高层建筑结构设计作业答案

《高层建筑结构设计》作业答案

第1章概述

思考题：

1、什么是高层建筑和高层建筑结构？JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》和

JGJ99-1998《高层民用建筑钢结构技术规程》是如何规定的？

答：高层建筑尚无统一的严格定义，不同国家、不同时期，对高层建筑定义也不同，但原则

上是以层数和建筑高度来标定的。如：

德国规定22m以上的建筑物为高层建筑

英国规定24.3m以上的建筑物为高层建筑

美国规定24.6m以上或7层以上的建筑物为高层建筑

法国规定居住建筑物高度在50m以上，其他建筑物高度在28m以上的建筑为高层建筑

日本规定8层以上或者高度超过31m的建筑为高层建筑，而30层以上的旅馆、办公楼和20

层以上的住宅为超高层；

前苏联则把9层和9层以上视为高层建筑；

联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会在1972年年会上建议将高层建筑为四类

第一类高层建筑9〜16层（高度不超过50m）；

第二类高层建筑17〜25层（高度不超过75m）；

第三类高层建筑26〜40层（高度不超过100m）；

第四类高层建筑40层以上（高度超过100m以上，即超高层建筑）；

JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：将10层及10层以上或高度超过28m的

混凝土结构为高层民用建筑；

JGJ99-1998《高层民用建筑钢结构技术规程》规定：10层及10层以上的住宅和约24m以上

的其他民用建筑为高层建筑。

高层建筑结构是高层建筑中的主要承重骨架。

2、高层建筑结构中结构轴力、弯矩和位移与结构高度的关系大体如何？

答：高层建筑结构中

轴力和结构高度成线性关系；

弯矩和结构高度成二次方关系；

位移和结构高度成四次方关系。

3、按功能材料分，高层建筑结构类型主要有哪几种？

答：按功能材料分：

①混凝土结构

②钢结构

③钢和混凝土的混合结构型式.

4、高层建筑的抗侧力体系主要有哪几类？各有哪些组成和承受作用特点？

答：高层建筑的抗侧力类型主要有：框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、筒体结构、

悬臂结构及巨型框架结构。

组成和承受作用特点：

①框架结构体系架结构体系有线型杆件一梁和柱作为主要构件组成的，承受竖向和水平作

用；

②剪力墙结构体系：混凝土墙体组成，承受全部竖向和水平作用的；

③框架一剪力墙结构体系：框架结构中布置一定数量的剪力墙组成由框架和剪力墙共同承

受竖向和水平作用；

④筒体结构体系：由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用；

⑤悬臂结构体系：在钢筋混凝土内筒为主要受力结构的高层建筑中，从内筒不同高度处伸

出金属悬臂杆，并在其端部挂有钢吊杆与内筒共同承受各层楼板的自重与附加的活荷载；

⑥巨型框架结构体系：由若干巨柱以及巨梁组成，承受主要的水平力和竖向荷载；其余的

楼面截面梁柱组成二级结构，只将楼面荷载传递到巨型框架结构上去。

第2章高层建筑结构受力特点和结构概念设计

思考题：

5、高层建筑中活荷载的不利布置一般怎样考虑？为什么要这样考虑？

答：高层建筑中活荷载的不利布置一般不考虑楼面及屋面活荷载的不利布置，而是按满布考

虑进行计算，但是当楼面活荷载大于4.0kN/itf时，各截面内力计算时仍考虑活荷载的布置,

按不利荷载计算结构在竖向荷载作用下的内力。

不考虑活荷载不利布置是因为：

1）在高层建筑中各种活荷载占竖向荷载的比例很小，活荷载一般在1.5〜2.5kN/ltf范围内，

只占全部竖向荷载的10%〜20%,因此活荷载不同的布置方式对结构内力产生的影响很小；

2）高层建筑结构是个复杂的空间体系，层数与跨数多，不利分布的情况复杂多样，计算工作

量极大且计算费用上不经济，为了简化起见，可以不考虑活荷载不利分布，按满布方式布置

作内力计算后再将框架梁的跨中弯矩乘以L1~1.3的放大系数。

6、高层建筑结构所受的风荷载主要与哪些因素有关？总风荷载是怎样计算的？

答：高层建筑结构所受的风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、

风速、风向以及高层建筑自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。

总风荷载是建筑物各个表面承受风力的合力，是沿高度变化的分布荷载，总风荷载的作用点

是各个表面风荷载的合力作用点。

Z高度处总风荷载值的大小为

印"2叱=0/卯》人dcos%

z=li=l

=居〃产o3次COS%+42夕2cos%+…+44cos%+…氏种“cos%）

式中〃si—第i个表面的平均风荷载体型系数；

月一第i个表面的宽度；

名—第i个表面的法线与风荷载作用方向的夹角；

”一建筑物的外围表面总数。

7、什么是地震作用？地震作用大小与哪些因素有关?

