《高層建筑結構設計》作業答案

第1章概述

思考題：

1、什么是高層建筑和高層建筑結構？JGJ3-2002《高層建筑混凝土結構技術規程》和

JGJ99-1998《高層民用建筑鋼結構技術規程》是如何規定的？

答：高層建筑尚無統一的嚴格定義，不同國家、不同時期，對高層建筑定義也不同，但原則

上是以層數和建筑高度來標定的。如：

德國規定22m以上的建筑物為高層建筑

英國規定24.3m以上的建筑物為高層建筑

美國規定24.6m以上或7層以上的建筑物為高層建筑

法國規定居住建筑物高度在50m以上，其他建筑物高度在28m以上的建筑為高層建筑

日本規定8層以上或者高度超過31m的建筑為高層建筑，而30層以上的旅館、辦公樓和20

層以上的住宅為超高層；

前蘇聯則把9層和9層以上視為高層建筑；

聯合國教科文組織所屬的世界高層建筑委員會在1972年年會上建議將高層建筑為四類

第一類高層建筑9?16層（高度不超過50m）；

第二類高層建筑17?25層（高度不超過75m）；

第三類高層建筑26?40層（高度不超過100m）；

第四類高層建筑40層以上（高度超過100m以上，即超高層建筑）；

JGJ3-2002《高層建筑混凝土結構技術規程》規定：將10層及10層以上或高度超過28m的

混凝土結構為高層民用建筑；

JGJ99-1998《高層民用建筑鋼結構技術規程》規定：10層及10層以上的住宅和約24m以上

的其他民用建筑為高層建筑。

高層建筑結構是高層建筑中的主要承重骨架。

2、高層建筑結構中結構軸力、彎矩和位移與結構高度的關系大體如何？

答：高層建筑結構中

軸力和結構高度成線性關系；

彎矩和結構高度成二次方關系；

位移和結構高度成四次方關系。

3、按功能材料分，高層建筑結構類型主要有哪幾種？

答：按功能材料分：

①混凝土結構

②鋼結構

③鋼和混凝土的混合結構型式.

4、高層建筑的抗側力體系主要有哪幾類？各有哪些組成和承受作用特點？

答：高層建筑的抗側力類型主要有：框架結構、剪力墻結構、框架一剪力墻結構、筒體結構、

懸臂結構及巨型框架結構。

組成和承受作用特點：

①框架結構體系架結構體系有線型桿件一梁和柱作為主要構件組成的，承受豎向和水平作

用；

②剪力墻結構體系：混凝土墻體組成，承受全部豎向和水平作用的；

③框架一剪力墻結構體系：框架結構中布置一定數量的剪力墻組成由框架和剪力墻共同承

受豎向和水平作用；

④筒體結構體系：由豎向筒體為主組成的承受豎向和水平作用；

⑤懸臂結構體系：在鋼筋混凝土內筒為主要受力結構的高層建筑中，從內筒不同高度處伸

出金屬懸臂桿，并在其端部掛有鋼吊桿與內筒共同承受各層樓板的自重與附加的活荷載；

⑥巨型框架結構體系：由若干巨柱以及巨梁組成，承受主要的水平力和豎向荷載；其余的

樓面截面梁柱組成二級結構，只將樓面荷載傳遞到巨型框架結構上去。

第2章高層建筑結構受力特點和結構概念設計

思考題：

5、高層建筑中活荷載的不利布置一般怎樣考慮？為什么要這樣考慮？

答：高層建筑中活荷載的不利布置一般不考慮樓面及屋面活荷載的不利布置，而是按滿布考

慮進行計算，但是當樓面活荷載大于4.0kN/itf時，各截面內力計算時仍考慮活荷載的布置,

按不利荷載計算結構在豎向荷載作用下的內力。

不考慮活荷載不利布置是因為：

1）在高層建筑中各種活荷載占豎向荷載的比例很小，活荷載一般在1.5?2.5kN/ltf范圍內，

只占全部豎向荷載的10%?20%,因此活荷載不同的布置方式對結構內力產生的影響很??；

2）高層建筑結構是個復雜的空間體系，層數與跨數多，不利分布的情況復雜多樣，計算工作

量極大且計算費用上不經濟，為了簡化起見，可以不考慮活荷載不利分布，按滿布方式布置

作內力計算后再將框架梁的跨中彎矩乘以L1~1.3的放大系數。

6、高層建筑結構所受的風荷載主要與哪些因素有關？總風荷載是怎樣計算的？

答：高層建筑結構所受的風荷載的大小與建筑地點的地貌、離地面或海平面高度、風的性質、

風速、風向以及高層建筑自振特性、體型、平面尺寸、表面狀況等因素有關。

總風荷載是建筑物各個表面承受風力的合力，是沿高度變化的分布荷載，總風荷載的作用點

是各個表面風荷載的合力作用點。

Z高度處總風荷載值的大小為

印"2叱=0/卯》人dcos%

z=li=l

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

式中〃si—第i個表面的平均風荷載體型系數；

月一第i個表面的寬度；

名—第i個表面的法線與風荷載作用方向的夾角；

”一建筑物的外圍表面總數。

7、什么是地震作用？地震作用大小與哪些因素有關?

