高層建筑結(jié)構(gòu)思考題

高層建筑結(jié)構(gòu)》課程思考題1．高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要有哪些？試述各體系的組成、主要優(yōu)缺點、基本受力變形特點及適用范圍。答：主要結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，筒體結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系：結(jié)構(gòu)全部由梁柱組成。優(yōu)點：建筑平面布置靈活，可以做成大空間，使用靈活，延性好，自重輕，節(jié)省材料。缺點：框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，側(cè)向變形大，框架結(jié)構(gòu)使用高度有所限制?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在水平作用下的側(cè)移由兩部分組成:第一部分側(cè)移由梁柱的彎矩變形產(chǎn)生，柱和梁都有反彎點，形成側(cè)向變形。框架下部的梁柱內(nèi)力大，層間變形大，往上部去變形愈來愈小。第二部分是由柱的軸向變形產(chǎn)生，柱的拉伸和壓縮使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)移。這些變形在柱的上部比較大，下部比較小，使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎曲型變形。框架結(jié)構(gòu)體系適用于非抗震地區(qū)和層數(shù)較少的建筑，建筑高度不要太高，一般15-20層以下為宜。剪力墻結(jié)構(gòu)體系:建筑物墻體作為沉重豎向荷載和水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)點：整體性好，剛度大，側(cè)向變形較小，抗震效果好。缺點：剪力墻的間距不能太大，平面布置不靈活，結(jié)構(gòu)自重較大。剪力墻是一個受彎矩為主的懸臂墻，側(cè)向變形是彎曲型。剪力墻結(jié)構(gòu)體系在非地震區(qū)和地震區(qū)的高層建筑中都得到廣泛使用，10-30層的住宅及旅館也可以使用剪力墻結(jié)構(gòu)體系?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系：把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)點：兼有框架和剪力墻的優(yōu)點，比框架結(jié)構(gòu)的水平承載力和側(cè)向剛度都有很大提高，比剪力墻結(jié)構(gòu)布置靈活，提供較大的空間，有較大的剛度和較強的抗震能力。缺點：由于剪力墻的存在，一定程度上限制了建筑平面布置的靈活性。框架剪力墻中的剪力墻是抗側(cè)力的主體，框架則是承受豎向荷載的主體?？蚣鼙旧碓谒胶奢d下呈剪切型變形，剪力墻呈彎曲型變形。兩者通過樓板協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載。主要適用于25層以下的房屋，最高不宜超過30層；地震區(qū)的五層以上的工業(yè)廠房；這種體系用于旅館、公寓、住宅等建筑最為適宜。筒體結(jié)構(gòu)體系是指由一個或幾個筒體作為豎向承重結(jié)構(gòu)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系，分為框架一核心筒結(jié)構(gòu)與筒中筒結(jié)構(gòu)。優(yōu)點：比單片框架或剪力墻的空間剛度大得多，不僅能承受豎向荷載，而且能承受很大的水平荷。筒體結(jié)構(gòu)適用于超高層建筑，可將受力構(gòu)件集中，創(chuàng)出較大的室內(nèi)空間。缺點：剪力滯后現(xiàn)象嚴重，空間受力特性弱?？蛲矀?cè)向變形以剪切型為主，而核心筒以彎曲型為主。二者通過樓板協(xié)同工作，共同承擔水平力。適用于超高層建筑都用筒體結(jié)構(gòu)，尤其在地震區(qū)更能顯示優(yōu)越性2．高層建筑結(jié)構(gòu)的平面布置為什么要求簡單、規(guī)則、對稱，豎向布置要求剛度均勻、適宜下大上小漸變？答：平面布置要求簡單、規(guī)則、對稱的原因:使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心基本重合，這樣可以避免地震時帶來的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，避免扭轉(zhuǎn)破壞。結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。平面布置應(yīng)有利于抵抗水平荷載和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力求均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)的影響。在高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則、剛度和承載力分布均勻，不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的平面布置，若奇形怪狀使荷載分布不均勻，會導致應(yīng)力突變。高層建筑結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化宜均勻、連續(xù)，不應(yīng)突變。豎向布置應(yīng)規(guī)則、均勻，避免有過大的外排和內(nèi)收，側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向布置嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

