大工1303批次《高层建筑学》大作业题目及参考答案

网络教育学院高层建筑学离线作业 学习中心： 层 次： 专 业： 年 级： 年 春/秋 季 学 号： 学 生： 辅导教师： 完成日期： 年 月 日2013年3月份高层建筑学离线作业注意：从以下五个题目中任选两个进行解答（注意：从题目一、二中选择一道计算题，并从题目三、四、五中选择一道问答题，分别进行解答，不可同时选择两道问答题）；解答前，需将所选的题目进行复制（使老师明确你所选的题目）。题目一：计算题。某钢筋混凝土框架结构，地上十层，高度为40m，如下图所示。房屋所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为，设计地震分组为第一组，类场地。已知该楼的基本自振周期，经计算已知每层楼屋面的永久荷载标准值为，每层楼面和屋面的活荷载标准值均为。要求：确定该楼各层的水平地震作用值。1. 该楼高度40米，且各层的质量和刚度沿高度分布较均匀，可 采用底部剪力法。 2根据抗震设计规范，知设防烈度为7度，设计基本地震加速 度为0.10g。设计地震分组为第一组。 3.查表水平地震影响系数最大值 max = 0.08 特征周期 Tg = 0.65s 阻尼比 = 0.05 衰减指数 = 0.9 4.各楼层的重力荷载代表值 Gi = 12000 1.0 + 2000 0.5 = 13000kN G10 = 12000kN = 0.923Gi 结构的总重力荷载代表值 Geq = 0.85GE = 0.85(9 13000 + 12000 + 0.5 2000) = 109650 KN T1 = 1s Tg = 0.65s 5. 地震影响系数 1 = ( 6 Tg T ) 2 max 0.65 0.9 =( ) 1.0 0.08 = 0.0543 1.0 T1 = 1s 1.4Tg = 1.4 0.65 = 0.91s 顶部附加地震作用系数 n = 0.08T1 ? 0.02 = 0.08 1 ? 0.02 = 0.06 结构总水平地震作用标准值 FEK = 1Geq = 0.0543 109650 = 5954kN 8.主体结构水平地震作用标准值 ?Fn = n FEK = 0.06 5954 = 357kN Gi H i Fi = FEK (1 ? n ) Gi Hi FEK (1 ? n ) = 5954 ? 357 = 5597kN G H i i = (1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 0.923) 4 Gi = 216.92Gi Gi 36 F9 = 5597 = 25.8 36 = 928.8 216.92Gi F8 = 25.8 32 = 825.6kN F7 = 25.8 28 = 722.4kN F6 = 25.8 24 = 619.2kN F5 = 25.8 20 = 516.0kN F4 = 25.8 16 = 412.8kN F3 = 25.8 12 = 309.6kN F2 = 25.8 8 = 206.4kN F1 = 25.8 4 = 103.2kN1.该楼高度40米，且各层的质量和刚度沿高度分布较均匀，可采用底部剪力法。2根据抗震设计规范，知设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。设计地震分组为第一组。3.查表水平地震影响系数最大值特征周期阻尼比衰减指数4.各楼层的重力荷载代表值结构的总重力荷载代表值5.地震影响系数6顶部附加地震作用系数 结构总水平地震作用标准值8.主体结构水平地震作用标准值题目二：计算题。某高层建筑剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m，其他各层层高为3m，室外地面至檐口的高度为120m，平面尺寸为，地下室筏板基础底面埋深为12m，如下图所示。已知建筑物的基本自振周期为，基本风压为，建筑场地位于大城市郊区。已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为。为简化计算，将建筑物沿着高度方向划分为6个区段，每个区段为20m，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值。要求：计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力设计值和筏板基础底面的弯矩设计值。 （a） （b） （c）图3.2.4 高层结构外形尺寸及计算简图例题 某高层建筑剪力墙结构，上部结构为38层，底部1-3层层高为4m,其他各层层高为3m，室外地面至檐口的高度为120m，平面尺寸为，地下室采用筏形基础，埋置深度为12m，如图3.2.4(a)、(b)所示。已知基本风压为，建筑场地位于大城市郊区。已计算求得作用于突出屋面小塔楼上的风荷载标准值的总值为800。为简化计算，将建筑物沿高度划分为六个区段，每个区段为20m，近似取其中点位置的风荷载作为该区段的平均值，计算在风荷载作用下结构底部（一层）的剪力和筏形基础底面的弯矩。解：（1）基本自振周期：根据钢筋混凝土剪力墙结构的经验公式，可得结构的基本周期为： （2）风荷载体型系数：对于矩形平面，由附录1可求得（3）风振系数：由条件可知地面粗糙度类别为B类，由表3.2.2可查得脉动增大系数。脉动影响系数根据H/B和建筑总高度H由表3.2.3确定，其中B为迎风面的房屋宽度，由H/B=3.0可从表3.2.3经插值求得0.478；由于结构属于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，可近似采用振型计算点距室外地面高度与房屋高度的比值，即，为第i层标高；H为建筑总高度。则由式（3.2.8）可求得风振系数为：（4）风荷载计算：风荷载作用下，按式（3.2.1）可得沿房屋高度分布的风荷载标准值为：按上述公式可求得各区段中点处的风荷载标准值及各区段的合力见表3.2.4，如图3.2.4(c)所示。表3.2.4 风荷载作用下各区段合力的计算区段(m)区段合力突出屋面80061100.9172.151.30669.241384.85900.7502.021.26763.111262.24700.5831.861.22556.191123.83500.4171.671.17948.55971.02300.2501.421.12639.43788.61100.0831.001.06026.14522.8在风荷载作用下结构底部一层的剪力为筏形基础底面的弯矩为小 结（1）作用于高层建筑结构上的荷载可分为两类：竖向荷载，包括恒载和楼、屋面活荷载以及竖向地震作用；水平荷载，包括风荷载和水平地震作用。（2）计算作用在高层建筑结构上的风荷载时，对主要承重结构和围护结构应分别计算。对高度大于30m且高宽比大于1.5的高层建筑结构，采用风振系数考虑脉动风压对主要承重结构的不利影响。(3)计算高层建筑结构水平地震作用的基本方法是振型分解反应谱法，此法适用于任意体型、平面和高度的高层建筑结构。当建筑物高度不大且体型比较简单时，可采用底部剪力法计算。对于重要的或复杂的高层建筑结构，宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。题目三： 与多层建筑相比，高层建筑结构的设计特点有哪些？至少选择其中的三点进行详细的论述。要求：回答内容应与题目要求相一致，字数不少于500，字体宋体小四字，1.5倍行间距，封面按本课程设计封面要求填写，标题宋体小二加粗。1、 水平荷载成为设计的决定性因素对一般建筑物，其材料用量、造价及结构方案的确定主要由竖向荷载控制，而在高层建筑结构中，高宽比增大，水平荷载(包括风力和地震力)产生的侧移和内力所占比重增大，成为确定结构方案、材料用量和造价的决定因素。其根本原因就是侧移和内力随高度的增加而迅速增长。例如一竖向悬臂杆件在竖向荷载作用下产生的轴力仅与高度成正比，但在水平荷载作用下的弯矩和侧移却分别与高度呈二次方和四次方的曲线关系。因此，当建筑物达到一定高度或层数之后，内力和位移均急剧增加。如图所示除了轴向力N 与高度成正比外，弯矩M与位移 都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制结构设计的主要因素，结构侧移成为结构设计的主要控制目标。 2、侧移成为设计的控制指标 在高层建筑结构中，除了像多层和低层房屋一样进行强度计算外，还必须控制其侧移的大小，以保证高层建筑结构有足够的刚度，避免侧移过大。1）结构顶点的侧移 ut与结构高度 H 的四次方成正比2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系过大侧移会使人产生不安全感 过大侧移会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用因P-效应而使结构产生附加内力，甚至破坏。P-效应是指由于结构的水平变形而引起的重力附加效应，可称之为重力二阶效应，结构在水平力（风荷载或水平地震力）作用下发生水平变形后，重力荷载因该水平变形而引起附加效应，结构发生的水平侧移绝对值越大，P-效应越显著，若结构的水平变形过大，可能因重力二阶效应而导致结构失稳。