2025年高层结构期末试题及答案

2025年高层结构期末试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列高层结构体系中，抗侧移刚度最大的是（）。A.框架结构B.框架-剪力墙结构C.筒中筒结构D.板柱-剪力墙结构2.根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2024），7度（0.15g）设防区，丙类建筑，采用部分框支剪力墙结构时，其最大适用高度（m）为（）。A.80B.100C.120D.1503.高层结构风荷载计算中，体型系数μs的取值主要与（）有关。A.建筑高度B.地面粗糙度C.建筑平面形状D.基本风压4.下列关于高层结构地震作用计算的说法，错误的是（）。A.高度不超过40m且以剪切变形为主的结构可采用底部剪力法B.时程分析法需选取至少2条实际地震波和1条人工模拟波C.振型分解反应谱法需考虑前3~5个振型的组合D.扭转不规则结构应考虑双向水平地震作用的扭转影响5.高层混凝土结构中，框架柱的轴压比限值主要与（）无关。A.抗震等级B.混凝土强度等级C.柱截面尺寸D.柱纵筋配筋率6.某超高层建筑采用核心筒-伸臂桁架结构，伸臂桁架的主要作用是（）。A.提高结构抗扭刚度B.减少核心筒的弯矩C.增强楼盖平面刚度D.协调外框柱与核心筒的变形7.高层钢结构中，为避免“强梁弱柱”破坏形态，需对节点处的（）进行调整。A.梁端弯矩B.柱端弯矩C.梁端剪力D.柱端轴力8.下列关于转换层设计的说法，正确的是（）。A.转换层应尽量设置在结构底部B.转换梁的截面高度不宜小于跨度的1/8C.转换层上下刚度比需满足规范要求D.转换层楼板厚度可小于120mm9.高层结构P-Δ效应（重力二阶效应）的影响随（）的增大而显著。A.结构顶点位移B.结构总重力荷载C.结构高宽比D.地震作用方向10.基于性能的抗震设计中，“中震可修”对应的性能水准通常要求（）。A.结构无损坏B.主要构件轻微损坏，次要构件可修复C.主要构件中等损坏，需加固后使用D.结构不倒塌二、简答题（每题8分，共40分）1.简述框架-核心筒结构的协同工作原理，并说明其在水平荷载作用下的变形特征。2.高层结构设计中，为什么需要控制楼层侧向刚度比？常用的刚度比计算方法有哪些？3.对比分析钢筋混凝土高层结构与钢-混凝土混合结构在抗风设计中的差异。4.超限高层建筑需进行抗震性能化设计，简述其主要设计步骤。5.高层结构中，剪力墙边缘构件的作用是什么？约束边缘构件与构造边缘构件的区别有哪些？三、计算题（每题15分，共30分）1.某30层钢筋混凝土办公楼（首层层高4.5m，标准层层高3.6m），位于B类地面粗糙度地区，基本风压w0=0.6kN/m²（50年重现期），建筑平面为矩形（长L=40m，宽B=25m），屋顶高度H=108m。按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2022）计算屋顶处的风荷载标准值（体型系数μs=1.3，风振系数βz=1.5）。2.某8度（0.2g）设防区（Ⅱ类场地，第一组）的12层框架结构（结构总重力荷载代表值G=80000kN，基本自振周期T1=1.2s），采用底部剪力法计算水平地震作用。已知αmax=0.16，Tg=0.35s，η2=1.0，计算结构总水平地震作用标准值FEk及顶层（第12层，重力荷载代表值G12=8000kN，高度h12=42m）的水平地震作用Fi。四、综合分析题（10分）某拟建45层（高度180m）超高层酒店，位于7度（0.15g）设防区（Ⅲ类场地），建筑平面为椭圆形（长轴60m，短轴40m），功能要求底部4层为大空间宴会厅（柱网12m×12m），上部为标准客房（柱网8m×8m）。（1）试推荐合理的结构体系，并说明理由；（2）针对底部大空间需求，提出转换层设计的关键技术措施；（3）分析该结构在抗震设计中需重点关注的问题。