高層建筑為什么要考慮風荷載的動力效應(yīng)，設(shè)計中如何考慮？答：風作用是不規(guī)則的，風壓隨風速、風向的紊亂變化而不停地改變。實際中的風壓是波動的，這種波動風壓會對建筑物產(chǎn)生動力效應(yīng)。對高層建筑而言，動力荷載是引起結(jié)構(gòu)毀滅性破壞的主要原因。風荷載是隨時間波動的動力荷載，對高度大且較柔的高層建筑，必須考慮其動力效應(yīng)影響。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全性評價時，進行結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)分析是非常必要的。確定高層建筑風荷載的方法是采用風振系數(shù)0。確定風振系數(shù)時考慮結(jié)構(gòu)動力特性及z房屋周圍的環(huán)境。如果建筑物的高度很大，特別是對較柔的結(jié)構(gòu),最好進行風洞試驗。用通過實測得到的風速對建筑物的作用作為設(shè)計依據(jù)比較安全可靠。如何判別區(qū)分整體墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、壁式框架？它們各自的受力、變形特點及計算方法？答：整體墻：沒有門窗洞口或者只有很小的洞口，可以忽略洞口的影響。這種類型的剪力墻實際上是一個整體的懸臂梁，符合平面假定，正應(yīng)力為直線規(guī)律分布，這種墻叫整體墻。截面應(yīng)力按材料力學公式計算。計算位移時，可按整體懸臂梁計算公式計算，但要考慮洞口對截面面積及剛度的削弱。小開口整體墻：門窗洞口的面積稍大一些，墻肢應(yīng)力中已出現(xiàn)彎矩，但局部彎矩不超過整體彎矩的15%時，可以認為截面變形大體上仍符合平面假定，按材料力學公式計算應(yīng)力，然后加以適當?shù)男拚＿@種墻體叫小開口整體墻。聯(lián)肢墻：當剪力墻沿豎向開有一列或多列較大的洞口時由于洞口較大剪力墻截面的整體性已被破壞剪力墻的截面變形已不再符合平截面假設(shè)。這時剪力墻成為由一系列連梁約束的墻肢所組成的聯(lián)肢墻。開有一列洞口的聯(lián)肢墻稱為雙肢墻當開有多列洞口時稱之為多肢墻。聯(lián)肢墻可以采用連續(xù)連桿法求解，基本假定和基本體系取法都和雙肢墻類似。在每個連梁切口處建立一個變形協(xié)調(diào)方程，則可建立k個微分方程。要注意在建立第i個切口處協(xié)調(diào)方程時，除了i跨連梁內(nèi)力影響外，還要考慮第i-1跨連梁內(nèi)力和第i+1跨連梁內(nèi)力對i墻肢的影響。壁式框架：當剪力墻的洞口尺寸較大墻肢寬度較小連梁的線剛度接近于墻肢的線剛度時剪力墻的受力性能已接近于框架這種剪力墻稱為壁式框架。由于墻肢及連系梁都較寬，在墻梁相交處形成個剛性區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，墻梁的剛度為無限大。計算方法有簡化計算法和矩陣位移法兩種。剪力墻結(jié)構(gòu)的等效抗彎剛度是什么?舉例說明小開口整體墻的等效抗彎剛度怎么計算？答：剪力墻的等效抗彎剛度，即為同層內(nèi)各片剪力墻等效剛度之和。當各層總剪力墻等效抗彎剛度不同時，可取各層的加權(quán)平均值。EIeqEIeqq9卩I1+—H2Aq其中I為等效慣性矩，其取有洞和無洞截面慣性矩沿豎向的加權(quán)平均值。卩為剪應(yīng)力不均q勻系數(shù)。