答：地震作用是指地震波从波源通过基岩传播引起的地面运动，使处于静止的建筑物受到动

力作用而产生的强烈振动。地震作用的大小与地震波的特性有关，还与场地土性质及房屋本

身的动力特性有很大关系。

8、高层建筑结构抗震设防的三水准要求是什么？为达到这些要求，应采用哪几个阶段抗震

设计方法？

答：高层建筑结构抗震设防的三水准要求使“小震不坏，中震可修，大震不倒”，即：高层

建筑结构在小震作用下应维持在弹性状态，建筑物一般不受损坏或不修理仍可继续使用，为

第一水准；在中等烈度的地震作用下，可以局部进入塑性状态，可能有一定的损坏，但结构

不允许破坏，震后经一般修复可以继续使用，为第二水准；当遭受强烈地震作用时，建筑物

不应倒塌或发生危及生命的严重破坏，为第三水准。

为达到这些要求，应采用两阶段抗震设计方法：

第一阶段设计：是针对所有进行抗震设计的高层建筑。除了确定结构方案和进行结构布置时

考虑抗震要求外，还应按照小震作用进行抗震计算和保证结构延性的抗震构造设计，以达到

小震不坏，中震可修，大震不倒。

第二阶段设计：主要针对甲级建筑和不规则的结构。用大震作用进行结构易损部位（薄弱层）

的塑性变形验算。

9、高层建筑结构地震作用的计算方法有哪些？它们的实用条件是什么？

答：高层建筑结构地震作用的计算方法主要有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法

实用条件：

①高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超

过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。

②高度不超过40m、以剪力变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可

采用底部剪力法。

③7〜9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计

算，

A、甲类高层建筑结构。

B、表2.4所列的乙、丙类高层建筑结构。

C、结构竖向布置特别不规则的高层建筑结构。

D、带转换层、带加强层、错层、连体、多塔楼等复杂高层建筑结构。

E、质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。

表2.4采用时程分析法的高层建筑结构

设防烈度、场地类别建筑高度范围

8度I、II类场地和7度>100m

8度III、IV类场地>80m

9度>60m

10、采用底部剪力法计算水平地震作用的步骤是什么？在什么情况下需要考虑竖向地震作

用？

答：采用底部剪力法计算水平地震作用的步骤：

①每一楼层作为一个质点，当顶部有局部突出的小屋时，可将其视为一个集中质点；

②求各质点重力荷载代表值；

③求结构等效总重力荷载代表值；

④求结构基本周期Ti；

⑤求相应于结构基本周期Ti的地震动影响系数；

⑥按“K=aQeq此式求总水平地震作用FEK；

⑦按△工=8nFEK求顶部附加水平地震作用AF„；

⑧按耳=?凡&八1—求各质点的水平地震作用口；

力四

按力学方法求各层结构的地震作用效应，对于突出屋面的房屋（楼梯间、电梯间、水箱

间等）宜作为一个质点参加计算，计算求得的水平地震作用标准值应增大，增大系数月“可按

P21-22表2.9采用。增大后的地震作用仅用于突出屋面房屋自身以及与其直接相连的主体

结构构件设计。

在高层建筑9度抗震设计时，以及对于8度、9度抗震设计的大跨度、长悬臂结构的

情况下应计算竖向地震作用。

11、高层建筑结构基本自振周期的近似计算方法有哪些？

答：①高层框架结构、框架一剪力墙结构和剪力墙结构的自振周期近似计算公式

=1.79rJ"T

②以剪切变形为主的高层框架结构的自振周期（以能量法为基础）

力£

4=2硬T-----

腔GA

Ii=i

③框架一剪力墙结构的自振周期

在采用微分方程建立自由振动方程解无限自由度体系连续结构的基础上,求出结构动力

特性，查p26图2.6可以由下式计算第1、2、3振型的自振周期

T,=9/2万一（加1,2,3）

VgEI

w=———

H

④经验公式

一般情况下，高层钢筋混凝土结构的基本自振周期刀为

7；=（0.05〜0.10）〃

钢筋混凝土框架结构、框架一剪力墙结构：I=0.25+0.00053『

H2

钢筋混凝土剪力墙结构：7；=0.03+0.03^=

12、减少高层建筑温差影响的措施是什么？

答：在高层建筑中，减少温差影响的综合技术措施主要有：

①采取合理的平面和立面设计，避免截面的突变。

②合理选择结构形式，降低结构约束程度，从而减少约束应力。

③合理布置分布钢筋，重视构造钢筋作用，加强构造配筋。

④在顶层、屋顶、山墙及纵墙两端开间等温度变化影响较大部位提高配筋率。

⑤优选有利于抗拉性能的混凝土级配，减少坍落度，对于超长结构采用后浇带方法施

工或将结构划分为长度较短的区段。

13、设沉降缝的目的是什么？在实际设计中常用的处理方法有哪些？

答：设沉降缝的目的是避免不均匀沉降的影响，避免由于地基不均匀沉降产生的结构内力。

常用的处理方法：

①采取利用压缩性小的地基，减少总沉降量及沉降差。

②对于有不同高度及基础设计成整体的结构,在施工时它们暂时断开,待主体结构施工完毕,

已完成大部分沉降量以后再浇灌连接部分的混凝土。

③将裙房做在高层建筑的悬挑基础上，达到裙房与高层部分沉降一致。

④综合采用上述方法处理。

14、高层建筑结构的工作特点有哪些？其布置原则是什么？

答：高层建筑结构的工作特点：

①结构设计时，应考虑高层建筑结构的整体工作性能；

②水平作用对高层建筑结构的影响占主导地位；

③高层建筑结构具有刚度大、延性差、易损的特点；

④在进行结构设计时，应考虑结构的薄弱层。

其布置原则：高层建筑不应采用严重不规则的结构体系；宜采用规则结构，［即体型（平面、

立面）规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的

刚度、承载力和质量分布均匀，无突变的结构］;应使结构具有必要的承载能力、刚度和变

形能力；应避免部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承载重力荷载、风荷载和地震作

用的能力；对可能出现的薄弱部位应采取有效的措施予以加强，宜设置多道防线。

15、高层结构剪力墙设计中，剪力墙的布置应满足什么要求？

答：（1）高宽比限制

高层结构剪力墙的最大适用高宽及高宽比应满足水平荷载作用下的整体抗倾覆稳定性

要求。

（2）结构平面布置

①剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；一般情况下，采用矩形、

L型、T形平面时，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置；三角形及Y形平面可沿三个方向布

置；正多边形、圆形和弧形平面，则可沿径向及环向布置。

②关高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。

③剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的短肢和连梁。

④同一轴线的连续剪力墙过长时，应该用楼板（不设连梁）或细弱的连梁分成若干各墙

段，每个墙段相当于一片独立剪力墙，墙段的高宽比应不小于2。

⑤剪力墙结构中，如果剪力墙的数量太多，会使结构刚度和重量都太大，，不仅材料用

量大而且地震力也增大，一般采用大开间剪力墙比采用小开间剪力墙更好。

(3)结构竖向布置

①普通剪力墙结构的剪力墙应在整个建筑竖向连续，上应到顶，下要到底，中间楼层不

要中断。

②为减少上下剪力墙结构的偏心，一般情况下厚度宜两侧同时内收。

③剪力墙的洞宜上下对齐，成列布置，使剪力墙形成明确的墙肢和连梁。

④剪力墙相邻洞口之间及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。

⑤采用刀把形剪力墙会使剪力墙受力复杂，应力局部集中，而且竖向地震作用会产生较

大的影响，宜十分慎重。

⑥抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层

二者的较大值，当剪力墙高度超过150m时，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度得到

1/10；部位框支剪力墙底部加强部位的高度可取框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8

二者的较大值。

16、什么是高层建筑结构的概念设计？在进行概念设计时的要点主要有哪些？

答：高层建筑结构的概念设计是指工程结构设计人员运用所掌握的理论知识和工程经验，在

方案阶段和初步设计阶段，从宏观上，总体上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的

一些最基本、最本质也是最关键的问题，主要涉及结构方案的选定和布置、荷载和作用传递

路径的设置、关键部位和薄弱环节的判定和加强、结构整体稳定性保证和耗能作用的发挥以

及承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配；结构分析理论的基本假定等。

在进行概念设计时的要点：

①结构简单规则均匀；

②刚柔适度，性能高

③加强连接，整体稳定性强；

④轻质高强、多道设防。

第3章结构设计的一般原则

思考题：

17、高层建筑设计采用的三个基本假定是什么？

答：三个基本假定

①弹性变形假定；

②刚性楼板假定；

③平面抗侧力假定。

18、什么是荷载效应和荷载效应组合？荷载效应组合可分哪几种？

答：荷载效应是指由作用引起结构和结构构件的反应，可体现为内力、变形及裂缝等。

荷载效应组合是指按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载

效应设计值规定的组合。

荷载效应组合可分为基本组合、标准组合和准永久组合三种组合

19、对于60m以下8度抗震设计的高层建筑需要考虑哪些荷载效应组合？

答：重力荷载、水平地震荷载及竖向地震荷载组合。

20、什么是结构的延性？结构应具有哪些特点才能具有较好的延性？

答：结构延性是结构屈服后变形能力大小的一种性质，是结构吸收能量能力的一种体现，常

用延性系数来表示。

结构应具有较好延性特点：

①强柱弱梁；

②强剪弱弯；

③强节弱杆；

④强压弱拉。

21、为什么要对高层建筑进行罕遇地震作用下薄弱层的抗震变形验算？是怎么验算的？

答：在大量的震害表明，建筑中如果存在薄弱层或薄弱部位，在强烈地震作用下，结构薄弱

部位强产生弹塑性变形，结构严重破坏甚至引起结构倒塌，对于生命线工程而言，工程关键

部位一旦遭受破坏将带来严重后果，因此在第二阶段设计中，为达到“大震不倒”的目的，

必须对高层建筑结构在罕遇地震作用下进行薄弱层的抗震变形验算。

抗震变形验算：结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合A与〈Bp]/z

对于入8、9度抗震设计的高层建筑结构，在罕遇地震作用下，薄弱层（部位）弹塑性

变形A与计算采用以下方法

方法1：层间弹塑性位移计算式（不超过12层且层侧向刚度无突变的框架结构）

△%=仆%或Mp=3丫=）~"

