高层建筑结构设计思考题答案-(2).doc

高层建筑结构设计思考题答案-(2) 第二章 2.1钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系？钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系？每种结构体系举1~2例。 答：钢筋混凝土房屋建筑的抗侧力结构体系有：框架结构(如主体18层、局部22层的北京长城饭店)；框架剪力墙结构（如26层的上海宾馆）；剪力墙结构（包括全部落地剪力墙和部分框支剪力墙）；筒体结构[如芝加哥Dewitt-Chestnut公寓大厦（框筒），芝加哥John Hancock大厦（桁架筒），北京中国国际贸易大厦（筒中筒）]；框架核心筒结构（如广州中信大厦）；板柱-剪力墙结构。 钢结构房屋建筑的抗侧力体系有：框架结构（如北京的长富宫）；框架-支撑（抗震墙板）结构（如京广中心主楼）；筒体结构[芝加哥西尔斯大厦（束筒）]；巨型结构（如香港中银大厦）。 2.2框架结构、剪力墙结构和框架----剪力墙结构在侧向力作用下的水平位移曲线各有什么特点？ 答：(1)框架结构在侧向力作用下，其侧移由两部分组成：梁和柱的弯曲变形产生的侧移，侧移 31 答：中心支撑框架的支撑斜杆的轴线交汇于框架梁柱轴线的交点。偏心支撑框架的特点是支撑连接位置偏离梁柱节点。偏心支撑框架的基本形式有单斜杆、人字形和V形。偏心支撑框架的刚度与中心支撑框架接近，消能梁段越短，其刚度越大。经过合理设计的偏心支撑框架，在大震作用下，消能梁段腹板剪切屈服，通过腹板塑性变形耗能地震能量；支撑斜杆保持弹性，不会出现受拉屈服和受压屈曲的现象；偏心支撑框架的柱和消能梁段以外的梁，也保持弹性。研究表明，消能梁段的腹板剪切屈服，具有塑性变形大、屈服后承载力继续提高、滞回耗能稳定等特点。偏心支撑框架的抗震性能明显优于中心支撑框架。 2.6为什么规范对每一种结构体系规定最大的适用高度？实际工程是否允许超过规范规定的最大适用高度？ 答：要根据房屋建筑的高度、是否需要抗震设防、抗震设防烈度等因素，确定一个与其匹配的、经济的结构体系，使结构效能得到充分发挥，建筑材料得到充分利用。而每一种结构体系，也有其最佳的适用高度范围。 实际工程允许超过规范规定的最大适用高度，但结构设计应采取有效的加强措施，并且有可靠依据，或进行专门的研究和论证。 2.7什么样的建筑体形对结构抗震有利？为什么？为什么结构平面布置对称、均匀及沿竖向布置连续、无突变有利于抗震？ 答：对抗震有利的建筑平面形状是简单、规则、对称、长宽比不大的平面。结构构件的平面布置与建筑平面有关。平面简单、规则、对称的建筑，容易实现有利于抗震的结构平面布置，即承载力、刚度、质量分布对称、均匀，刚度中心和质量中心尽可能重合，减小扭转效应。结构具有良好的整体性。平面形状不对称时，应通过剪力墙的布置调整并实现刚度对称。简单、规则、对称结构的计算分析结构能较好的反应结构在水平力作用下的受力状态，设计者能比较正确计算其内力和侧移。 2.8简述房屋建筑平面不规则和竖向不规则的类型？ 答：平面不规则的类型包括扭转不规则、楼板凹凸不规则和楼板局部不连续竖向不规则的类型包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变。 2.9在什么情况下设置防震缝、伸缩缝和沉降缝？这三种缝的特点和要求是什么？ 答：(1)在房屋建筑的总体布置中，为了消除结构不规则、收缩和温度应力、不均匀沉降对结构的有害影响，可以用防震缝、伸缩缝和沉降缝将房屋分成若干独立的部分。(2)防震缝应有一定的宽度，否则在地震时相邻部分会互相碰撞而破坏。钢筋混凝土框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可为70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm；框架-剪力墙结构和剪力墙结构房屋的防震缝宽度，可分别采用框架结构防震缝宽度的70%和50%，但都不小于70mm。