6．連續(xù)化方法求雙肢墻內(nèi)力的計算步驟及相應(yīng)公式？答：①基本假定：（1）將每一樓層處的連系梁簡化為均勻連續(xù)分布的連桿；（2） 忽略連系梁的軸向變形，即假定兩墻肢在同一標高處的水平位移相等；（3） 假定兩墻肢在同一標高處的轉(zhuǎn)角和曲率相等，即變形曲線相同；（4） 假定各連系梁的反彎點在該連系梁的中點；（5）認為雙肢墻的層高h、慣性矩J、J；截面積A、A；連系梁的截面積A和慣1212l性矩J等參數(shù)，沿墻高度方向均為常數(shù)。l根據(jù)以上假定，可得雙肢墻的計算簡圖，連系梁的計算跨度1=1+你（h為連系梁02l的高度）。②內(nèi)力及側(cè)移計算：（1）計算幾何參數(shù)。計算連系梁的折算慣性矩J1TOC\o"1-5"\h\z丁 JJ= io—1 - 30卩J1+ 4A121計算連系梁的剛度特征值2Ja2D=——1——13計算雙肢剪力墻組合截面形心軸的面積矩SaAAS= 1—1-A+A11計算未考慮軸向變形的系數(shù)a21=6H2D=hJ+J丿12計算整體系數(shù)a26H2D 6H2Da2= +hJ+J丿hSa計算剪切參數(shù)數(shù)計算剪切參數(shù)數(shù)ipEJ+J丿 2.38(J+J丿i H2G\A+A丿H2\A+A丿1212計算等效抗彎剛度EJ廣EJ+J) 1 2 -a2a2 ”1一f+—屮+4丫a2a2aiEJ+J)12 a2a21一亠+7+3.64丫a2a2a iEJ+J)iEJd"2（均布荷載）倒三角形荷載）頂點集中荷載）其中60(2shaa2ch60(2shaa2chaacha2shasha11a213a3shaa2chaachatha均布荷載）（倒三角形荷載）（頂點集中荷載）（2）雙肢剪力墻的內(nèi)力計算計算連系梁的約束彎矩m6）mC)=V空?電)0a2式中?€)根據(jù)E和a查表得到。計算連系梁的剪力VliV=m€)冬(I=1,2,A,n)liia計算連系梁端彎矩MlilM=V7lili2計算墻肢的軸力NjiN=工V(j=1,2k=1,2,A,n)ji lkk=1計算墻肢的彎矩MjiM=M一工mC)i Fi iiJJM= 1M；M= 2M計算墻肢的剪力Vji1i J+J12i 2iJ+J12iV1i=丄V；J'+J' i；12J'V= —2i J'+J'12Vi(i=1,2,A,n)

