高层建筑结构复习思考题doc

第2章高层建筑结构体系与布置思考题

1. 何为结构体系？高层建筑结构体系大致有哪几类？选定结构体系主要考虑的因素有哪些？

2. 试述各种结构体系的优缺点，受力和变形特点，适用层数和应用范围。

3. 在抗震结构中为什么要求平面布置简单、规则、对称，竖向布置刚度均匀？怎样布置可以使平面内刚度均匀，减小水平荷载引起的扭转？沿竖向布置可能出现哪些刚度不均匀的情况？高层建筑结构平面、竖向不规则有哪些类型？

4. 防震缝、伸缩缝和沉降缝在什么情况下设置？各种缝的特点和要求是什么？在高层建筑结构中，特别是抗震结构中，怎么处理好这3种缝？

5. 框架-剪力墙结构与框架-筒体结构有何异同？哪一种体系更适合于建造较高的建筑？为什么？

6. 框架-筒体结构与框筒结构有何区别？

7. 高层建筑结构总体布置的原则是什么?框剪结构体系A级高度的最大高宽比在设防烈度为6、7、8度时为多少？

8．高层建筑的基础都有哪些形式？在选择基础形式及埋置深度时，高层建筑与多、低层建筑有什么不同？高层建筑的基础埋深有什么要求？

第1章绪论

小结

（1）高层建筑是相对于多层建筑而言的，通常以建筑的高度和层数作为两个主要指标，全世界至今没有一个统一的划分标准。我国规定，10层及10层以上或房屋高度超过28m的混凝土结构民用建筑物为高层建筑；超高层建筑也没有统一和确切的定义，一般泛指某个国家或地区内较高的一些建筑。

（2）与多层建筑结构相比，高层建筑结构的最主要特点是水平荷载成为设计的主要因素，侧移限值为确定各抗侧力构件数量或截面尺寸的控制指标，有些构件除必须考虑弯曲变形外，尚须考虑轴向变形和剪切变形，地震区的高层建筑结构还需要控制结构和构件的延性指标。

（3）混凝土结构、钢结构和钢与混凝土混合结构，是当前广泛应用于高层建筑的结构类型。其中钢与混凝土混合结构是近年来发展较快、具有广阔前景的新型结构，它融合了钢结构和混凝土结构的优点，承载力高、延性好、变形能力强，从而具有较强的抗风和抗震能力。

思考题

（1）我国对高层建筑结构是如何定义的？

（2）高层建筑结构的受力及变形特点是什么？设计时应考虑哪些问题？

（3）从结构材料方面来分，高层建筑结构有哪些类型？各有何特点？

（4）国内外高层建筑的发展各划分为哪几个阶段？

第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用

[例题] 某高层建筑剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m,其他各层层高为3m ，室外地面至檐口的高度为120m ，平面尺寸为m m 4030?，地下室采用筏形基础，埋置深度为12m ，如图3.2.4(a)、(b)所示。已知基本风压为2045.0m kN w =，建筑场地位于大城市郊区。已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为800kN 。为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为20m ，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值，计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力和筏形基础底面的弯矩。

解：（1）基本自振周期：根据钢筋混凝土剪力墙结构的经验公式，可得结构的基本周期为：

s n T 90.13805.005.01=?==

222210m s kN 62.19.145.0T w ?=?=

（2）风荷载体型系数：对于矩形平面，由附录1可求得

80.01=s μ

57040120030480L H 0304802s .....-=??

? ???+-=??? ??

+-=μ 3.2.2可查得脉动增大系数502.1=ξ。B 为迎风面的房屋宽度，由H/B=3.0近似采用振型计算点距室外地面高度z 与房屋高度H 的比值，即H H i /z =?，i H 为第i 层标高；H 为建筑总高度。则由式（3.2.8）可求得风振系数为：

H

H 478050211H H 11i z i z ??+=?+=+=μμξνμ?νξβ.. z z z （4）风荷载计算：风荷载作用下，按式（3.2.1）可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为：

()z z z z ....)z (q βμβμ6624=40×570+80×450=

按上述公式可求得各区段中点处的风荷载标准值及各区段的合力见表3.2.4，如图3.2.4(c)所示。

表3.2.4 风荷载作用下各区段合力的计算

（a ） （b ） （c ）

图3.2.4 高层结构外形尺寸及计算简图

小结

（1）作用于高层建筑结构上的荷载可分为两类：竖向荷载，包括恒载和楼、屋面活荷载以及竖向地震作用；水平荷载，包括风荷载和水平地震作用。

（2）计算作用在高层建筑结构上的风荷载时，对主要承重结构和围护结构应分别计算。对高度大于30m且高宽比大于1.5的高层建筑结构，采用风振系数考虑脉动风压对主要承重结构的不利影响。

