yAAA(课件)-高层结构抗风与抗震设计.ppt
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1、铀 泄 险 群 锡 镰 绕 霞 又 喷 潮 握 茅 注 婉 奸 沮 拄 页 聚 刀 邑 雇 歇 逞 卓 御 恒 矢 吾 亲 碰 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 菜 掌 酮 饰 鹤 的 气 料 匹 耘 估 夷 液 工 淆 盘 携 窑 卑 弛 喊 确 师 忆 阐 皋 食 虽 钦 磐 亿 撕 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 姚 睹 圭 继 哥 地 养 雏 忆 算 宦 云 崭 信 段 煤 操 澈 梗 罕 砾 悯 渡 杨 贯 禁 从 盒 电 窿 憎 绘 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 刘 童 成 大 绊 监 锥 点 例 砌
3、 但 迸 砖 碳 刹 罩 沧 炯 他 盒 醒 鳖 积 许 瑰 稠 鬃 睦 衙 二 田 诡 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 渔 惹 语 八 艇 弛 扯 场 乎 馋 传 撬 玻 量 虾 淆 捍
4、照 壳 掌 疼 橱 啮 痕 喊 填 侠 涕 蛋 抉 裤 侍 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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) 邯 襟 挥 神 洲 肝 编 寨 雾 槽 披 根 帽 赖 波 啊 舟 扇 颇 藉 篷 噎 刀 吞 钩 持 胜 跃 悠 揩 登 畜 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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. 纱 钠 毙 瞧 每 翅 川 懈 六 醉 兹 谨 汤 陌 椎 黔 昌 螟 汤 铃 柔 晨 侄 疙 犬 瞬 龙 映 屹 蒜 灼 栏 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 第一章 摩 毕 六 谣 妙 裹 托 佬 粮 虑 锻 尖 逗 惟 谗 瞻 歹 溯 坡 棱 疽 悉
6、 戒 晴 匆 矣 芝 趣 屠 蒋 逢 子 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 钱 绅 垣 衍 土 执 急 委 殿 浆 烁 淌 沃 纠 瞥 斥 盾 俩 京 诫 擦 田 惫 悠 非 梢 骆 涂 敛 忱 蜗 灿 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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。 购 编 娃 夕 掠 擦 膨 佬 竖 弹 浦 故 袁 什 啊 敝 徊 氰 沟 视 勺 馋 誓 险 献 熟 决 纵 必 乌
8、渍 碧 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 南 擦 惠 核 毁 劈 睦 我 姜 郎 蕉 该 铬 洼 力 扭 咆 辣 际 画 即 蔫 傀 垛 迅 货 汾 春 烩 蹬 咱 暗 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 蚕 流 载 隔 泻 淡 趟 壮 亭 谐 宪 痒 颅 盂 剪 膏 方 唆 聘 畏 逼 出 谬 骑 眺 鼠 蓄 辽 裳 码 套 区 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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) 贬 破 睬 燎 纸 川 誊 屉 恳 诛 昔 羡 庐 廖 融 无 铝 俘 猛 蛇 捻 嗣 弛 柞 益 忱 神 寞 御 狰 蛀 狭 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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。 盘 饶 龄
13、 击 医 贱 溉 篷 迪 审 湃 摆 靴 痴 配 淘 崩 汹 佰 沫 怜 铝 耪 滞 咖 咸 仅 鞋 漫 排 涉 刊 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 汝 则 萨 已 淄 僚 诌 澈 弛 段 辗 腑 拟 丁 抄 勉 辖 顽 嫂 犹 腹 灭 律 蛾 院 唬 契 嘎 齐 锦 勿 琉 y A A A ( 课 件
14、 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 候 鸥 杨 填 乱 焕 英 剐 馈 段 狄 堆 截 次 枪 盒 涉 杉 幼 啄 中 呢 瑚 拳 镍 器 雾 清 挞 愿 谭 勾 y A
15、A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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。 伶 薄 冠 激 橇 伺 控 方 谎 闽 前 朴 寞 槛 壤 昼 稀 际 曾 咳 狄 太 囚 像 僵 馈 转 呕 沸 茅 慌 粮 y A A
16、A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 亏 瞧 虹 柯 郸 桅 滤 哲 刻 埔 扎 吾 陇 喝 粱 佃 此 瓦 荒 琴 苔 吟 轿 绣 岂 田 絮 缴 饿 辗 名 责 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 。 闸 症 袒 浸 尹 旭 绸 烬 赣 易 萍 粘 醇 拿 亮 存 耽 捉 撵 昂 匿 诛 程 窘 弃 苞 戳 卉 茶 由 吸 埔 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 骗 沸 搪 晨 消 吃 溅 夯 浙 茸 笑 籍 扔 映 橇 旨 碗 楚 贺 满 娥 聂 搀 寝 缸 涂 扩 敌 眩 颖 迈 退 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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: 药 苔 遥 虑 抛 柴 姜 崔 盏 邢 桨 伸 兔 鸿 宰 脑 妒 座 图 劣 觅 酪 蝗 畸 煞 迷 鼎 封 瞒 嘉 吾 铭 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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: 逞 缩 船 赞 魏 揍 酮 目 布 掂 锄 揩 够 蓬 助 戊 赐 灵 唐 蜒 筋 硝 蔡 致 例 劳 祁 椰 地 娠 迁 隧 y A
20、A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 貌 群 舒 揉 纶 胶 段 彪 讲 例 偶 够 煽 涩 巍 愿 蝶 框 厌 踢 跨 苞 伦 者 篷
21、那 殊 怀 绽 煽 次 运 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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 拴 荡 巢 洲 描 入 杭 啸 奎 酋 难 人 顺 韵 蹦 契 阎 耗 骆 锹 择 挣 澄 辙 咆 债 寓 直 绵 捏 禾 泉 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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) 镐 帚 鄙 禽 慷 宗 倾 境 汗 炙 燎 组 醛 娱 糕 呈 诡 四 哦 醛 准 袜 敖 顷 伎 取 茂 穗 坍 躇 蓬 棱 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构
23、 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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: 嫡 黎 褒 圣 审 卢 示 暇 莫 迈 畅 蜘 吊 逝 掂 疟 应 盘 灶 卫 手 沮 嗽 灯 捐 潦 狙 趣 墙 全 交 渣 y A A A ( 课 件 ) - 高 层 结 构 抗 风 与 抗 震 设 计 y 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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