防震缝两侧结构类型不同时，按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。现浇钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构伸缩缝的最大间距分别为55m和45m，框架-剪力墙结构伸缩缝的最大间距可根据具体情况介于45m和55m之间。钢结构伸缩缝的最大间距可为90m。抗震设防的结构，沉降缝的宽度应符合防震缝最小宽度的要求。 第三章 3.1 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？ 答： (1)总风荷载是建筑物各表面承受风作用力的合力，是沿高度变化的分布荷载，计算总风荷载的目的是为了计算抗侧力结构的侧移及各构件内力。 局部风荷载是用于计算结构局部构件或围护构件与主体的连接。 (2)二者的异同：二者都用下列公式计算，但计算局部风荷载的时候采用的是局部风荷载体型系数。 3.4 地震地面运动特性用哪几个特征量来描述？结构破坏与地面运动特性有什么关系？ 答：(1)地震地面运动的特性可用三个量来描述：强度（由振幅值大小表示）、频谱和持续时间。 (2)结构破坏与地面运动特性有着密切的关系，主要表现在：强烈地震的加速度或速度幅值一般很大，但如果地震时间很短，对建筑物的破坏性可能不大；而有时地面运动的加速度或速度幅值并不太大，而地震波的卓越周期与结构的基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。 3.5什么叫地震地面运动的卓越周期？卓越周期与场地有什么关系？卓越周期与场地特征周期有何关系？ 答：(1)地震地面运动的卓越周期是指地震功率谱中能量占主要部分的周期。 (2)卓越周期与场地的关系：硬土的卓越周期短；软土的卓越周期长。 (3)卓越周期T与特征周期Tg间的关系应理解为: 二者都是场地固有周期 T0的不同预测值, 因预测方法不同而冠以不同的名称。 3.6地震作用与风荷载各有什么特点？ 答：(1)地震作用的特点：地震时，由于地震波的作用产生地面运动，并通过房屋基础影响上部结构，使结构产生震动，这就是地震作用。地震波会使房屋产生竖向震动和水平震动，一般对房屋的破坏主要是由水平振动造成。设计中主要考虑水平地震作用，只有震中附近的高烈度区或竖向振动会产生严重后果时，才同时考虑竖向地震作用。地震地面运动是一种随机振动；强烈地震时加速度峰值或速度峰值（振幅）往往很大，但如果地震时间很短，对建筑物的影响也可能不大。而有时地面运动的加速度或速度峰值并不太大，而地震波的特征周期与结构物的基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。 (2)风荷载的特点：风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化而不停的改变，风荷载是随时间而波动的动力荷载，但在房屋设计中一般把它看成静荷载。在设计抗侧力结构、围护构件及考虑人们的舒适度时都要用到风荷载。 3.7什么是小震、中震和大震？其概率含义是什么？与设防烈度是什么关系？抗震设计目标要求结构在小震、中震和大震作用下处于什么状态？怎样实现？ 答：小震指该地区50年内超过概率约为63%的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震。 中震指该地区50年内超过概率约为10%的地震烈度，又称为基本烈度或设防烈度。 大震指该地区50年内超越概率约为2%-3%的地震烈度，又称为罕遇地震。 在小震作用下，房屋应该不需修理仍可继续使用；在中震作用下。允许结构局部进入屈服阶段，经过一般修理仍可继续使用；在大震作用下，构件可能严重屈服，结构破坏，但房屋不应倒塌、不应出现危及生命财产的严重破坏。 3.8什么是抗震设计的二阶段方法？为什么要采用二阶段设计方法？ 答：第一阶段为结构设计阶段。在初步设计及技术设计时，就要按有利于抗震的做法去确定结构方案和结构布置，然后进行抗震计算及抗震构造设计。在这阶段，用相应于该地区设防烈度的小震作用计算结构的弹性位移和构件内力，并进行结构变形验算，用极限状态方法进行截面承载力验算，按延性和耗能要求进行截面配筋及构造设计，采取相应的抗震构造措施。 