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1、高层建筑结构,之“荷载与作用”,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,1、拟静力试验,2、试验设备与加载装置,是以一定的荷载或位移作为控制值对试件进行低周反复加载，以获得结构非线性的荷载变形特性。,加载设备：双向千斤顶；反力墙；试验台座；荷载架等；如图示：,试验研究是房屋抗震研究的重要手段之一。,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,墙体试验装置,梁试验装置,顶部无转动抗剪试验,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,梁柱节点试验,P-效应试验装置,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,分配梁悬吊支撑,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,1、拟动力试验,2、优缺点,是由计算机进行数值分析并控制加载，即由给定地震加
2、速度记录通过计算机进行非线性结构动力分析，将计算得到的位移反应作为输入数据，以控制加载器对试验结构进行试验。,可缓慢再现地震反应，观察破坏全过程，可做大模型试验。其缺点是不能再现真实的地震反应，只适用离散质量分布的结构，设备精度要求高。,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,3、试验设备与加载装置,加载设备：振动台；控制方式：模拟控制与数字控制；加载程序：一次加载和多次加载。,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,高层建筑结构荷载与作用,抗震试验,高层建筑结构荷载与作用,第三章 荷载与作用,3.3.1 一般设计原则 从经济上、政治上和社会上的影响而综合考虑。,3.3 地震作用,高层建筑结构荷载与作用,
3、第三章 荷载与作用,3.3.1 一般设计原则,3.3 地震作用,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,1.结构的地震反应 2.结构、构件的地震作用效应,地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环节，是确定所设计的结构满足最低抗震设防安全要求的关键步骤。由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方法是不同的。可分为简化方法和较复杂的精细方法。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,一、结构抗震理论的发展,1.静力理论阶段-静力法1920年，日本大森房吉提出，假设建筑物为绝对刚体。,地震作用,-地震系数,将F作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应,动
4、力 静力,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,一、结构抗震理论的发展,2.定函数理论 苏联扎夫里耶夫首先提出的，他认为地震地面运动可用余弦函数来描述，也即地面位移。,地震作用,规律复杂的动力 一定规律的动力,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,一、结构抗震理论的发展,3.反应谱理论-反应谱法1940年，美国皮奥特提出。,地震作用,按静力计算方法计算结构的地震效作用目前，世界上普遍采用的方法，部分反映动力特性。,-重力荷载代表值,-地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）,-动力系数(反映结构的特性,如周期、阻尼等的影响),高层建筑结构荷载与作用,地震作用,一、结构抗震理论的发展,4.直接动力分析
5、理论-时程分析法将实际地震加速度时程记录（简称地震记录 earth-quakerecord）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析。,常用的方法，较好反映动力特性。,5.非线性静力分析方法,主要考虑地震的不确定性。,此外，有用随机振动理论来分析结构地震响应统计特征的，有以地震时输入结构的能量进行设计，使结构所吸收的能量不致造成结构破坏的理论等。但这些方法还没有进入抗震设计规范，因此未被抗震设计使用。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,二、各类型结构相应的地震作用分析方法,1.不超过40m的规则结构：底部剪力法；2.一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法；3.质量和刚度分布明显不对称结构：考
6、虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法；4.当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；5.特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一维或二维时程分析法的补充计算。,结构规则、地震作用不大 简单近似方法结构复杂、地震作用较大 更精确的方法,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,运动方程,最大相对速度,最大加速度,最大相对位移,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,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称为该反应的地震反应谱。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震
7、作用的反应谱法,位移反应谱,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,相对速度反应谱,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,绝对加速度反应谱,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,地震反应谱的特点：,1.阻尼比对反应谱影响很大,4.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。,3.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。,2.对于位移反应谱，幅值随周期增大。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,不同场
