高層建筑結構高層建筑結構第四章高層建筑結構荷載及

荷載效應組合4.1豎向荷載4.2風荷載4.3地震作用4.4荷載效應組合熊海貝

教授，一級注冊結構工程師同濟大學土木工程學院結構防災減災工程系xionghaibei@問：結構荷載（作用）有哪些分類？荷載效應組合有哪幾類？應用場景？建筑結構在地震作用下，受力如何簡化計算？建筑結構的主要控制荷載是豎向荷載還是水平荷載？溫度作用對高層建筑結構受力的影響是怎樣的？高層建筑結構設計過程中應中重點考慮哪些工況？【學習目標】掌握高層建筑結構設計需要考慮的永久荷載、活荷載、雪荷載；了解確定風荷載的基本要素，掌握高層建筑風荷載計算方法；了解地震成因、地震波特性及結構反應譜基本原理，掌握高層建筑地震作用計算的三種方法；掌握高層建筑荷載效應基本組合，地震效應組合以及正常使用極限狀態下的組合。【學習方法】注意高層建筑結構承受的荷載與一般多層房屋建筑承受的荷載的異同，特別是最不利組合工況的異同。與多層建筑結構相比，高層建筑結構的水平荷載產生的效應隨著樓層高度的增加而迅速增加，成為控制結構設計的主要因素；同時，高層建筑設計時溫度對結構的影響、材料收縮和徐變對結構的影響，以及地基不均勻沉降等間接作用在結構中產生的不利影響應予以關注。4.1豎向荷載4.1.1永久荷載永久荷載——建筑物自重根據材料自重計算恒載分項系數當自重為有利因素時注意：不要漏項，不要盲目加大建議：學會看建筑圖、建筑大樣、建筑做法、設備布置、設備重量、設備安裝位置。《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）附錄A4.1.1永久荷載（1）承重結構自重（kN或kN/m）：梁、柱、剪力墻、支撐、樓板等（2）樓板板面荷載（kN/m2）地磚或木地板等整澆層吊頂、風管、風機、水管等（3）屋面荷載（屋頂花園、游泳池）（4）隔墻荷載按實際情況布置，梁或墻上線荷載（kN/m)按均布荷載估算，折算成樓面面荷載（kN/m2)（5）設備自重按設備自重或運行荷載取值按均布荷載估算（可參考規范及相關資料）找平層板底找平按等效均部荷載取值（附錄B）4.1.2樓面和屋面活荷載可變荷載是與永久荷載對應的豎向荷載（1）在計算活荷載產生的內力時，可不考慮活荷載的最不利布置。（2）高層建筑樓層數多，樓面活荷載同時達到滿布活荷載設計值的概率較小，設計時根據梁圍合的面積的大小，對樓面活荷載進行折減。（3）特殊屋面荷載取值根據使用功能確定，如屋頂花園、屋頂游泳池等。（4）當高層建筑的地下室屋頂兼做小區內道路時，應注意機動車，特別是消防車通道的活荷載取值，并注意道路的排水。墻、柱、基礎計算截面以上的層數12~34~56~89~20>20計算截面以上各樓層活荷載總和的折減系數1(0.90)0.850.700.650.600.55活荷載按樓層折減系數注：當樓面梁的從屬面積超過25m2時，應采用括號中數值4.1.3屋面雪荷載高層建筑的屋面雪荷載一般不起控制作用。但在寒冷地區，雪荷載可能比屋面活荷載大。式中

s0——基本雪壓（kN/m2），一般按當地空曠平坦地面上積雪自重的觀測數據，經概率統計得出50年一遇最大值確定，對于雪荷載敏感的結構應按100年重現期的雪壓；

μr——屋面積雪分布系數，雪荷載的組合值系數可取0.7；頻遇值系數可取0.6；準永久值系數按雪荷載分區I、II、III的不同，分別取0.5、0.2和0。4.1.4施工活荷載施工活荷載一般取1.0~1.5kN/m2。4.2風荷載基本概念：近地風和流動風空氣的水平運動稱作“風”空氣的豎向運動稱作“流”風力強度：范圍風速：級工程風速：一定年限內可能遭遇的最大風速，統計值4.2風荷載平均風和瞬時風強風的風速時程曲線4.2風荷載平均風特性（1）隨高度變化（2）與地面粗糙度有關（3）與建筑物表面形狀有關（4）在10min和1h區間變化不大（5）有周期性（重現期）（6）重現期：10年、50年、100年4.2風荷載建筑物表面形狀地面粗糙度高度相關性4.2風荷載瞬時風特性（1）脈動風，每波長約10s，大于建筑物的基本周期；（2）其平均值為零；（3）服從正態分布；（4）隨高度變化不明顯。因此，一般情況下，對結構整體設計而言，一般不考慮瞬時風對結構產生的動力效應；但是，對于大懸挑構件，如雨篷、圍墻等，需要考慮其陣風效應。4.2風荷載