答：地震作用是指地震波從波源通過基巖傳播引起的地面運動，使處于靜止的建筑物受到動

力作用而產生的強烈振動。地震作用的大小與地震波的特性有關，還與場地土性質及房屋本

身的動力特性有很大關系。

8、高層建筑結構抗震設防的三水準要求是什么？為達到這些要求，應采用哪幾個階段抗震

設計方法？

答：高層建筑結構抗震設防的三水準要求使“小震不壞，中震可修，大震不倒”，即：高層

建筑結構在小震作用下應維持在彈性狀態，建筑物一般不受損壞或不修理仍可繼續使用，為

第一水準；在中等烈度的地震作用下，可以局部進入塑性狀態，可能有一定的損壞，但結構

不允許破壞，震后經一般修復可以繼續使用，為第二水準；當遭受強烈地震作用時，建筑物

不應倒塌或發生危及生命的嚴重破壞，為第三水準。

為達到這些要求，應采用兩階段抗震設計方法：

第一階段設計：是針對所有進行抗震設計的高層建筑。除了確定結構方案和進行結構布置時

考慮抗震要求外，還應按照小震作用進行抗震計算和保證結構延性的抗震構造設計，以達到

小震不壞，中震可修，大震不倒。

第二階段設計：主要針對甲級建筑和不規則的結構。用大震作用進行結構易損部位（薄弱層）

的塑性變形驗算。

9、高層建筑結構地震作用的計算方法有哪些？它們的實用條件是什么？

答：高層建筑結構地震作用的計算方法主要有底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法

實用條件：

①高層建筑結構宜采用振型分解反應譜法。對質量和剛度不對稱、不均勻的結構以及高度超

過100m的高層建筑結構應采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。

②高度不超過40m、以剪力變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的高層建筑結構，可

采用底部剪力法。

③7?9度抗震設防的高層建筑，下列情況應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計

算，

A、甲類高層建筑結構。

B、表2.4所列的乙、丙類高層建筑結構。

C、結構豎向布置特別不規則的高層建筑結構。

D、帶轉換層、帶加強層、錯層、連體、多塔樓等復雜高層建筑結構。

E、質量沿豎向分布特別不均勻的高層建筑結構。

表2.4采用時程分析法的高層建筑結構

設防烈度、場地類別建筑高度范圍

8度I、II類場地和7度>100m

8度III、IV類場地>80m

9度>60m

10、采用底部剪力法計算水平地震作用的步驟是什么？在什么情況下需要考慮豎向地震作

用？

答：采用底部剪力法計算水平地震作用的步驟：

①每一樓層作為一個質點，當頂部有局部突出的小屋時，可將其視為一個集中質點；

②求各質點重力荷載代表值；

③求結構等效總重力荷載代表值；

④求結構基本周期Ti；

⑤求相應于結構基本周期Ti的地震動影響系數；

⑥按“K=aQeq此式求總水平地震作用FEK；

⑦按△工=8nFEK求頂部附加水平地震作用AF?；

⑧按耳=?凡&八1—求各質點的水平地震作用口；

力四

按力學方法求各層結構的地震作用效應，對于突出屋面的房屋（樓梯間、電梯間、水箱

間等）宜作為一個質點參加計算，計算求得的水平地震作用標準值應增大，增大系數月“可按

P21-22表2.9采用。增大后的地震作用僅用于突出屋面房屋自身以及與其直接相連的主體

結構構件設計。

在高層建筑9度抗震設計時，以及對于8度、9度抗震設計的大跨度、長懸臂結構的

情況下應計算豎向地震作用。

11、高層建筑結構基本自振周期的近似計算方法有哪些？

答：①高層框架結構、框架一剪力墻結構和剪力墻結構的自振周期近似計算公式

=1.79rJ"T

②以剪切變形為主的高層框架結構的自振周期（以能量法為基礎）

力￡

4=2硬T-----

腔GA

Ii=i

③框架一剪力墻結構的自振周期

在采用微分方程建立自由振動方程解無限自由度體系連續結構的基礎上,求出結構動力

特性，查p26圖2.6可以由下式計算第1、2、3振型的自振周期

T,=9/2萬一（加1,2,3）

VgEI

w=———

H

④經驗公式

一般情況下，高層鋼筋混凝土結構的基本自振周期刀為

7；=（0.05?0.10）〃

鋼筋混凝土框架結構、框架一剪力墻結構：I=0.25+0.00053『

H2

鋼筋混凝土剪力墻結構：7；=0.03+0.03^=

12、減少高層建筑溫差影響的措施是什么？

答：在高層建筑中，減少溫差影響的綜合技術措施主要有：

①采取合理的平面和立面設計，避免截面的突變。

②合理選擇結構形式，降低結構約束程度，從而減少約束應力。

③合理布置分布鋼筋，重視構造鋼筋作用，加強構造配筋。

④在頂層、屋頂、山墻及縱墻兩端開間等溫度變化影響較大部位提高配筋率。

⑤優選有利于抗拉性能的混凝土級配，減少坍落度，對于超長結構采用后澆帶方法施

工或將結構劃分為長度較短的區段。

13、設沉降縫的目的是什么？在實際設計中常用的處理方法有哪些？

答：設沉降縫的目的是避免不均勻沉降的影響，避免由于地基不均勻沉降產生的結構內力。

常用的處理方法：

①采取利用壓縮性小的地基，減少總沉降量及沉降差。

②對于有不同高度及基礎設計成整體的結構,在施工時它們暫時斷開,待主體結構施工完畢,

已完成大部分沉降量以后再澆灌連接部分的混凝土。

