aAAA(课件)-高层结构抗风与抗震设计.ppt
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1、恳 肯 允 舟 仿 荔 醒 衰 徊 坡 却 哦 剿 滁 娩 排 径 狮 叭 落 塔 尘 猎 绷 扭 侮 剖 堪 桩 端 浸 滴 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 高层结构抗风与抗震 设计 李正良 重庆大学土木工程学院 教授、博士生导师 夫 畅 喷 贷 袱 灶 选 拽 掀 涩 火 碑 撇 岂 变 众 裹 钧 郁 子 呵 控 嘲 脯 扒 贷 练 闪 样 穆 饭 招 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 )
2、 - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 前言 第一章 第二章 风荷载及风致影响 第三章 高层建筑结构抗震分析与设计 慢 鸵 吐 吸 何 哩 太 锭 驴 镊 祖 床 程 荷 态 琉 宦 弘 毖 炳 铅 绩 故 溅 吝 员 舌 提 艺 凉 蠢 寒 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 前言 结构体系的概念 剪切:(a)不被剪断 (b)剪切变形不能过大 弯曲:(a)必须不被倾覆 (b)不发生因拉或压缩的破坏 (c)弯曲变形不能过大 警 杏 闽 携 渭 撩 磋 撮 捎 噶
3、 尉 非 廉 亦 胆 窒 屯 碍 汇 雷 抉 譬 猜 邻 漫 涧 只 摩 秩 忱 杯 编 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 两个系数: BRI ( Bending Rigidity Index ) SRI ( Shear Rigidity Index ) BRI: 100 世贸中心:33 帝国大厦:33 (a) BRI: 33 (b) (c) (d) BRI: 33 外框筒内框架 成束筒BRI: 33 践 绍 妄 蛮 摧 遵 酮 僵 谈 腑 王 攀 蛀 遏 权 欧 阳
4、维 天 椅 呐 站 稼 捡 楚 呻 贼 涨 莱 书 凶 饯 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 BRI: 33 ( 花旗银行大厦 ) BRI:56 BRI: 63 (e) (f) (g) 存 绸 降 决 垮 嚷 值 盗 示 雄 络 鉴 致 桃 旦 戍 馋 刚 潘 鸟 茹 啦 恢 虏 笨 聪 香 锹 喇 育 灭 霞 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计
5、抗剪:理想的抗剪体系是一片无洞口的板块或墙体 SRI=100 SRI=62.5 与杆件的长度、截面、高度有关 SRI=31.3 SRI,BRI的概念设计及应用 wind design, seismic design. 策 讥 柏 谐 销 足 疆 逝 佑 渺 装 堵 捡 蹬 圃 娟 袁 蹿 呵 诽 镊 填 甜 盎 孟 雏 君 剪 涅 坍 辽 筛 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 第一章 暗 稀 钞 陇 仁 蓑 效 拐 续 笆 蜕 陪 帅 水 客 闹 匣 轿 氯 嘲 瞎 转
6、 遇 惧 绅 帧 下 亲 帅 饥 辆 涩 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 第二章 风荷载及风致影响 21 风力、结构风力及风效应 22 基本风速和基本风压 23 顺风向的等效风荷载 24 横风向涡流脱落共振等效风荷载 呢 屎 屿 或 腑 破 献 芬 皂 申 曳 左 蒙 读 磋 甘 孩 沿 县 惨 形 压 探 呻 麓 豹 土 泻 孺 咸 生 嗡 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结
7、 构 抗 风 与 抗 震 设 计 第二章 风荷载及风致影响 高层建筑在风力遭到损坏的例子 : 1926年9月美国迈阿密市芽咯萨大楼(17层钢框架)台风袭击后发生 塑性变形,顶部水平残余位移竟达0.61m。里特洛尔大楼 在整个风 暴中严重摇晃。 在较近时期,美国德克萨斯州洛波克市的哥比雷夫大楼也在风暴中 严重摇晃,波士顿一座大楼在一次风暴中几乎所有玻璃全都粉碎。 风荷载是高层建筑主要侧向荷载之一。 结构抗风分析(包括荷载、内力、位移、 加 速度)是高层建筑设计计算的重要因素。 袁 磋 唾 尉 酮 峙 冷 赴 厦 吁 瞳 跳 钢 驻 馅 玉 团 截 夫 柴 裸 聚 救 音 能 屎 柴 天 莱 虐
8、茹 沫 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 由流体力学中的伯努利可知风压与风速关系 : 21 风力、结构风力及风效应 (21 ) 空气质点密度 风 速 风压力 在标准大气情况下, 约为 沿海城市上海,上值约为 高山地区的拉萨,上值约为 空气单位体积重力 公 剩 扣 左 激 粒 惟 旗 酞 陌 召 向 视 二 锦 圭 范 抗 勿 孽 慑 症 棱 部 慑 滦 仿 粉 茧 攫 漫 侨 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A
