高层建筑结构设计复习题及答案.doc

高层建筑结构复习思考题
（1）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？
（2）高层建筑结构平面布置、竖向布置的的基本原则是什么？应符合哪些要求？
（3）计算地震作用的方法有哪些？如何选用？什么情况下应采用动力时程分析法？在什么情况下需要考虑竖向地震作用效应？
（4）为什么要限制结构在正常情况下的水平位移？哪些结构需进行罕遇地震下的薄弱层变形验算？
（5）剪力墙根据洞口的大小、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？
（6）什么是剪力墙的等效刚度？各类剪力墙的等效刚度如何计算？
（7）试述剪力墙结构在水平荷载作用下的平面协同工作的假定和计算方法。
（8）说明用连续连杆法进行联肢墙内力和位移计算的步骤，以及多肢墙和双肢墙在计算方法上有何异同？
（9）试说明整截面墙、整体小开口墙、联肢墙、壁式框架和独立悬臂墙的受力特点？说明剪力墙分类的判别准则？
（10）与一般框架结构相比，壁式框架在水平荷载作用下的受力特点是什么？如何计算带刚域杆件的等效刚度？
（11）试从变形和内力两方面分析框架和剪力墙是如何协同工作的？框架-剪力墙结构的计算简图有何物理意义？
（12）框架-剪力墙结构计算简图中的总剪力墙、总框架和总连梁各代表实际结构中的哪些具体构件？它们是否有具体的几何尺寸？各用什么参数表示其刚度特征？
（13）什么是结构刚度特征值？它对结构的侧移及内力分配有何影响？
（14）在框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构的扭转分析中，怎样确定各榀抗侧力结构的侧向刚度？如何确定结构的刚度中心坐标？扭转对结构内力有何影响？
（15）从结构布置上，如何减小框筒和筒中筒结构的剪力滞后？
（16）高层建筑结构可采用下列计算模型：平面协同计算；空间协同计算；空间计算，楼板为刚性；空间计算，楼板为弹性。试分析这几种计算模型的差异及各
自的适用范围。
（17）什么是剪力墙的边缘构件？什么情况下设置约束边缘构件？什么情况下设置构造边缘构件？剪力墙的约束边缘构件和构造边缘构件各应符合那些要求？
（18）跨高比对连梁的性能有什么影响？为什么要对连梁的剪力进行调整？如何调整？连梁的配筋构造主要有哪些？
高层建筑结构复习思考题
（1）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？
答: 高层建筑结构的受力及变形特点:随着高度增大，位移增加最快，弯矩次之,水平荷载作用下结构的侧移急剧增大; 随着建筑高度的增大，结构的高宽比增大，水平荷载作用下的整体弯曲影响越来越大,轴向变形也影响越来越大; 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。
（2）高层建筑结构平面布置、竖向布置的的基本原则是什么？应符合哪些要求？
答: 高层建筑结构平面布置的基本原则是尽量避免结构扭转和局部应力集中，平面宜简单、规则、对称，刚心与质心或形心重合:高层建筑结构竖向布置的基本原则是要求结构的侧向刚度和承载力自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不突变，避免出现柔软层或薄弱层。
高层建筑结构平面布置应符合下述规定: (1)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。（2）高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状（3）抗震设计的Ａ级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心；平面长度L不宜过长，突出部分长度不宜过大,不宜采用角部重叠或细腰形平面图形。(4)抗震设计的Ｂ级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。(5)结构平面布置应减少扭转的影响。高层建筑结构的竖向布置应符合下列要求：（1）高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收；结构的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。（2）抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。（3）为防止结构出现薄弱层，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受
剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的75%。（4）抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。(5)抗震设计时，当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍,当结构上部楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m（6）结构顶层取消部分墙、柱形成空旷房间时，其楼层侧向刚度和承载力可能与其下部楼层相差较多，形成刚度和承载力突变，使结构顶层的地震反应增大很多，所以应进行详细的计算分析，并采取有效的构造措施（7）高层建筑宜设地下室，而且同一结构单元应全部设置地下室，不宜采用部分地下室，地下室应有相同的埋深。
（3）计算地震作用的方法有哪些？如何选用？什么情况下应采用动力时程分析法？在什么情况下需要考虑竖向地震作用效应？
答: 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。对体系复杂结构的非线性地震反应应采用动力时程分析法; 《高层规程》规定，竖向地震作用一般只在9度设防区的建筑物中考虑；但对高层建筑中的长悬臂及大跨度构件，竖向地震的作用不容忽视，在8度及9度设防时都应计算。
（4）为什么要限制结构在正常情况下的水平位移？哪些结构需进行罕遇地震下的薄弱层变形验算？
答: 为了保证高层建筑中的主体结构在多遇地震作用下基本处于弹性受力状态，以及填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件基本完好，避免产生明显损伤，应限制结构的层间位移；考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标，为便于设计人员在工程设计中应用，可采用层间最大位移与层高之比△u/h，即层间位移角θ作为控制指标. 7～9度时，楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构；甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑结构；采用隔震和消能减震技术的建筑结构均应进行弹塑性变形验算。竖向不规则高层建筑结构；7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构；板柱-剪力墙结构等宜进行弹塑性变形验算.
