高层建筑结构思考题

《高层建筑结构》课程思考题

1．高层建筑结构体系主要有哪些？试述各体系的组成、主要优缺点、基本受力变形特点及适用范围。

答：主要结构体系有框架结构体系，剪力墙结构体系，框架-剪力墙结构体系，筒体结构体系。

①框架结构体系：结构全部由梁柱组成。

优点：建筑平面布置灵活，可以做成大空间，使用灵活，延性好，自重轻，节省材料。

缺点：框架结构的侧向刚度小，侧向变形大，框架结构使用高度有所限制。

框架结构在水平作用下的侧移由两部分组成:第一部分侧移由梁柱的弯矩变形产生，柱和梁都有反弯点，形成侧向变形。框架下部的梁柱内力大，层间变形大，往上部去变形愈来愈小。第二部分是由柱的轴向变形产生，柱的拉伸和压缩使结构出现侧移。这些变形在柱的上部比较大，下部比较小，使结构呈现弯曲型变形。框架结构体系适用于非抗震地区和层数较少的建筑，建筑高度不要太高，一般15-20层以下为宜。

②剪力墙结构体系：建筑物墙体作为沉重竖向荷载和水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。优点：整体性好，刚度大，侧向变形较小，抗震效果好。

缺点：剪力墙的间距不能太大，平面布置不灵活，结构自重较大。

剪力墙是一个受弯矩为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型。剪力墙结构体系在非地震区和地震区的高层建筑中都得到广泛使用，10-30层的住宅及旅馆也可以使用剪力墙结构体系。

③框架-剪力墙结构体系：把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系。

优点：兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，提供较大的空间，有较大的刚度和较强的抗震能力。

缺点：由于剪力墙的存在，一定程度上限制了建筑平面布置的灵活性。

框架剪力墙中的剪力墙是抗侧力的主体，框架则是承受竖向荷载的主体。框架本身在水平荷载下呈剪切型变形，剪力墙呈弯曲型变形。两者通过楼板协同工作，共同抵抗水平荷载。主要适用于25层以下的房屋，最高不宜超过30层；地震区的五层以上的工业厂房；这种体系用于旅馆、公寓、住宅等建筑最为适宜。

④筒体结构体系是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系,分为框架一核心筒结构与筒中筒结构。

优点：比单片框架或剪力墙的空间刚度大得多，不仅能承受竖向荷载，而且能承受很大的水平荷。筒体结构适用于超高层建筑，可将受力构件集中，创出较大的室内空间。

缺点：剪力滞后现象严重，空间受力特性弱。

框筒侧向变形以剪切型为主，而核心筒以弯曲型为主。二者通过楼板协同工作，共同承担水平力。适用于超高层建筑都用筒体结构，尤其在地震区更能显示优越性

2．高层建筑结构的平面布置为什么要求简单、规则、对称，竖向布置要求刚度均匀、适宜下大上小渐变？

答：平面布置要求简单、规则、对称的原因:使结构的刚度中心和质量中心基本重合，这样可以避免地震时带来的扭转效应，避免扭转破坏。结构平面布置应减少扭转的影响。平面布置应有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力直接，力求均匀对称，减少扭转的影响。在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则、刚度和承载力分布均匀，不应采用严重不规则的平面布置，若奇形怪状使荷载分布不均匀，会导致应力突变。高层建筑结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀、连续，不应突变。竖向布置应规则、均匀，避免有过大的外排和内收，侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。

3． 高层建筑为什么要考虑风荷载的动力效应，设计中如何考虑？

答：风作用是不规则的，风压随风速、风向的紊乱变化而不停地改变。实际中的风压是波动的，这种波动风压会对建筑物产生动力效应。对高层建筑而言，动力荷载是引起结构毁灭性破坏的主要原因。风荷载是随时间波动的动力荷载,对高度大且较柔的高层建筑,必须考虑其动力效应影响。因此,在高层建筑结构设计和安全性评价时,进行结构的动力反应分析是非常必要的。

确定高层建筑风荷载的方法是采用风振系数z β。确定风振系数时考虑结构动力特性及

房屋周围的环境。如果建筑物的高度很大，特别是对较柔的结构，最好进行风洞试验。用通过实测得到的风速对建筑物的作用作为设计依据比较安全可靠。

4． 如何判别区分整体墙、小开口整体墙、联肢墙、壁式框架？它们各自的受力、变形特点

及计算方法？

答：整体墙：没有门窗洞口或者只有很小的洞口，可以忽略洞口的影响。这种类型的剪力墙实际上是一个整体的悬臂梁，符合平面假定，正应力为直线规律分布，这种墙叫整体墙。截面应力按材料力学公式计算。计算位移时，可按整体悬臂梁计算公式计算，但要考虑洞口对截面面积及刚度的削弱。

小开口整体墙：门窗洞口的面积稍大一些，墙肢应力中已出现弯矩，但局部弯矩不超过整体弯矩的15%时，可以认为截面变形大体上仍符合平面假定，按材料力学公式计算应力，然后加以适当的修正。这种墙体叫小开口整体墙。