③將裙房做在高層建筑的懸挑基礎上，達到裙房與高層部分沉降一致。

④綜合采用上述方法處理。

14、高層建筑結構的工作特點有哪些？其布置原則是什么？

答：高層建筑結構的工作特點：

①結構設計時，應考慮高層建筑結構的整體工作性能；

②水平作用對高層建筑結構的影響占主導地位；

③高層建筑結構具有剛度大、延性差、易損的特點；

④在進行結構設計時，應考慮結構的薄弱層。

其布置原則：高層建筑不應采用嚴重不規則的結構體系；宜采用規則結構，［即體型（平面、

立面）規則，結構平面布置均勻、對稱并具有較好的抗扭剛度；結構豎向布置均勻，結構的

剛度、承載力和質量分布均勻，無突變的結構］;應使結構具有必要的承載能力、剛度和變

形能力；應避免部分結構或構件的破壞而導致整個結構喪失承載重力荷載、風荷載和地震作

用的能力；對可能出現的薄弱部位應采取有效的措施予以加強，宜設置多道防線。

15、高層結構剪力墻設計中，剪力墻的布置應滿足什么要求？

答：（1）高寬比限制

高層結構剪力墻的最大適用高寬及高寬比應滿足水平荷載作用下的整體抗傾覆穩定性

要求。

（2）結構平面布置

①剪力墻結構中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置；一般情況下，采用矩形、

L型、T形平面時，剪力墻沿兩個正交的主軸方向布置；三角形及Y形平面可沿三個方向布

置；正多邊形、圓形和弧形平面，則可沿徑向及環向布置。

②關高層建筑結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。

③剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的短肢和連梁。

④同一軸線的連續剪力墻過長時，應該用樓板（不設連梁）或細弱的連梁分成若干各墻

段，每個墻段相當于一片獨立剪力墻，墻段的高寬比應不小于2。

⑤剪力墻結構中，如果剪力墻的數量太多，會使結構剛度和重量都太大，，不僅材料用

量大而且地震力也增大，一般采用大開間剪力墻比采用小開間剪力墻更好。

(3)結構豎向布置

①普通剪力墻結構的剪力墻應在整個建筑豎向連續，上應到頂，下要到底，中間樓層不

要中斷。

②為減少上下剪力墻結構的偏心，一般情況下厚度宜兩側同時內收。

③剪力墻的洞宜上下對齊，成列布置，使剪力墻形成明確的墻肢和連梁。

④剪力墻相鄰洞口之間及洞口與墻邊緣之間要避免小墻肢。

⑤采用刀把形剪力墻會使剪力墻受力復雜，應力局部集中，而且豎向地震作用會產生較

大的影響，宜十分慎重。

⑥抗震設計時，一般剪力墻結構底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層

二者的較大值，當剪力墻高度超過150m時，其底部加強部位的高度可取墻肢總高度得到

1/10；部位框支剪力墻底部加強部位的高度可取框支層以上兩層的高度及墻肢總高度的1/8

二者的較大值。

16、什么是高層建筑結構的概念設計？在進行概念設計時的要點主要有哪些？

答：高層建筑結構的概念設計是指工程結構設計人員運用所掌握的理論知識和工程經驗，在

方案階段和初步設計階段，從宏觀上，總體上和原則上去決策和確定高層建筑結構設計中的

一些最基本、最本質也是最關鍵的問題，主要涉及結構方案的選定和布置、荷載和作用傳遞

路徑的設置、關鍵部位和薄弱環節的判定和加強、結構整體穩定性保證和耗能作用的發揮以

及承載力和結構剛度在平面內和沿高度的均勻分配；結構分析理論的基本假定等。

在進行概念設計時的要點：

①結構簡單規則均勻；

②剛柔適度，性能高

③加強連接，整體穩定性強；

④輕質高強、多道設防。

第3章結構設計的一般原則

思考題：

17、高層建筑設計采用的三個基本假定是什么？

答：三個基本假定

①彈性變形假定；

②剛性樓板假定；

③平面抗側力假定。

18、什么是荷載效應和荷載效應組合？荷載效應組合可分哪幾種？

答：荷載效應是指由作用引起結構和結構構件的反應，可體現為內力、變形及裂縫等。

荷載效應組合是指按極限狀態設計時，為保證結構的可靠性而對同時出現的各種荷載

效應設計值規定的組合。

荷載效應組合可分為基本組合、標準組合和準永久組合三種組合

19、對于60m以下8度抗震設計的高層建筑需要考慮哪些荷載效應組合？

答：重力荷載、水平地震荷載及豎向地震荷載組合。

20、什么是結構的延性？結構應具有哪些特點才能具有較好的延性？

答：結構延性是結構屈服后變形能力大小的一種性質，是結構吸收能量能力的一種體現，常

用延性系數來表示。

結構應具有較好延性特點：

①強柱弱梁；

②強剪弱彎；

③強節弱桿；

④強壓弱拉。

21、為什么要對高層建筑進行罕遇地震作用下薄弱層的抗震變形驗算？是怎么驗算的？

答：在大量的震害表明，建筑中如果存在薄弱層或薄弱部位，在強烈地震作用下，結構薄弱

部位強產生彈塑性變形，結構嚴重破壞甚至引起結構倒塌，對于生命線工程而言，工程關鍵

部位一旦遭受破壞將帶來嚴重后果，因此在第二階段設計中，為達到“大震不倒”的目的，

必須對高層建筑結構在罕遇地震作用下進行薄弱層的抗震變形驗算。

抗震變形驗算：結構薄弱層（部位）層間彈塑性位移應符合A與〈Bp]/z

對于入8、9度抗震設計的高層建筑結構，在罕遇地震作用下，薄弱層（部位）彈塑性

變形A與計算采用以下方法

方法1：層間彈塑性位移計算式（不超過12層且層側向剛度無突變的框架結構）

△%=仆%或Mp=3丫=）~"