Gy

方法2：采用弹塑性时程分析方法计算薄弱层层间弹塑性位移（适用方法1中以外的建筑结

构）

22、应怎样计算高层建筑层间弹塑性位移？

答：层间弹塑性位移简化计算式为

Aup或Aup=juAuy

Gy

A%一层间弹塑性位移；

A”,一层间屈服位移；

〃一楼层延性系数；

一罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移，此时，水平地震影响系数最大值按p44

表3.7采用；

%—弹塑性层间位移增大系数，当薄弱层（部位）的屈服强度系数不小于相邻层（部

位）该系数平均值的0.8时，可按p44表3.8采用，当不大于该平均值的0.5时，可按表内

的相应数据的1.5倍采用；其余情况采用内插法取值。

还可采用弹塑性时程分析方法计算薄弱层层间弹塑性位移。

23、多道抗震防线的含义和目的是什么？对于框架-剪力墙体系、框架-筒体体系、筒中筒体

系、交叉支撑及耗能器结构中，多道防线分别是哪些？

答：多道抗震防线的含义，一是指一个抗震结构体系，应有若干个延性较好的分体系组成，

并由延性较好的结构构件将各分体系联系起来协同工作;二是指抗震结构体系应有最大可能

数量的内部、外部赘余度，有意识的建立起一系列分布的屈服区，以使结构能吸收和消耗大

量的地震能量，一旦遭受破坏也易于修复。

框架一剪力墙体系是由延性框架和剪力墙二个系统组成，剪力墙为第一道防线，框架为第二

道防线；框架一筒体体系是延性框架和筒体组成，筒体为第一道防线，框架为第二道防线；

筒中筒体系是内实腹筒及外空腹筒组成，内内实腹筒为第一道防线,外空腹筒为第二道防线；

在交叉支撑及耗能器结构中，交叉耗能支撑和耗能阻尼器为第一道防线，结构本身为第二道

防线。

24、什么是延性系数？进行延性结构设计时应采用什么方法才能达到抗震设防三水准目标？

答：延性系数是结构最大变形与屈服变形的比值，即〃=AM/A,

进行延性结构设计时是通过验算薄弱层弹塑性变形，并采取相应的构造措施使结构有足够的

变形能力来达到抗震设防三水准目标。

第4章框架结构设计

思考题：

25、框架结构定义及优点、缺点及其适用范围如何？

答：框架结构是指由梁柱杆系构件构成，能承受竖向和水平荷载作用的承重结构体系。

优点：框架结构平面布置灵活，可根据需要分隔成小房间或者改成大房间；结构自重较

轻。

缺点：框架结构侧向刚度较小。

适用范围：仅适用于房屋高度不大、层数不多的结构

26、框架结构的破坏机理是什么？

答：竖向荷载作用下，一般情况，梁端抗弯承载力首先达到其极限承载力，出现塑性较区域,

相应地梁端截面转角位移显著加大，内力向跨中发生转移，导致跨中弯矩进一步提高，跨中

挠曲变形增大，直至破坏。水平荷载作用下，框架柱承受水平剪力和柱端弯矩，并由此产生

水平侧移，同时由水平力引起的倾覆力矩，使框架的近侧柱拉伸、远侧柱压缩，形成框架的

整体弯曲变形，水平力也引起楼层剪力，使梁、柱产生垂直其杆轴线的剪切变形和弯曲变形,

形成框架的整体剪切变形，直至破坏。

27、框架结构结构整体布置原则有哪些？

答：（1）高宽比限制

水平荷载是高层框架结构的主要荷载，由此产生的整体倾覆力矩可能使部分柱受拉，整

体抗倾覆稳定性验算要求决定了结构的最大高度。框架结构高宽比限值满足非抗震设计时为

5；设防烈度为6度、7度时为4；8度时为3；9度时为2。

(2)框架结构结构平面布置及竖向布置应按照第二章2.3节的要求布置。

28、框架结构梁、柱构件截面几何尺寸的初选方法是什么？

答：⑴梁

梁高：h=(-------)1

b'1018

梁宽：%=§一;)%

(2)柱：

柱截面面积一般根据轴压比限值[〃]=已估算，同时截面的高度、宽度要满足以

下要求：么、田2(：〜

29、分层法计算竖向荷载作用下平面框架结构的荷载效应时的基本假定是什么？

答：分层法的基本假定

(1)梁上荷载仅在该梁上与其相连的上下层柱上产生内力，在其他层梁及柱上产生的内力可

忽略不计；

(2)竖向荷载作用下框架结构产生的水平位移可忽略不计。

30、分层法计算时为什么要将上层柱的线刚度乘以0.9进行折减？传递系数为什么要变为

0.3333?

答：在分层的时候，各个开口刚架的上下端均为固定支承，而实际上，除底层的下端外，其

他各层柱端均有转角产生，即上层的刚架中，其它层对本层刚架约束作用应介于钱支承与固

定支承之间的弹性支承，为了改善由此所引起的误差，在计算时做以下修正：①除底层以外

其他各层柱的线刚度均乘0.9的折减系数；②除底层以外其他各层柱的弯矩传递系数取为

1/3.

31、分层法所得弯矩荷载效应计算结果有什么特征？节点力矩不平衡时通常如何处理？

答：在求得各开口刚架中的结构内力后，则可将相邻的两个开口刚架中同层柱号的柱内力叠

加，作为原框架中柱的内力，而分层计算所得的各层梁的内力，即为原框架结构中相应层次

的梁内力，分层法所得的框架节点处的弯矩之和常常不等于零。

节点不平衡力矩较小(小于10%),直接按叠加成果进行下一步计算，否则需再分配

一次，修正原杆端弯矩，得到最终计算成果。

32、反弯点法计算水平荷载作用下平面框架结构的荷载效应时，其基本假定是什么？

答：(1)梁的线刚度与柱线刚度之比大于3时，可认为梁刚度为无限大；

(2)梁、柱轴向变形均可忽略不计。

33、柱抗侧移刚度的物理意义是什么？

答：柱抗侧移刚度指无角位移的两端固定杆件，单位侧移时所产生的剪力。

34、反弯点法计算弯矩时，与框架中节点相连的梁端弯矩计算公式说明了什么？

答：反弯点法计算弯矩时，与框架中节点相连的梁端弯矩计算公式说明了梁端弯矩不当与相

连的柱端弯矩有关，而且还与该梁的线刚度成正比。

35、D值法的基本假定是什么？

答：（1）水平荷载作用下，框架结构同层各结点转角位移相等；

（2）梁、柱轴向变形均忽略不计。

36、柱反弯点高度与哪些因素有关？

答：柱反弯点高度与荷载形式、梁柱刚度比、建筑物总层数和柱所在的楼层号有关。

37、什么是标准反弯点高比？

答：根据标准框架总层数n,计算柱所在层数m,梁、柱线刚度比k,以及水平荷载形式由

有关表格查得的反弯点高度与计算柱高度的比值。

38、反弯点法与D值法计算框架结构内力的具体步骤是什么？

答：反弯点法计算步骤

①多层多跨框架在水平荷载作用下，当梁柱线刚度之比值⑥423时，可采用反弯点

法计算杆件内力。

②计算柱子抗侧移刚度4；

③计算各层总水平剪力Vpj,按每柱抗侧移刚度分配计算柱水平剪力匕;

④根据各柱分配到的剪力及反弯点位置，计算柱端弯矩

上层柱：上下端弯矩相等乂尸产%也/2

底层柱：上端弯矩可〃上=%%/3

下端弯矩"〃下=2匕也/3

⑤根据结点平衡计算梁端弯矩，如图所示

对于边柱：Mb=Mij±+M,j+^

对于中柱：设梁的端弯矩与梁的线刚度成正比，则

左=（〃肚下）」

%左乜右

〃陆上下）.

