高层结构课后重点习题

1.高层建筑结构的发展趋势有哪些？

1.构件立体化2.结构支撑化3.形体多样化4.材料高强度化5.建筑轻量化

6组合结构化7.结构耗能减震化中国建筑业正面临更大的发展机遇，人口及城

市发展与用地之间的矛盾使高层建筑的发展成为必然。高层建筑所需承担的载荷

和倾覆力矩将越来越大，在确保高层建筑具有足够可靠度的前提下，为了进一步

节约材料和降低造价，高层建筑结构构件将不断的更新,设计理念也将不断发展。

2.高层结构设计特点：

水平荷载时设计的主要因素，侧向位移是结构设计控制因素，结构延性是重要的

设计指标，轴线变形不容忽视，减轻高层建筑自重比多层结构更重要。

3.高层建筑常采用的结构体系有哪些？它们各自有哪些特点？

多、高层建筑有以下结构体系：L框架结构2.剪力墙结构3.框架-剪力墙结构4.

框架-筒体结构5.框筒结构6.筒中筒结构7.多筒结构8.悬挂结构9.巨形框架结

构10.巨形桁架结构11.刚性横梁或刚性桁架结构。

框架结构:优点1.空间大2.延性好3.造价稍低。缺点1.承载力低2.刚度小（柔

性结构）3.侧移大4.非结构构件破坏重，维修费用高5.次生内里复杂6.缺少二

道防线7.震区建筑物28层时不应采用8.P-△效应显著。需要指出的是，在框

架结构的缺点中，致命的缺点是缺少二道防线，这将显著降低结构抗震能力。

剪力墙结构的优点是抗侧移刚度大、变形小，因而非结构构件损坏少，断水、断

电、火灾等次生灾害小。结构次生内力、P-△效应不显著，弹塑性稳定性等问题

不突出。缺点是平面布置不够灵活，大房间受到限制，结构自重大，刚度大，

周期短，所受地震力大，可采用调整刚度的方法减少以上缺点。

框架-剪力墙结构1.侧移小（同框架比）2.减轻节点负担3.增加超静定次数4.