Gy

方法2：采用彈塑性時程分析方法計算薄弱層層間彈塑性位移（適用方法1中以外的建筑結

構）

22、應怎樣計算高層建筑層間彈塑性位移？

答：層間彈塑性位移簡化計算式為

Aup或Aup=juAuy

Gy

A%一層間彈塑性位移；

A”,一層間屈服位移；

〃一樓層延性系數；

一罕遇地震作用下按彈性分析的層間位移，此時，水平地震影響系數最大值按p44

表3.7采用；

%—彈塑性層間位移增大系數，當薄弱層（部位）的屈服強度系數不小于相鄰層（部

位）該系數平均值的0.8時，可按p44表3.8采用，當不大于該平均值的0.5時，可按表內

的相應數據的1.5倍采用；其余情況采用內插法取值。

還可采用彈塑性時程分析方法計算薄弱層層間彈塑性位移。

23、多道抗震防線的含義和目的是什么？對于框架-剪力墻體系、框架-筒體體系、筒中筒體

系、交叉支撐及耗能器結構中，多道防線分別是哪些？

答：多道抗震防線的含義，一是指一個抗震結構體系，應有若干個延性較好的分體系組成，

并由延性較好的結構構件將各分體系聯系起來協同工作;二是指抗震結構體系應有最大可能

數量的內部、外部贅余度，有意識的建立起一系列分布的屈服區，以使結構能吸收和消耗大

量的地震能量，一旦遭受破壞也易于修復。

框架一剪力墻體系是由延性框架和剪力墻二個系統組成，剪力墻為第一道防線，框架為第二

道防線；框架一筒體體系是延性框架和筒體組成，筒體為第一道防線，框架為第二道防線；

筒中筒體系是內實腹筒及外空腹筒組成，內內實腹筒為第一道防線,外空腹筒為第二道防線；

在交叉支撐及耗能器結構中，交叉耗能支撐和耗能阻尼器為第一道防線，結構本身為第二道

防線。

24、什么是延性系數？進行延性結構設計時應采用什么方法才能達到抗震設防三水準目標？

答：延性系數是結構最大變形與屈服變形的比值，即〃=AM/A,

進行延性結構設計時是通過驗算薄弱層彈塑性變形，并采取相應的構造措施使結構有足夠的

變形能力來達到抗震設防三水準目標。

第4章框架結構設計

思考題：

25、框架結構定義及優點、缺點及其適用范圍如何？

答：框架結構是指由梁柱桿系構件構成，能承受豎向和水平荷載作用的承重結構體系。

優點：框架結構平面布置靈活，可根據需要分隔成小房間或者改成大房間；結構自重較

輕。

缺點：框架結構側向剛度較小。

適用范圍：僅適用于房屋高度不大、層數不多的結構

26、框架結構的破壞機理是什么？

答：豎向荷載作用下，一般情況，梁端抗彎承載力首先達到其極限承載力，出現塑性較區域,

相應地梁端截面轉角位移顯著加大，內力向跨中發生轉移，導致跨中彎矩進一步提高，跨中

撓曲變形增大，直至破壞。水平荷載作用下，框架柱承受水平剪力和柱端彎矩，并由此產生

水平側移，同時由水平力引起的傾覆力矩，使框架的近側柱拉伸、遠側柱壓縮，形成框架的

整體彎曲變形，水平力也引起樓層剪力，使梁、柱產生垂直其桿軸線的剪切變形和彎曲變形,

形成框架的整體剪切變形，直至破壞。

27、框架結構結構整體布置原則有哪些？

答：（1）高寬比限制

水平荷載是高層框架結構的主要荷載，由此產生的整體傾覆力矩可能使部分柱受拉，整

體抗傾覆穩定性驗算要求決定了結構的最大高度?？蚣芙Y構高寬比限值滿足非抗震設計時為

5；設防烈度為6度、7度時為4；8度時為3；9度時為2。

(2)框架結構結構平面布置及豎向布置應按照第二章2.3節的要求布置。

28、框架結構梁、柱構件截面幾何尺寸的初選方法是什么？

答：⑴梁

梁高：h=(-------)1

b'1018

梁寬：%=§一;)%

(2)柱：

柱截面面積一般根據軸壓比限值[〃]=已估算，同時截面的高度、寬度要滿足以

下要求：么、田2(：?

29、分層法計算豎向荷載作用下平面框架結構的荷載效應時的基本假定是什么？

答：分層法的基本假定

(1)梁上荷載僅在該梁上與其相連的上下層柱上產生內力，在其他層梁及柱上產生的內力可

忽略不計；

(2)豎向荷載作用下框架結構產生的水平位移可忽略不計。

30、分層法計算時為什么要將上層柱的線剛度乘以0.9進行折減？傳遞系數為什么要變為

0.3333?

答：在分層的時候，各個開口剛架的上下端均為固定支承，而實際上，除底層的下端外，其

他各層柱端均有轉角產生，即上層的剛架中，其它層對本層剛架約束作用應介于錢支承與固

定支承之間的彈性支承，為了改善由此所引起的誤差，在計算時做以下修正：①除底層以外

其他各層柱的線剛度均乘0.9的折減系數；②除底層以外其他各層柱的彎矩傳遞系數取為

1/3.

31、分層法所得彎矩荷載效應計算結果有什么特征？節點力矩不平衡時通常如何處理？

答：在求得各開口剛架中的結構內力后，則可將相鄰的兩個開口剛架中同層柱號的柱內力疊

加，作為原框架中柱的內力，而分層計算所得的各層梁的內力，即為原框架結構中相應層次

的梁內力，分層法所得的框架節點處的彎矩之和常常不等于零。

節點不平衡力矩較小(小于10%),直接按疊加成果進行下一步計算，否則需再分配

一次，修正原桿端彎矩，得到最終計算成果。

32、反彎點法計算水平荷載作用下平面框架結構的荷載效應時，其基本假定是什么？

答：(1)梁的線剛度與柱線剛度之比大于3時，可認為梁剛度為無限大；

(2)梁、柱軸向變形均可忽略不計。

33、柱抗側移剛度的物理意義是什么？

答：柱抗側移剛度指無角位移的兩端固定桿件，單位側移時所產生的剪力。

34、反彎點法計算彎矩時，與框架中節點相連的梁端彎矩計算公式說明了什么？

答：反彎點法計算彎矩時，與框架中節點相連的梁端彎矩計算公式說明了梁端彎矩不當與相

連的柱端彎矩有關，而且還與該梁的線剛度成正比。

35、D值法的基本假定是什么？

答：（1）水平荷載作用下，框架結構同層各結點轉角位移相等；

（2）梁、柱軸向變形均忽略不計。

36、柱反彎點高度與哪些因素有關？

答：柱反彎點高度與荷載形式、梁柱剛度比、建筑物總層數和柱所在的樓層號有關。

37、什么是標準反彎點高比？

答：根據標準框架總層數n,計算柱所在層數m,梁、柱線剛度比k,以及水平荷載形式由

有關表格查得的反彎點高度與計算柱高度的比值。

38、反彎點法與D值法計算框架結構內力的具體步驟是什么？

答：反彎點法計算步驟

①多層多跨框架在水平荷載作用下，當梁柱線剛度之比值⑥423時，可采用反彎點

法計算桿件內力。

②計算柱子抗側移剛度4；

③計算各層總水平剪力Vpj,按每柱抗側移剛度分配計算柱水平剪力匕;

④根據各柱分配到的剪力及反彎點位置，計算柱端彎矩

上層柱：上下端彎矩相等乂尸產%也/2

底層柱：上端彎矩可〃上=%%/3

下端彎矩"〃下=2匕也/3

⑤根據結點平衡計算梁端彎矩，如圖所示

對于邊柱：Mb=Mij±+M,j+^

對于中柱：設梁的端彎矩與梁的線剛度成正比，則

左=（〃肚下）」

%左乜右

〃陸上下）.

