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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：（1）框架结构体系：由纵、横向刚接框架组成。优点：布置灵活，容易满足各种不同的建筑功能和造型要求。缺点：侧向刚度相对较小，其高度收到限制。既承受竖向荷载，又承受两个方向的水平荷载，以剪切变形为主。非抗震设计时用于多层及高层建筑。抗震设计时一般情况下框架结构多用多层及小高层建筑。
（2）剪力墙结构体系：由纵、横向剪力墙和楼盖组成。优点：侧向刚度较大，可以建造的高度比框架结构体系大。缺点：楼板跨度小，平面布置收到限制。剪力墙既承受两个方向的水平荷载，又承受全部的竖向荷载。竖向荷载直接由楼盖传递至剪力墙，总体呈弯曲形变形。适用于隔墙位置固定，平面布置比较规则的住宅、旅馆等建筑。
（3）框架－剪力墙结构体系：由框架荷剪力墙组成。优点：侧向刚度大，平面布置灵活。楼盖在自身平面内具有巨大刚度，水平荷载由框架荷剪力墙共同承担，一般情况下，剪力墙承担大部分剪力。负荷范围内的竖向荷载则由框架荷剪力墙各自承担。总体呈弯剪型变形。楼层在50层左右的高层建筑
（4）框架－支撑结构体系：是在部分框架柱之间设置竖向支撑，框架柱和支撑构成竖向桁架，形成框架＋竖向桁架的平面复合结构体系。优点：竖向桁架的侧向刚度比框架打得多，可以承担大部分水平荷载，大大提高了结构的侧向刚度。以剪切变形为主。一般用于钢结构。
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、宜下大上小渐变？
答：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，应具有良好的整体性；建筑的竖向布置宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。
3． 为什么高层建筑要考虑风荷载的动力效应，设计中如何考虑？
答：风荷载波动中的短周期成分对于高度较高或者刚度较小的高层建筑可能会产生一些不可忽视的由于共振引起的动力效应，在设计中必须予以考虑
目前考虑的方法是采用风振系数，设计时用它加大风荷载，仍然按照静力作用计算风荷载。
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：剪力墙按受力特性的不同可分为整体剪力墙、小开口整体剪力墙、双（多）肢墙和壁式框架等几种类型。不同类型的剪力墙，其相应的受力特点、计算简图和计算方法也不相同。连系梁与墙肢之间刚度的比值即整体性系数与墙肢惯性矩的比值是划分剪力墙的两个判别准则。
各类剪力墙的整体性可通过剪力墙的整体性系数来体现。值实际上反映了连系梁与墙肢之间刚度的比值，体现了整个剪力墙的整体性，可以利用这一参数作为判别剪力墙类型的准则之一。但的大小只反映了剪力墙整体性的好坏，它不能反映在墙肢层间是否会出现反弯点。
墙肢是否出现反弯点，与墙肢惯性矩的比值，整体性系数，层数n等因素有关。各类剪力墙划分如下：
若剪力墙连系梁的刚度和墙肢宽度基本均匀，整体性系数≥10，且墙肢惯性矩的比值≤（根据整体性系数和层数n查表得到）时，按小开口整体墙计算；当只满足≥10，按壁式框架计算；当只满足≤时，按双肢墙计算。
若洞口面积与剪力墙立面总面积之比不大于0.15，且洞口净距及孔洞至墙边的净距大于洞口长边尺寸时，一般作为整体剪力墙考虑。
对于整体剪力墙，在水平力作用下截面仍保持平面，法向应力呈线性分布，可采用材料力学中有关公式计算内力及变形；对于小开口整体墙，在水平力作用下的内力及变形，仍采用材料力学中有关公式进行计算并加以局部弯曲修正；计算双肢剪力墙和多肢剪力墙时，将每一楼层的连梁假想为在层高内均布的一系列连续连杆，由连杆的位移协调条件建立墙的内力微分方程，从中求解出外力。
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：剪力墙结构的等效抗弯刚度即顶部位移相等原则，将剪力墙的抗侧刚度折算成承受同样荷载的臂杆杆件只考虑弯曲变形的刚度
各种水平荷载作用下剪力墙的等效抗弯刚度:

将式（1）用代人，可近似归并为一个统一的计算式
6． 连续化方法求双肢墙内力的计算步骤及相应公式？
答：连续化方法求解的基本力法：沿连杆中点(反弯点)切开，以连杆中点剪力t(x)为未知数，得2个静定悬臂墙的基本体系→通过切口的变形协调（相对位移为0）建立t(x)的微分方程（力法）→求解微分方程的t(x)，积分得剪力Vl→再通过平衡条件求出连梁梁端弯矩，墙肢轴力及弯矩。
计算公式：
由墙肢弯曲变形引起的竖向相对位移：　　　（1）
由墙肢竖向变形引起的竖向相对位移：　　　（2）
由连梁的弯曲变形和剪切变形引起的竖向相对位移：　　 　（3）
根据连梁切口处的变形协调条件，将式（1）、（2）、（3）代入公式： 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　
　　　通过求解得到未知变量分布剪力：
其中,