（5）剪力墙根据洞口的大小、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？
答: （1）整截面墙 当剪力墙无洞口，或虽有洞口但墙面洞口的总面积不大于剪力墙墙面
总面积的16%，且洞口间的净距及洞口至墙边的距离均大于洞口长边尺寸时，可忽略洞口的影响，这类墙体称为整截面墙（2）整体小开口墙 当剪力墙的洞口稍大一些，且洞口沿竖向成列布置，洞口的面积超过剪力墙墙面总面积的16%，但洞口对剪力墙的受力影响仍较小，这类墙体称为整体小开口墙。在水平荷载作用下，由于洞口的存在，剪力墙的墙肢中已出现局部弯曲，其截面应力可认为由墙体的整体弯曲和局部弯曲二者叠加组成，截面变形仍接近于整截面墙。（3）联肢墙 当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大的洞口时，截面变形已不再符合平截面假定。这类剪力墙可看成是若干个单肢剪力墙或墙肢（左、右洞口之间的部分）由一系列连梁（上、下洞口之间的部分）联结起来组成，当开有一列洞口时称为双肢墙当开有多列洞口时称为多肢墙。（4）壁式框架 当剪力墙成列布置的洞口很大，且洞口较宽，墙肢宽度相对较小，连梁的刚度接近或大于墙肢的刚度时，剪力墙的受力性能与框架结构相类似，这类剪力墙称为壁式框架.（5）错洞墙和叠合错洞墙。这类剪力墙受力较复杂，一般得不到解析解，通常借助于有限元法等数值计算方法进行仔细计算.
（6）什么是剪力墙的等效刚度？各类剪力墙的等效刚度如何计算？
答: 用位移大小来间接表达结构的刚度称为等效刚度; 计算等效刚度时，先计算剪力墙在水平荷载作用下的顶点位移，再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来计算.