對于高層建筑結構整體：

風荷載標準值

w0—基本風壓(kN/m2)

βz—高度

z處的風振系數

μs—建筑物體型系數

μz—風壓高度變化系數4.2.1基本風壓w0《建筑結構荷載規范》附表D.4v0—空曠、平坦、距地面10m處、50年一遇、10分鐘平均最大風速。ρ—空氣密度，標準值1.25kg/m3基本風壓最小值不得小于0.3kN/m2高層建筑設計時基本風壓可適當提高，可乘以1.1的放大系數安全等級為一級的高層建筑以及對風荷載比較敏感的高層建筑，設計時應采用100年重現期的基本風壓值對于超高層建筑，按100年重現期的v0

4.2.2風荷載體型系數μs

風荷載體型系數μs是指風作用在建筑物表面一定面積范圍內所引起的平均壓力（或吸力）與來流風的速度壓的比值，主要與建筑的體型和尺度有關，一般有由試驗確定。單體風壓體型系數（1）圓形及橢圓平面建筑取0.8（2）正多邊形及截角三角形平面建筑風荷載體型系數計算式中n——多邊形的邊數。（3）高寬比H/B小于或等于4的矩形、方形、十字形平面建筑取1.34.2.2風荷載體型系數μs

（3）對于V形、Y形、弧形、雙十字形、井字形平面建筑，L形、槽形平面建筑及高寬比H/B大于4、長寬比L/B不大于1.5的矩形和鼓形平面建筑，其風荷載體型系數為1.4（5）重要且體型復雜的房屋和構筑物、房屋高度大于200m、建筑物平面形狀或立面形狀復雜、立面開洞或連體建筑、周圍地形和環境較復雜的高層建筑，宜由風洞試驗確定建筑物的風荷載4.2.2風荷載體型系數μs

群體風壓體型系數對矩形平面高層建筑，當單個施擾建筑與受擾建筑高度相近時，對順風向風荷載可在1.0~1.1范圍內，對于橫風向風荷載可在1.0~1.2范圍內。局部風壓體型系數檐口、雨篷、遮陽板、陽臺等水平構件，計算局部上浮風荷載時，風荷載體型系數不宜小于2.0。設計高層建筑的幕墻結構時，風荷載應按有關的標準規定采用。4.2.3風壓高度變化系數μz

在大氣邊界層內，風速隨離地面的高度增加而增加。通常認為離地面300~550m時，風速不再受地面粗糙度的影響，達到“梯度風速”，該高度稱為“梯度風高度”。根據地面粗糙度分為4類：A、B、C、DA類：海岸、湖泊、沙漠B類：田野、鄉村、房屋希疏的市郊鄉鎮C類：密集建筑群的城市市區D類：密集建筑群、且房屋較高的市區10m處、B類場地：μz=14.2.3風壓高度變化系數μz

《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）4.2.4風振系數βz

風導致的高柔結構的振動比較明顯隨結構周期的增長，風振增強結構第一自振周期可以采用簡化方法估算對于高層，須考慮多個振型的影響振型系數風壓高度變化系數脈動影響系數脈動增大系數4.2.4風振系數βz

脈動風共振分量因子脈動風背景分量因子峰值因子可取2.510m處湍流強度，A、B、C、D類地面粗糙度分別取0.12、0.14、0.23、0.39結構總高度脈動風荷載水平方向相關系數脈動風荷載豎直方向相關系數結構第一階振型系數4.2.4風振系數βz