(3)计算高层建筑结构水平地震作用的基本方法是振型分解反应谱法，此法适用于任意体型、平面和高度的高层建筑结构。当建筑物高度不大且体型比较简单时，可采用底部剪力法计算。对于重要的或复杂的高层建筑结构，宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。

思考题

（1）高层建筑结构设计时应主要考虑哪些荷载或作用？

（2）高层建筑结构的竖向荷载如何取值？进行竖向荷载作用下的内力计算时，是否要考虑活荷载的不利布置？为什么？

（3）结构承受的风荷载与哪些因素有关？和地震作用相比，风荷载有何特点

（4）高层建筑结构计算时，基本风压、风载体型系数和风压高度变化系数分别如何取值？

（5）什么是风振系数？在什么情况下需要考虑风振系数？如何取值？

（6）高层建筑结构自振周期的计算方法有哪些？为什么要对理论周期值进行修正？如何修正？各类结构基本周期的经验公式是什么？

（8）在进行抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应满足什么要求？

（9）水平荷载的作用方向如何确定？把空间结构简化为平面结构的基本假定是什么？

（10）计算总风荷载和局部风荷载的目的是什么？二者计算有何异同？

第4章高层建筑结构的计算分析和设计要求

小结

（1）高层建筑结构可采用线弹性分析方法、考虑塑性内力重分布的分析方法、非线性分析方法等进行分析，必要时也可采用模型试验分析方法。目前，一般采用线弹性分析方法计算高层建筑结构的内力和位移，作为构件截面承载力计算和弹性变形验算的依据。

（2）高层建筑结构可选取平面或空间协同工作、空间杆系、空间杆-薄壁杆系、空间杆-墙板元及其他组合有限元等计算模型，一般情况下可假定楼盖在平面内的刚度为无限大，对于楼板开大洞或平面布置复杂的结构，可采用楼板分块平面内无限刚性或弹性楼板假定。

（3）高层建筑结构一般应考虑两种作用效应组合：无地震作用效应组合和有地震作用效应组合。前者主要考虑恒荷载、楼面活荷载及风荷载的组合，后者考虑重力荷载代表值效应、水平地震作用效应、竖向地震作用效应及风荷载效应的组合。

（4）高层建筑结构应满足承载力、刚度和舒适度、稳定和抗倾覆以及延性等要求，其刚度通过使弹性层间位移小于规定的限值来保证；必要时，为了保证在强震下结构构件不产生严重破坏甚至房屋倒塌，应进行结构弹塑性位移的计算和验算。刚重比是影响高层建筑结构整体稳定的主要因素，因此结构整体稳定验算表现为结构刚重比的验算；延性是结构抗震性能的一个重要指标，为方便设计，对不同的情况根据结构延性要求的严格程度，引入了抗震等级的概念，抗震设计时，应根据不同的抗震等级对结构和构件采取相应的计算和构造措施。

（5）概念设计是高层建筑结构抗震设计的重要内容，应从场地条件、结构体系和抗侧刚度的合理选择、结构的结构平面和竖向布置、延性和地震能量耗散、薄弱层、多道抗震设防、缝的处理等方面，掌握高层建筑结构抗震概念设计的有关内容。

（6）近年来，全国各地出现了很多的超限高层建筑工程，其抗震设计时，除遵守国家现有技术标准的要求外，还主要包括超限程度的控制和结构抗震概念设计、结构抗震计算分析和抗震构造措施、地基基础抗震设计以及必要时须进行结构抗震试验等内容。

思考题

（1）结构分析方法主要有哪些？高层建筑结构一般采用哪种分析方法计算其内力和位移？

（2）高层建筑结构的计算模型有哪些？通常根据什么原则确定结构的计算模型？

（3）什么是荷载效应组合？有地震作用效应组合和无地震作用效应组合的区别是什么？

（4）荷载组合要考虑哪些工况？有地震作用组合和无地震作用组合有什么区别？为什么？

（5）为什么要限制结构在正常情况下的水平位移？

（6）哪些结构需进行罕遇地震下的薄弱层变形验算？什么是楼层屈服强度系数？弹塑性位移计算的方法有哪些？在什么条件下可采用简化方法计算薄弱层的弹塑性位移？

（7）为什么应对高度超过150 m的高层建筑进行舒适度验算？如何进行验算？

（8）什么是结构的二阶效应？影响高层建筑结构整体稳定的主要因素是什么？如何进行高层建筑结构的整体稳定验算？

（9）什么是结构的重力二阶效应？高层建筑结构为什么应进行稳定验算？

（10）何谓刚重比，如何采用刚重比进行结构的整体稳定验算？

（11）如何防止高层建筑出现倾覆问题？为什么不进行专门的抗倾覆验算？

（12）为什么抗震设计要区分抗震等级？抗震等级与延性要求是什么关系？

框架结构小结

（1）框架结构是多、高层建筑的一种主要结构形式。结构设计时，需首先进行结构布置和拟定梁、柱截面尺寸，确定结构计算简图，然后进行荷载计算、结构分析、内力组合和截面设计，并绘制结构施工图。