J= i-j12卩EJ1+ jGAh2C=1,2)（3）C=1,2)VH30 8EJdVH30 60EJd1VH30 3EJd7.壁式框架與一般框架有什么區(qū)別？壁式框架應(yīng)用D值法應(yīng)作哪些修正？答：主要區(qū)別：梁柱兩端由于有剛域存在，從而使桿件剛度增大。梁柱截面剛度較大，需考慮桿件截面剪切變形的影響。計算分析時，壁式框架中用剛度K代替線剛度I。均布荷載）倒三角形荷載）頂點集中荷載）應(yīng)做柱的側(cè)移剛度和反彎點高度修正。試述框-剪結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作原理。外載產(chǎn)生的總剪力在框-剪結(jié)構(gòu)各抗側(cè)構(gòu)件中的分配方法與全框架、全剪力墻結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？答：框架-剪力墻體系在水平荷載的作用下，有框架剪力墻共同承受外荷載。對于剪力墻而言，除了外荷載外，還有框架給墻的集中反作用力，可以把這種集中力簡化為連續(xù)分布的的力。與此相應(yīng)，原來只是每一樓層標高處剪力墻與框架變形相同的變形連續(xù)條件也簡化為沿整個建筑高度范圍內(nèi)剪力墻與框架變形都相同的變形連續(xù)條件。這樣就形成上部框架幫剪力墻，下部剪力墻幫框架，沿高度變形趨于均勻的結(jié)構(gòu)。這就是協(xié)同工作的原理。在框-剪結(jié)構(gòu)中框架的剪力為：DV+FV=i F(M) Fjcij 乙D 2i剪力墻的剪力為：EIV= eq_VWij乙EIwjeqi在全框架中：dyV=yypd為側(cè)移剛度。在全剪力墻中：（EI）V= 4Vijy（eI）pjeqi實際框-剪結(jié)構(gòu)怎樣區(qū)分和簡化為鉸接體系和剛接體系？（畫圖說明）答：框架和剪力墻通過樓板作用連接在一起時，剛性樓板保證了水平力的作用，在同一層標高處，剪力墻與框架的水平位移是相等的。另外，樓板平面外剛度為零，它對各平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生約束彎矩。這種連接方式稱為框架-剪力墻鉸接體系。結(jié)構(gòu)平面圖和計算簡圖如下圖所示：

框架和剪力墻通過樓板和連梁作用連接在一起時，橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)有2片雙肢墻和5榀框架，雙肢墻的連梁將會對墻肢產(chǎn)生約束彎矩。將連梁與樓蓋鏈桿的作用綜合為總鏈桿。剪力墻與總連桿間用剛接，表示剪力墻平面內(nèi)的連梁對墻有你轉(zhuǎn)動約束，即能起連梁作用；框架與總連桿間用鉸接，表示樓蓋鏈桿作用。結(jié)構(gòu)平面圖和計算簡圖如下圖所示：框剪結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算步驟及相應(yīng)公式？答：①鉸接體系：總剪力墻及總框架剛度計算。總剪力墻EI二工EI，總框架C=h?工D。WeqFj基本方程及其解：對于剪力墻而言M=EI如W Wdx2V=-EId3yW Wdx3p=p(x)-p=EIW FWdx4

對于框架而言V=C9=CdyFFFdxd4y Cd2y p（x）—F =dx4EIdx2EIWWWW②剛接體系:（1）剛接連梁的梁端約束彎矩系數(shù)墻肢與墻肢之間(1+a一(1+a一b) 6EI廠m二一12 (1+P)(1-a-b)3(1-a+b) 6EI21-(1+P)(1-a-b)312pEIP=—GAl'2墻肢與框架之間(1+a)6EI6EIm(1+a)6EI6EIm二一12 (1+P)(1-a)3 lm12-(1+P)(1-a)2~1將約束彎矩連續(xù)化，則第i個梁端單位高度上約束彎矩為:當同一層有n個剛結(jié)結(jié)點時候（與墻肢相交的結(jié)點），總連桿約束彎矩為:nmnm=乙i=1m才9(x)（2）基本方程及其解剪力墻:EI如wdx2wdx3dMwdx3=-wdx3dMwdx3=-V+mwwdx4dVwdxdm+-

dx=p+p=p(x)-p(x)+Ywm Fmd2yhdx2框架同鉸結(jié)體系:p(x)=-p(x)=-CFd2yFdx2此方程與鉸結(jié)體系完全相同，故鉸結(jié)體系中所有微分方程解對剛結(jié)體系均適用，圖表也適用但有區(qū)別。11．什么是框剪結(jié)構(gòu)的剛度特征值？它對內(nèi)力分配、結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線有何影響？答：框剪結(jié)構(gòu)的剛度特征值是與剪力墻和框架剛度比有關(guān)的一個參數(shù)九、/CEIWW當九很小時（如九＜1）,剪力墻幾乎承擔總剪力的全部，側(cè)移曲線就像獨立的懸臂梁一樣，曲線凸形朝向原始位置，曲線的形狀為彎曲變