保证塑性较均匀发展5.层间侧移趋于均匀6.框架部分各层层剪力趋于均匀。缺

点是水平方向刚度不均匀。筒体结构优点1,承载力高2.空间刚度大3.抗震抗风

性能好4.适用于20层以上，层数较多的高层建筑。缺点1.计算量大，必须机算

2.计算复杂3.施工难度大。

超限高层

是指超过规范要求限制的高层建筑。超限高层审查是在项目的初步设计阶段，

按国家建设部要求，申请全国超限高层审查委员会组织专家从技术角度进行多方

论证，力求在抗震、消防等方面保证建筑物的质量安全。

4.结构平面不规则和竖向不规则类型有哪些?它们是如何判断？

平面：1）扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端

弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍；

2）凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%；

3）楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化例如有效楼板宽度小于该

层楼板典型宽度的50%或开洞面积大于该层楼面面积的30%或较大的楼层错层。

竖向（1）侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其

上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的

水平向尺寸大于相邻下一层的25%；

2）竖向抗侧力构件不连续：竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力

由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递；

3）楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80虬

5.伸缩缝：建筑构件因温度和湿度等因素的变化会产生胀缩变形。为此，通常在

建筑物适当的部位设置垂直缝隙，自基础以上将房屋的墙体、楼板层、屋顶

等构件断开，将建筑物分离成几个独立的部分。伸缩缝缝宽20~30mm,内填弹

性保温材料防震缝：为使建筑物较规则，以期有利于结构抗震而设置的缝，基

础可不断开。它的设置目的是将大型建筑物分隔为较小的部分，形成相对独立

的防震单元，沉降缝的宽度一般为30~120mm。

沉降缝：沉降缝把建筑物划分成几个段落，自成系统，从基础、墙体、楼板到

房顶各不连接。缝宽一般为30〜70毫米。将建筑物或构筑物从基础至顶部完全

分隔成段的竖直缝。借以避免各段不均匀下沉而产生裂缝。通常设置在建筑高低、

荷载或地基承载力差别很大的各部分之间，以及在新旧建筑的联接处。

7.为什么计算高层建筑结构在竖向荷载作用下的内力时可以不考虑活荷载的折

减和活荷载的不利布置？

在高层建筑中，恒荷载较大，占了总竖向荷载的&5%以上。活荷载相对较小,

所以在实际工程中，往往不考虑折减系数，按全部满荷载计算，有在设计基础时

考虑折减系数的。

在计算高层建筑结构竖向荷载下产生的内力时，可以不考虑活荷载的不利布

置，按满布活荷载一次计算。因为高层建筑中，活荷载占的比例很小（住宅、旅

馆、办公楼活荷载一般在L5~2.5KN/m?内，只占全部竖向荷载的10—15%）,活

荷载不同布置方式对结构内力产生的影响很小；再者，高层建筑结构是复杂的空

间体系，层数、跨数很多，不利分布情况太多，各种情况都要计算工作量极大，

对实际工程设计往往是不现实的。

8.高层结构计算时，基本风压、风荷载体型系数和高度变化系数应如何取值？

基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇lOmin

平均最大风速（单位：kN/m2）为标准，确定的风压值。但不得小于0.3kN/m2。

对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的高层结构，

风压高度变化系数按《荷载规范》取用。风速大小与高度有关，一般地面处的风

速较小，愈向上风速愈大。但风速的变化还与地貌及周围环境有关。

风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际风压与基本风压的比

值，它描述了建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力的分布规律，主要与建筑

物的体型和尺寸有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。

在计算风荷载对建筑物的整体作用时，只需按各个表面的平均风压计算，即采用

各个表面的平均风载体型系数计算。对高层建筑，风荷载体型系数与建筑的体型、

平面尺寸等有关

9.高层结构设计时主要考虑的作用：竖向荷载，风荷载，地震作用，雪荷载，材

料体积变化受阻引起的作用，地基不均匀沉降等引起的附加荷载。

6.在什么情况下需要考虑竖向地震作用效应？

8度及9度抗震设防时，水平长悬臂构件、大跨度结构以及结构上部楼层外挑部

分要考虑竖向地震作用。8度和9度设防时竖向地震作用的标准值，可分别取该

结构或构件承受的重力荷载代表值的10%和20%进行计算。

16.底部剪力法和振型分解反应谱法在地震作用计算时有何异同？

答：根据大量的强震记录，求出不同自振周期的单自由度体系地震最大反应，取

这些反应的包线，称为反应谱。以反应谱为依据进行抗震设计，则结构在这些地

震记录为基础的地震作用下是安全的，这种方法称为反应谱法。利用反应谱，可

很快求出各种地震干扰下的反应最大值，因而此法被广泛应用。以反应谱为基础,

有两种实用方法。

（1）振型分解反应谱法

此法是把结构作为多自由度体系，利用反应谱进行计算。对于任何工程结构，

均可用此法进行地震分析。

（2）底部剪力法

对于多自由度体系，若计算地震反应时主要考虑基本振型的影响，则计算可以

大大简化，此法为底部剪力法，是一种近似方法。利用这种方法计算时，也是要

利用反应谱。它适用于高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分

布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构。

用反应谱计算地震反应,应解决两个主要问题:计算建筑结构的重力荷载代表值;