第j层连梁的剪力,端部弯矩为，轴力为
墙肢弯矩按墙肢抗弯刚度进行分配，剪力近似按两个墙肢的等效惯性矩进行分配。
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：主要区别有两点:其一是在构件两端，由于受到相交构件的影响，截面刚度相当大，即在节点部位存在一个刚性区域。对于壁式框架，刚性区域较大，对受力的影响不应忽略。其二是由于构件的截面尺寸较大，需考虑剪切变形的影响。
壁式框架应用D值法应作修正：对刚臂长度、抗弯刚度、抗侧刚度、反弯点高度进行修正。
8． 试述框-剪结构的协同工作原理。外载产生的总剪力在各抗侧构件中的分配与全框架、全剪力墙结构有何区别？
答：（1）在结构的上部，框架“扶持”剪力墙
在房屋的上部，单独剪力墙的变形大于单独框架的变形。但在框架—--剪力墙结构中，由于楼板的约束作用使得框架和剪力墙共同变形，两者变形协调后，剪力墙的变形减小到c，而框架的变形加大，这说明在结构的上部，框架将剪力墙向里拉，变形减小，从而剪力墙的受力要比单独受力时小，而框架的受力恰好相反，比单独受力时加大，因此，在房屋的上部，框架帮了剪力墙的忙。
（2）在结构的下部，剪力墙“扶持”框架
在房屋下部，情况刚好相反，是剪力墙帮了框架的忙。由于剪力墙的刚度远远大于框架的刚度，这种“帮忙”的作用就十分显著，剪力墙承担了大部分剪力，而框架却只承担小部分剪力。因此，在地震作用下，通常是剪力墙首先屈服，之后将产生内力重分配，框架承担的剪力比例将会增加。如果地震作用继续增大，则框架也会随后进入屈服状态。因此，框架—--剪力墙结构中，可将剪力墙作为第一道防线，框架作为第二道防线。
从上述分析可以看出，框架一--剪力墙结构协同工作的特点使得框架和剪力墙结构在这种体系中能充分发挥各自的作用（框架主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平荷载），从而充分体现出这种结构体系的优越性。
与框架，全剪力墙的区别框架—剪力墙结构协同工作的特点使得框架和剪力墙结构在这种体系中能充分发挥各自的作用（框架主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平荷载）；而且在框架—剪力墙结构中，由于剪力墙分担水平剪力的作用，使框架的受力状况和内力分布得到改善，主要表现为，框架在房屋上部所承受的水平剪力有所增加，在框架下部所承受的水平剪力减小，结果是框架承受的水平剪力上、下分布比较均匀，沿高度方向各层梁柱弯矩的差距减小，截面尺寸不致有过大的变化，有利于减少构件的规格型号。从而充分体现出这种结构体系的优越性。
9． 实际框-剪结构怎样区分简化为铰接体系和刚接体系？（画图说明）
答：考虑它们间的协同工作，将总框架和总剪力墙移到同一平面内，按平面结构处理。而在二者之间，根据联系方式和约束程度的不同，可将框架—剪力墙结构简化为两种计算体系：铰结体系和刚结体系。

10.框剪结构的内力计算步骤及相应公式？
答：1. 框架―剪力墙结构基本假定与计算简图
在前面所述的基本假定前提下，可按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；同时把单元内的框架综合为一榀假想框架，总框架的剪切刚度等于各榀框架剪切刚度之和。它们之间由水平连杆连接，这些水平连杆包括楼板和连梁。楼板与剪力墙、框架的连接可以看作铰接，连梁与剪力墙的连接视其抗弯刚度的大小可以看作刚接或铰接。当连梁截面较小、跨度较大、构造连接较差时，可忽略连梁对剪力墙转动的约束，采用铰接计算简图，如图a所示；当连梁刚度较大，需要考虑连梁的约束作用时，连梁两端按刚接考虑，计算简图如图b所示。
2. 基本计算参数
(1) 框架柱的侧移刚度D 定义为：使框架柱两端产生单位相对侧移时所需的水平剪力。
(2) 总框架的抗侧刚度f c 定义为：使总框架在楼层间产生单位剪切变形( φ=1)时所需的水平剪力。当各层fi C 不同时，计算中近似以加权平均值求f c ：h
(3) 单片框架的等效抗侧刚度fieq C ：当框架的高度大于50 m 或大于其宽度的4 倍时，应计及柱的轴向变形对框架—剪力墙体系的内力和侧移的影响，否则会使计算误差增大。这时，可用“等效抗侧刚度” fieq C 代替上述的抗侧刚度fi C 。　
(4) 剪力墙的等效抗弯刚度w EI ：总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。
3. 建立微分方程
这就是总框架与总剪力墙协同工作的基本微分方程式。λ称为框架―剪力墙结构的刚度特征值，它反映总框架与总剪力墙刚度之间的相对关系。λ大，表示总框架的抗侧刚度较大(相对于总剪力墙的等效抗弯刚度)；反之则小。λ值的大小对总框架及总剪力墙的内力将产生很大的影响。
4. 基本方程的解。
5. 结构内力计算
(1) 对于框架―剪力墙结构铰接体系，按照上述的位移与内力计算公式可以求得任意一标高处综合剪力墙的内力w M ， w V 。在任一标高处综合总框架所承受的总剪力f V 可由整个结构平截面内的剪力平衡条件得到。
(2) 综合框架总剪力修正。为了保证框架结构中框架的安全，各层总框架分担的剪力不能太小。
(3) 单榀剪力墙、框架的内力。将上述各式求得的综合剪力墙的内力w M 、w V 按各单榀剪力墙等效刚度分配给每榀剪力墙，综合框架的总剪力以调整后计算出的总框架剪力按各榀框架的抗侧刚度进行分配，梁、柱弯矩等内力就可直接按纯框架进行计算。
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：称为框剪结构的刚度特征值，是影响框剪结构受力和变形性能的主要参数。
刚度特征值λ值对结构侧移曲线的影响：
当值较小时（如小于1），结构的侧移曲线接近剪力墙结构的侧移曲线；当值较大时（如大于6），结构的侧移曲线接近框架结构的侧移曲线。
刚度特征值λ值对结构内力的影响：
（1）框架、剪力墙之间的剪力分配关系随λ变化（详见下表）。
刚度特征值
λ＝0
λ=常数（一般λ=1～6）
λ=∞
剪力分配

