高层建筑结构设计方案-苏原-第3章习题

1201212(...)cos cos cos n n
z z s s sn W a a a B B B βμμμμω=+++第三章
3.1 计算总风荷载和局部风荷载的目的是什么？二者计算有何异同？
答：(1)总风荷载是建筑物各表面承受风作用力的合力，是沿高度变化的分布荷载，计算总风荷载的目的是为了计算抗侧力结构的侧移及各构件内
力。

局部风荷载是用于计算结
构局部构件或围护构件与主体的连接。

(2)二者的异同：二者都用下列公式计算但计算局部风荷载的时候采用的是部风荷载体型系数。

3.2 对图3-13结构的风荷载进行分析。

图示风的作用下，各建筑立面的风是
吸力还是压力？是什么方向？结构的总风荷载是哪个方向？如果要计算与其成90°方向的总风荷载，其大小与前者相同吗？为什么？
3.3 计算一个框架-剪力墙结构的总风荷载。

结构平面即图3-13的平面，16
层，层高3m ，总高度为48m 。

由现行荷载规范上找出你所在地区的基本风压值，按50年重现期计算。

求出总风荷载合力作用线及其沿高度的分布。

3.4 地震地面运动特性用哪几个特征量来描述？结构破坏与地面运动特性有什
么关系？
答：(1)地震地面运动的特性可用三个量来描述：强度（由振幅值大小表示）、频谱和持续时间。

(2)结构破坏与地面运动特性有着密切的关系，主要表现在：强烈地震的加速度或速度幅值一般很大，但如果地震时间很短，对建筑物的破坏性可能不大；而有时地面运动的加速度或速度幅值并不太大，而地震波的卓越周期与结构的基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。

3.5 什么叫地震地面运动的卓越周期？卓越周期与场地有什么关系？卓越周期
与场地特征周期有何关系？
答：(1)地震地面运动的卓越周期是指地震功率谱中能量占主要部分的周期。

(2)卓越周期与场地的关系：硬土的卓越周期短；软土的卓越周期长。

(3)卓越周期T与特征周期Tg间的关系应理解为: 二者都是场地固有周期
T0的不同预测值, 因预测方法不同而冠以不同的名称。

3.6地震作用与风荷载各有什么特点？
答：(1)地震作用的特点：地震时，由于地震波的作用产生地面运动，并通过房屋基础影响上部结构，使结构产生震动，这就是地震作用。

地震波会使房屋产生竖向震动和水平震动，一般对房屋的破坏主要是由水平振动造成。

设计中主要考虑水平地震作用，只有震中附近的高烈度区或竖向振动会产生严重后果时，才同时考虑竖向地震作用。

地震地面运动是一种随机振动；强烈地震时加速度峰值或速度峰值（振幅）往往很大，但如果地震时间很短，对建筑物的影响也可能不大。

而有时地面运动的加速度或速度峰值并不太大，而地震波的特征周期与结构物的基本周期接近，或者振动时间很长，都可能对建筑物造成严重影响。

(2)风荷载的特点：风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化
而不停的改变，风荷载是随时间而波动的动力荷载，但在房屋设计中一般把它看成静荷载。

在设计抗侧力结构、围护构件及考虑人们的舒适度时都要用到风荷载。

3.7什么是小震、中震、和大震？其概率含义是什么？与设防烈度是什么关
系？抗震设计目标要求结构在小震、中震、和大震作用下处于什么状态？
怎样实现？
答：(1)小震指该地区50年内超越概率为63%的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震；中震指该地区50年内超越概率为10%的地震烈度，又称为基本烈度或设防烈度；大震指该地区50年内超越概率为2%~3%的地震烈度，又称为罕遇地震。

(2)抗震设计目标要求：小震不坏，中震可修，大震不倒。

这些目标是通过
采取二阶段方法进行抗震设计来实现。

3.8什么是抗震设计的二阶段方法？为什么要采用二阶段设计方法？
答：(1)抗震设计的二阶段方法：第一阶段为结构设计阶段，此阶段能实现小震不坏、中震可修、大震不倒的目标。

第二阶段为验算阶段，此阶段用来检验是否达到了大震不倒的目标。

(2)二阶段设计方法能够实现三水准抗震设防的目标，并能获得较好的经济
效益，是一种比较成熟的方法，因此在抗震设计中采用二阶段的方法。

3.9 设计反应谱是通过什么样的结构技术模型得到的？阻尼比对反应谱有什么
影响？钢筋混凝土结构及钢结构的阻尼比分别多少？
答：(1)设计反应谱是通过单自由度弹性体系的结构技术模型得到的。

(2)结构自振周期T →∞时各阻尼绝对加速度反应谱均趋近于0，相互之间的差异越来越小；随着阻尼比的增大，不同阻尼值之间谱值相差越来越小；在谱平台段，各周期处的谱值因阻尼而造成的差异差别不大，在下降段，随着阻尼比增高，下降速率越来越低；不同阻尼比的反应谱特征周期略有变化，但阻尼比在0.01~0.1范围之内变化不大。

(3)一般钢筋混凝土结构阻尼比取0.05，钢结构取0.02.
3.10 什么是地震系数k 、动力系数β和地震影响系数α？写出α、β、k 的表
达式。

β谱曲线有什么特点？
答：(1)地震系数0,max /k x g = ,即地面运动最大加速度与重力加速度的比
值。

动力系数0,max /a s x β= ，即结构最大加速度反应相对于地面最大加速度的放
大系数。

地震影响系数k αβ=。

(2)由于同一烈度的k 值为常数，β谱曲线形状与α谱曲线形状相同。

3.11 什么是特征周期分组？对设计反应谱有什么影响？
答：(1)在相同烈度下，震中距离远近不同和震级大小不同的地震，产生的震害是不同的，如果距离震中较近，则地面运动的频率成分中短周期成分多，场地卓越周期短，对刚性结构造成的震害大，长周期的结构反应较小；如果距离震中远，短周期振动衰减比较多，场地卓越周期比较长，则高柔的结构受地震影响大。