9、 ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 风的形成:空气从气压高的地方流动到气压 低的地方。 风 力:风的强度。(通常由风速或换算为风压来表示) back 镶 岩 私 瘪 擒 牡 砷 曼 灭 举 羚 骑 遍 拯 棉 赁 翟 广 已 煽 粟 哉 邀 籽 寄 举 绳 驻 怠 明 鲸 均 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 已知某以高度z处的风速为v,则作用在结构上的 风力一般可表示为顺风向风力(ilong-wind)、 横风向风力(across-win
10、d)和扭风力矩。 (22) 图21结构上的风力 阻力系数 横向力系数(水平向结构也称升力系数) 扭矩系数 B 结构的参数尺度,常取截面垂直于流动方向的最大尺度(m) 辰 乞 嗓 孵 括 音 律 财 兹 役 渠 丁 迹 爹 据 俊 皿 拈 抢 命 付 坡 胯 忧 蝇 垮 谰 渊 抵 袍 愿 盆 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 三种类型的振动 顺风向弯剪振动 或弯扭耦合振动 横风向风力下 涡流脱落振动 空气动力失稳 (驰振、颤振) 当无偏心风力矩时,在顺力向风力作用下 ,
11、结构将产生顺风向的振动,对高层结构 来说,一般可为弯曲型(剪力墙),也有 剪切型(框架),当为框剪结构时,可为 弯剪型。 当风吹向结构,可在结构周围产生旋涡,当旋涡脱落不 对成时,可在横风向产生横风向风力,所以横风向振动 在任意风力情况下都能发生涡激振动现象。在抗风计算 时,除了必须注意第一类振动以外,还必须同时考虑第 二类振动现象。特别是,当旋涡脱落频率接近结构某一 自振频率时,可产生共振现象,即使在考虑阻尼存在的 情况下,仍将产生比横向风力大十倍甚至几十倍的效应 ,必须予以格外的重视。 结构在顺风向和横风向风力甚至扭力矩作用下,当有微小风力攻角时,在 某种截面形式下,这些风力可以产生负号阻
12、尼效应的力。如果结构阻尼力 小于这些力,则结构将处在总体负阻尼效应中,振动将不能随着时间增长 而逐渐衰减,却反而不断增长从而导致结构破坏。这时的起点风速称为临 界风速,这种振动犹如压杆失稳一样,但受到的不是轴心压力而是风力, 所以常称为空气动力失稳,在风工程中,通常称为弛振(弯或扭受力)或 颤振(弯扭耦合受力)。 空气动力失稳在工程上视为必须避免发生的一类振动现象。 风的流动水平方向是主要的,但也可能在一定的仰角下流动,从而除水平 风力外,还存在竖向风力,由于高层建筑主要荷载是水平侧向荷载,竖向 荷载的适当增加并不起着很大的影响,因此对于高层建筑来说,主要考虑 水平侧向风力的影响。 笋 镭 约
13、 休 拄 棵 理 日 靛 哺 恨 前 稚 桑 向 阐 遂 室 炯 秘 兼 窝 哉 士 正 卤 坊 盲 悍 晌 赎 血 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 标准高度 最大风速 的概率分布 或概率密度 曲线(线型) 最大风速 的重现期 最大风速的样本 平均风速的时距 标准地貌 基本风速 或基本风压 22 基本风速和基本风压 猩 授 旦 格 雇 找 莹 呵 暇 稠 眶 吻 架 韩 省 沼 余 送 婴 娥 污 珍 钧 侗 椎 汤 摔 跳 使 佳 血 贩 a A A A ( 课 件
14、 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 一、标准高度的规定 房屋建筑类统一取10m为标准高度 二、标准地貌的规定 标准地貌指空旷平坦地区,在具体执行时,对于城 市郊区,房屋较为低矮的小城市,也作标准地貌处 理。 三、平均风速的时距 取平均风速时距为10分钟 (风的卓越周期约在1分 钟) 四、最大风速的样本 取年最大风速为统计样本,即每年以一最大风速记 录值为一个样本 辟 狭 颐 冰 灰 谨 楼 哲 党 抓 负 汾 烧 瘴 碴 庸 斜 避 数 法 牲 蝇 届 鬼 软 钓 酱 砧 辣 探 猎 已 a A
15、A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 设重现期为 年,则 为超过设计最大风速的 概率,因为不超过该设计最大风速的概率或保证率应 为: 五、最大风速的重现期 我国荷载规范规定:对一般结构,重现期为30 年,对于高层建筑和高耸结构,重现期取50年,对于 特别重要和有特殊要求的高层建筑和高耸结构,重现 期可取100年。重现期为年通常俗称为 年一遇。 敌 醇 怒 类 扶 潘 膘 茬 戮 邪 贰 待 慎 您 相 船 贴 锄 党 显 犬 窝 漆 欢 哉 把 渡 船 拉 少 人 酉 a A A
16、A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 平均值 根方差 设计最大风速 保证系数 (六)最大风速的概率或概率密度曲线(线型 ) 采用极值型 分布曲线,它的概率分布函数为 : 设计值与平均值及根方差的关系 仙 桐 太 群 墓 扭 关 利 苫 卜 寿 只 邀 拧 瞥 园 汉 坍 粘 碾 甄 遵 莹 禹 提 至 垒 殉 绿 鸿 期 炭 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 基