%左+“右

⑥可根据力的平衡原则，由梁两端的弯矩求出梁剪力。

D值法与反弯点法计算步骤类似。只需将柱子抗侧移刚度和柱反弯点高度按D值和D

值法反弯点高度y进行修正。

39、框架结构在水平荷载作用下的侧移是由哪几部分组成的？各怎样计算?

答：水平侧移A由框架梁、柱弯曲和剪切变形产生的水平位移A”。和由于框架柱轴向变形

产生的水平位移AN两部分组成，即公=公”0+4.

梁、柱弯曲变形产生的侧移公攻计算：

§=Vpi

第i层的层间位移2

'Z为

4=£或

第i层的水平位移A

k=l

A=之M女

顶点位移为A

k=\

框架柱轴向变形产生的水平位移AN:AN=叱2FN

40、为什么对高层建筑结构来说，必须验算结构的侧向位移？

答：对高层建筑结构来说，其层数度，高度大，为保证在正常使用条件下，主体结构基本处

于弹性受力状态，控制裂缝的开展及控制其宽度在规范允许范围内，以及保证填充墙、隔墙

及幕墙等非结构构件的完好，要求高层建筑结构必须具有足够的刚度，且须对结构楼层层间

最大位移与层高之比进行限值，所以必须验算结构的侧向位移。

41、高层框架结构中的侧移哪些是有害性侧移、哪些是无害性侧移？

答：由框架梁、柱弯曲和剪切变形产生的水平侧移式有害的，而由框架柱轴向变形产生的水

平侧移无害。

42、框架结构的水平变形曲线有什么特征？

答：框架结构的水平变形曲线特征是在整体上构成“剪切型变形曲线”形式。

43、什么是控制截面？什么是控制内力？框架梁、柱结构构件的控制截面分别有几个？控制

内力各有哪些？

答：控制截面就是构件中内力最大的截面。控制内力就是控制截面上的最不利内力。框架梁

的控制截面有3个，两端和跨中；框架柱的控制截面有2个，各层柱的上、下两端。控制内

力如下表

构件梁柱

控制截面梁端跨中柱端

的max-"max+Mmax及相应的N，V

最不利内力

+〃max+"max-"max及相应的N，V

及相应的

VmaxA^axM,V

Nmin及相应的M,V

44、梁端弯矩调幅原因是什么？调幅大小有何依据？

答：梁弯矩调幅原因是按照框架结构的合理破坏形式，在梁端出现塑性较是允许的，为了便

于浇搞混凝土，也往往希望节点处梁的负钢筋放的少些；而对于装配式和装配整体式框架，

节点并非绝对刚性，梁端实际弯矩将小于其弹性计算值，因此，在进行框架结构设计时，一

般均对梁端弯矩进行调幅。

调幅大小依据，考虑竖向荷载作用下梁端塑性变形内力重分布，对梁端负弯矩进行调幅，现

浇框架调幅系数为0.8〜0.9,装配式框架调幅系数为0.7〜0.8,梁端负弯矩减少后，应按平

衡条件计算调幅后的跨中弯矩，且要求梁跨中正弯矩至少应取按简支梁计算的跨中弯矩的

1/2o

45、抗震措施有多少等级？为什么有时要求高，有时要求低？有什么样的大致规律性？

答：抗震措施有五个等级：特一级和一、二、三、四级。

抗震等级的不同，体现在对结构抗震性能要求严格与否的程度，等级越高，结构抗震

性能要求就越高，当有特殊要求时则提升到特一级，其计算和措施比一级更加严格；相反如

抗震等级较低，则抗震要求较低。

对各类不同的高层建筑结构，其抗震措施应符合以下要求：

(1)甲类、乙类建筑：当抗震设防烈度为6〜8度时，应符合抗震设防烈度提高一度的要求;