联肢墙：当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大的洞口时由于洞口较大剪力墙截面的整体性已被破坏剪力墙的截面变形已不再符合平截面假设。这时剪力墙成为由一系列连梁约束的墙肢所组成的联肢墙。开有一列洞口的联肢墙称为双肢墙当开有多列洞口时称之为多肢墙。联肢墙可以采用连续连杆法求解，基本假定和基本体系取法都和双肢墙类似。在每个连梁切口处建立一个变形协调方程，则可建立k 个微分方程。要注意在建立第i 个切口处协调方程时，除了i 跨连梁内力影响外，还要考虑第i-1跨连梁内力和第i+1跨连梁内力对i 墙肢的影响。

壁式框架：当剪力墙的洞口尺寸较大墙肢宽度较小连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度时剪力墙的受力性能已接近于框架这种剪力墙称为壁式框架。由于墙肢及连系梁都较宽，在墙梁相交处形成个刚性区域，在这个区域内，墙梁的刚度为无限大。计算方法有简化计算法和矩阵位移法两种。

5． 剪力墙结构的等效抗弯刚度是什么?举例说明小开口整体墙的等效抗弯刚度怎么计算？ 答：剪力墙的等效抗弯刚度，即为同层内各片剪力墙等效刚度之和。当各层总剪力墙等效抗弯刚度不同时，可取各层的加权平均值。

小开口整体墙的等效抗弯刚度可取整体悬臂墙的等效抗弯刚度算式：

q

2q

q eq 91A H I I EI μ+=

其中q I 为等效惯性矩，其取有洞和无洞截面惯性矩沿竖向的加权平均值。μ为剪应力不均匀系数。

6． 连续化方法求双肢墙内力的计算步骤及相应公式？

答：①基本假定：

（1）将每一楼层处的连系梁简化为均匀连续分布的连杆；

（2）忽略连系梁的轴向变形，即假定两墙肢在同一标高处的水平位移相等；

（3）假定两墙肢在同一标高处的转角和曲率相等，即变形曲线相同；

（4）假定各连系梁的反弯点在该连系梁的中点；

（5）认为双肢墙的层高h 、惯性矩1J 、2J ；截面积1A 、2A ；连系梁的截面积l A 和惯性矩l J 等参数，沿墙高度方向均为常数。 根据以上假定，可得双肢墙的计算简图，连系梁的计算跨度2

0l h l l +=（l h 为连系梁的高度）。

②内力及侧移计算：

（1）计算几何参数。

计算连系梁的折算惯性矩l J

2

00301l A J J J l l l l μ+= 计算连系梁的刚度特征值

3

2

2l a J D l = 计算双肢剪力墙组合截面形心轴的面积矩S

1

111A A A aA S += 计算未考虑轴向变形的系数2

1α ()21221

6J J h D H +=α 计算整体系数2

α =2

α()hSa D H J J h D H 221266++ 计算剪切参数1γ

()()()()

2122121221138.2A A H J J A A G H J J E ++≈++=

μγ

计算等效抗弯刚度d EJ

()

1

221

2212141γψααααα++-+J J E （均布荷载）

d EJ = ()

1

221

221

2164.31γψααααα++-+J J E （倒三角形荷载）

()

1

221

2212131γψααααα++-+J J E （顶点集中荷载）

其中

???

??

--+αααααααch sh ch 22211

21

8 （均布荷载）

αψ= ???