（2）竖向荷载作用下框架结构的内力可用分层法、迭代法等近似方法计算。分层法在分层计算时，将上、下柱远端的弹性支承改为固定端，同时将除底层外的其他各层柱的线刚度乘以系数0.9，相应地柱的弯矩传递系数由1/2改为1/3，底层柱和各层梁的线刚度不变且其弯矩传递系数仍为1/2。

（3）水平荷载作用下框架结构内力可用D值法、反弯点法等简化方法计算。其中D值法的计算精度较高，当梁、柱线刚度比大于3时，反弯点法也有较好的计算精度。

（4）D值是框架结构层间柱产生单位相对侧移所需施加的水平剪力，可用于框架结构的侧移计算和各柱间的剪力分配。D值是在考虑框架梁为有限刚度、梁柱节点有转动的前提下得到的，故比较接近实际情况。

影响柱反弯点高度的主要因素是柱上、下端的约束条件。柱两端的约束刚度不同，相应的柱端转角也不相等，反弯点向转角较大的一端移动，即向约束刚度较小的一端移动。D值法中柱的反弯点位置就是根据这种规律确定的。

（5）在水平荷载作用下，框架结构各层产生层间剪力和倾覆力矩。层间剪力使梁、柱产生弯曲变形，引起的框架结构侧移曲线具有整体剪切型变形特点；倾覆力矩使框架柱（尤其是边柱）产生轴向拉、压变形，引起的框架结构侧移曲线具有整体弯曲型变形特点。当框架结构房屋较高或其高宽比较大时，宜考虑柱轴向变形对框架结构侧移的影响。

思考题

（1）简述分层法和迭代法的计算要点及步骤。

（2）D值的物理意义是什么？影响因素有哪些？具有相同截面的边柱和中柱的D值是否相同？具有相同截面及柱高的上层柱与底层柱的D值是否相同（假定混凝土弹性模量相同）？

（3）有一框架结构，假定楼盖的平面内刚度无穷大，用D值法分配层间剪力。先将层间剪力分配给每一榀平面框架，再分配到各平面框架的每根柱；或者用每根柱的D值与层间全部柱的∑D的比值将层间剪力直接分配给每根柱。这两种方法的计算结果是否相同？为什么？

（4）水平荷载作用下框架柱的反弯点位置与哪些因素有关？试分析反弯点位置的变化规律与这些因素的关系。如果与某层柱相邻的上层柱的混凝土弹性模量降低了，该层柱的反弯点位置如何变化？此时如何利用现有表格对标准反弯点位置进行修正？

（5）水平荷载作用下框架结构的侧移由哪两部分组成？各有何特点？为什么要进行侧移验算？如何验算？

剪力墙结构例题

[例题]某12层钢筋混凝土整体小开口剪力墙，如图6.6.3所示，混凝土强度等级为C25，承受倒三角形水平荷载。试计算其顶点位移和底层各墙肢的内力。

[解] 首先计算各墙肢的几何参数，见表6.6.1。 表6.6.1 各墙肢的几何参数计算 墙肢 j A (2m ) j x (m )

j j x A j y (m ) j I (4m ) j j y A 1 0.643 2.01

1.292

2.56 0.866 4.21 2 0.554 6.65

3.684 2.08 0.552 2.40 3 0.099 9.59

0.949 5.02 0.003 2.49 1.296

5.925 1.421 9.10 组合截面的形心轴坐标为

m 574296

19255A x

A x j j j 0...===∑∑ 组合截面的惯性矩为各墙肢对组合截面形心轴的惯性矩之

和，即

∑∑=+=+=42j j j m 521101094211y A I I ... 底层总弯矩和总剪力分别为m kN 646761M i ?=.，

kN 45291V i .=。根据整体小开口墙的内力计算公式，可求得各墙肢的内力，见表6.6.2。由于墙肢3较细小，其弯矩还按式（6.6.6）计算了附加弯矩。表中负值表示受压墙肢。

