同济大学：《高层建筑结构》课程教学资源（教案讲稿）Chapter 03-2 高层建筑的荷载作用及荷载效应组合

第三章高层建筑的荷载作用及 盈江地震2011.3.10 荷载效应组合 ·件瓷装鑫暖红装格 3.1荷酸效应组合 ●地展已造成25人死亡，250人受街，30万人受灾 3.2竖向荷梭 9 3.3风荷载 3.4地展作用 3.5结构计算方法 ●新闻及图片来自hip:mews.sina.com 房屋倒塌，人员伤亡 木结构房屋 底框砌体结衫 2011 Sendai earthquake and tsunam 新建住宅 (4c) m(ep of 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

1 第三章 高层建筑的荷载作用及 荷载效应组合 3.1 荷载效应组合 3.2 竖向荷载 3.3 风荷载 3.4 地震作用 3.5 结构计算方法 Xiong Haibei, Tongji University, 2015 盈江地震 2011.3.10 2011年3月10日12时58分在云南盈江发生5.8级地震， 震中位于北纬24.7度，东经97.9度，震源深度约10公 里。 地震已造成25人死亡，250人受伤，30万人受灾 新闻及图片来自http://news.sina.com 房屋倒塌，人员伤亡 木结构房屋 底框砌体结构 新建住宅 Tōhoku region Pacific Ocean offshore earthquake (東北地方, Tōhoku-chihō) Magnitude：9.0 Time：05:46 UTC (14:46 local time) on 11 March 2011. Epicenter（震中） 130 kilometers (81 mi) off the east coast of the Oshika Peninsula, Tōhoku, Hypocenter（震中距） at a depth of 24.4 kilometers (15.2 mi). 2011 Sendai earthquake and tsunami sourced by http://en.wikipedia.org/wiki/Japan_earthquake_2011 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

2011 Sendai 2011 Sendai earthquake and tsunami earthquake and tsunami 3.11 Tunami in宫城是 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 3

2 The earthquake triggered tsunami warnings and evacuations from Japan's Pacific coast and at least 20 countries, including the entire Pacific coast of North America and South America. The earthquake created tsunami waves of up to 10 meters (33 ft) that struck Japan, with smaller waves in many other countries[7], with a significant surge and damage as far away as Chile, on the opposite side of the world from Japan. In Japan, the waves are reported to have travelled up to 10 kilometers (6 mi) inland.[13] 2011 Sendai earthquake and tsunami sourced by http://en.wikipedia.org/wiki/Japan_earthquake_2011 There have been 1217[3] officially confirmed deaths and 1086[3] people officially reported missing in six prefectures, but estimated numbers are far higher.[14] The earthquake caused extensive damage in Japan, including  heavy damage to roads，railways as well as fires in many areas, and a dam collapse.  Around 4.4 million households in northeastern Japan were left without electricity and 1.4 million without water.[15]  Many electrical generators were taken down  At least two nuclear reactors partially melted down,[16][17] which prompted evacuations of the affected areas,[18] and a state of emergency was established. 2011 Sendai earthquake and tsunami sourced by http://en.wikipedia.org/wiki/Japan_earthquake_2011 3.11 Tunami in 宫城县 sourced by http://ifeng.com 3月11日，日本宫城县岩沼市，13英尺海啸冲击沿海地带 3月11日，仙台机场几乎完全被海啸摧毁 3月11日，海啸过后的仙台机场 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 3

3 3月12日，日本宫城县南三陆，近海居民区被夷为平地，房屋废墟浸泡在水中 3月11日，日本仙台市，房屋被地震引发的海啸吞没 3月12日，松岛市海啸肆虐后的海岸边，富士电视台在直播航拍中发现了 11日海啸后失踪的一列火车，整列车已经扭曲得不成样子 地面断裂 地面塌陷 炼油厂爆炸 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