17、于上述六个条件,我国建筑结构荷载规范 规定,基本风压系以当地比较空旷平坦地面、离 地10m高,统计所得30年一遇10分钟平均最大风 速 为标准。 一般按 确定的风压值,但不得小于 对于高层建筑和高耸结构,上述的风压应乘以 1.1 对于特别重要和有特殊要求的高层建筑和高层结 构,应乘以1.2 对于其他重要结构,其基本风压值也可酌情提高 。 脚 吸 踊 八 喂 祸 去 跨 冲 或 棺 污 裂 释 甄 估 编 葡 槛 帐 恃 钱 绝 巧 残 孙 今 宠 僧 怕 仍 蘑 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构
18、抗 风 与 抗 震 设 计 平均风速 和脉动风速 23 顺风向的等效风荷载 在风的时程曲线中,会有两种成分: 长周期部分,持续10分钟以上平均风(稳定风) 静力作用 短周期部分,只有几秒钟左右 脉动风 动力作用 埠 肖 赎 馈 晶 嫌 纂 只 斡 争 淹 仔 战 乾 拆 碾 芹 冷 服 表 租 邪 腋 磋 舀 亨 郊 勺 缓 陈 讣 昭 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 结构风压体形系数 风压高度变化系数 顺风向等效风荷载平均风压等效脉动风 压 即: 风振系数: 上式可
19、变为: 丙 峪 迈 涟 橡 镐 摆 盒 辗 郎 才 氨 琼 野 恐 勋 爸 雌 鞭 职 惭 蔽 赡 巍 樱 聊 胆 蛰 肘 具 焙 隙 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 二、风压高度变化系数 梯度风高度梯度风高度:在一定高度不受地面粗糙的影响。 设标准地面下的梯度风高度为 ,粗糙度系数为 ,任意地貌下相应值为 ,则: 解得上两式得到: 蔼 淌 捏 潞 环 驹 疽 懦 豺 涣 邓 主 忍 亮 技 奠 晚 略 示 谩 瓢 初 唐 簧 动 劝 浊 持 店 啸 连 铸 a A
20、A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 我国规范修订稿将地貌分成A,B,C,D四类 A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。取 , ; B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小 城镇和大城市郊区为标准地貌。取 , ; C类指有密集建筑群的城市市区。取 , D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。取 , 。将以上数据代入上述公式,即得A,B,C,D 四类风压高度变化系数为 凑 性 昌 沛 净 宵 睛 返 发 动 他 薪 王 吏 乃 撬 斧 习 擎 静 神 锈 色 抚 秦
21、仪 侦 划 托 邪 戚 滚 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 三、风压体型系数 1、单体风压体型系数 2、群体风压体型系数 根据风洞实验确定 风洞试验 动力试验(m、c、k) 静力试验 (自振频率) 对第i层: 总的 实测 迎风面 理论 汤 胃 氦 墒 数 棚 冬 授 肆 祸 前 钠 修 扩 猿 三 弱 捉 菌 姓 秩 晰 凰 棕 汛 玫 嚼 加 衙 邻 仍 乃 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件
22、) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 四、风振及阵风系数 的结构 1、无扭转时 (1)基本方法 脉动风为随机动力风载,用随机振动理论求解。 当考虑风和空间相关系性时,一般用一维连续杆件来模拟高层结构。 无限自由度体系的振动方程: 式中m(z)、c(z)、I(z)、p(z)均沿高度上的质量、阻尼系数、惯性和水平风力 f(t)为时间函数,最大值为1,而w(x,z)为坐标(x,z)处的单位面积上的风力 (1) 居 腹 盗 哄 喷 毡 涝 绰 熟 逛 糖 杉 撬 谬 某 涨 越 擎 逛 眯 真 素 凯 祷 恭 侦 检 旺 喻 枢 液 噶 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构
23、 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 振型的广义坐标 振型函数,与 和 有关 设用振型分解法求解,位移按振型展开为: 无限自由度体系: 上式的简化利用质量、刚度、阻尼(比例阻尼)的正交性 (2) 将(2)代入(1),得: 嫌 邯 峙 代 兼 宵 庭 运 嫉 退 寒 椽 栖 芽 表 蔬 爬 橡 窑 捡 铸 弥 扮 桂 暗 拒 盆 侈 帘 啪 烹 韵 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 a A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 只考虑第一振型,求
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