8、地条件对反应谱的影响,将多个地震反应谱平均后得平均加速度反应谱,地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力。,考虑动力某些特性的情况下，将动力转换为静力。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,单自由度体系的水平地震作用,对于单自由度体系，把惯性力看作反映地震对结构体系影响的等效力，用它对结构进行抗震验算。,结构在地震持续过程中经受的最大地震作用为：,-水平地震影响系数,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,抗震设计反应谱,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用
9、的反应谱法,抗震设计反应谱,-地震影响系数；,-地震影响系数最 大值；,-结构周期；,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,抗震设计反应谱,-特征周期；,-曲线下降段的衰减指数；,-直线下降段的斜率调整系数；,-阻尼调整系数，小于 0.55时，应取0.55。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,例：单层单跨框架。屋盖刚度为无穷大，质量集中于屋盖处。已知设防烈度为8度，设计地震分组为二组，类场地；屋盖处的重力荷载代表值G=700kN，框架柱线刚度,阻尼比为0.05。试求该结构多遇地震时的水平地震作用。,h=5m,（1）求结构体系的
10、自振周期,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,（2）求水平地震影响系数,查表确定,查表确定,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,（3）计算结构水平地震作用,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,多自由度体系的水平地震作用,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,多自由度体系的水平地震作用,运动方程,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.2、计算地震作用的反应谱法,多自由度体系的水平地震作用,振型正交性的应用,1.检验求解出的振型的正确性。,2.对耦联运动微分方程
11、组作解耦运算等等.,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,多自由度体系的水平地震作用-计算步骤,2.求广义质量、广义荷载;,3.求组合系数;,4.按下式求位移：,1.求振型、频率：,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,例一.求图示体系的稳态振幅.,解:,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,解:,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,解:,从结果看,低阶振型贡献大。,一般不需要用全部振型叠加,用前几个低阶振型叠加即可。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,运动方
12、程,有阻尼多自由度体系的水平地震作用-计算步骤,-第j振型阻尼比(由试验确定).,计算步骤:,2.求广义质量、广义荷载;,4.求组合系数;,5.求位移;,3.确定振型阻尼比;,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,运动方程,有阻尼多自由度体系的水平地震作用-计算步骤,-j振型的振型参与系数,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,有阻尼多自由度体系的水平地震作用-计算步骤,-t时刻第j振型i质点的水平地震作用,-体系j振型i质点水平地震作用标准值计算公式,相对加速度,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,-体系j振型i
13、质点水平地震作用标准值计算公式,-相应于j振型自振周期的地震影响系数；,-j振型i质点的水平相对位移；,-j振型的振型参与系数；,-i质点的重力荷载代表值。,一般只取2-3个振型，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，振型个数可适当增加。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,地震作用效应（弯矩、位移等）,-j振型地震作用产生的地震效应；,m-选取振型数,高层建筑结构荷载与作用,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。抗震设防烈度为8度，类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（1）求体系的自振周期和振型,（2）计算各振型的地震影响系数,查表
14、得,高层建筑结构荷载与作用,第一振型,第二振型,第三振型,（2）计算各振型的地震影响系数,查表得,高层建筑结构荷载与作用,（3）计算各振型的振型参与系数,第一振型,第二振型,第三振型,高层建筑结构荷载与作用,（4）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第二振型,第三振型,高层建筑结构荷载与作用,（5）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,第一振型,第二振型,第三振型,高层建筑结构荷载与作用,（6）计算地震作用效应（层间剪力）,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,一、底部剪力法,j振型的底部剪力为,G结构的总重力荷载代表值,第j振型,组合后的结构底部剪力,高振型影