（7）试述剪力墙结构在水平荷载作用下的平面协同工作的假定和计算方法。
答: 基本假定:（1）楼盖在自身平面内的刚度为无限大，而在其平面外的刚度很小，可以忽略不计；（2）各片剪力墙在其平面内的刚度较大，忽略其平面外的刚度；（3）水平荷载作用点与结构刚度中心重合，结构不发生扭转。 计算方法: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。
（8）说明用连续连杆法进行联肢墙内力和位移计算的步骤，以及多肢墙和双肢墙在计算方法上有何异同？
答:计算步骤：1. 计算几何参数 首先算出各墙肢截面的Ai及连梁截面的A bi Ibi ，然后计算连梁考虑剪切变形的折算惯性矩连梁的刚度;2. 计算综合参数 梁墙刚度比.轴向变形影响参数T.考虑轴向变形的整体参数和剪切参数;3. 内力计算 连梁的剪力和弯矩. 墙肢轴力.弯矩和剪力;4. 位移计算

多肢墙轴向变形影响参数T根据墙肢查表，而双肢墙按公式算其它都相同？

（9）试说明整截面墙、整体小开口墙、联肢墙、壁式框架和独立悬臂墙的受力特点？说明剪力墙分类的判别准则？
答：（1）整截面墙的受力状态如同竖向悬臂构件，截面正应力呈直线分布，沿墙的高度方向弯矩图既不发生突变也不出现反弯点,变形曲线以弯曲型为主。（2）整体小开口墙的洞口较小，连梁刚度很大，墙肢的刚度又相对较小，即α值很大。此时连梁的约束作用很强，墙的整体性很好。水平荷载产生的弯矩主要由墙肢的轴力负担，墙肢弯矩较小，弯矩图有突变，但基本上无反弯点，截面正应力接近于直线分布，变形曲线仍以弯曲型为主。（3）双肢墙（联肢墙）介于整体小开口墙和独立悬臂墙之间，连梁对墙肢有一定的约束作用，墙肢弯矩图有突变，并且有反弯点存在墙肢局部弯矩较大，整个截面正应力已不再呈直线分布,变形曲线为弯曲型。（4）壁式框架是指洞口较宽，连梁与墙肢的截面弯曲刚度接近，墙肢中弯矩与框架柱相似，其弯矩图不仅在楼层处有突变，而且在大多数楼层中都出现反弯点，变形曲线呈整体剪切型。（5）独立悬臂墙是指墙面洞口很大，连梁刚度很小，墙肢的刚度又相对较大时，即α值很小的剪力墙,墙肢轴力为零，各墙肢自身截面上的正应力呈直线分布。弯矩图既不发生突变也无反弯点，变形曲线以弯曲型为主。
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In/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。
（10）与一般框架结构相比，壁式框架在水平荷载作用下的受力特点是什么？如何计算带刚域杆件的等效刚度？
答：当剪力墙的洞口尺寸较大，连梁的线刚度又大于或接近于墙肢的线刚度时，剪力墙的受力性能接近于框架。但由于墙肢和连梁的截面高度较大，节点区也较大，故计算时应将节点视为墙肢和连梁的刚域，按带刚域的框架（即壁式框架）进行分析.
带刚域杆件的等效刚度为简化计算，可将带刚域杆件用一个具有相同长度的等截面受弯构件来代替，使两者具有相同的转动刚度，公式见课件26页

（11）试从变形和内力两方面分析框架和剪力墙是如何协同工作的？框架-剪力墙结构的计算简图有何物理意义？
答：在水平荷载作用下，单独剪力墙的变形以弯曲变形为主；单独框架的变形以整体剪切变形为主。但是，在框架-剪力墙结构中，框架与剪力墙是相互连结在一起的一个整体结构，并不是单独分开，故其变形曲线介于弯曲型与整体剪切型之间。在结构下部，剪力墙的位移比框架小，墙将框架向左拉，框架将墙向右拉，故而框架-剪力墙结构的位移比框架的单独位移小，比剪力墙的单独位移大；在结构上部，剪力墙的位移比框架大，框架将墙向左推，墙将框架向右推，因而框架-剪力墙的位移比框架的单独位移大，比剪力墙的单独位移小。框架与剪力墙之间的这种协同工作是非常有利的，它使框架-剪力墙结构的侧移大大减小，且使框架与剪力墙中的内力分布更趋合理。计算简图仍是一个多次超静定的平面结构。它可以用力法或位移法借助电子计算机计算，也可采用适合于手算的连续栅片法。
（12）框架-剪力墙结构计算简图中的总剪力墙、总框架和总连梁各代表实际结构中的哪些具体构件？它们是否有具体的几何尺寸？各用什么参数表示其刚度特征？
答：结构单元内所有剪力墙综合在一起，形成一榀假想的总剪力墙，总剪力墙的弯曲刚度等于各榀剪力墙弯曲刚度之和；把结构单元内所有框架综合起来，形成一榀假想的总框架，总框架的剪切刚度等于各榀框架剪切刚度之和。。总连梁代表几列连梁的综合,没有具体的几何尺寸?
