度的比值； ξ-脉动增大系数； ν-脉动影响系数；

z-振型系数，一般由结构动力学计算确定；对于质

(5)阵风系数βgz计算维护结构风荷载的阵风系数可按荷载规范取值。back

2.总风荷载和局部风荷载计算

总风荷载w = z z w0式中

i 1

n

si Bi cos i

(2-1-5)

Bi -第个面宽度； αi-第个面法线与风作用方向的夹角。 当建筑物的某个表面与风作用方向垂直时α 部计入总风荷载； i

=0°,这个表面的风压全

当建筑物某个表面与风作用方向平行时α i =90° ,这个表面的风压不 计入总风荷载；其它情况都应计入该表面上风力在作用方向的投影值。

各表面风荷载的合力作用点即为总风荷载的作用点。

局部风荷载

风荷载对建筑物表面各部分产生的风压是不均匀的，在某些风 压较大的部位，要考虑局部风荷载对某些构件的不利作用。此 时，采用局部增大体型系数。back

2.1.3 地震作用

抗震设防要求

抗震设防及其思想 设防依据 设防目标及其实现 建筑类别与设防标准

抗震计算

地震作用计算 结构抗震验算

(1)抗震设防及其思想

抗震设防对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施。

指导思想预防为主 减轻结构震害 避免人员伤亡 减少经济损失 使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行

基本设计原则“小震不坏，中震可修，大震不倒”

趋势使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不同的抵抗能力。back

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