2025年高层建筑结构设计竞赛题库试题及答案

2025年高层建筑结构设计竞赛题库试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某8度（0.2g）设防区，建筑高度150m的钢筋混凝土框架-核心筒结构，其框架部分承担的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的30%，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2024），该结构的框架部分抗震等级应为（）。A.一级B.二级C.三级D.四级答案：A解析：框架-核心筒结构中，若框架部分承担的倾覆力矩≤50%，则框架部分的抗震等级应按框架-剪力墙结构中框架的规定采用。8度0.2g区，高度＞130m的框架-剪力墙结构中框架部分抗震等级为一级（规程表3.3.3-1）。2.下列关于高层钢结构抗风设计的描述中，错误的是（）。A.顺风向风振响应需计算平均风与脉动风的组合效应B.横风向风振可能由涡激振动引起，当结构顶部风速超过临界风速时需验算C.高层钢结构的阻尼比可取0.02~0.04，随结构刚度增大而减小D.风荷载标准值计算时，基本风压应采用50年重现期，对特别重要的建筑可提高至100年答案：C解析：高层钢结构的阻尼比一般为0.01~0.02（纯钢结构）或0.02~0.03（混合结构），随结构刚度增大，阻尼比通常增大而非减小（《建筑结构荷载规范》GB50009-2022第8.4.3条）。3.某超高层建筑采用带伸臂桁架的筒中筒结构，伸臂桁架的最佳布置位置为（）。A.设备层顶部，避开刚度突变层B.结构高度的1/3~1/2处，与核心筒加强层重合C.顶层，增强抗倾覆能力D.底部加强区，提高整体刚度答案：B解析：伸臂桁架通过连接外框筒与核心筒，将外框柱的轴向力转化为抗倾覆力矩，最佳布置位置为结构高度的1/3~1/2处（《高层建筑结构设计》2024版），通常与设备层（加强层）结合以减少对建筑功能的影响。4.关于高强混凝土（C80~C100）在高层建筑中的应用，下列说法正确的是（）。A.可显著减小柱截面，但需注意核心区箍筋加密以提高延性B.弹性模量与普通混凝土相同，无需调整计算参数C.收缩徐变小于普通混凝土，有利于控制长期变形D.抗震设计中，轴压比限值可与普通混凝土一致答案：A解析：高强混凝土强度高但延性较低，需通过加密箍筋约束核心混凝土（《混凝土结构设计规范》GB50010-2023第6.3.7条）；其弹性模量高于普通混凝土（E_c=4.75×10^4N/mm²forC80）；收缩徐变更大；轴压比限值需比普通混凝土严格（如C80柱轴压比限值降低0.05）。5.某200m高建筑采用屈曲约束支撑（BRB）作为消能构件，其设计中需重点控制的参数不包括（）。A.支撑的屈服位移B.支撑的极限受压承载力C.核心钢板的宽厚比D.外约束套管的防火保护层厚度答案：B解析：BRB设计需控制屈服位移（影响耗能效率）、核心钢板宽厚比（防止局部屈曲）、防火保护层厚度（满足耐火极限）；其受压承载力因约束套管作用可接近受拉承载力，无需额外控制极限受压承载力（《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2024第5.2.3条）。二、简答题（每题8分，共40分）1.简述高层建筑结构概念设计的核心原则及其在抗震设计中的具体应用。答案：核心原则包括：规则性（平面、竖向刚度与质量均匀）、整体性（各抗侧力体系协同工作）、延性（强柱弱梁、强剪弱弯）、冗余度（多道防线）。抗震设计中应用：①平面规则性控制（如扭转位移比≤1.4）；②竖向避免刚度突变（层间刚度比≥0.7）；③通过强柱弱梁调整梁柱抗弯承载力（η_c=1.5）；④设置框架-核心筒双重抗侧力体系，核心筒与框架分别承担地震作用。2.对比分析钢筋混凝土核心筒与钢-混凝土混合核心筒在超高层建筑中的优缺点。答案：钢筋混凝土核心筒优点：刚度大、抗侧移能力强、防火性能好、造价低；缺点：自重大（增加基础负担）、施工周期长、延性较差（高烈度区需加强配筋）。钢-混凝土混合核心筒优点：自重轻（减少地震作用）、施工速度快（钢骨与混凝土协同）、延性好（钢骨约束混凝土）；缺点：防火要求高（需厚涂型防火涂料）、节点构造复杂（钢骨与钢筋连接）、造价较高（钢材成本）。3.说明风荷载作用下高层建筑顶点加速度的控制意义及主要优化措施。答案：控制意义：顶点加速度过大将导致人员不适（ISO标准建议住宅≤0.15m/s²，办公≤0.25m/s²），影响使用功能；长期振动可能引发结构疲劳损伤。优化措施：①增大结构刚度（如增加核心筒厚度、设置伸臂桁架）；②提高阻尼比（设置黏滞阻尼器、采用混合结构）；③调整平面形状（流线型减少涡激振动）；④设置调谐质量阻尼器（TMD）吸收振动能量。