第二阶段为验算阶段。一些重要的或特殊的结构，经过第一阶段设计后，要求用与该地区设防烈度相应的大震作用进行弹塑性变形验算，以检验是否达到了大震不倒的目标。 3.10什么是地震系数k，动力系数β和地震影响系数α？写出βακ的表达式。β谱曲线有什么特点？ 答：地震系数k即地面运动最大加速度与g的比值。动力系数β即结构最大加速度反应相对于地面最大加速度的放大系数。地震影响系数α是地震系数乘以动力系数。α=kβ 3.11什么是特征周期分组？对设计反应谱有什么影响？ 答：地震影响曲线上由最大值开始下降的周期称为场地特征周期Tg，Tg愈大，曲线平台段 3.12 地震作用大小与场地有什么关系？请分析影响因素及其影响原因。如果两幢相同建筑，基本自震周期是3s，建造地点都是属于第一组，分别建在分别建在Ⅰ类场地和类场地和Ⅳ类场地，它们地震作用相差多少？如果它们建筑地点分别为第一组和第三组，都是建在Ⅳ类场地上，地震作用又相差多少？ 答： (1)对于同一个设计地震分组，场地类别越高，特征周期越大，对长周期结构越不利。这是因为不同性质的土层对地震波包含的各种频率成分的吸收和过滤效果不同，场地土愈软，软土覆盖层厚度愈大，场地类别就愈高，从而特征周期就愈大。 3.13 计算水平地震作用有哪些方法？适用于什么样的建筑结构？ 答：计算水平地震作用方法可分为静力法、反应谱方法和时程分析法三大类。 3.14 计算水平地震作用时，重力荷载怎么计算？各可变荷载的组合值系数为多少各可变荷载的组合值系数为多少？ 答：计算水平地震作用时，计算重力荷载即计算结构等效总重力荷载0.85eqEGG=,其中EG是结构总重力代表值，为各层重力荷载代表值之和。重力荷载代表值是指100%的恒荷载、50%~80%的楼面活荷载和50%的雪荷载之和。 3.15 用底部剪力法计算水平地震作用及其效应的方法和步骤如何？为什么在顶部有附加水平地震作用? 答：(1)用底部剪力法计算地震作用时，将多自由度体系等效为单自由度体系，只考虑结构基本自振周期计算总水平地震力，然后再按一定规律分配到各个楼层。 （2）在顶部附加水平地震作用的原因是为了考虑高振型对水平地震力沿高度分布的影响。 第四章  设计要求及荷载效应组合 4.1承载力验算和水平位移限制为什么是不同的极限状态？这两种验算在荷载效应组合时有什么不同？ 答：因为承载力验算是在承载力极限状态，水平位移限制是在正常使用状态。由于承载力验算是极限状态验算，在内力组合时，根据荷载性质不同，荷载效应要乘以各自的分项系数和组合系数。位移计算时，为正常使用状态。 4.2 为什么高而柔的结构要进行舒适度验算？ 答：因为高而柔的结构抗侧刚度较小，在风荷载作用下会产生较大的侧向加速度，使人感觉不舒适，因此要进行舒适度验算，按重现期为10年的风荷载计算结构顶点加速度，或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度，使其满足规范要求。 4.3 P-△效应计算与结构总体稳定的含义有何不同？ 答：P-△效应是指在水平荷载作用下，出现侧移后，重力荷载会产生附加弯矩，附加弯矩又增大侧移，这是一种二阶效应。在高层建筑结构设计中，一般所说的考虑P-△效应即是进行结构的整体稳定验算，但结构的整体稳定验算还包括结构仅在重力作用下，出现的丧失稳定问题，不过这种情况出现的很少。 4.4延性和延性比是什么？为什么抗震结构要具有延性？ 答：延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。 4.5为什么抗震设计区分抗震等级？抗震等级与延性要求是什么关系？试比较一幢15层、45m高7度抗震设防区的框架和框架----剪力墙结构抗震等级有什么不同？如果在8度设防区，抗震等级有变化吗? 答：(1)因为在不同情况下，构件的延性要求有所不同：地震作用强烈或对地震作用敏感的结构延性要求应该高一些，重要的、震害造成损失较大的结构，延性要求也应该高一些；反之，要求可以降低一些。不过，由于计算结构延性比十分困难，也无法提出确切的延性比要求，因此我国抗震规范对抗震设计采取区分抗震