当设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高达到要求。当建筑场地为I类时，应允许

仍按抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。

(2)丙类建筑：应符合抗震设防烈度的要求。当建筑场地为I类时，应允许仍按抗震设防

烈度降低一度的要求采取抗震构造措施。

46、延性框架结构的设计要点是什么？

答：四个要点：①强柱弱梁；②强剪弱弯；③强节弱杆；④强压弱拉。

47、保证框架梁结构构件具有足够延性的措施有哪些？

答：①抗震设计时，计入受压钢筋作用的梁端截面混凝土受压区高度与有效高度之比值，一

级不应大于0.25,二、三级不应大于0.35。；②抗震设计时，梁端纵向受拉钢筋的配筋率不

应大于2.5%.。

48、框架结构构件设计中，“强剪弱弯”要求是如何实现的？

答：在设计中采用将承载力不等式转化为内力设计表达式，对不同抗震等级采用不同的剪力

增大系数，从而使强剪弱弯的程度有所差别。

49、为什么抗震设计中，钢筋混凝土的斜截面抗剪承载力设计计算公式中，箍筋及混凝土设

计强度均乘以0.8的折减系数？

答：地震时在反复作用作用下,梁端柱端形成交叉剪切裂缝，使混凝土的抗剪能力比非抗震设

计时降低,在钢筋混凝土的斜截面抗剪承载力设计计算公式中用乘0.8考虑这种不利影响。

50、框架柱剪跨比、轴压比、剪压比定义是什么？它们与框架柱破坏形态有什么样的关系？

答：剪跨比：对于柱指框架柱端截面弯矩设计值M和剪力与截面高度乘积之比，即

2=—=^—=2，剪跨比大于2的柱，其破坏形式一般为延性的弯曲破坏，而剪跨比

VhVhh

小于2的柱，一般导致脆性的剪切破坏。

轴压比：指柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之

比，即」二；轴压比是影响柱的延性重要因素之一，试验研究表明，柱的延性随轴压比的

bhfc

增大急剧下降，轴压比较高时，将导致混凝土压碎而受拉钢筋尚未屈服的小偏心受压脆性破

坏。

剪压比：柱内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比；柱构件截面剪压比过大，混

凝土过早地发生剪切破坏。

51保证框架柱结构构件具有足够延性的措施有哪些？

答：①限制框架柱的剪跨比；②限制框架柱的轴压比；③限制框架柱的剪压比；④限制框架

柱的纵筋配筋率;⑤限制框架柱的箍筋配箍率。

52、为什么要设计强柱弱梁框架结构？如何设计强柱弱梁？下面几个概念是否对？为什么？

（1）柱子断面大于梁断面就是强柱弱梁；（2）柱子线刚度大于梁线刚度就是强柱弱梁；（3）

柱子承载力大于梁承载力就是强柱弱梁。

答：框架结构在水平地震作用下的破坏机制可以分为两大类型：总体机制和楼层机制。所谓

楼层机制，也称“梁钱型”破坏机制，是指当框架柱端的抗弯承载力大于梁端的抗弯承载力

时，地震时各层框架梁端首先屈服，梁端塑性钱的转动耗散大量地震能量，而各层柱在较长

时间里基本处于弹性状态，最后才在低层柱根部出现塑性较，形成整体的机动体系。楼层机

制，也称“柱钱型”破坏机制，是指当框架梁端的抗弯承载力大于柱端的抗弯承载力时，地

震时处于梁端弹性状态，框架柱端屈服，并导致某一楼层屈服，形成机动体系。两相比较，

显然总体机制的抗震性能好，是一种较理想的破坏机制。因此合理的抗震设计应符合强柱弱

梁原则，避免强梁弱柱。强柱弱梁是指节点处柱端实际受弯承载力加°和梁端实际受弯承

载力“刀之间满足2〃？＞2加分，目的是控制塑性较出现位置在梁端，尽可能避免塑性

钱在柱中出现，抗震设计中，一定要设计强柱弱梁框架结构。

强柱弱梁受地震地复杂性，楼板的影响和钢筋屈服强度的超强，很难通过精确计算真正

实现，国内外多以设计承载力来衡量，将钢筋抗拉强度乘以超强系数或采用增大柱端弯矩设

计值的方法，将承载力不等式转化为内力设计值的关系式，并使不同抗震等级的柱端弯矩设

计值有不同程度的差异，来实现强柱弱梁。

（1）柱子断面大于梁断面就是强柱弱梁是错误的，因为断面大，柱端弯矩实际受弯承载力

不一定大；（2）柱子线刚度大于梁线刚度就是强柱弱梁是错误的，因为线刚度大，承载力不

一定大；（3）柱子承载力大于梁承载力就是强柱弱梁是对的。

大作业一：某10层RC框架结构设计计算。参见教材第165〜179页，附录1。

第5章剪力墙结构设计

思考题

53、剪力墙结构定义、优点、缺点及其适用范围如何？

答：剪力墙结构定义：由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。剪力墙或沿横向、纵向

正交布置或沿多轴线斜交布置，同时墙体也作为维护及房间分隔构件的结构体系，

优点：剪力墙结构刚度大、空间整体性好，抗震性能也很好；

缺点：墙体多，平面布置不灵活，结构自重大，不容易布置面积较大的空间

适用范围：适用于有小房间设计要求的高层住宅、公寓和旅馆建筑。

54、按剪力墙结构的几何形式可将其分为几种类型？

答：①整体墙；②小开口整体墙；③联肢剪力墙；④壁式框架。

55、为什么要用等效截面积和等效惯性矩来代替原截面特征计算整体剪力墙水平侧移？

答：因为在计算位移时，用等效截面积考虑洞口对水平截面面积及刚度的削弱，用等效惯性

矩考虑剪切变形的影响。

56、连续连杆法的基本思路、各基本方程的实质含义是什么？

答：基本思路：将每一层处的连梁假想为均布在该楼层高度内的连续连杆，双肢墙的计算简

图5.13b(见书上)，求解内力的基本方法是力法。图5.13c(见书上)是双肢墙的基本体系,

连杆剪力7(x)是多余未知函数。未知轴力。(x)虽然存在，但与求解7(x)无关，不必解出

其值。由切开处的变形连续条件建立r(x)的微分方程，求解微分方程可得连杆剪力r(x)。

将一个楼层高度范围内各点剪力积分，还原成一根连梁中得剪力。各层连梁中的剪力求出后,

所有墙肢及连梁内力都可以相继求出。

各基本方程的实质含义：

变形连续条件：伪(x)+2(x)+心(x)=0

司(%)是墙肢弯曲变形产生的相对位移；仇(x)=-2c0m

&(x)是由墙肢轴向变形产生的相对位移，［^dxdx

心(x)是由连梁弯曲和剪切变形产生的相对位移,

,

2z{x}hcr3/LiEJb

。⑴海“+与(+2

3EJBAhGa

内力：优0=%冬90连杆约束弯矩;

a

m.=m&)hj层连梁约束弯矩;

Vbj=m&)h/2cj层连梁剪力;

j层连梁端部弯矩;

M广〉1

j层墙肢弯矩;

j层墙肢剪力;