p Vp Vw Vf

Vw Vf

Vw Vf
分析
当λ＝0时，结构退化为纯剪力墙结构，此时外荷载产生的剪力Vp均由剪力墙承担；
当λ很小时，剪力墙承担大部分剪力；当λ很大时，框架承担大部分剪力；
当λ＝∞时，结构退化为纯剪力墙结构，此时外荷载产生的剪力Vp全部由框架来承担。
由上表可知，框架底部剪力为零，即底部总剪力V0全部要由剪力墙承担，这与实际情况是不相符的，主要是微分方程法分析过程中的近似性造成的。
（2）框架剪力与剪力墙剪力的比值Vf / Vw不仅与刚度特征值λ有关，而且与截面所在的位置有关。框架剪力的最大值出现在结构的中部（ξ＝0.3～0.6），其位置随着λ的增大而向下移。
（3）由λ的计算公式可知，H愈大，λ也愈大。所以随着房屋高度的增加，也在增大。为控制框架内力，这时应适当增加剪力墙的刚度。
12．剪力墙的截面设计计算有哪些？
答：1. 墙肢截面承载力计算
剪力墙截面的设计，包括墙肢和连梁的承载力计算。在平行于墙面的水平荷载和竖向荷载作用下，墙肢应根据不同的情况，采用各种荷载作用下所得的最不利内力组合值，分别按偏心受压或偏心受拉构件进行正截面承载力和斜截面受剪承载力的设计。
　　1) 墙肢正截面承载力计算
试验分析表明，当偏心受压构件发生大偏心受压破坏时，受拉区(h0－1.5x)范围内的纵向钢筋可以达到屈服。为简化计算，在正截面承载力设计中，可以偏安全，仅考虑这部分纵向分布钢筋的作用，假定大偏压时，受拉、受压端部钢筋以及在1.5 倍受压区范围之外的受拉区钢筋全部屈服；小偏压时，取端部受压钢筋屈服，而受拉分布钢筋及端部钢筋均未屈服。 用来建立。矩形、T 形、I 形偏心受压剪力墙(如图4.25 所示)的正截面受压承载力可按现行的国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010—2002 的有关规定计算，也可按下列公式计算(无地震作用组合)。
　　2) 墙肢偏心受压斜截面承载力计算
钢筋混凝土剪力墙偏心受压时的剪切破坏形态与受弯构件相似。它有三种破坏形态，即斜拉破坏、斜压破坏和剪切破坏。对斜拉破坏和斜压破坏，一般采用构造措施来防止，如：剪力墙墙肢内水平分布钢筋必须满足最小配筋率的要求等。在进行剪力墙设计时，通过斜截面受剪承载力计算确定墙体的水平分布钢筋，防止剪切破坏发生。
　　3) 偏心受拉剪力墙正截面承载力计算
对于偏心受拉构件，当为大偏心受拉。此时，可以依照偏心受压的计算方法：当为小偏心受拉，此时剪力墙处于全截面受拉状态，可以忽略混凝土的抗拉作用，拉力全部由钢筋承担。在离抗力N较近端，构件破坏时纵向钢筋屈服，而远端钢筋不屈服。
　　4) 偏心受拉剪力墙斜截面承载力计算
依照剪力墙剪压破坏时的计算公式，考虑在受拉破坏状态时，轴向拉力与轴向压力作用方向相反，就可以得到剪力墙偏心受拉的斜截面承载力。
2.连梁承载力计算
　　连梁的正截面承载力按一般受弯构件计算；连梁的斜截面承载力分无地震组合和有地震组合分别按相应的公式计算。
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