核电站核泄漏 20113月12日下午3：30 anb地t(损岛核反应塘厂房发生爆炸) of the 西吊安：0适.号人无在 酸以上地 01年3月13日下 ●Earthquakes l Survey ●Great Earthquakes 腔o8agg9 wtcap 雷层留图 三品 ant isaster.shake onr Conceptual Damage Model building fire resistant ·nuclear safety offshore engineering resistant to tsunami Resistant to Resilience 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

4 核电站核泄漏 2011年3月12日下午3:30 Fukushima I Nuclear Power Plant blast（福岛核反应堆厂房发生爆炸） The Fukushima I Nuclear Power Plant experienced an explosion almost 24 hours after the initial earthquake; however, while the blast caused the collapse of the concrete outer containment building, it was reported that the integrity of the inner core-containment vessel was not compromised.[19][20][15] Residents within a 20-kilometer (12 mi) radius of the Fukushima I Nuclear Power Plant and a 10-kilometer (6.2 mi) radius of the Fukushima II Nuclear Power Plant were evacuated. 核泄漏 4000毫西弗，导致人死亡 地震撼动地轴，推动日本本州（Honshu，本州, literally "Main State" ） 向西偏移2.4m，地球自转加快 6级以上地震50多次（至2011年3月13日下午） http://v.ifeng.com/special/rbdz/index.shtml 宫城县气仙沼市，人们站在废墟前凝望。 Earthquakes @17:08,April 6, 2015 U.S. Geological Survey http:// earthquake.usgs.gov/earthquakes/map Great Earthquakes http:// earthquake.usgs.gov/earthquakes/map Great Earthquakes Lessens from earthquake  building earthquake resistant  mitigation of disaster, shake control  building fire resistant  nuclear safety  offshore engineering resistant to tsunami Resistant to Resilience http:// earthquake.usgs.gov/earthquakes/map U.S. Geological Survey 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

设计方法 允许应力法 半餐率极限设计法 盖于结构性者的地展工程包括与设计和速迹有关的所有工 著于性能的设计法 程任务，其目的是使所设计的魔筑结构在来来地展中具备 预期的功能。 蓄于性能的抗震设计 各四研究者均针对基于性态的抗震设计开厚研究工作。目 PBSD 前仍面临一系列铁。包活：目标性能的确定、常测设计 方法、地动的合整型及销能力和需来计等 基于性态抗震设计理论与传统抗震设计理论的区别 基本振念 由传统的以生命安 ,强调个性”设计 全为单一设防目标 精为德合考速生南 安全与财产损失两 口强调“个性”漫计 方重要求， 粹 许坏的水平，或容许的极 于性志的抗 的主对性 在未来 禁 震水平所要求达到的性态水平的总和】 基本标念 基于性态的三环节抗展设防方法 热群 雨 璃定速物的置要性级 数 短经备空色 @ 确定设计烈度或设计地展动参最。 幻 一确定结构的抗震设计类别。 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 5