%左+“右

⑥可根據力的平衡原則，由梁兩端的彎矩求出梁剪力。

D值法與反彎點法計算步驟類似。只需將柱子抗側移剛度和柱反彎點高度按D值和D

值法反彎點高度y進行修正。

39、框架結構在水平荷載作用下的側移是由哪幾部分組成的？各怎樣計算?

答：水平側移A由框架梁、柱彎曲和剪切變形產生的水平位移A”。和由于框架柱軸向變形

產生的水平位移AN兩部分組成，即公=公”0+4.

梁、柱彎曲變形產生的側移公攻計算：

§=Vpi

第i層的層間位移2

'Z為

4=￡或

第i層的水平位移A

k=l

A=之M女

頂點位移為A

k=\

框架柱軸向變形產生的水平位移AN:AN=叱2FN

40、為什么對高層建筑結構來說，必須驗算結構的側向位移？

答：對高層建筑結構來說，其層數度，高度大，為保證在正常使用條件下，主體結構基本處

于彈性受力狀態，控制裂縫的開展及控制其寬度在規范允許范圍內，以及保證填充墻、隔墻

及幕墻等非結構構件的完好，要求高層建筑結構必須具有足夠的剛度，且須對結構樓層層間

最大位移與層高之比進行限值，所以必須驗算結構的側向位移。

41、高層框架結構中的側移哪些是有害性側移、哪些是無害性側移？

答：由框架梁、柱彎曲和剪切變形產生的水平側移式有害的，而由框架柱軸向變形產生的水

平側移無害。

42、框架結構的水平變形曲線有什么特征？

答：框架結構的水平變形曲線特征是在整體上構成“剪切型變形曲線”形式。

43、什么是控制截面？什么是控制內力？框架梁、柱結構構件的控制截面分別有幾個？控制

內力各有哪些？

答：控制截面就是構件中內力最大的截面?？刂苾攘褪强刂平孛嫔系淖畈焕麅攘?。框架梁

的控制截面有3個，兩端和跨中；框架柱的控制截面有2個，各層柱的上、下兩端。控制內

力如下表

構件梁柱

控制截面梁端跨中柱端

的max-"max+Mmax及相應的N，V

最不利內力

+〃max+"max-"max及相應的N，V

及相應的

VmaxA^axM,V

Nmin及相應的M,V

44、梁端彎矩調幅原因是什么？調幅大小有何依據？

答：梁彎矩調幅原因是按照框架結構的合理破壞形式，在梁端出現塑性較是允許的，為了便

于澆搞混凝土，也往往希望節點處梁的負鋼筋放的少些；而對于裝配式和裝配整體式框架，

節點并非絕對剛性，梁端實際彎矩將小于其彈性計算值，因此，在進行框架結構設計時，一

般均對梁端彎矩進行調幅。

調幅大小依據，考慮豎向荷載作用下梁端塑性變形內力重分布，對梁端負彎矩進行調幅，現

澆框架調幅系數為0.8?0.9,裝配式框架調幅系數為0.7?0.8,梁端負彎矩減少后，應按平

衡條件計算調幅后的跨中彎矩，且要求梁跨中正彎矩至少應取按簡支梁計算的跨中彎矩的

1/2o

45、抗震措施有多少等級？為什么有時要求高，有時要求低？有什么樣的大致規律性？

答：抗震措施有五個等級：特一級和一、二、三、四級。

抗震等級的不同，體現在對結構抗震性能要求嚴格與否的程度，等級越高，結構抗震

性能要求就越高，當有特殊要求時則提升到特一級，其計算和措施比一級更加嚴格；相反如

抗震等級較低，則抗震要求較低。

對各類不同的高層建筑結構，其抗震措施應符合以下要求：

(1)甲類、乙類建筑：當抗震設防烈度為6?8度時，應符合抗震設防烈度提高一度的要求;

當設防烈度為9度時，應符合比9度抗震設防更高達到要求。當建筑場地為I類時，應允許

仍按抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施。

(2)丙類建筑：應符合抗震設防烈度的要求。當建筑場地為I類時，應允許仍按抗震設防

烈度降低一度的要求采取抗震構造措施。

46、延性框架結構的設計要點是什么？

答：四個要點：①強柱弱梁；②強剪弱彎；③強節弱桿；④強壓弱拉。

47、保證框架梁結構構件具有足夠延性的措施有哪些？

答：①抗震設計時，計入受壓鋼筋作用的梁端截面混凝土受壓區高度與有效高度之比值，一

級不應大于0.25,二、三級不應大于0.35。；②抗震設計時，梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不