双肢剪力墙的侧向位移应由墙肢的

弯曲变形和剪切变形引起的侧移叠加而得到。

57、双肢剪力墙采用连续连杆法计算所得荷载效应的特点是什么？

答：①双肢墙的侧移曲线呈弯曲型。a值越大，墙的刚度愈大，侧移愈小。

②连梁的剪力分布具有明显的特点：剪力最大（也是弯矩最大）的连梁不在底层，它的

位置及大小将随a值改变。当a值增大时，连梁剪力加大，剪力最大的梁向下移。

③墙肢的轴力与a值有关。因为墙肢轴力即该截面以上所有的连梁剪力之和。当a值

增大时，连梁剪力加大，墙肢轴力也必然加大。

④墙肢的弯矩也与a值有关，a值愈大，墙肢弯矩愈小。

58、小开口整体墙是如何被划定的？水平荷载作用下内力特点是什么？

答：小开后整体墙的判别条件a210或

水平荷载作用下内力特点：

①截面正应力基本上是直线分布，产生局部弯曲应力的局部弯矩不超过总弯矩的15%；

②在大部分楼层上，墙肢不应有反弯点。

59、在剪力墙内，水平钢筋和竖向钢筋设计原则是什么？

答：在剪力墙内，水平钢筋满足抗剪，竖向钢筋满足抗弯。

60、悬臂剪力墙正截面抗弯承载力设计时，大小偏心受压情况下，截面应力假定如何？

答：截面应力假定：

混凝土受压的应力与应变关系曲线：

当时

当£0<£cW&u时0c=L

5

£o=O.OO2+O.5(f^u,k-5O)xIO-

5

Ecu=0.0033-(fcU;k-50)xl0-

〃=2二(九—0)