根据结构的自振周期确定相应的地震影响系数。

10.为什么要整体倾覆验算：

当高层，超高层建筑高宽比较大，水平风荷载和地震作用较大，地基刚度较弱时,

结构整体倾覆验算十分重要，直接关系到整体结构安全度的控制。

11.重力二阶效应的概念：

侧向刚度较柔的建筑物，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移^,

由于结构在竖向荷载P的作用下，使结构进一步增加侧移值且引起结构内部各构

件产生附加内力。这种使结构产生几何非线性的效应，称之为重力二阶效应。

重力二阶效应将降低结构的承载力和结构的整体稳定。

12.D值法中的D的物理意思是什么？

柱的抗侧移刚度不但与柱的线刚度和层高有关,而且还与梁的线刚度有关,另外,

柱的反弯点高度也与梁柱线刚度比、上下层横梁的线刚度比,上下层层高的变化

等因素有关.日本武藤清教授在分析了上述影响因素的基础上，对反弯点法中柱

的抗侧移刚度和反弯点高度进行了修正.修正后,柱的抗侧移刚度以D表示,故此

法又称“D值法”，也成为修正反弯点法.因此D的物理意义是柱的抗侧移刚度”

13.影响水平荷载下柱反弯点位置的主要因素是什么？

柱反弯点位置与柱端转角有关，即与柱端约束有关。当两端固定时，或两端

转角相等时，反弯点在柱中点；当柱一端约束较小，即转角较大时，反弯点向该

端靠近，极端情况为一端较接，弯矩为0,即反弯点在较接端，规律就是反弯点

向约束较弱的一端靠近。

具体来讲：结构总层数、梁柱线刚度比、荷载形式、上层梁与下层梁刚度比、上

下层层高比。

14.剪力墙有哪几种类型？

（1）整截面墙，指没有洞口的实体墙或洞口很小的剪力墙，受力状态如竖向悬臂

构件。剪力墙高宽比较大时，受弯变形后截面仍保持平面，法向应力呈线性分布;