15、响系数,(规范取0.85),高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,一、底部剪力法,地震作用下各楼层水平地震层间剪力为,H1,G1,Gk,Hk,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,二、顶部附加地震作用的计算,采用底部剪力法计算高层建筑结构水平地震作用时，突出屋面房屋（楼梯间、电梯间、水箱间等）宜作为一个质点参加计算，计算求得的水平地震作用应考虑“鞭端效应”乘以增大系数。此增大部分不应往下传递，仅用于突出屋面房屋自身以及与其直接连接的主体结构构件的设计。计算的顶层附加水平地震作用标准值应作用于主体结构的顶层，而不应置于小塔楼的层顶处,高层建筑结
16、构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,底部剪力法适用于一般的多层砖房等砌体结构、内框架和底部框架抗震墙砖房、单层空旷房屋、单层工业厂房及多层框架结构等低于40m以剪切变形为主的规则房屋。以“剪切变形”为主：在结构侧移曲线中，楼盖出平面转动产生的侧移所占的比例较小。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,“规则房屋”：1.相邻层质量的变化不宜过大；2.避免采用层高特别高或特别矮的楼层，相邻层和 连续三层的刚度变化平缓。3.出屋面小建筑的尺寸不宜过大（宽度b大于高度h 且出屋面高度与总高度之比满足h/H1
17、/5），局部 缩进的尺寸也不宜大（缩进后的宽度B1与总宽度 B之比满足）；,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,“规则房屋”：4.楼层内抗侧力构件的布置和质量的分布要基本对 称；5.抗侧力构件在平面内呈正交（夹角大于75度）分 布，以便在两个主轴方向分别进行抗震分析；6.平面局部突出的尺寸不大（局部伸出部分在长度 方向的尺寸l大于宽度方向的尺寸b，且宽度b与总 宽度B之比满足b/B1/5-1/4）；,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,“规则房屋”：7.对于不满足规则要求的建筑结构，则不
18、宜将底部 剪力法作为设计依据。否则，要采取相应的调 整，使计算结果合理化。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,例：试用底部剪力法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。已知结构的基本周期T1=0.467s,抗震设防烈度为8度,类场地,设计地震分组为第二组。,解：,（1）计算结构等效总重力荷载代表值,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,（2）计算水平地震影响系数,查表得,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,（3）计算结构总的水平地震作用标准
19、值,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,（4）顶部附加水平地震作用,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,（5）计算各层的水平地震作用标准值,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,三、底部剪力法的适用范围,（5）计算各层的层间剪力,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.3、水平地震作用计算,四、突出屋面附属结构地震内力的调整,震害表明，突出屋面的屋顶间（电梯机房、水箱间）、女儿墙、烟囱等，它们的震害比下面的主体结构严重。,原因是由于突出屋面的这些结构的质量和刚
20、度突然减小，地震反应随之增大。-鞭端效应。,抗震规范规定：采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3。此增大部分不应向下传递，但与该突出部分相连的构件应计入。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.4、结构自振周期计算,3.3.5、竖向地震作用计算,竖向地震运动是可观的：,根据观测资料的统计分析，在震中距小于200km范围内，同一地震的竖向地面加速度峰值与水平地面加速度峰值之比av/ah平均值约为1/2，甚至有时可达1.6。,竖向地震作用的影响是显著的：,根据地震计算分析，对于高层建筑、高耸及大跨结构影响显著。结构竖向地震内力NE/与重力荷载产生的内
21、力NG的比值沿高度自下向上逐渐增大，烈度为8度时为50%至90%，9度时可达或超过1；335m高的电视塔上部，8度时为138%；高层建筑上部，8度时为50%至110%。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.5、竖向地震作用计算,目前，国外抗震设计规定中要求考虑竖向地震作用的结构或构件有：,1.长悬臂结构；2.大跨度结构；3.高耸结构和较高的高层建筑；4.以轴向力为主的结构构件（柱或悬挂结构）；5.砌体结构；6.突出于建筑顶部的小构件。,我国抗震设计规范规定前三类结构要考虑向上或向下竖向地震作用的不利影响。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.5、竖向地震作用计算,计算结构竖向地震作
22、用的方法：,静力法：取结构或构件重力的某个百分数作为其竖向 地震作用；,水平地震作用折减法：取结构或构件水平地震作用的某 个百分数其竖向地震作用；,竖向地震反应谱法：与水平地震反应谱法相同。,规范采用的是基于竖向地震反应谱法的拟静力法。,时程反应分析：,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.5、竖向地震作用计算,一、竖向地震反应谱,竖向地震反应谱与水平地震反应谱的比较:,类场地竖向地震平均反应谱与水平地震平均反应谱,形状相差不大,加速度峰值约为水平的1/2至2/3。,可利用水平地震反应谱进行分析。,高层建筑结构荷载与作用,地震作用,3.3.5、竖向地震作用计算,分析结果表明：高耸结构和高层建筑竖向第一振型的地震内力与竖向前5个振型按平方和开方组合的地震内力相比较，误差仅在5%-15%。,此外，竖向第一振型的数值大致呈倒三角形式，基本周期小于场地特征周期。,因此，高耸结构和高层建筑竖向地震作用可按与底部剪力法类似的方法计算。,