3、轴向变形的影响在设计中不容忽视 在一般房屋结构分析中，通常只考虑构件弯曲变形的影响，而忽略构件轴向变形和剪切变形的影响，因为一般来说其构件的轴力和剪力产生的影响很小。而对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著，中部构件与边部、角部构件的轴向变形差别大，对结构内力分配的影响大，因而构件中的轴向变形影响必须加以考虑；1）竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响;2）水平荷载的影响 水平荷载作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。由表可知，结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。4、延性成为结构设计的重要指标相对于低层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取适当的措施，来保证结构具有足够的延性。1）延性表示构件和结构 屈服后，具有承载能力不降低、 具有足够塑性变形能力的一种 性能。 （2）延性系数：用来衡量延性的大小。（3）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。（4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。 5、动力效应大 结构本身的特点不同，如结构的类型与形式，结构的高度与高宽比，自振周期与材料的阻尼比等的不同，结构受到地震作用或风荷载作用时，产生的动力效应严重影响结构物的正常使用，甚至造成房屋的破坏。6、扭转效应大 当结构的质量分布、刚度分布不均匀时，高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用，扭转作用会使抗侧力结构的侧移发生变化，影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形。当结构的质量分布、刚度分布不均匀时，高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用，扭转作用会使抗侧力结构的侧移发生变化，影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形。7、结构的稳定和抗倾覆 防止结构发生整体失稳的破坏情况必须重视结构的整体稳定和抗倾覆问题。在高层建筑结构设计中，应该重视结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力，防止结构发生整体失稳的破坏情况。8、温差过大产生的温度应力及变形大当建筑物高度很大时，结构内力与上下的温差过大而产生的温度内力和温度位移也是高层建筑结构的一种特点。题目四：查阅相关资料，简要介绍高层建筑基础的形式有哪些，并举例说明。在选择基础形式及埋置深度时，高层建筑与多、低层建筑有什么不同？要求：回答内容应与题目要求相一致，字数不少于500，字体宋体小四字，1.5倍行间距，封面按本课程设计封面要求填写，标题宋体小二加粗。多、高层建筑的基础类型有单独基础、条形基础、十字交叉条形基础、片筏基础、箱形基础和桩基础等。 基础类型的选择与场地工程地质及水文地质条件、房屋的使用要求及荷载大小、上部结构对不均匀沉降的适应程度以及施工条件等因素有关。单独基础适用于上部结构荷载较小或地基条件较好的情况；条形基础通常沿柱列布置，它将上部结构较好地连成整体，可减少差异沉降量；十字交叉条形基础比条形基础更加增强基础的整体性，它适用于地基土质较差或上部结构的荷载分布在纵横两方向都很不均匀的房屋； 当地基土质较差，采用条形基础也不能满足地基的承载力和上部结构容许变形的要求，或当房屋要求基础具有足够的刚度以调节不均匀沉降时，可采用片筏基础；若上部结构传来的荷载很大，需进一步增大基础的刚度以减少不均匀沉降时，可采用箱形基础；桩基础也是多、高层建筑常用的一种基础形式，它适用于地基的上层土质较差、下层土质较好，或上部结构的荷载较大以及上部结构对基础不均匀沉降很敏感的情况。2、基础形式高层建筑应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。基础的选型应根据上部结构情况、工程地质、施工条件等因素综合考虑确定。（1）单独柱基适用于层数不多，地基土质较好的框架结构。（2）一般宜采用整体性好和刚度大的筏形基础、交叉梁基础、箱形基础。（3）当地质条件好、荷载较小，且能满足地基承载力和变形要求时，也可采用交叉梁基础。