2025年《高层结构设计》期末试题答案一、单项选择题1.C（筒中筒结构由内筒和外筒共同工作，抗侧移刚度最大）2.A（部分框支剪力墙结构在7度0.15g区的最大适用高度为80m，见JGJ3-2024表3.3.1-1）3.C（体型系数与建筑平面形状直接相关，如矩形、圆形、椭圆形等）4.C（振型分解反应谱法通常需考虑前n个振型，n取至有效质量系数≥90%，一般为5~15个）5.D（轴压比限值与抗震等级、混凝土强度、柱截面尺寸有关，与纵筋配筋率无关）6.D（伸臂桁架通过连接外框柱与核心筒，协调两者的变形差，减少结构侧移）7.B（通过调整柱端弯矩设计值，实现“强柱弱梁”，避免柱先于梁破坏）8.C（转换层需控制上下层刚度比，避免刚度突变；转换梁高度一般为跨度的1/6~1/8；转换层楼板厚度≥180mm）9.C（P-Δ效应与结构总重力荷载和顶点位移相关，但高宽比越大，侧移越大，效应越显著）10.B（“中震可修”对应性能水准2，主要构件轻微损坏，次要构件可修复）二、简答题1.协同工作原理：框架-核心筒结构中，核心筒（剪力墙）抗侧移刚度大，承担大部分水平荷载；框架抗侧移刚度较小，主要承担竖向荷载，同时与核心筒通过楼盖协同工作，形成“剪切型+弯曲型”的复合变形模式。变形特征：水平荷载下，核心筒以弯曲变形为主（顶部侧移大），框架以剪切变形为主（底部侧移大），两者通过楼盖协调，最终整体变形介于剪切型与弯曲型之间，侧移曲线呈“弯剪型”，层间位移角最大值出现在中部楼层。2.控制刚度比的原因：避免楼层刚度突变导致应力集中，防止“软弱层”或“薄弱层”出现，确保地震作用下结构变形均匀，避免局部破坏引发整体倒塌。常用计算方法：①剪切刚度比（γ1=（GiAi/hi）j/（GiAi/hi）j-1）；②剪弯刚度比（γ2=（ViΔi）j-1/（ViΔi）j）；③楼层抗侧力结构的弹性等效侧向刚度比（γ3=（θj-1/θj），θ为层间位移角）。3.抗风设计差异：①材料特性：混凝土结构自重较大，惯性力大，但阻尼比高（约5%）；混合结构（钢框架+混凝土核心筒）自重较轻，风振响应更敏感，但阻尼比略低（约2%~3%）。②刚度分布：混凝土结构整体刚度大，风荷载下侧移较小；混合结构外框钢框架刚度较低，需依赖核心筒提供抗侧刚度，需重点控制顶点位移和层间位移角。③风振系数：混合结构基本周期更长（T1=0.08~0.1H），大于混凝土结构（T1=0.06~0.08H），风振系数βz更大，风荷载效应更显著。④节点设计：混凝土结构节点为刚接，抗扭刚度高；混合结构钢框架节点可能采用半刚性连接，需验算风荷载下的节点转动对侧移的影响。4.抗震性能化设计步骤：①确定性能目标：根据结构重要性、超限程度，设定多遇地震、设防地震、罕遇地震下的性能水准（如中震弹性、大震不屈服等）。②精细化模型建立：采用三维空间模型，考虑材料非线性（如混凝土塑性损伤、钢筋强化）、节点非线性（如钢节点滞回）及P-Δ效应。③多方法分析验证：同时采用反应谱法、时程分析法（不少于2条实际波+1条人工波）、静力弹塑性分析（Pushover），对比关键构件的内力和变形。④关键构件加强：对转换构件、底部加强区剪力墙、伸臂桁架等易损部位，提高承载力（如增大配筋率、采用高强混凝土）或延性（如加密约束边缘构件箍筋）。⑤试验验证：对新型节点或复杂构件（如转换梁与柱的连接节点），进行足尺或缩尺试验，验证其抗震性能。5.边缘构件作用：约束剪力墙墙肢端部混凝土，提高其抗压强度和延性，避免墙肢在地震作用下发生脆性剪切破坏或压溃。区别：①约束范围：约束边缘构件需设置暗柱、端柱或翼墙，长度为墙厚的1.5~2倍；构造边缘构件仅需设置暗柱，长度为墙厚的1~1.5倍。②配箍要求：约束边缘构件箍筋间距更小（≤100mm）、直径更大（≥φ10），体积配箍率更高（如一级抗震≥1.2%）；构造边缘构件箍筋间距≤150mm，体积配箍率≤0.6%。③适用条件：约束边缘构件用于高抗震等级（一、二级）或墙肢轴压比较大（≥0.3）的情况；构造边缘构件用于低抗震等级（三、四级）或轴压比较小的情况。三、计算题1.风荷载标准值计算（依据GB50009-2022）：（1）计算高度z处的风压高度变化系数μz：建筑高度H=108m，B类地面粗糙度，查表得：z=100m时，μz=2.0；z=150m时，μz=2.3。采用线性插值：μz=2.0+(108-100)/(150-100)×(2.3-2.0)=2.0+8/50×0.3=2.048≈2.05（2）风荷载标准值wk=βz·μs·μz·w0代入数据：wk=1.5×1.3×2.05×0.6=1.5×1.3×1.23=1.5×1.599=2.3985≈2.40kN/m²答案：屋顶处风荷载标准值为2.40kN/m²2.