相對高度振型序號z/H12340.10.02-0.090.22-0.380.20.08-0.300.58-0.730.30.17-0.500.70-0.400.40.27-0.680.460.330.50.38-0.63-0.030.680.60.45-0.48-0.490.290.70.67-0.18-0.63-0.470.80.740.17-0.34-0.620.90.860.580.27-0.021.01.001.001.001.00高層建筑振型系數4.2.4風振系數βz

系數k和α1取值表粗糙度類別ABCD高層建筑k0.9440.6700.2950.112α10.1550.1870.2610.346結構迎風面寬度4.2.4風振系數βz

結構阻尼比，鋼結構取0.01，有填充墻的鋼結構房屋取0.02，鋼筋混凝土及砌體結構取0.05地面粗糙度修正系數，A、B、C、D類地面粗糙度分別取1.28、1.0、0.54、0.26結構第一階自振頻率4.2.5陣風系數局部風荷載用于計算結構局部構件或維護構件或維護構件與主體的連接，如水平懸挑構件、幕墻構件及其連接件等。但要采用局部風荷載體型系數，對于檐口、雨篷、遮陽板、邊棱處的裝飾條等突出構件，取μs

=-2.0。對于封閉式矩形平面房屋的墻面及屋面，可按國家現行荷載設計規范選取局部風荷載體型系數。4.3地震作用“三水準”的抗震設防目標（1）第一水準：在遭受低于本地區設防烈度（即基本烈度）的多遇地震影響時（50年設計基準期內超越概率是64.2%），建筑物一般不損壞或不需修理仍可繼續使用。（2）第二水準：在遭受本地區設防烈度的地震影響時（50年設計基準期內超越概率是10%），建筑物（包括結構和非結構構件）可能損壞，但不危及人民生命和生產設備的安全，經一般修理或不修理仍能繼續使用。（3）第三水準：在遭受高于本地區設防烈度的罕遇地震影響時（50年設計基準期內超越概率是2~3%），建筑物不致倒塌或發生危及人民生命的嚴重破壞。4.3地震作用高層建筑結構“二階段”設計方法（1）第一階段：計算多遇地震水準下的地震作用和結構地震效應，并按照地震組合效應驗算結構構件的承載力和彈性變形，以滿足第一水準的設防目標要求；（2）第二階段：計算罕遇地震水準下結構的彈塑性變形，以滿足第三水準設防目標要求；通過抗震構造措施滿足第二水準下的設防目標要求。4.3.1地震作用一般規定1.抗震設防甲類建筑：特別重要的建筑，地震破壞會導致嚴重后果，造成經濟上的嚴重損失；乙類建筑：重要的建筑，即在地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑物，人員大量集中的公共建筑物或其他重要建筑物，如國家級、省級的廣播電視中心、通訊樞紐、大型商場、醫院、中小學校舍等。丙類建筑：除上述以外的一般高層民用建筑。甲類建筑應按高于本地區抗震設防烈度計算，其值應按批準的地震安全性評價結果確定，并采取專門的抗震措施。乙、丙類建筑因按照本地區抗震設防烈度計算地震作用。高層建筑應按照國家規范要求進行抗震設計4.3.1地震作用一般規定（1）一般情況，按兩個主軸方向分別考慮水平地震作用并進行抗震驗算，由該方向的水平抗側力構件承擔；有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15°時，應分別各抗側力構件方向的水平地震作用。（2）質量與剛度分布明顯不對稱的結構，應計算雙向水平地震作用下的扭轉影響；其他情況，應計算單向水平地震作用下的扭轉作用。（3）計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響。（4）9度抗震設計時，應考慮豎向地震作用，與水平地震作用進行組合。2.地震作用計算的規定4.3.1地震作用一般規定（1）振型分解反應譜法。對質量和剛度不對稱、不均勻的結構，以及高度超過100m的高層結構，應采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。（2）底部剪力法。對于高度不超過40m，以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的高層建筑結構，可以采用底部剪力法。（3）彈性時程分析法。對于要求高的高層建筑，或者復雜的高層建筑，根據建筑物高度、場地類型和設防烈度，應進行彈性時程分析，計算結構在地震作用下的動力時程反應。3.地震作用計算方法4.3.2設計反應譜在給定的地震加速度作用期間內，單自由度體系的反應最大值（位移反應、速度反應或加速度反應）與體系的自振周期之間變化的曲線。1.反應譜曲線圖4-4單自由度體系在El-Centro波激振下的彈性反應譜4.3.2設計反應譜1.反應譜曲線地震反應譜的形成4.3.2設計反應譜1.反應譜曲線4.3.2設計反應譜2.設計用反應譜曲線圖4-6地震影響系數設計反應譜地震影響系數地震影響系數最大值結構自振周期特征周期衰減指數直線下降段下降斜率調整系數阻尼調整系數4.3.2設計反應譜2.設計用反應譜曲線設防烈度6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32設防地震0.120.23(0.34)0.45(0.68)0.90罕遇地震0.280.50(0.72)0.90(1.20)1.40地震影響系數最大值αmax4.3.3水平地震作用計算1.底部剪力法基本假定結構豎向均勻；高度不超過40m；振型以第一振型為主；考慮高層建筑彎曲振型的影響，將部分地震作用移至頂層。用于抗震簡化計算初步估算豎向構件截面圖4-7水平地震作用沿高度分布4.3.3水平地震作用計算2.振型分解反應譜法方法基礎擬動力法，現階段抗震設計的主要方法；基礎是地震彈性反應譜理論僅適用于結構的彈性分析不考慮扭轉—葫蘆串模型4.3.3水平地震作用計算2.振型分解反應譜法平移振動對稱結構不進行扭轉耦聯采用串連質點系模型振型迭加采用SRSS法