5 设计方法 允许应力法 半概率极限设计法 基于性能的设计法 基于性能的抗震设计 基于性态抗震设计理论 （Performance Based Seismic Design） • 基于结构性态的地震工程包括与设计和建造有关的所有工 程任务，其目的是使所设计的建筑结构在未来地震中具备 预期的功能。 • 各国研究者均针对基于性态的抗震设计开展研究工作。目 前仍面临一系列挑战。包括：目标性能的确定、常规设计 方法、地震动的合理模型及结构能力和需求计算等。 基于性态抗震设计理论与传统抗震设计理论的区别 2 3 1 强调“个性”设计 对业主和社会来说，结构的抗震设防目标可 以按实际需要和投资能力来选择。 由传统的以生命安 全为单一设防目标 转为综合考虑生命 安全与财产损失两 方面要求。 基于性态的抗震设计理论按选定的抗 震功能目标设计，其结构在未来地震 中的抗震能力可以预期。 强调“个性”设计 对结构工程师和设计人 员来说，他们可以有更 多的 主动性和灵活性来 选择能实现业主所要求 功能目标的设计方法和 相应结构措施。 基本概念 性态水平（performance level）是指在可能 会遇到的特定设计地震作用下所设计的建 筑物的最大容许破坏的水平，或容许的极 限破坏水平。 性态目标（performance objectives） 是对所设计的建筑物在每一个设计地 震水平所要求达到的性态水平的总和。 性态 性态（performance）是结构、构件 或体系对外界作用的反应的总称。 性态 水平 性态 目标 设防地震（seismic design level）是一个统称，它包含由 地震引发的，对建筑物的性态可能会有影响的全部因素。 建筑的抗震设计类别是根据设计地震动参数和建筑物使 用功能类别的要求，在设计时应采用的防御标准的度量。 抗震性 态设计 PBSD：所设计和建造的工程结构能在各种可能遇到的地 震作用下，它的性态均在设计预期要求的范围内，从而 在最经济条件下，设计出在最不利的极限荷载下能够继 续确保工程结构的功能。 设防 地震 设计 类别 基本概念 基于性态的三环节抗震设防方法 确定设计烈度或设计地震动参数。 确定建筑物的重要性等级。 确定结构的抗震设计类别。 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

性态抗翼设计理论的主要研究内客 性态水平的划分 ,确定设防水准。 所有功能不受影纳（完好） 定抗设计的件 主要功能不受影销（经撒张环） 主受功能有物修复后才能恢复（中等皲坏】 研完抗展性态的分方法 主要功能几乎不值海修复（严置敏坏） 研究基于性态的抗展设计方法 功能不可鲍恢复（铜增） 箭究基于性态的抗展设计满范， 我国各级设防地展动水平下的最低抗展性态要求 3.4地震作用 3.4.1计算原则 3.4.2建筑物抗震设防等级 分 3.4.3多遇地震与罕遇地需 3.4.4场地土类别 3.4.5反应谱 3.4.6抗震计算方法 3.4.7高层建筑常见组合 3.4.1.地晨作用的-一般计算原则 3.4.2.建筑抗晨设防等级 ,地震区的高层建筑应进行抗震设防。 ·6度区高层建筑需计算地震作用： ,7度~9度区必须按地震组合考虑地震作用的基本 ·甲类建筑一置大速筑工程和地展时可能产生 组合进行承载力极限状态设计 严熏次生灾喜的建筑： ·超限高层建筑须进行专项审查： ·乙类建筑一地展时使用功能不能中断或须尿 快恢复的建筑： 。10度区须进行专项审查。 ·丙类建筑一甲、乙、丁类建筑以外的建筑 ·丁类建筑一抗展次要建筑 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 6

6 性态抗震设计理论的主要研究内容 • 确定设防水准。 • 划分结构的性态水平。 • 选择合适的性态目标。 • 确定抗震设计的性态准则。 • 研究抗震性态的分析方法。 • 研究基于性态的抗震设计方法。 • 研究基于性态的抗震设计规范。 性态水平的划分 所有功能不受影响（完好） 主要功能不受影响（轻微破坏） 主要功能有待修复后才能恢复（中等破坏） 主要功能几乎不值得修复（严重破坏） 功能不可能恢复（倒塌） 我国各级设防地震动水平下的最低抗震性态要求 设防地震 动水平 《建筑抗震设计 规范》 《建筑工程抗震性态设计准则》 抗震建筑使用功能 I II III IV 多遇地震 不坏（基本完好） 基本运行 运行 充分运行 充分运行 设防地震 可修（中等破坏） 生命安全 基本运行 运行 充分运行 罕遇地震 不倒（严重破坏） 接近倒坍 生命安全 基本运行 运行 3.4 地震作用 3.4.1 计算原则 3.4.2 建筑物抗震设防等级 3.4.3 多遇地震与罕遇地震 3.4.4 场地土类别 3.4.5 反应谱 3.4.6 抗震计算方法 3.4.7 高层建筑常见组合 3.4.1. 地震作用的一般计算原则  地震区的高层建筑应进行抗震设防。  6度区高层建筑需计算地震作用；  7度～9度区必须按地震组合考虑地震作用的基本 组合进行承载力极限状态设计；  超限高层建筑须进行专项审查；  10度区须进行专项审查。 3.4.2. 建筑抗震设防等级  建筑物根据使用功能的重要性分为甲类、乙类、 丙类、丁类四个抗震设防类别。  甲类建筑 — 重大建筑工程和地震时可能产生 严重次生灾害的建筑；  乙类建筑 — 地震时使用功能不能中断或须尽 快恢复的建筑；  丙类建筑 — 甲、乙、丁类建筑以外的建筑；  丁类建筑 — 抗震次要建筑； 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