??--+αααααααααch sh ch sh sh 23222321160 （倒三角形荷载）

αααth 323

3- （顶点集中荷载）

（2）双肢剪力墙的内力计算

计算连系梁的约束弯矩()ξm

()ξm =()ξφαα22

1

0V

式中()ξφ根据ξ和α查表得到。

计算连系梁的剪力li V

()()n i h m V i

i li ，，，Λ21==αξ

计算连系梁端弯矩li M

20

l V M li li ?=

计算墙肢的轴力ji N

()),,2,1(2,11

n i j V N n

k lk ji Λ===∑=

计算墙肢的弯矩ji M

()ξ∑-=n

i

i Fi i m M M

i i M J J J M 211

1+=； i i M J J J M 2

12

2+=

计算墙肢的剪力ji V

i i V J J J V 2111'''+=； i i V J J J

V 2

12

2'''+= ()n i ,,2,1Λ=

2

121'h GA EJ J J j j

i j μ+=

()2,1=j （3）计算双肢剪力强的侧移?。

d

EJ H V 3

081 （均布荷载） =? d

EJ H V 3

06011 （倒三角形荷载） d

EJ H V 3

031 （顶点集中荷载） 7． 壁式框架与一般框架有什么区别？壁式框架应用D 值法应作哪些修正？

答：主要区别：梁柱两端由于有刚域存在，从而使杆件刚度增大。梁柱截面刚度较大，需考虑杆件截面剪切变形的影响。计算分析时，壁式框架中用刚度K 代替线刚度I 。

应做柱的侧移刚度和反弯点高度修正。

8． 试述框-剪结构的协同工作原理。外载产生的总剪力在框-剪结构各抗侧构件中的分配方

法与全框架、全剪力墙结构有何区别？

答：框架-剪力墙体系在水平荷载的作用下，有框架剪力墙共同承受外荷载。对于剪力墙而言，除了外荷载外，还有框架给墙的集中反作用力，可以把这种集中力简化为连续分布的的力。与此相应，原来只是每一楼层标高处剪力墙与框架变形相同的变形连续条件也简化为沿整个建筑高度范围内剪力墙与框架变形都相同的变形连续条件。这样就形成上部框架帮剪力墙，下部剪力墙帮框架，沿高度变形趋于均匀的结构。这就是协同工作的原理。

在框-剪结构中框架的剪力为：

2)1(Fj j F i

i cij F V D D V +?=-∑ 剪力墙的剪力为： Wj eqi

eqi Wij V EI EI V ∑=

在全框架中：

∑∑=P d

d V i i d 为侧移刚度。 在全剪力墙中： pj i eq i eq ij V EI EI V ∑=)()(

9． 实际框-剪结构怎样区分和简化为铰接体系和刚接体系？（画图说明）

答：框架和剪力墙通过楼板作用连接在一起时，刚性楼板保证了水平力的作用，在同一层标高处，剪力墙与框架的水平位移是相等的。另外，楼板平面外刚度为零，它对各平面抗侧力结构不产生约束弯矩。这种连接方式称为框架-剪力墙铰接体系。结构平面图和计算简图如下图所示：

框架和剪力墙通过楼板和连梁作用连接在一起时，横向抗侧力结构有2片双肢墙和5榀框架，双肢墙的连梁将会对墙肢产生约束弯矩。将连梁与楼盖链杆的作用综合为总链杆。剪力墙与总连杆间用刚接，表示剪力墙平面内的连梁对墙有你转动约束，即能起连梁作用；框架与总连杆间用铰接，表示楼盖链杆作用。结构平面图和计算简图如下图所示：

10. 框剪结构的内力计算步骤及相应公式？

答：①铰接体系：

（1）总剪力墙及总框架刚度计算。总剪力墙∑=

eq W EI EI ，总框架∑?=j F D h C 。

（2）基本方程及其解：

对于剪力墙而言 443322)(dx y d EI p x p p dx

y d EI V dx

y d EI M W F W W W W W =-=-==

对于框架而言

W

W W W F F F I E x p dx y d I E C dx y d dx dy C C )(V 2244F =-==θ ②刚接体系：

（1）刚接连梁的梁端约束弯矩系数

墙肢与墙肢之间

123(1)6(1)(1)a b EI m a b l β+-=+-- ，213(1)6(1)(1)a b EI m a b l β-+=+--

2

'12GAl EI μβ= 墙肢与框架之间 123(1)6(1)(1)a EI m a l β+=

+-，12216(1)(1)EI m a l β=+- 将约束弯矩连续化，则第i 个梁端单位高度上约束弯矩为：

()

ij

ij

ij M m m x h h θ==

当同一层有n 个刚结结点时候（与墙肢相交的结点），总连杆约束弯矩为：

1()

n ij i m m x h θ==∑

（2）基本方程及其解

剪力墙：

223334242=()()w w w w w ij w w w m F d y EI M dx

dM d y EI V m dx dx

m dV d y dm d y EI p p p x p x dx dx dx h dx ===-+=-+=+-+∑

框架同铰结体系：

22()F F d y p x C dx =-

此方程与铰结体系完全相同，故铰结体系中所有微分方程解对刚结体系均适用，图表也适用；但有区别。

11．什么是框剪结构的刚度特征值？它对内力分配、结构侧移曲线有何影响？

答：框剪结构的刚度特征值是与剪力墙和框架刚度比有关的一个参数λ

W

W F I E C H =λ 当λ很小时（如λ≤1），剪力墙几乎承担总剪力的全部，侧移曲线就像独立的悬臂梁一样，曲线凸形朝向原始位置，曲线的形状为弯曲变形的形状。当λ较大时（大于6）即框架的刚度与剪切墙的刚度比较大时，侧移曲线凹形朝向原始位置，曲线的形状为剪切变形的形状。当λ=1-6时，侧向位移曲线介于弯曲和剪切变形之间，下部略带弯曲型，上部略带剪切型，称为弯剪型变形，此时上下间变形较为均匀。λ愈大框架承担的荷载增加了，体系的变形曲线就愈接近纯框架变形曲线。

12．剪力墙的截面设计计算有哪些？

答：(1)剪力墙的内力M,N,V 。

(2)剪力墙的验算：平面内的斜截面受剪，偏心受压或偏心受拉，平面外轴心受压承载力计算，在集中荷载作用下，墙内无暗柱时还应进行局部受压承载力计算。

(3)钢筋混混凝土剪力墙的配筋。