基本计算参数:总剪力墙的弯曲刚度、总框架的剪切刚度和总连梁的等效剪切刚度, 总框架的剪切刚度:指使总框架在楼层间产生单位剪切变形所需施加的水平剪力；总剪力墙的等效刚度为结构单元内同一方向(横向或纵向)所有剪力墙等效刚度之和；总连梁的线约束刚度为梁端刚度总和。
（13）什么是结构刚度特征值？它对结构的侧移及内力分配有何影响？
答：λ为框架-剪力墙刚结体系的刚度特征值，在框架-剪力墙结构中，考虑连梁的约束作用时，结构刚度特征值增大，侧向位移减小；剪力墙上部截面的负弯距增大，下部截面的正弯距减小，反弯点下移；剪力墙的剪力增大，框架的剪力减小；λ较小时，剪力墙承受的水平荷载比例较大，侧移曲线呈以弯曲型为主的弯剪型；时，框架的作用已经很小，框架-剪力墙结构基本上为弯曲型变形。如果框架刚度与剪力墙刚度之比较大，即1≤λλ较大时，侧移曲线呈以剪切型为主的弯剪型变形；6≥λ时，剪力墙的作用已经很小，框架-剪力墙结构基本上为整体剪切型变形。

（14）在框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构的扭转分析中，怎样确定各榀抗侧力结构的侧向刚度？如何确定结构的刚度中心坐标？扭转对结构内力有何影响？
答：对于框架或壁式框架，D值就是侧向刚度。对于剪力墙，侧向刚度Dw可按下式确定(课29)式中, 表示墙所承受的剪力；表示层间相对侧移。
图7.6.1表示抗侧力结构的某层沿x方向和方向布置的情况及任选的yxoy坐标系。如层间在x方向和y方向分别有相对侧移和时，则在xuΔyuΔx方向的第j榀抗侧力结构中产生的抗力为，在xjVy方向的第k榀抗侧力结构中产生的抗力为。通常把结构平移时ykVΣxjV和ΣykV的合力作用线的交点称为结构的刚度中心，其坐标为(课件29页) 如果把各榀抗侧力结构的侧向刚度和视为假想面积，则结构刚度中心的坐标就是假想面积的形心位置，而且刚度中心的坐标仅与各榀抗侧力结构的侧向刚度和布置有关。
扭转使结构的内力增大，属不利因素，设计中应通过合理的结构布置予以避免。
（15）从结构布置上，如何减小框筒和筒中筒结构的剪力滞后？
答：结构布置应从平面形状、高宽比、框筒的开孔率、柱距、框筒柱和裙梁截面、内筒布置、楼盖形式等方面考虑，减小剪力滞后，以便高效而充分发挥所有柱子的作用。
（16）高层建筑结构可采用下列计算模型：平面协同计算；空间协同计算；空间计算，楼板为刚性；空间计算，楼板为弹性。试分析这几种计算模型的差异及各自的适用范围。
答：（1）平面协同计算与近似的手算方法类似，与荷载作用方向相垂直的杆件不受力, 不能考虑结构的扭转，不能用于平面复杂的结构计算。对于一般的框架、剪力墙和框架-剪力墙结构采用; （2）空间协同工作计算方法的优点是基本未知量为楼层的位移v,u和θ，对于楼层，共有3个基本未知量；不考虑结构扭转时，仅有2个未知量，计算简单，适合于采用中小型计算机计算,其缺点是仅考虑了各个抗侧力结构在楼层处水平位移和转角的协调，未考虑各抗侧力结构在竖直方向的位移协调. 用于计算平面布置不对称的框架、剪力墙和框架-剪力墙结构在水平荷载作用下的内力和位移，但由于采用了抗侧力平面结构假定，因此该方法只适用于结构必须能分解为许多榀抗侧力平面结构的情况，不能用于空间作用很强的框筒结构、曲边和多边结构以及结构体型复杂的结构等的计算。（3）空间计算，楼板为刚性；(空间杆—薄壁杆系计算模型) 满足了空间的变形协调条件;适用于各种结构平面布置，可得到梁、柱、剪力墙等构件的全部变形和内力，又可以考虑结构扭转，是一种比较精细的