4.简述高层建筑施工阶段模拟分析的必要性及主要计算内容。答案：必要性：施工过程中结构逐步形成，自重荷载分层施加，混凝土收缩徐变、构件龄期差异会导致实际应力与一次性加载计算结果偏差，可能引发开裂或变形超限。计算内容：①分层加载模拟（每层施工时仅考虑已施工部分的刚度）；②混凝土收缩徐变模型（采用CEB-FIP2010或规范建议公式）；③施工临时支撑的拆除顺序（避免结构突然卸载）；④不同施工阶段的层间位移与应力验算（确保施工安全）。5.列举三种新型高层建筑结构体系，并说明其适用场景及技术优势。答案：①钢管混凝土束筒结构：由多个钢管混凝土柱与钢板剪力墙组成，适用于200m以下办公建筑；优势：工厂化预制程度高（缩短工期）、自重轻（降低基础造价）、抗侧移刚度大。②形状记忆合金（SMA）自复位框架：梁柱节点采用SMA连杆，适用于高烈度地震区；优势：地震后可自动恢复变形（残余位移小）、减少修复成本。③气膜-钢结构组合体系：外层为充气膜结构，内部为轻钢结构，适用于大跨度公共建筑（如会展中心）；优势：自重极轻（风荷载敏感但地震作用小）、空间利用率高、可快速搭建。三、计算题（每题15分，共30分）1.某10度（0.4g）设防区，70m高的钢筋混凝土框架结构（丙类建筑），首层层高4.5m，标准层层高3.6m，共19层（含首层）。已知首层层间侧移刚度D1=2.5×10^5kN/m，第二层D2=2.2×10^5kN/m，第三层及以上Dn=2.0×10^5kN/m。（1）验算首层是否为薄弱层；（2）若为薄弱层，计算其楼层地震剪力增大系数。（注：《建筑抗震设计规范》GB50011-2024规定，楼层侧移刚度比γ=Di/(1.5Di+1)，当γ＜0.5时为薄弱层；薄弱层地震剪力增大系数η=1.5~2.0，具体按γ取值。）答案：（1）首层与第二层刚度比γ=D1/(1.5D2)=2.5×10^5/(1.5×2.2×10^5)=2.5/(3.3)=0.758＞0.5，不满足薄弱层条件（规范要求γ＜0.5时为薄弱层）。但需进一步验算首层与第三层刚度比（因第二层刚度可能突变）：γ'=D2/(1.5D3)=2.2×10^5/(1.5×2.0×10^5)=2.2/3=0.733＞0.5，故无薄弱层。（2）因首层非薄弱层，无需增大剪力系数。2.某150m高的矩形截面钢筋混凝土核心筒（平面尺寸8m×12m，墙厚400mm），基本风压w0=0.8kN/m²（100年重现期），地面粗糙度B类，结构基本周期T1=3.5s。计算100m高度处的风荷载标准值（体型系数μs=1.3，高度z处的风压高度变化系数μz=1.8，风振系数βz=1.5）。答案：风荷载标准值wk=βzμsμzw0代入数据：wk=1.5×1.3×1.8×0.8=1.5×1.3×1.44=1.5×1.872=2.808kN/m²四、案例分析题（30分）背景：某220m高的超高层办公楼（8度0.2g，Ⅲ类场地，设计地震分组第一组），建筑平面为边长40m的正方形，采用钢框架-混凝土核心筒结构（核心筒平面20m×20m，墙厚从底部800mm渐变至顶部400mm）。业主要求优化结构方案以降低用钢量，同时满足“大震不倒”的抗震目标。问题：（1）分析该结构体系的抗侧力特性，指出核心筒与钢框架的协同工作机制；（2）提出3项降低用钢量的优化措施，并说明技术依据；（3）针对大震不倒目标，需重点验算哪些内容？提出2项加强措施。答案：（1）抗侧力特性：核心筒承担主要水平地震作用（约80%~90%），钢框架作为二道防线承担剩余作用；协同工作机制：核心筒刚度大，变形以弯曲为主；钢框架刚度较小，变形以剪切为主；通过楼板协同，整体变形为弯剪型，减少层间位移角。（2）优化措施：①核心筒采用高强混凝土（C80~C100）：可减小墙厚（如底部墙厚从800mm减至600mm），降低混凝土用量，同时减少钢框架承担的倾覆力矩（核心筒刚度提高），间接减少框架柱用钢量（《混凝土结构设计规范》GB50010-2023允许C100用于核心筒）。②钢框架柱采用矩形钢管混凝土柱（CFST）：钢管约束混凝土提高抗压承载力，可减小柱截面（如从1200mm×1200mm减至1000mm×1000mm），减少钢材用量；同时CFST柱延性优于纯钢柱，满足抗震要求（《钢管混凝土结构技术规程》CECS28-2023）。③优化伸臂桁架布置：在设备层（50m、100m、150m）设置伸臂桁架，连接核心筒与外框柱，将外框柱转化为“巨型柱”，利用其轴向刚度抵抗倾覆力矩，减少核心筒受拉区墙肢的配筋（《高层建筑结构设计》2024版指出伸臂可使外框柱承担30%~40%的倾覆力矩）。（3）大震不倒验算内容：①弹塑性层间位移角（限值1/100）；②核心筒连梁、框架梁柱的塑性铰分布（避免形成机构）；③关键构件（