60

钢筋应力：纵向钢筋的应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但其绝对值不应大于其相

应的强度设计值。纵向受拉钢筋的极限拉应变取为0.01。

61、抗震延性悬臂剪力墙设计和构造措施有哪些？

答：抗震延性悬臂剪力墙设计成高宽比大于2的细高剪力墙，这种剪力墙为弯曲破坏的延性

剪力墙，可避免脆性剪切破坏发生，当建筑要求更长的剪力墙时，为满足每个墙段高宽比大

于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度小、较均匀的联肢墙或整体墙，且洞口连梁宜

采用弱连梁，以减少连梁对墙肢的约束作用。

构造措施：

(1)在连梁、短柱、窗间墙内配置斜向钢筋；

(2)对于连梁，可沿梁的纵向在半高处放置石膏板，将一根深梁变成两根浅梁，对于很

粗的短柱，可以利用石膏板把它分成4根并列的细柱；

(3)变单肢墙为双肢墙；

(4)控制底部加强区轴压比；

(5)设置剪力墙边缘构件。

62、联肢剪力墙“强墙弱梁”设计要点是什么？

答：为实现联肢剪力墙的延性破坏，设计中应做到“强墙弱梁”，其设计要点如下：

①防止墙肢早于弯曲破坏发生剪切破坏。为此，《建筑抗震设计规范》规定了抗震墙截面的

剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值的放大系数；

②防止连梁早于弯曲破坏发生剪切破坏。为此，《建筑抗震设计规范》规定了连梁截面的剪

压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数；

③实现连梁先于墙肢发生弯曲破坏屈服，连梁发挥其塑性变形能力，耗散地震能量，有效减

轻主体结构构件的损坏。因此，设计中应使连梁具有合适强度、刚度和良好变形性能。《高

层建筑碎结构技术规程》JGJ3—2002要求剪力墙洞口连梁ln/h宜大于6,设计成细长弱连梁。

63、开洞剪力墙中，连梁性能对剪力墙破坏形式、延性性能有些什么影响？连梁延性设计要

点是什么？

答：开洞剪力墙中，具有合适强度、刚度和良好变形能力的连梁，能在墙肢屈服之前屈服，

发挥其塑性变形能力，连梁起着联系墙肢和传递荷载的作用。具有合适强度、刚度和良好变

形能力的连梁，能在墙肢屈服之前屈服，发挥其塑性变形能力，耗散地震能量，有效减轻主

体结构构件的损坏。连梁变形性能的改善将有效地改善机构的变形性能。

改善连梁延性，主要措施就是设法抑制其剪切失效，连梁延性设计要点：

1,限制梁的名义剪压比；

2,限制梁的剪箍比；

3,当名义剪压比过高时，通过调幅降低连梁的弯矩，并降低纵向配筋率；或用加大截面宽

度b,提高税标号等措施来降低名义剪压比；

4,当采用上述各措施均有苦难而不能降低名义剪压比斯，建议采用斜交叉配筋，或采用在

梁中部开水平缝(开梁缝)等具有较好塑性变形性能的连梁。如都做不到，则在设计时要考

虑连梁可能较早丧失承载能力而形成独立墙抗震的情况。

64、高墙与矮墙的主要区别是什么？

答：高墙：H/hw>2

矮墙：H/hw<l

大作业二：某15层RC剪力墙结构设计计算。参见教材第180-90页，附录2o

第6章框架-剪力墙结构设计

思考题

65、框架-剪力墙结构定义？其变形特点与框架结构、剪力墙结构有什么不同？

答：由框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构。框架一剪力墙结构是在框架结构中布

置一定数量的剪力墙，构成既灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同时又具有

足够的水平刚度，克服了纯框架结构水平刚度不足的弱点，框剪结构是由框架结构和剪力墙

结构两种不同的抗侧力体系组成的新型受力体系。

框架结构变形以剪切变形为主；剪力墙结构变形以弯曲型变形为主；框架一剪力墙结构变形

在下部楼层剪力墙拉着框架按弯曲型曲线变形，上部框架拉着剪力墙按剪切型曲线变形。

66、框架-剪力墙结构中剪力墙布置应满足什么要求？剪力墙的数量和最小厚度又是怎样确

定的？

答：框架一剪力墙结构中剪力墙布置应满足下列要求：

①剪力墙宜均匀布置在建筑物的周围附近，楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较

大的部位，剪力墙间距不宜过大；

②平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；

③纵、横剪力墙宜组成L形、T形和工字形等形式；

④剪力墙宜贯通建筑的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上下对齐；

⑤楼、电梯间等竖井和平面宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置。

要准确地确定剪力墙数量是较为困难的，下面分方案阶段、初估尺寸阶段及计算复核

阶段三个阶段进行说明。

（1）方案阶段

在此阶段，剪力墙布置主要满足以下要求：

①为保证楼面刚度无限大的假定，剪力墙间距须满足pl24表6.1的要求。在实际工程

中，剪力墙间距较规定最大值要小，一般情况下，以2〜3B及30m左右为宜。

②为充分发的剪力墙结构的延性，剪力墙应设计成高宽比大于2的细高剪力墙，这种