水平地震作用计算（依据GB50011-2024）：（1）计算地震影响系数α1：结构周期T1=1.2s，Tg=0.35s，T1>Tg且≤5Tg（5×0.35=1.75s），处于反应谱的下降段。α1=(Tg/T1)^γη2αmax，其中γ=0.9（II类场地，第一组），η2=1.0α1=(0.35/1.2)^0.9×1.0×0.16≈(0.2917)^0.9×0.16≈0.31×0.16=0.0496≈0.05（2）结构总水平地震作用标准值FEk=α1Geq=0.05×0.85×80000=0.05×68000=3400kN（Geq=0.85G）（3）顶层水平地震作用Fi=α1G12h12/ΣGjhj计算ΣGjhj：假设各层高度为h1=4.5m（第1层），h2=4.5+3.6=8.1m（第2层），…，h12=4.5+11×3.6=4.5+39.6=44.1m（题目中h12=42m，按题目给定值）。ΣGjhj=G1h1+G2h2+…+G12h12，假设各层Gj=G/12≈6666.67kN（除顶层G12=8000kN），则：ΣGjhj≈11×6666.67×(4.5+8.1+…+38.7)+8000×42但题目简化计算，假设各层Gj=G/12=6666.67kN（除顶层），则ΣGjhj=6666.67×(4.5+8.1+…+38.7)+8000×42等差数列求和：h1到h11的高度为4.5,8.1,…,38.7（公差3.6，共11项），和为11×(4.5+38.7)/2=11×21.6=237.6mΣGjhj=6666.67×237.6+8000×42≈1,584,000+336,000=1,920,000kN·mFi=α1G12h12/ΣGjhj×FEk？不，底部剪力法中，Fi=α1Gihi/ΣGjhj×FEk（当T1≤1.4Tg时需考虑顶部附加地震作用，但本题T1=1.2s>1.4×0.35=0.49s，需计算顶部附加地震作用系数δn=0.08T1+0.07=0.08×1.2+0.07=0.166）但题目可能简化，直接按Fi=GihiFEk/ΣGjhj（忽略顶部附加）则Fi=(8000×42×3400)/1,920,000=(8000×42×3400)/(1.92×10^6)=(8000×42×3400)/(1920000)=(8000/1920000)×42×3400=(1/240)×142800=595kN答案：FEk=3400kN，顶层Fi≈595kN（注：实际计算中需精确计算ΣGjhj，此处为简化示例）四、综合分析题（1）结构体系推荐：采用部分框支剪力墙结构或框架-核心筒结构（带转换层）。理由：①建筑高度180m（超高层），需高抗侧刚度体系；②底部4层大空间（12m柱网），上部小柱网（8m），需通过转换层实现竖向构件不连续；③部分框支剪力墙结构中，底部采用框支框架（大柱网），上部为剪力墙（小柱网），转换层设置在4层顶，可满足功能需求；④框架-核心筒结构中，核心筒提供主要抗侧刚度，外框柱在底部采用大截面（12m柱距），上部缩小柱距（8m），通过转换梁或桁架转换，适用于椭圆形平面的抗扭需求。（2）转换层设计关键措施：①转换层位置：尽量靠近底部（4层顶），避免高位转换导致刚度突变过大；②转换构件形式：采用梁式转换（转换梁高度≥跨度1/6，即12m跨度时高度≥2m），或桁架转换（减少自重）；③刚度比控制：转换层上下层剪切刚度比γ1≥0.5（JGJ3-2024要求），可通过增大转换层下层剪力墙厚度（如由上部200mm增至400mm）或增加底部框架柱截面（如1.2m×1.2m）；④转换层楼板加强：楼板厚度≥180mm，双层双向配筋（配筋率≥0.25%），避免开大洞；⑤框支柱加强：抗震等级提高一级（7度区提高至一级），轴压比限值降低0.1（如由0.7降至0.6），箍筋全高加密（间距≤100mm）。（3）抗震设计重点问题：①扭转效应控制：椭圆形平面质心与刚心易偏移，需调整核心筒位置（偏向长轴一侧），确保扭转位移比≤1.4（A级高度）或≤1.5（B级高度）