應大于2.5%.。

48、框架結構構件設計中，“強剪弱彎”要求是如何實現的？

答：在設計中采用將承載力不等式轉化為內力設計表達式，對不同抗震等級采用不同的剪力

增大系數，從而使強剪弱彎的程度有所差別。

49、為什么抗震設計中，鋼筋混凝土的斜截面抗剪承載力設計計算公式中，箍筋及混凝土設

計強度均乘以0.8的折減系數？

答：地震時在反復作用作用下,梁端柱端形成交叉剪切裂縫，使混凝土的抗剪能力比非抗震設

計時降低,在鋼筋混凝土的斜截面抗剪承載力設計計算公式中用乘0.8考慮這種不利影響。

50、框架柱剪跨比、軸壓比、剪壓比定義是什么？它們與框架柱破壞形態有什么樣的關系？

答：剪跨比：對于柱指框架柱端截面彎矩設計值M和剪力與截面高度乘積之比，即

2=—=^—=2，剪跨比大于2的柱，其破壞形式一般為延性的彎曲破壞，而剪跨比

VhVhh

小于2的柱，一般導致脆性的剪切破壞。

軸壓比：指柱組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積之

比，即」二；軸壓比是影響柱的延性重要因素之一，試驗研究表明，柱的延性隨軸壓比的

bhfc

增大急劇下降，軸壓比較高時，將導致混凝土壓碎而受拉鋼筋尚未屈服的小偏心受壓脆性破

壞。

剪壓比：柱內平均剪應力與混凝土抗壓強度設計值之比；柱構件截面剪壓比過大，混

凝土過早地發生剪切破壞。

51保證框架柱結構構件具有足夠延性的措施有哪些？

答：①限制框架柱的剪跨比；②限制框架柱的軸壓比；③限制框架柱的剪壓比；④限制框架

柱的縱筋配筋率;⑤限制框架柱的箍筋配箍率。

52、為什么要設計強柱弱梁框架結構？如何設計強柱弱梁？下面幾個概念是否對？為什么？

（1）柱子斷面大于梁斷面就是強柱弱梁；（2）柱子線剛度大于梁線剛度就是強柱弱梁；（3）

柱子承載力大于梁承載力就是強柱弱梁。

答：框架結構在水平地震作用下的破壞機制可以分為兩大類型：總體機制和樓層機制。所謂

樓層機制，也稱“梁錢型”破壞機制，是指當框架柱端的抗彎承載力大于梁端的抗彎承載力

時，地震時各層框架梁端首先屈服，梁端塑性錢的轉動耗散大量地震能量，而各層柱在較長

時間里基本處于彈性狀態，最后才在低層柱根部出現塑性較，形成整體的機動體系。樓層機

制，也稱“柱錢型”破壞機制，是指當框架梁端的抗彎承載力大于柱端的抗彎承載力時，地

震時處于梁端彈性狀態，框架柱端屈服，并導致某一樓層屈服，形成機動體系。兩相比較，

顯然總體機制的抗震性能好，是一種較理想的破壞機制。因此合理的抗震設計應符合強柱弱

梁原則，避免強梁弱柱。強柱弱梁是指節點處柱端實際受彎承載力加°和梁端實際受彎承

載力“刀之間滿足2〃？＞2加分，目的是控制塑性較出現位置在梁端，盡可能避免塑性

錢在柱中出現，抗震設計中，一定要設計強柱弱梁框架結構。

強柱弱梁受地震地復雜性，樓板的影響和鋼筋屈服強度的超強，很難通過精確計算真正

實現，國內外多以設計承載力來衡量，將鋼筋抗拉強度乘以超強系數或采用增大柱端彎矩設

計值的方法，將承載力不等式轉化為內力設計值的關系式，并使不同抗震等級的柱端彎矩設

計值有不同程度的差異，來實現強柱弱梁。

（1）柱子斷面大于梁斷面就是強柱弱梁是錯誤的，因為斷面大，柱端彎矩實際受彎承載力

不一定大；（2）柱子線剛度大于梁線剛度就是強柱弱梁是錯誤的，因為線剛度大，承載力不

一定大；（3）柱子承載力大于梁承載力就是強柱弱梁是對的。

大作業一：某10層RC框架結構設計計算。參見教材第165?179頁，附錄1。

第5章剪力墻結構設計

思考題

53、剪力墻結構定義、優點、缺點及其適用范圍如何？

答：剪力墻結構定義：由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結構。剪力墻或沿橫向、縱向

正交布置或沿多軸線斜交布置，同時墻體也作為維護及房間分隔構件的結構體系，

優點：剪力墻結構剛度大、空間整體性好，抗震性能也很好；

缺點：墻體多，平面布置不靈活，結構自重大，不容易布置面積較大的空間

適用范圍：適用于有小房間設計要求的高層住宅、公寓和旅館建筑。

54、按剪力墻結構的幾何形式可將其分為幾種類型？

答：①整體墻；②小開口整體墻；③聯肢剪力墻；④壁式框架。

55、為什么要用等效截面積和等效慣性矩來代替原截面特征計算整體剪力墻水平側移？

答：因為在計算位移時，用等效截面積考慮洞口對水平截面面積及剛度的削弱，用等效慣性

矩考慮剪切變形的影響。

56、連續連桿法的基本思路、各基本方程的實質含義是什么？

答：基本思路：將每一層處的連梁假想為均布在該樓層高度內的連續連桿，雙肢墻的計算簡

圖5.13b(見書上)，求解內力的基本方法是力法。圖5.13c(見書上)是雙肢墻的基本體系,

連桿剪力7(x)是多余未知函數。未知軸力。(x)雖然存在，但與求解7(x)無關，不必解出

其值。由切開處的變形連續條件建立r(x)的微分方程，求解微分方程可得連桿剪力r(x)。

將一個樓層高度范圍內各點剪力積分，還原成一根連梁中得剪力。各層連梁中的剪力求出后,

所有墻肢及連梁內力都可以相繼求出。

各基本方程的實質含義：

變形連續條件：偽(x)+2(x)+心(x)=0

司(%)是墻肢彎曲變形產生的相對位移；仇(x)=-2c0m

&(x)是由墻肢軸向變形產生的相對位移，［^dxdx

心(x)是由連梁彎曲和剪切變形產生的相對位移,

,

2z{x}hcr3/LiEJb

。⑴?！?與(+2

3EJBAhGa

內力：優0=%冬90連桿約束彎矩;

a

m.=m&)hj層連梁約束彎矩;

Vbj=m&)h/2cj層連梁剪力;

j層連梁端部彎矩;

M廣〉1

j層墻肢彎矩;

j層墻肢剪力;