剪力墙为弯曲破坏的延性剪力墙可避免脆性剪切破坏发生。当建筑要求更长的剪力墙时，为

满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙

或整体墙，且洞口连梁宜采用弱连梁，以减少连梁对墙肢的约束作用。

③为使墙体配筋较充分发挥作用,控制受弯产生的裂缝宽度,墙肢的长度不宜大于8m。

（2）初估尺寸阶段

目剪国内工程设计中，绝大多数具有足够的剪力墙，刚度和自振周期均在合适的范围

以内，总结这些设计可得到一般底层结构剪力墙截面面积Aw和柱截面面积Ac之和与楼面

面积Af之比以及剪力墙截面积Aw与楼面面积Af之比，这些比值宜控制在pl25表6.2范围

内。

pl25表6.2底层构件截面积与楼面面积之比

设计条件构件截面面积（Aw+AJ与楼面面剪力墙截面面积Aw与楼面面积Af

积Af之比之比

7°,II类土0.03〜0.050.02〜0.03

8°,III类土0.04〜0.060.03〜0.04

注：1、高度较大的框架一剪力墙，宜取表中的上限值。2、表中数值是纵横两方面的

总量，对剪力墙而言，两个方向的剪力墙数量接近为宜。

对柱截面尺寸的初估，可按第4章框架结构设计有关章节进行。

（3）计算复核阶段

确定剪力墙布置及初估尺寸后，就可以复核布置及尺寸是否合理，复核从自振周期、

轴压比和结构侧移三方面进行。

①自振周期

自振周期是对结构刚度特征的综合反映，根据大量的工程统计表明，结构布置合理的

框架一剪力墙的自振周期为

T=（0.06~0.08）n

式中n一结构总层数。

②轴压比

抗震设计时，为保证框架柱及剪力墙的延性，必须对它们所承受的轴力作一定限制。

所谓轴压比是指轴压力设计值与柱（剪力墙）全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积

的比值。对柱而言，轴压力设计值指考虑地震作用组合的轴压力设计值，对剪力墙而言，轴

压力设计值指重力荷载代表值作用下剪力墙墙肢的轴向压力设计值。抗震设计时，钢筋混凝

土柱轴压比不宜超过P126表6.3的规定；对于W类场地上较高的高层建筑，其轴压比限值

应适当减小。

一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位，其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比不

宜超过pl26表6.4的限值。

在计算轴向压力设计值N时，剪力墙不考虑地震作用，只考虑重力荷载分项系数后的

最大轴力设计值，也可说是计算剪力墙的名义轴压比。

大量的试验研究及震害表明，截面受压区高度不仅与轴压比有关，而且与截面形状有

关，在相同的轴压力作用下，有翼缘的剪力墙受压区高度较小，延性相对要好些，但在表

6.4中并未体现，因此在设计时，对矩形截面剪力墙墙肢（或墙段）应更严格控制其轴压比。

pl26表6.3柱轴压比限值

结构类型抗震等级

―-二二

板柱一剪力墙、框架——剪力墙0.750.850.95

部分框支剪力墙0.600.70—

P126表6.4剪力墙轴压比限值

轴压比一级（9度）一级（7、8度）二级

N/(£A)0.40.50.6

注：N为重力荷载代表值作用下剪力墙墙肢的轴向压力设计值，A为剪力墙墙肢截面面

积，工为混凝土轴心抗压强度设计值。

③结构侧移

结构侧移大小是高层建筑结构刚度的一个反映，也是对构件截面大小，刚度大小的一

个相对指标。楼层层间最大位移与层高之比的限值在3.4节中有明确规定，如计算侧移超过

此规定，则须对平面布置及剪力墙数量进行适当调整。

保证剪力墙出平面的刚度和稳定性，规定了剪力墙的最小截面尺寸，见表5.5.

表5.5剪力墙截面最小厚度

序抗震等级剪力墙部位最小厚度（二者取较大者）

有端柱或翼墙无端柱或翼墙

1一、二级底部加强部位h/16200mmh/12200mm

其他部位h/20160mmh/12180mm

2三、四级底部加强部位h/20160mmh/20160mm

其他部位h/25160minh/25160mm

3非抗震h/25160mmh/25160mm

表5.5内符号h为层高或剪力墙无支长度，无支长度是指沿剪力墙长度方向没有平面外

横向支承墙的长度。剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不

宜小于160mm。

原则上，根据剪力墙截面面积与楼面面积之比Aw/Af和剪力墙轴压比限值N/5A）,可

得到剪力墙面积Aw，再由剪力墙的长度，可计算剪力墙的最小厚度。大量的实际工程表明，

剪力墙的最小厚度一般均能满足。

67、框架-剪力墙结构的计算方法主要有哪些？它们的共同点和不同点分别是什么？

答：框架-剪力墙结构的计算方法主要有计算机借助单元矩阵位移法和简化的手算近似法两

种。

共同点：①基于楼板在平面内刚度无限大的假定；

②基于平面结构的假定；

③解决问题的目标都是解决结构共同工作后，框架与剪力墙之间的剪力分配。

不同点：计算机借助单元矩阵位移法进行求解，求解中将剪力墙简化为杆件或化为带刚性域

的平面壁式框架，同时考虑杆件的轴向、剪切及弯曲等变形影响，计算结果较准确；手算的

近似方法将所有剪力墙合并成总剪力墙，所有框架合并成总框架，将连系框架和剪力墙间的

连杆切开后用