（2）整体小开口墙，指洞口稍大且成列分布的剪力墙，截面上法向应力稍偏离直

线分布，相当于整体弯矩直线分布和墙肢局部弯矩应力的叠加。墙肢的局部弯矩

一般不超过总弯矩的15%,且墙肢在大部分楼层没有反弯点。（3）联肢墙，指洞

口更大且成列布置，使连梁刚度比墙肢刚度小得多，连梁中部有反弯点，各墙肢

单独作用较显著，可看成若干个单肢剪力墙由连梁联结起来的剪力墙。当开有一

列洞口时为双肢墙，当开有多列洞口时为多肢墙。4）壁式框架，当洞口宽而大，

墙肢宽度相对较小，墙肢刚度与连梁刚度相差不太远时，剪力墙的受力性能与框

架结构相类似；其特点是墙肢截面的法向应力分布明显出现局部弯矩，在许多楼

层内墙肢有反弯点

15.整体小开口剪力墙的内力和位移计算：

其内力可仍按材料力学公式计算。再考虑局部弯曲的影响稍作修正。

1）内力计算先将整体小开口墙视为一个上端自由、下端固定的竖向悬臂构件。

计算出标高z处（第i楼层）截面的总弯矩iM和总剪力iV,再进行计算各墙肢

的内力。由于局部弯曲并不在各墙肢中产生轴力，故各墙肢的轴力等于整体弯曲

在各墙肢中所产生正应力的合力；当剪力墙符合整体小开口墙的条件而又有个别

细小墙肢时，细小墙肢会产生显著的局部弯曲，使墙肢弯矩增大。此时，细小墙

肢截面弯矩宜再附加一个局部弯矩；

2）位移和等效刚度试验及有限元分析表明：由于洞口的削弱影响，整体小开口

墙的位移比按材料力学计算的位移增大20%左右。其考虑弯曲和剪切变形后的顶

点位移公式仍可按整截面剪力墙的简化计算公式计算。

16.如何区分较接和刚接体系

（1）钱接体系是指墙肢之间没有连梁，或者有连梁而连梁很小（aWl）,

墙肢与框架柱之间也没有联系梁，剪力墙和框架之间仅靠楼板协同工作，所有剪

力墙和框架在每层楼板标高处的侧移相等。

（2）刚接体系是指墙肢之间有连梁（a21）和/或墙肢与框架柱之间有联系梁相

连，则这些联系梁对墙肢会起约束作用。

17.什么是刚度特征值入？它对内力分配、侧移变形有什么影响？

1）刚度特征值人是框架抗推刚度（或广义抗推刚度）与剪力墙抗弯刚度的比值，

它集中反映了结构的变形状态及受力状态。

2）人对侧移曲线的影响：框架一剪力墙结构体系的侧向位移曲线呈弯剪型，结

构侧移曲线随刚度特征值人的变化而变化。当人值较小（如入=1）可知，总框

架的抗推刚度较小、总剪力墙的等效抗弯刚度相对较大，结构的侧移曲线接近弯

曲型，这时剪力墙起主要作用；而当人较大（如入=6）时，总框架的抗推刚度

相对较大，总剪力墙的等效抗弯刚度相对较小，框架的作用愈加显著，所以结构

的侧移曲线接近剪切型；当人在1〜6之间时，结构侧移曲线介于二者之间，表

现为弯剪型，即下部以弯曲变形为主，越往上部逐渐转变为剪切型。

（3）人对结构内力的影响：框架、剪力墙之间的剪力分配关系随人变化：当入

很小时，剪力墙承担大部分剪力；当人很大时，框架承担大部分剪力。框架和剪

力墙之间的剪力分配关系随楼层的不同而变化：剪力墙的下部受力较大；而框架

的中部受力较大。

18.筒体结构的布置体系，特点

框架-核心筒结构：由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。南京玄武

饭店，特点：这一结构形式有利于提高结构整体的受力性能，从而提高高层建筑

物抗震性能。良好的受力性能和内部空间的灵活性

框筒结构：外围为密柱框筒，内部为普通框架柱组成的结构。框架-核心筒结构

有良好的受力性能2、内部空间的灵活性3、具有较高的抗侧移刚度。

筒中筒结构：由核心筒与外围框筒组成的高层建筑结构。纽约世贸中心

内、外筒之间空间较大，可灵活进行平面布置；通过设计各种不同平面的筒体，

可获得较好的立面效果。

成束筒：是想由两个以上框筒或其他筒体排列成束状，称为成束筒，可更充分发

挥结构空向作用，其刚度和强度都有很大提高，可建造层数更多、高度更高的高

层建筑。

19.筒体结构的高宽比、平面长宽比、柱距立面开洞情况有哪些要求？为什么要

提这些要求？

高宽比大于3才能发挥框筒的作用，长宽比不超过2,否则在长一边，剪力滞后

非常严重，长边中柱不能充分利用。开孔率是框筒结构的重要参数之一，框筒的

开孔率不宜大于60,且洞口高宽比宜尽量和层高与柱距之比相似。

20什么是组合结构，组合结构与混合结构是什么关系？

1.同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。具体而言，

包括两种结构：1.钢与混凝土组合结构；2.组合砌体结构。

2.混合结构是相对于指单一结构如碎、木结构、钢结构而言的，是指多种结构形

式总和而成的一种结构。最常用的是钢筋混凝土和砖木的混合

21什么叫钢-混凝土组合结构？如何发挥各自的性能？

钢-混凝土组合结构是由钢材和混凝土两种不同性质的材料经组合而成的一种新

型结构。是钢和混凝土两种材料的合理组合，充分发挥了钢材抗拉强度高、塑性

好和混凝土抗压性能好，弥补彼此各自的缺点钢-混凝土结构中钢骨、钢筋、混

凝土三种材料协同工作。钢骨和混凝土直接承受荷载，由于混凝土增大了构件截

面刚度，防止了钢骨的局部屈曲，使钢骨部分的承载力得到了提高另外，被钢骨

围绕的核心混凝土因为钢骨的约束作用，使核心区混凝土的强度得以提高，钢骨

和混凝土二者的材料强度得到了充分的发挥，从而使构件承载力大大提高：

22.型钢混凝正截面计算基本假定：

1.截面应变保持平面2.不考虑混凝土的抗拉强度3.受压边