（相鄰周期比小于0.85）振型迭加采用CQC法

（相鄰周期比大于0.85）4.3.3水平地震作用計算2.振型分解反應譜法平移＋扭轉耦聯振動對于質量、剛度無明顯不對稱的規則結構，為考慮偶然偏心引起的扭轉效應，當不計算扭轉耦聯時，平行與地震作用方向的2個邊榀框架的地震效應乘增大系數，1.05~1.30。考慮扭轉耦聯的計算采用“串連剛片系”模型考慮扭轉—剛片串模型4.3.3水平地震作用計算2.振型分解反應譜法振型參與系數4.3.3水平地震作用計算2.振型分解反應譜法扭轉效應雙向水平地震作用的扭轉效應單向水平地震作用的扭轉效應（CQC）4.3.3水平地震作用計算2.振型分解反應譜法最小樓層剪力任一樓層的水平地震剪力應符合類別6度7度8度9度扭轉效應明顯基本周期小于3.5s的結構0.0080.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期小于3.5s的結構0.0060.012(0.024)0.024(0.036)0.048樓層最小地震剪力系數4.3.3水平地震作用計算3.動力時程反應分析法計算方法完全的動力分析法，能比較真實地描述結構地震反應的全過程；多遇烈度地震下結構承載力和變形的驗算采用彈性時程分析法，罕遇烈度下結構的變形驗算采用彈塑性時程分析法。設防烈度6度7度8度9度多遇地震1835(55)70(110)140設防地震50100(150)200(300)400罕遇地震125220(310)400(510)620時程分析時輸入地震加速度的最大值（cm/s2）4.3.3水平地震作用計算3.動力時程反應分析法時程曲線每條波具有特定的頻譜組成，輸入不同波得出的結構反應不同。（1）按建筑場地類別，選用不少于三條波，一條人工模擬地震波，二條實際強震地震記錄；（2）取其平均值，底部剪力不應小于振型分解法的80％；（3）時值不小于12s，不小于基本周期的3～4倍；（4）步長：0.01s，0.02s，不超過卓越周期的1/10。（5）加速度峰值按規范取。4.3.3水平地震作用計算4.三種方法的適用范圍（1）高層建筑結構宜采用振型分解反應譜法；對質量和剛度不均勻、不對稱的結構以及高度超過100m的高層建筑結構，應采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。（2）對于高度不超過40m、以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的高層建筑結構，可采用底部剪力法。（3）7~9度抗震設防時，甲類高層建筑結構、表4-8所列的乙類和丙類高層建筑結構、復雜高層建筑結構、豎向不規則高層建筑結構、質量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構、復雜高層建筑結構，均應采用彈性時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算。4.3.3水平地震作用計算4.三種方法的適用范圍設防烈度、場地類別建筑高度范圍8度Ι、II類場地和7度>100m8度III、IV類場地>80m9度>60m表4-8采用時程分析法的高層建筑結構4.3.4豎向地震作用計算圖4-9結構豎向地震作用計算簡圖樓層各構件的豎向地震作用效應可按各構件承受的重力荷載代表值比例分配，并宜乘以增大系數1.5。4.3.4豎向地震作用計算大跨度結構、懸挑結構、轉換結構、連體結構的連接體豎向地震作用標準值，不宜小于結構或構件承受的重力荷載代表值與表4-10所規定的豎向地震作用系數的乘積。設防烈度7度8度9度設計基本地震加速度0.15g0.20g0.30g0.40g豎向地震作用系數0.080.100.150.20表4-10豎向地震作用系數4.4荷載效應組合4.4.1荷載效應組合方式設計要求豎向荷載風荷載水平地震作用豎向地震作用非抗震設計√√