高层建筑抗晨设防等级 抗震计算和构造措施 ·高层建筑一般分为三个抗展设防等级： 。甲卷章值 甲类建筑、乙类建筑、丙类建筑 抗晨计算和构造措施 3.4.3多通地晨、竿通地展 地展的能量与烈度 查来年内超率为10的 时为度。成时为度别度 514小展、中震、大震 3.小展/中展1大震(63.2%、10%、2%) 地展烈度的福率密度函数符合型分布 极限Ⅲ型分布 (@-】 0-地震烈度最大值，o=12 1-地震烈度： k-Shape Parameter, 9 10% 6-平均烈度 地度 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 7

7 高层建筑抗震设防等级  高层建筑一般分为三个抗震设防等级： 甲类建筑、乙类建筑、丙类建筑  建筑面积超过10000m2的大型公共建筑抗震设 防等级提高一度。 抗震计算和构造措施  甲类建筑 —  地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求， 其值应按批准的地震安全性评价结果确定；  抗震措施，当抗震设防为6～8度时，应符合 本地区设防烈度提高一度的要求，当为9度 时，应符合比9度更高的要求。 抗震计算和构造措施  乙类建筑 — 地震作用应符合本地区抗震设防烈度的 要求；抗震措施，当抗震设防为6～8度时，应符合本 地区设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比 9度更高的要求。  丙类建筑 — 地震作用和抗震措施均应符合本地区 抗震设防烈度的要求。  丁类建筑 — 一般情况下，地震作用仍应符合本地 区抗震设防烈度的要求；抗震措施允许比本地区设防 烈度的要求降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。 抗震计算和构造措施 3.4.3 多遇地震、罕遇地震  地震的能量与烈度  第一水准烈度：50年内超越概率为63.2％的 地震烈度，众值烈度，比基本烈度低一度半；  第二水准烈度：50年内超越概率为10％的地 震烈度，基本烈度；  第三水准烈度：50年内超越概率为2～3％的 地震烈度，比基本烈度高：6度时为7度强， 7度时为8度强，8度时为9度弱，9度时为9度 强。 41 地震烈度的概率密度函数符合极限Ⅲ型分布 ( ) ( ) ( ) = ; Shape Parameter; . I k 1 k k k I f I e 12 I k                          地震烈度最大值， 地震烈度； 平均烈度 5.1.4 小震、中震 、大 震 42 极限Ⅲ型分布 超越概率(EP) PDF 地震烈度 3. 小震/ 中震 / 大 震 (63.2%、10%、2%） 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

51.4小展、中展、大震 5.14小展、中震、大魔 分布函数取 F☑e e二公6a情 刻被有他睡 数费的 大物比酒度框15。 器蓝 大展，罕地展： 平大 其期1461-2075年 3.4.4场地土类别 3.4.5反应谱 口按士层等效势切被速和场地覆盖层厚度分为 四类：1类，1类，1类，I类。 9度0.4o 。注意透让地展断裂带 注意砂士液化的不利影响 3.4.5反应谱 3.4.5反应谱 口反应谱的形成 -)-GkB-aG 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

