高层结构思考

高层建筑结构 思考题 高层建筑结构高层建筑结构 课程思考题课程思考题 姓名 专业 学号 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 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 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 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 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 6 连续化方法求双肢墙内力的计算步骤及相应公式 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 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 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 10 框剪结构的内力计算步骤及相应公式 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 12 剪力墙的截面设计计算有哪些 1 答 高层建筑结构体系主要有 框架结构体系 剪力墙结构体系 框架 剪力墙结构体系 筒体结构体系 1 框架结构 高层建筑结构 思考题 结构组成 沿房屋的纵向和横向均采用框架作为承重和抵抗侧向力 的主要构件所构成的结构体系 主要优点 建筑平面布置灵活 可提供较大内部空间 自重轻施工 方便 主要缺点 结构本身柔性大 抗侧能力较差 风荷载作用下会产生 较大变形 变形特点 以剪切变形为主 适用范围 高度不大的高层建筑 以 15 20 层以下为宜 适用于工 业 民用建筑高度 60m 2 剪力墙结构 结构组成 利用建筑物墙体作为承受竖向荷载 抵抗水平荷载的结 构 主要优点 侧向刚度大 抗侧力能力强 变形小 抗震性能好 主要缺点 剪力墙间距小 平面布置不灵活 不适合建造公共建筑 结构自重大 变形特点 总体呈弯曲形变形 适用范围 适合于建造较高的高层建筑 30 40 层 3 框架 剪力墙结构 结构组成 由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成 主要优点 既保留了框架结构布置灵活大开间的优点 又有剪力墙抗 侧刚度大的优点 建筑中广泛采用 主要缺点 无明显缺点 高层建筑结构 思考题 变形特点 总体呈弯剪型变形 适用范围 楼层在 50 层左右的高层建筑 4 筒体结构 结构组成 由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成 的筒体 主要优点 比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力 并具有 很好的抗扭刚度 主要缺点 各柱中存在剪力滞后现象 使得参加受力的翼缘框架柱 越少 空间受力特性越弱 变形特点 腹板框架梁柱主要呈剪切型变形 翼缘框架柱主要呈弯 曲型变形 适用范围 适用于超过 50 层以上的超高层建筑 2 答 高层建筑结构的平面布置要求简单 规则 对称 因为这样布置可 以减少建筑物自身的扭转 有利于建筑物的抗震 结构宜设计成刚度下大上小 如果下层刚度小 将使得变形集中在 下部 形成薄弱层 严重的会引起坍塌 刚度均匀是为防止刚度突变引起 抗震性能的减弱 3 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 z 设计时用它加大风荷载 仍然 按照静力作用计算风荷载 4 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 高层建筑结构 思考题 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 J Jn 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 J Jn 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 J Jn 开口整体墙计算 当只满足 10 按壁式框架计算 当只满足 时 J Jn 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 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 高层建筑结构 思考题 1 2 2 2 3 1 64 3 1 4 1 HGA EJ EJ EJ HGA EJ EJ EJ HGA EJ EJ EJ w w w d w w w d w w w d 顶点集中荷载时 倒三角形荷载时 均布荷载时 将式 1 用代人 可近似归并为一个统一的计算式 c EG42 0 2 9 1 HA J EJ EJ w w w d 6 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 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 x 的微分方程 力法 求解微分方程的 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 高层建筑结构 思考题 7 答 主要区别有两点 其一是梁柱杆端均有刚域 从而使杆件的刚度增大 其二是梁柱界面高度较大 需考虑杆件剪切变形的影响 用 D 值法需要对梁 柱刚度和柱子反弯点高度进行修正 8 答 1 在房屋的上部 框架 帮 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 在房屋的下部 剪力墙 帮 框架 高层建筑结构 思考题 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 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 高层建筑结构 思考题 10 答 1 框架 剪力墙结构基本假定与计算简图 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 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 高层建筑结构 思考题 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 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 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 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 答 刚度特征值 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 刚度特征值 对侧移曲线的影响 框架 剪力墙结构体系的侧向位移曲线呈弯剪型 结构侧移曲线刚 度特征值 的变化而变化 图 8 为不同 值时框架一剪力墙结构的侧移 曲线 可以看出 当 值较小 如 1 时 由可知 总框 e f EI HC 2 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 较大 如 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 高层建筑结构 思考题 愈加显著 所以结构的侧移曲线接近剪切型 当 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 刚度特征值 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 变化 详见下表 刚度特 征值 0 常数 一般 1 6 剪力分 配 p Vp Vw Vf Vw Vf Vw Vf 分析 当 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 很小 时 剪力墙承担 大部分剪力 当 很大时 框架 承担大部分剪力 当 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 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 高层建筑结构 思考题 0 3 0 6 其位置随着 的增大而向下移 3 由 的计算公式可知 H愈大 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 max f V 12 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