雙肢剪力墻的側向位移應由墻肢的

彎曲變形和剪切變形引起的側移疊加而得到。

57、雙肢剪力墻采用連續連桿法計算所得荷載效應的特點是什么？

答：①雙肢墻的側移曲線呈彎曲型。a值越大，墻的剛度愈大，側移愈小。

②連梁的剪力分布具有明顯的特點：剪力最大（也是彎矩最大）的連梁不在底層，它的

位置及大小將隨a值改變。當a值增大時，連梁剪力加大，剪力最大的梁向下移。

③墻肢的軸力與a值有關。因為墻肢軸力即該截面以上所有的連梁剪力之和。當a值

增大時，連梁剪力加大，墻肢軸力也必然加大。

④墻肢的彎矩也與a值有關，a值愈大，墻肢彎矩愈小。

58、小開口整體墻是如何被劃定的？水平荷載作用下內力特點是什么？

答：小開后整體墻的判別條件a210或

水平荷載作用下內力特點：

①截面正應力基本上是直線分布，產生局部彎曲應力的局部彎矩不超過總彎矩的15%；

②在大部分樓層上，墻肢不應有反彎點。

59、在剪力墻內，水平鋼筋和豎向鋼筋設計原則是什么？

答：在剪力墻內，水平鋼筋滿足抗剪，豎向鋼筋滿足抗彎。

60、懸臂剪力墻正截面抗彎承載力設計時，大小偏心受壓情況下，截面應力假定如何？

答：截面應力假定：

混凝土受壓的應力與應變關系曲線：

當時

當￡0<￡cW&u時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

鋼筋應力：縱向鋼筋的應力取等于鋼筋應變與其彈性模量的乘積，但其絕對值不應大于其相

應的強度設計值。縱向受拉鋼筋的極限拉應變取為0.01。

61、抗震延性懸臂剪力墻設計和構造措施有哪些？

答：抗震延性懸臂剪力墻設計成高寬比大于2的細高剪力墻，這種剪力墻為彎曲破壞的延性

剪力墻，可避免脆性剪切破壞發生，當建筑要求更長的剪力墻時，為滿足每個墻段高寬比大

于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度小、較均勻的聯肢墻或整體墻，且洞口連梁宜

采用弱連梁，以減少連梁對墻肢的約束作用。

構造措施：

(1)在連梁、短柱、窗間墻內配置斜向鋼筋；

(2)對于連梁，可沿梁的縱向在半高處放置石膏板，將一根深梁變成兩根淺梁，對于很

粗的短柱，可以利用石膏板把它分成4根并列的細柱；

(3)變單肢墻為雙肢墻；

(4)控制底部加強區軸壓比；

(5)設置剪力墻邊緣構件。

62、聯肢剪力墻“強墻弱梁”設計要點是什么？

答：為實現聯肢剪力墻的延性破壞，設計中應做到“強墻弱梁”，其設計要點如下：

①防止墻肢早于彎曲破壞發生剪切破壞。為此，《建筑抗震設計規范》規定了抗震墻截面的

剪壓比限值和抗震等級為一、二級時抗震墻底部加強部位剪力設計值的放大系數；

②防止連梁早于彎曲破壞發生剪切破壞。為此，《建筑抗震設計規范》規定了連梁截面的剪

壓比限值和抗震等級為一、二級時連梁端部剪力設計值的調整系數；

③實現連梁先于墻肢發生彎曲破壞屈服，連梁發揮其塑性變形能力，耗散地震能量，有效減

輕主體結構構件的損壞。因此，設計中應使連梁具有合適強度、剛度和良好變形性能。《高

層建筑碎結構技術規程》JGJ3—2002要求剪力墻洞口連梁ln/h宜大于6,設計成細長弱連梁。

63、開洞剪力墻中，連梁性能對剪力墻破壞形式、延性性能有些什么影響？連梁延性設計要

點是什么？

答：開洞剪力墻中，具有合適強度、剛度和良好變形能力的連梁，能在墻肢屈服之前屈服，

發揮其塑性變形能力，連梁起著聯系墻肢和傳遞荷載的作用。具有合適強度、剛度和良好變

形能力的連梁，能在墻肢屈服之前屈服，發揮其塑性變形能力，耗散地震能量，有效減輕主

體結構構件的損壞。連梁變形性能的改善將有效地改善機構的變形性能。

改善連梁延性，主要措施就是設法抑制其剪切失效，連梁延性設計要點：

1,限制梁的名義剪壓比；

2,限制梁的剪箍比；

3,當名義剪壓比過高時，通過調幅降低連梁的彎矩，并降低縱向配筋率；或用加大截面寬

度b,提高稅標號等措施來降低名義剪壓比；

4,當采用上述各措施均有苦難而不能降低名義剪壓比斯，建議采用斜交叉配筋，或采用在

梁中部開水平縫(開梁縫)等具有較好塑性變形性能的連梁。如都做不到，則在設計時要考

慮連梁可能較早喪失承載能力而形成獨立墻抗震的情況。

64、高墻與矮墻的主要區別是什么？

答：高墻：H/hw>2

矮墻：H/hw<l

大作業二：某15層RC剪力墻結構設計計算。參見教材第180-90頁，附錄2o

第6章框架-剪力墻結構設計

思考題

65、框架-剪力墻結構定義？其變形特點與框架結構、剪力墻結構有什么不同？

答：由框架和剪力墻共同承受豎向和水平作用的結構?？蚣芤患袅Y構是在框架結構中布

置一定數量的剪力墻，構成既靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的要求，同時又具有

足夠的水平剛度，克服了純框架結構水平剛度不足的弱點，框剪結構是由框架結構和剪力墻

結構兩種不同的抗側力體系組成的新型受力體系。

框架結構變形以剪切變形為主；剪力墻結構變形以彎曲型變形為主；框架一剪力墻結構變形

在下部樓層剪力墻拉著框架按彎曲型曲線變形，上部框架拉著剪力墻按剪切型曲線變形。

66、框架-剪力墻結構中剪力墻布置應滿足什么要求？剪力墻的數量和最小厚度又是怎樣確

定的？

答：框架一剪力墻結構中剪力墻布置應滿足下列要求：

①剪力墻宜均勻布置在建筑物的周圍附近，樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較

大的部位，剪力墻間距不宜過大；

②平面形狀凹凸較大時，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻；

③縱、橫剪力墻宜組成L形、T形和工字形等形式；

④剪力墻宜貫通建筑的全高，宜避免剛度突變；剪力墻開洞時，洞口宜上下對齊；

⑤樓、電梯間等豎井和平面宜盡量與靠近的抗側力結構結合布置。