8 43 分布函数: When ( ) . % EP ( ) . % 1 I F I e 36 8 1 F I 63 2         ： ： k I eIF             )( 设计基准期内的超越概 率是 10% 基本烈度：中震 平均烈度：小震 设计基准期内的超越概 率是 2~3% 罕遇烈度：大震 5.1.4 小震、中震 、大 震 44 设防烈度： 50年内，超越概率10%， 重现期475年。 小震，多遇地震： 50年内，超越概率63.2%， 重现期50年； 大约比设防烈度低1.55度。 大震，罕遇地震： 50年内，超越概率3%~2%，重现期1461~2475年。 大约比设防烈度高1度。 5.1.4 小震、中震 、大 震 3.4.4 场地土类别  按土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度分为 四类：I 类，II类，III类，IV类。  0.15g,0.30g对应III类、IV类场地土区域 的建筑，抗震构造措施宜按8度（0.20g)、 9度(0.40g)区的要求采用。  注意避让地震断裂带  注意砂土液化的不利影响 3.4.5 反应谱 3.4.5 反应谱 为地震影响系数，其物理意义为质点上的水平 地震力与该质点的重力之比。我国《建筑抗震 设计规范》（GB 50011-2010）将地震影响系数 曲线分为4个部分，覆盖的房屋自振周期从0至 6S。 Time [sec] 86420 40383634323028262422201816141210 Acceleration [cm/sec2]40 20 0 -20 -40 Time [sec] 86420 504846444240383634323028262422201816141210 Acceleration [g] 40 20 0 -20 -40 Time [sec] 86420 3634323028262422201816141210 Acceleration [cm/sec2]40 20 0 -20 -40 3.4.5 反应谱  反应谱的形成 Gk G x S g x F mgmS g a g a  ( )( )   max max    为地震影响系数，其物理意义为质点上的水平 地震力与该质点的重力之比。我国《建筑抗震 设计规范》（GB 50011-2010）将地震影响系数 曲线分为4个部分，覆盖的房屋自振周期从0至 6S。 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

3.4.5地晨影响曲线 3.4.5地震影响曲线 口加速度曲线，无量刚化，弹性反应谱 水平地展影响系数最大值 Seismic Influnce Coefficient Curve 地质影 6 多遇地测 004000.20.1602432 罕通地覆 0.280500.7n0.90w1.201.40 特征周期值Tg() m十 3.4.6抗震计算方法 底部剪力法 1 基本假定： 口底部剪力法 口振型分解法 口时程分析法 型以 型为主 Fa=aGa GH._Fp(-8.) 用于抗展衡化计算 ΣG,H, 初沙估算竖向构件藏面 AF,=8.Fo 振型分解反应谱法 平移振动 Fn=a X G 教动皮歌务 不进行扭转精联， 采用串连质点系模型 法 善础是地厦弹性反 C相部周期比小于0.85) 应请理论 Sa=∑s 口仅适用于结构的弹 性分析 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 9

9 3.4.5 地震影响曲线  加速度曲线，无量刚化，弹性反应谱 Seismic Influnce Coefficient Curve GB 50011-2010, Fig. 5.1.5 Gk G x S g x F mgmS g a g a  ( )( )   max max   水平地震影响系数最大值max 地震影响 6 7 8 9 多遇地震 0.04 0.08/0.12 0.16/0.24 0.32 罕遇地震 0.28 0.50/0.72 0.90/1.20 1.40 特征周期值 Tg（s） 设计 地震分组 I0 I1 II III IV 第一组 0.20 0.25 0.35 0.45 0.65 第二组 0.25 0.30 0.40 0.55 0.75 第三组 0.30 0.35 0.45 0.65 0.90 3.4.5 地震影响曲线 3.4.6 抗震计算方法  底部剪力法  振型分解法  时程分析法 底部剪力法 基本假定：  结构竖向均匀；  高度不超过40m；  振型以第一振型为主；  考虑高层建筑弯曲振型 的影响，将部分地震作 用移至顶层。  用于抗震简化计算  初步估算竖向构件截面 nn Ek n Ek n j jj ii i Ek eq FF F HG HG F GF         )1( 1 1 振型分解反应谱法  拟动力法，现阶段 抗震设计的主要方 法；  基础是地震弹性反 应谱理论  仅适用于结构的弹 性分析 平移振动  对称结构，  不进行扭转耦联，  采用串连质点系模型  振型迭加采用SRSS法 （相邻周期比小于0.85）  振型迭加采用CQC法 （相邻周期比大于0.85）         2 1 2 1 Ek j n i ji i n i ji i j ji jj ji i SS GX GX GXF      m j m k SEk jk SS kj 1 1  本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载