表6.6.2 各墙肢底层的内力分配

墙

肢 ∑j j A A ∑j j I I j j y I A I I j

各墙肢内力

底层墙肢内力 ij M

ij N ij V j 1M (m kN ?) j 1N (kN ) j 1V (kN ) 1 0.496 0.609 0.156 0.082

0.161i M 0.133i M

0.553i V 1088.6 899.3 161.2 2 0.427 0.388 0.110 0.052 0.102i M -0.094i M

0.408i V 689.7 -635.6 118.9 3 0.076 0.002 0.047 0.0003

0.0006i

M +0.039i V -0.040i M 0.039i V 15.4 -270.5 11.4

剪力墙混凝土强度等级为C25，m kN 10802E 7?=.，故等效刚度为

272

72eq m kN 10976218342961521102191521101080280AH I 91EI 80EI ??=???+???=+=.........μ 可求得顶点位移为

m 010201097621834452916011EI H V 6011u 7

3

eq 30....=??== 图6.6.3 整体小开口墙

剪力墙结构小结

（1）剪力墙可按洞口的大小、形状和位置划分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架等。对整截面墙、整体小开口墙和联肢墙，简化计算时，可采用等效刚度，它是按顶点位移相等的原则并用剪力墙截面弯曲刚度表达的剪力墙刚度，其中考虑了剪力墙的弯曲变形、剪切变形和轴向变形的影响。

（2）在水平荷载作用下，对剪力墙结构进行简化分析时，如假定楼盖在自身平面内的刚度为无限大、各片剪力墙只考虑其平面内刚度、结构无扭转，则可对结构的两个主轴方向分别进行计算。当结构计算单元内含有整截面墙、整体小开口墙和联肢墙时，各片剪力墙的内力可由总内力乘以等效刚度比确定；当结构单元内仅有壁式框架时，可按D值法进行计算；当壁式框架与其他类型的剪力墙同时存在时，可按框架-剪力墙结构的简化分析方法计算其内力与位移。

（3）整截面墙可视为上端自由、下端固定的竖向悬臂构件，简化计算时其内力和位移可按材料力学公式计算，但需考虑剪切变形对位移的影响。整体小开口墙除绕组合截面形心轴产生整体弯曲外，各墙肢还绕各自截面形心轴产生局部弯矩，但局部弯矩值较小，整个墙的受力性能仍接近于整截面墙，故其内力和位移仍可按材料力学公式计算，但需考虑局部弯曲的影响。

（4）采用连续连杆法对联肢墙进行简化分析时，根据连梁切口处竖向位移为零的变形连续条件，可建立微分方程以求得连梁的剪力或连梁对墙肢的约束弯矩，进而可计算墙肢的内力和位移。

（5）壁式框架可简化为带刚域的框架，与一般框架的主要区别有两点：一是杆端存在刚域会使杆件的刚度增大；二是需要考虑杆件剪切变形的影响。计算时可将带刚域的杆件用一个具有等效刚度的等截面杆件来代替，求得带刚域杆件的等效刚度，然后利用D值法进行内力和位移的近似计算。

（6）各类剪力墙的受力特点有较大不同，主要表现为各墙肢截面上的正应力分布及沿墙肢高度方向的弯矩变化规律。墙肢截面上的正应力分布主要取决于剪力墙的整体工作系数α，α值越大，说明连梁的刚度相对较大，墙肢刚度相对较小，连梁对墙肢的约束作用大，剪力墙的整体工作性能好，接近于整截面墙或整体小开口墙。因此可用α值作为剪力墙分类的判别准则。但对整体小开口墙和壁式框架，α值均较大，故还需要利用墙肢惯性矩比值I n/I判别墙肢高度方向是否会出现反弯点，作为剪力墙分类的第二个判别准则。

（7）剪力墙属于偏心受力构件，由于墙肢成片状，故墙肢两端除集中配置竖向钢筋外，沿截面高度方向还需配置均匀分布的竖向钢筋。大偏心受压构件承载力计算时需考虑竖向分布钢筋的作用，小偏心受压构件则不考虑。剪力墙斜截面受剪承载力计算时应考虑轴力的有利（偏心受压）或不利（偏心受拉）影响。墙肢之间的连梁的受力性能与其跨高比有关，承载力计算时应考虑跨高比的影响。

思考题

（1）剪力墙结构的布置有哪些具体要求？

（2）什么是不规则开洞剪力墙？其受力有哪些特点？如何进行构造处理和计算分析？（3）什么是短肢剪力墙？其结构布置有哪些要求？

（4）如何确定剪力墙结构的混凝土强度等级和墙体厚度？

（5）剪力墙根据洞口大小、位置等共分为那几类？其判别条件是什么？各有那些受力特点？