《抗震规范》用设计分组，粗略的反应这一宏观现象。

(2)在分组中，特征周期越大，反应谱曲线平台段越长，长周期结构的地震作用将加大。

3.12 地震作用大小与场地有什么关系？请分析影响因素及其影响原因。

如果两
幢相同建筑，基本自震周期是3s ，建造地点都是属于第一组，分别建在Ⅰ
类场地和Ⅳ类场地上，它们地震作用相差多少？如果它们建筑地点分别为第一组和第三组，都是建在Ⅳ类场地上，地震作用又相差多少？
答：(1)对于同一个设计地震分组，场地类别越高，特征周期越大，对长周期结构越不利。

这是因为不同性质的土层对地震波包含的各种频率成分的吸收和过滤效果不同，场地土愈软，软土覆盖层厚度愈大，场地类别就愈高，从而特征周期就愈大。

3.13 计算水平地震作用有哪些方法？适用于什么样的建筑结构？
答：计算水平地震作用有两种方法：(1)反应谱底部剪力法，它适用于高度不超过40m 、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构。

(2)振型分解反应谱法，除基本振型的影响外，高振型的影响比较大，一般高层建筑都要用振型反应谱法考虑多个振型的组合。

该方法又分为平面结构振型分解反应谱法和空间结构振型分解反应谱法。

3.14 计算水平地震作用时，重力荷载怎么计算？各可变荷载的组合值系数为多
少？
答：计算水平地震作用时，计算重力荷载即计算结构等效总重力荷载0.85eq E G G ,其中E G 是结构总重力代表值，为各层重力荷载代表值之和。

重力荷载代表值是指100%的恒荷载、50%~80%的楼面活荷载和50%的雪荷载之和。

3.15 用底部剪力法计算水平地震作用及其效应的方法和步骤如何？为什么在顶
部有附加水平地震作用?
答：(1)用底部剪力法计算地震作用时，将多自由度体系等效为单自由度体系，只考虑结构基本自振周期计算总水平地震力，然后再按一定规律分配到各个楼层。

（2）在顶部附加水平地震作用的原因是为了考虑高振型对水平地震力沿高度分布的影响。

3.16 n 个自由度的结构有多少个频率和振型？频率和周期如何换算？计算结构
的频率和振型有哪些方法？为什么计算和实测的周期都要进行修正？如何修正？
答：(1)n 个自由度的结构有n 个频率和振型。

频率和周期互为倒数。

(2)计算结构的频率和振型的方法有：理论计算，半理论半经验公式和经验
公式三大类。

(3)理论方法得到的周期比结构的实际周期长，原因是计算中没有考虑填充
墙等非结构构件对刚度的增大作用，实际结构的质量分布、材料性能、施工质量等也不像计算模型那么理想，如直接用理论周期值计算地震作用，则地震作用可能偏小，因此必须对周期值（包括高振型周期值）作修正。

框架的修正系数取0.6~0.7，框架-剪力墙取0.7~0.8（非承重填充墙较少时，取0.8~0.9），剪力墙结构取 1.0。

另外通过实测方法得到的经验公式，也有局限性和误差，一方面，一个经验公式只适用于某类特定结构，结构变化，经验公式就不适用；另一方面，实测时，结构的变形很微小，实测的结构周期短，它不能反映地震作用下结构的实际变形和周期，因此要进行修正。

修正方法为：在应用的经验公式中将实测周期的统计回归值乘以1.1~1.5的加长系数。

3.17试述振型分解反应谱法计算水平地震作用及效应的步骤。

为什么不能直接
将各振型的效应相加？
答：(1)计算步骤：a.将质量集中在楼层位置，n个楼层为n个质点，有n 个振型。

b.在组合前分别计算每个振型的水平地震作用及其效应（弯矩、轴力、剪力、位移等）。

c.进行内力与位移的振型组合。

得到的等效地震力是
(2)因为采用了反应谱，由各振型的地震影响系数j
振动过程中的最大值，其产生的内力和位移也是最大值，实际上各振型的内力和位移达到最大值的时间一般并不相同，因此，不能简单的将各振型的内力和位移直接相加，而是通过概率统计将各个振型的内力和位移组合起来，即振型组合。

3.18平面结构和空间结构一般各取多少个振型进行组合？振型参与系数与振型
参与等效重量（或质量）公式有何区别？请参考空间振型的振型参与等效重量公式怎么写？
答：(1)对于规则的、假定为平面结构的建筑，一般取前三个振型就够了；
但如果建筑较高或柔，基本自振周期大于1.5s，或房屋高度比大于5时，或结构沿竖向刚度很不均匀时，振型数应适当增加，一般要取5~6个振型；如要求精确，可通过检验有效参与重量是否达到90%。

空间结构一般
要取9~15个振型，当建筑较高或结构沿竖向刚度很不均匀时，可取更多振型，参与组合的振型数应使振型参与等效重量达到总重量的90%。

(2)平面振型的振型参与系数
121n ji i i j n ji i i x G x
G γ===∑∑平面振型的等效重量公式2
1
21()n ji i i j n ji i i x G G x
G γ===∑∑
(3)空间振型：x 方向地震作用第j 振型的振型参与系数：
332
22211/()n n xj ji i ji ji ji i i
i i x G x y r G γθ===++∑∑
等效重量公式：
332222211()/()n n
xj ji i ji ji ji i i i i G x G x y r G γθ===++∑∑。