要準確地確定剪力墻數量是較為困難的，下面分方案階段、初估尺寸階段及計算復核

階段三個階段進行說明。

（1）方案階段

在此階段，剪力墻布置主要滿足以下要求：

①為保證樓面剛度無限大的假定，剪力墻間距須滿足pl24表6.1的要求。在實際工程

中，剪力墻間距較規定最大值要小，一般情況下，以2?3B及30m左右為宜。

②為充分發的剪力墻結構的延性，剪力墻應設計成高寬比大于2的細高剪力墻，這種

剪力墻為彎曲破壞的延性剪力墻可避免脆性剪切破壞發生。當建筑要求更長的剪力墻時，為

滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的聯肢墻

或整體墻，且洞口連梁宜采用弱連梁，以減少連梁對墻肢的約束作用。

③為使墻體配筋較充分發揮作用,控制受彎產生的裂縫寬度,墻肢的長度不宜大于8m。

（2）初估尺寸階段

目剪國內工程設計中，絕大多數具有足夠的剪力墻，剛度和自振周期均在合適的范圍

以內，總結這些設計可得到一般底層結構剪力墻截面面積Aw和柱截面面積Ac之和與樓面

面積Af之比以及剪力墻截面積Aw與樓面面積Af之比，這些比值宜控制在pl25表6.2范圍

內。

pl25表6.2底層構件截面積與樓面面積之比

設計條件構件截面面積（Aw+AJ與樓面面剪力墻截面面積Aw與樓面面積Af

積Af之比之比

7°,II類土0.03?0.050.02?0.03

8°,III類土0.04?0.060.03?0.04

注：1、高度較大的框架一剪力墻，宜取表中的上限值。2、表中數值是縱橫兩方面的

總量，對剪力墻而言，兩個方向的剪力墻數量接近為宜。

對柱截面尺寸的初估，可按第4章框架結構設計有關章節進行。

（3）計算復核階段

確定剪力墻布置及初估尺寸后，就可以復核布置及尺寸是否合理，復核從自振周期、

軸壓比和結構側移三方面進行。

①自振周期

自振周期是對結構剛度特征的綜合反映，根據大量的工程統計表明，結構布置合理的

框架一剪力墻的自振周期為

T=（0.06~0.08）n

式中n一結構總層數。

②軸壓比

抗震設計時，為保證框架柱及剪力墻的延性，必須對它們所承受的軸力作一定限制。

所謂軸壓比是指軸壓力設計值與柱（剪力墻）全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積

的比值。對柱而言，軸壓力設計值指考慮地震作用組合的軸壓力設計值，對剪力墻而言，軸

壓力設計值指重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢的軸向壓力設計值?？拐鹪O計時，鋼筋混凝

土柱軸壓比不宜超過P126表6.3的規定；對于W類場地上較高的高層建筑，其軸壓比限值

應適當減小。

一、二級抗震等級的剪力墻底部加強部位，其重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比不

宜超過pl26表6.4的限值。

在計算軸向壓力設計值N時，剪力墻不考慮地震作用，只考慮重力荷載分項系數后的

最大軸力設計值，也可說是計算剪力墻的名義軸壓比。

大量的試驗研究及震害表明，截面受壓區高度不僅與軸壓比有關，而且與截面形狀有

關，在相同的軸壓力作用下，有翼緣的剪力墻受壓區高度較小，延性相對要好些，但在表

6.4中并未體現，因此在設計時，對矩形截面剪力墻墻肢（或墻段）應更嚴格控制其軸壓比。

pl26表6.3柱軸壓比限值

結構類型抗震等級

―-二二

板柱一剪力墻、框架——剪力墻0.750.850.95

部分框支剪力墻0.600.70—

P126表6.4剪力墻軸壓比限值

軸壓比一級（9度）一級（7、8度）二級

N/(￡A)0.40.50.6

注：N為重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢的軸向壓力設計值，A為剪力墻墻肢截面面

積，工為混凝土軸心抗壓強度設計值。

③結構側移

結構側移大小是高層建筑結構剛度的一個反映，也是對構件截面大小，剛度大小的一

個相對指標。樓層層間最大位移與層高之比的限值在3.4節中有明確規定，如計算側移超過

此規定，則須對平面布置及剪力墻數量進行適當調整。

保證剪力墻出平面的剛度和穩定性，規定了剪力墻的最小截面尺寸，見表5.5.

表5.5剪力墻截面最小厚度

序抗震等級剪力墻部位最小厚度（二者取較大者）

有端柱或翼墻無端柱或翼墻

1一、二級底部加強部位h/16200mmh/12200mm

其他部位h/20160mmh/12180mm

2三、四級底部加強部位h/20160mmh/20160mm

其他部位h/25160minh/25160mm

3非抗震h/25160mmh/25160mm

表5.5內符號h為層高或剪力墻無支長度，無支長度是指沿剪力墻長度方向沒有平面外

橫向支承墻的長度。剪力墻井筒中，分隔電梯井或管道井的墻肢截面厚度可適當減小，但不

宜小于160mm。

原則上，根據剪力墻截面面積與樓面面積之比Aw/Af和剪力墻軸壓比限值N/5A）,可

得到剪力墻面積Aw，再由剪力墻的長度，可計算剪力墻的最小厚度。大量的實際工程表明，

剪力墻的最小厚度一般均能滿足。

67、框架-剪力墻結構的計算方法主要有哪些？它們的共同點和不同點分別是什么？

答：框架-剪力墻結構的計算方法主要有計算機借助單元矩陣位移法和簡化的手算近似法兩

種。

共同點：①基于樓板在平面內剛度無限大的假定；

②基于平面結構的假定；

③解決問題的目標都是解決結構共同工作后，框架與剪力墻之間的剪力分配。

不同點：計算機借助單元矩陣位移法進行求解，求解中將剪力墻簡化為桿件或化為帶剛性域

的平面壁式框架，同時考慮桿件的軸向、剪切及彎曲等變形影響，計算結果較準確；手算的

近似方法將所有剪力墻合并成總剪力墻，所有框架合并成總框架，將連系框架和剪力墻間的

連桿切開后用