抗震設計6~8度√√√

9度√√√√設計中考慮的荷載和地震作用表注：只有當建筑物的高度超過60m時，才同時考慮風與地震產生的效應√表示效應組合4.4.2荷載效應基本組合承載能力極限狀態，按荷載的基本組合或偶然組合計算結構重要性系數，一般情況下，重要高層建筑取1.1，其余為1.0荷載組合的效應設計值結構構件抗力的設計值4.4.2荷載效應基本組合高層建筑結構設計時，荷載基本組合的效應設計值荷載效應組合設計值永久荷載分項系數，當其效應對結構不利時取1.3，對結構有利時取1.0樓面活荷載分項系數，當永久荷載取控制作用時取1.4，活荷載取控制作用時取1.5風荷載的分項系數取1.4考慮結構設計使用年限的荷載調整系數，設計使用年限為50年時取1.0，設計使用年限為100年時取1.1永久荷載效應標準值樓面活荷載效應標準值風荷載效應標準值4.4.2荷載效應基本組合高層建筑結構設計時，荷載基本組合的效應設計值樓面活荷載組合值系數風荷載組合值系數永久荷載效應起控制作用：取0.7可變荷載效應起控制作用：取1.0或0.7永久荷載效應起控制作用：取0.0可變荷載效應起控制作用：取0.7或1.04.4.3地震荷載效應組合考慮抗震設計，結構構件的地震作用效應和其他荷載效應的基本組合荷載效應和地震作用效應組合的設計值永久荷載的分項系數水平地震的分項系數豎向地震的分項系數風荷載的分項系數風荷載的組合系數，取0.2重力荷載代表值的效應風荷載標準值的效應重力荷載代表值是指結構和構配件自重標準值和各可變荷載組合值之和，可變荷載包括雪荷載、屋面積灰荷載、樓面活荷載等。4.4.3地震荷載效應組合考慮抗震設計，結構構件的地震作用效應和其他荷載效應的基本組合水平地震作用標準值的效應豎向地震作用標準值的效應均尚應乘以相應的放大系數或調整系數4.4.3地震荷載效應組合所考慮的組合γGγEhγEvγw說明重力荷載及

水平地震作用1.31.3--抗震設計的高層建筑均應考慮重力荷載及

豎向地震作用1.3-1.3-9度抗震設計時考慮，水平長懸臂和大跨度結構7度（0.15g）、8度、9度抗震設計時考慮重力荷載、水平地震及豎向地震作用1.31.30.5-9度抗震設計時考慮，水平長懸臂和大跨度結構7度（0.15g）、8度、9度抗震設計時考慮重力荷載、水平地震作用及風荷載1.31.3-1.460m以上的高層建筑考慮重力荷載、水平地震作用、豎向地震作用及風荷載1.31.30.51.460m以上的高層建筑，9度抗震設計時考慮；水平長懸臂和大跨度結構7度、8度、9度抗震設計時考慮1.30.51.31.4水平長懸臂和大跨度結構7度（0.15g）、8度、9度抗震設計時考慮有地震作用效應組合時荷載和地震作用分項系數4.4.3地震荷載效應組合結構構件的截面抗震驗算應采用以下表達式抗震設計時考慮地震作用的荷載組合效應設計值結構構件承載力設計值，應按不同材料和構件設計要求確定承載力抗震調整系數，一般按表4-13采用。當僅計算豎向地震作用時，抗震調整系數均取1.04.4.3地震荷載效應組合表4-13承載力抗震調整系數材料結構構件受力狀態γRE鋼柱、梁、支撐、節點板、螺栓、焊縫柱、支撐強度穩定0.750.80砌體兩端