计算方法（4）空间计算，楼板为弹性(空间组合结构计算模型）计算模型在每个节点上均有六个自由度，可以对高层建筑进行更细致、更精确的结构分析，可以考虑空间扭转变形，也可以考虑楼板变形，但该法涉及更大量的未知量，需求解大量的方程组，对计算条件也有更高的要求。不受结构体型的限制。
17）什么是剪力墙的边缘构件？什么情况下设置约束边缘构件？什么情况下设置构造边缘构件？剪力墙的约束边缘构件和构造边缘构件各应符合那些要求？
答：一、二级抗震等级剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件；一、二级抗震设计剪力墙的其他部位以及三、四级抗震设计的剪力墙墙肢端部，应设置构造边缘构件。约束边缘构件的截面尺寸及配筋都比构造边缘构件要求高，其长度及箍筋配置量都需要通过计算确定。
剪力墙约束边缘构件的设计应符合下列要求：
1）约束边缘构件的主要措施是加大边缘构件的长度及其体积配箍率，且一、二级抗震设计时箍筋直径均不应小于8mm，箍筋间距分别不应大于100mm和150mm。其体积配箍率须满足下式要求： 2）当墙肢轴压比达到或接近表6.9.2的限值时，约束边缘构件的配箍特征值按表6.9.3采用；当墙肢轴压比较小时，约束边缘构件的配箍特征值可适当降低。
（2）剪力墙构造边缘构件的设计应符合下列要求：1）构造边缘构件的范围和计算纵向钢筋用量的截面面积Ac宜取图6.9.4中的阴影部分，纵向钢筋应满足受弯承载力的要求。2）抗震设计时由于剪力墙（筒体）比较重要或者房屋高度较高，故其构造边缘构件的最小配筋率应适当加强，其构造边缘构件的纵向钢筋最小配筋应将表6.9.4中的0.008Ac、、0.006Ac、、0.004Ac分别用0.010Ac、、0.008Ac、、0.005Ac来代替。箍筋的配箍范围如图6.9.4中的阴影部分，配箍特征值不宜小于0.1。构造边缘构件中的纵向钢筋宜采用HRB335或HRB400钢筋。
（18）跨高比对连梁的性能有什么影响？为什么要对连梁的剪力进行调整？如何调整？连梁的配筋构造主要有哪些？
答：剪力墙开洞形成的跨高比较小的连梁，竖向荷载作用下的弯矩所占比例较小，水平荷载作用下产生的反弯使其对剪切变形十分敏感，容易出现剪切裂缝。 为了实现连梁的强剪弱弯，推迟剪切破坏，提高其延性，应将连梁的剪力设计值进行调整，即将连梁的剪力设计值乘以增大系数。无地震作用效应组合，以及有地震作用效应组合的四级抗震等级时，应取考虑水平风荷载或水平地震作用效应组合的剪力设计值；有地震作用效应组合的一、二、三级抗震等级时，连梁的剪力设计值应按下式进行调整：（课件39页，）连梁剪力的增大系数，一
级为1.3，二级为1.2，三级为1.1
连梁的配筋应满足下列要求：连梁顶面、底面纵向受力钢筋伸入墙内的锚固长度，抗震设计时不应小于laE，非抗震设计时不应小于la，且伸入墙内长度不应小于600mm。la为钢筋的锚固长度。一、二级抗震等级剪力墙，当跨高比不大于2，且墙厚不小于200mm的连梁，除普通箍筋外宜另设斜向交叉构造钢筋。抗震剪力墙中，沿连梁全长箍筋的构造要求应按框架梁梁端加密区箍筋构造要求采用；非抗震设计时，沿连梁全长箍筋直径不应小于6mm，间距不大于150mm，在顶层连梁纵向钢筋伸入墙体的长度范围内，应配置间距不大于150mm的构造箍筋，构造箍筋直径与该连梁的箍筋直径相同。墙体水平分布钢筋应作为连梁的腰筋在连梁范围内拉通连续配置；当连梁截面高度大于700mm时，其两侧面沿梁高范围设置的纵向构造钢筋（腰筋）的直径不应小于10mm,间距不应大于200mm；对跨高比不大于2.5的连梁，梁两侧的纵向构造钢筋（腰筋）的面积配筋率应不低于0.30%。