平移十扭转耦联振动 振型参与系数 对于质量、刚度无明显不 Fy =a Yox G 当仪为X方向地作用时 对称的规则结构，为考心 Fm=airYG >X G. 偶然偏心引起的扭转效应 之(xa+y房+m2)G 型的地为 可的 当仅为Y方向地覆作用时 系数，1.05-130。 考虑扭转隔联的计算 采用“串连刚片系”模型 X方向夹角时 扭转效应 扭转效应 最型选加采用CQC法（亮土方根思合法） 单向水平地展作用的扭转效应 单向水平地展作用的扭转效应(CQC) Sa-三Ps,网 Sa -eass. 双向水平地展作用的扭转效应 双向水平地展作用的扭转效应 Sa=√+(0.85S,)月 S4=√+(0.85S,月 S=√S+(0.855.)月 S=√S+(0.85S 最小楼层剪力 时程反应法 计键方法， 任一楼层的水平地展剪力应符合 二亮会的动力分新法，能比牧真实地推述结构地展 Va >G 22时及皮用的时大道 25/220 40050 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载。 10

10 平移＋扭转耦联振动 1. 对于质量、刚度无明显不 对称的规则结构，为考虑 偶然偏心引起的扭转效应， 当不计算扭转耦联时，平 行与地震作用方向的2个边 榀框架的地震效应乘增大 系数，1.05~1.30。 2. 考虑扭转耦联的计算 采用“串连刚片系”模型       c sin X ( ) Y ( ) X 1 2222 1 1 2222 1 tj xj yj n i jijiji ii n i ji i tj n i jijiji ii n i ji i tj os GrYX GY GrYX GX              当取与 方向夹角 时： 当仅为 方向地震作用时： 当仅为 方向地震作用时： 振型参与系数 tji j tj i ji i jYji jitj i jXji jitj i GrF GYF GXF    2       m j m k SEk jk SS kj 1 1  扭转效应 振型迭加采用CQC法（完全方根组合法） 双向水平地震作用的扭转效应 2 2 2 2 .0( 85 ) .0( 85 ) Ek y x Ek x y SSS SSS   单向水平地震作用的扭转效应    m j m k SEk jk SS kj 1 1  扭转效应 双向水平地震作用的扭转效应 2 2 2 2 .0( 85 ) .0( 85 ) Ek y x Ek x y SSS SSS   单向水平地震作用的扭转效应 (CQC)   n j Eki GV j 1  最小楼层剪力 任一楼层的水平地震剪力应符合 类别 6 7 8 9 扭转效应明显 基本周期小于3.5的结构 0.008 0.016/0.024 0.032/0.048 0.064 基本周期小于3.5的结构 0.006 0.012/0.024 0.024/0.036 0.048 时程反应法 计算方法： 1. 完全的动力分析法，能比较真实地描述结构地震 反应的全过程； 2. 多遇烈度地震下结构承载力和变形的验算采用弹 性时程分析法，罕遇烈度下结构的变形验算采用 弹塑性时程分析法。 表5.1.2-2 时程反应所用的地震加速度时程最大值（cm/s2） 地震影响 6 7 8 9 多遇地震 18 35/55 70/110 140 罕遇地震 125 125/220 400/510 620 本课件版权归作者所有，仅供个人学习使用，请勿转载