（4）当表层土质较差时，为了利用较深的坚实土层，减少沉降量，提高基础嵌固程度，可以采用桩基，成为桩筏基础或桩箱基础。 题目五：查阅相关资料，简述什么叫“延性框架”，什么是“强柱弱梁”、“强剪弱弯”原则，它们在具体的设计中是如何体现的？要求：回答内容应与题目要求相一致，字数不少于500，字体宋体小四字，1.5倍行间距，封面按本课程设计封面要求填写，标题宋体小二加粗。1、延性框架要求延性：指结构强度或承载力没有大幅度下降情况下的屈服后的变形能力。结构的延性性能可用下图1所示的荷载位移曲线描述。图1 延性结构荷载位移曲线构件的位移延性比定义为：截面曲率延性比定义为:耗能能力用往复荷载作用下构件或结构的力变形滞回曲线包含的面积度量，在变形相同的情况下，滞回曲线包含的面积越大，则耗能能力越大，对抗震越有利。常见构件的滞回曲线如下图2-4所示。滞回曲线表明:梁的耗能能力大于柱的耗能能力。构件弯曲破坏的耗能能力大于剪切破坏的耗能能力。图2 弯曲破坏滞回曲线图3 压弯破坏滞回曲线图4 剪切破坏滞回曲线通过实验和理论分析，可得到关于结构延性的一些结论。（1）要保证框架结构有一定的延性，就必须保证梁、柱等构件具有足够的延性。钢筋混凝土构件的剪切破坏是脆性的，或者延性很小，因此，构件不能过早发生剪切破坏，也就是说弯曲（或压弯）破坏由于剪切破坏。（2）在框架结构中，塑性铰出现在梁上较为有利。如下图5所示。在梁端出现的塑性铰数量可以较多而结构不致形成机构。每一个塑性铰都能吸收和耗散一部分地震能量，因此，对每一个塑性铰的要求可以相对较低，比较容易实现。此外，梁是受弯构件，而受弯构件都具有较好的延性。当塑性铰集中出现在梁端，而除柱脚外的柱端不出现塑性铰时成为梁铰机制。图5 塑性铰在梁端（3）塑性铰出现在柱中，则很容易形成破坏机构，如图6所示。如果在同一层住的上下都出现塑性铰时称为柱铰机制，该层结构变形将迅速增大，成为不稳定结构而倒塌，在抗震结构中应绝对避免出现这种被称为软弱层的情况。柱是压弯构件，承受很大的轴力，这种受力状态决定了柱的延性较小；而且作为结构的主要承载部分，柱子破坏将引起严重后果，不易修复甚至引起结构倒塌。因此，柱子中出现较多塑性铰是不利的。梁铰机制优于柱铰机制。图6 塑性铰在柱中（4）要设计延性框架，除了梁、柱构件必须具有延性外，还必须保证各构件的连接部分，即节点区不出现脆性剪切破坏，同时还要保证支座连接和锚固不发生破坏。综上所述，要设计延性框架结构，必须合理设计各个构件，控制塑性铰出现部位，防止构件过早剪坏，使构件具有一定的延性。同时也要合理设计节点区及各部分的连接和锚固，防止节点连接的脆性破坏。在抗震措施上，可归纳为以下几个要点。（1）强柱弱梁设计设计时应加大柱端截面的承载力，使节点上、下柱端截面在轴压力作用下的受弯承载力之和大于两侧梁端截面受弯承载力之和，实现塑性铰先出在梁端，形成梁铰机制，推迟或避免柱端形成塑性铰，实现“强柱弱梁”设计。（2）强剪弱弯设计梁、柱剪切破坏是脆性破坏，延性小，构件的耗能能力差，弯曲破坏为延性破坏，构件的耗能能力大；使梁、柱的受剪承载力大于其受弯承载力对应的剪力，推迟或避免梁、柱发生剪切破坏，实现“强剪弱弯”设计。（3）强节点、强锚固设计梁柱核芯区的破坏为剪切破坏，可能导致框架失效。核芯区的受剪承载力应大于汇交在同一节点的两侧梁达到受弯承载力时对应的核芯区的剪力；梁、柱塑性铰充分发展前，核芯区不破坏，梁、柱纵向钢筋，在核芯区内应有足够的锚固长度。（4）限定柱的轴压比钢筋混凝土小偏心受压柱的延性和耗能能力显著低于大偏心受压柱，主要是因为小偏压柱相对受压区高度大，延性和耗能能力降低。因此，要限制抗震设计的框架柱的轴压比(平均轴向压应力与混凝土轴心抗压强度之比)，并配置足够箍筋，提高柱的延性和耗能能力。（5）局部加强 提高和加强柱根部以及角柱等受力不利部位的承载力和抗震构造措施，推迟或避免其过早破坏。作业提交：1作业上交时需对文件进行压缩。Word及压缩文件的文件名写法为：姓名 奥鹏卡号 学习中心（如：戴卫东101410013979浙江台州奥鹏学习中心1VIP）2以附件形式上交离线作业（附件的大小限制在10M以内），选择已完成的作业（注意命名），点提交即可。如下图所示。注意事项：1作业提交截止时间是2013年2月24日前。2作业应该独立完成，不准抄袭其他网站或者请人代做，如有雷同作业，成绩以零分计。4.各楼层的重力荷载代表值1.该楼高度40米，且各层的质量和刚度沿高度分布较均匀，可采用底部剪力法。2根据抗震设计规范，知设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。设计地震分组为第一组。3.查表水平地震影响系数最大值特征周期阻尼比衰减指数