高层钢结构设计课后习题

1-1在高层钢结构设计中，为什么说水平荷载成为决定因素，结构侧移成为控制指标?一方面结构自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房髙度的一次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比；另一方面，对某一高度的楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化，从而使合理确定水平荷载比确定竖向荷载困难。

1)结构顶点的侧移△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；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，使结构安全受威胁。

1-2在高层钢结构设计中，为什么需要考虑柱的轴向变形和梁柱节点域的剪切变形？在高层钢结构中，由于柱中轴力大（特别是底层柱），因而轴向变形大，同时各柱轴向变形差异随房屋高度的增加而加大。

当房屋很高时，中柱和边柱的轴向压缩差异将会达到较大数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

因此，若忽略柱中轴向变形，将会使结构内力和位移的分析结果产生一定的误差。

另一方面，在高层建筑中，特别是在超高层建筑中，柱的负载很大，其总高度又很大，整根柱在重力荷载下的轴向变形有时可能达到数百毫米，对建筑物的楼面标高产生不可忽视的影响。

因此，在构件下料时，应根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。

在结构设计中，钢框架的梁、柱大都采用工字形或箱形截面，若假设梁、柱端弯矩完全由梁、柱翼缘板承担，并忽略轴力对节点域变形的影响，则节点域可视为处于纯剪切状态工作，加之节点域板件一般较薄，剪切变形较大，因此，对结构内力和侧移的影响不能忽视。

1-3试述线性构件、平面构件和空间构件的特点与区别。

(1)线形构件具有较大长细比的细长构件，称为线形构件或线构件。

当它作为框架中的柱或梁使用时，主要承受弯矩、剪力和压力，其变形中的最主要成分是垂直于杆轴方向的弯曲变形。

当它作为桁架或支撑中的弦杆和腹杆使用时，主要是承受轴向压力或拉力，轴向压缩或轴向拉伸是其变形的主要成分。

线构件是组成框架-支撑体系、框架-剪力墙体系的基本构件。

(2)平面构件具有较大横截曲宽厚比的片状构件，称为平面构件或面构件。

它作为楼板使用时，承受平面外弯矩，垂直于其平面的挠度是其变形的特点。

它作为墙体使用时，承受着沿其平面作用的水平剪力和弯矩，也承担一定的竖向压力；弯曲变形和剪切变形是墙体侧移的主要成分。

面构件出平面方向的刚度和承载力很小，结构分析中常略去不计。

面构件是组成框架-剪力墙体系、框架-核心筒体系的基本构件。

(3)空间构件由线构件和（或）面构件组成的具有较大横截面尺寸和较小壁厚的组合构件，称为空间构件或立体构件。

框筒就是由梁和柱等线构件组成的空间构件；框架-核心筒体系中的核心筒常由面构件组成空间构件；巨型结构体系中的巨型柱常由线构件或线构件与面构件组合成空间构件，其巨型梁通常由线构件组成。

在高层建筑结构中，空间构件作为竖向筒体或巨型柱使用时，主要承受倾覆力矩、水平剪力和扭转力矩。

与线构件和面构件相比，它具有较大的抗扭刚度和极大的抗推刚度，在水平荷载下的侧移较小，因而在高层或超高层建筑中，宜尽量选用空间构件。

空间构件是框筒体系、筒中筒体系、束筒体系、支撑框筒体系、大型支撑筒体系及巨型结构体系中的基本构件。

2-1试述高层建筑结构类型及其主要特征。

根据主要结构所用材料或不同材料的组合可将高层建筑结构分为：钢筋混凝土结构、纯钢结构、钢-混凝土混合结构和钢-混凝土组合结构四种结构类型。

后三种可归属于高层建筑钢结构范围，统称髙层建筑钢结构。

这三种结构类型的主要特征分别为：1.纯钢结构这种结构类型的梁、柱及支撑（含等效支撑，如钢板剪力墙、嵌入式内藏钢板支撑剪力墙和带竖缝的混凝土剪力墙）等主要构件均采用钢材。

该类型主要用于纯框架体系或框架-支撑（等效支撑）体系。

2.钢-混凝土混合结构这种结构类型的梁、柱构件采用钢材，而主要抗侧力构件采用钢筋混凝土内筒或钢筋混凝土剪力墙。

该类型主要用于框架-内筒体系或框架-剪力墙体系。

3.钢-混凝土组合结构这种结构类型包括钢骨（型钢）混凝土结构、钢管混凝土结构。

该类结构的柱和主要抗侧力构件（筒体、剪力墙等竖向构件）常采用钢骨混凝土或钢管混凝土，而梁等横向构件仍采用钢材。

2-2试述高层建筑钢结构体系的分类方法及其适用范围。

根据抗侧力结构的力学模型及其受力特性，可将常见的高层建筑钢结构分成如下四大体系：框架结构体系、双重抗侧力结构体系、筒体结构体系和巨型结构体系。

框架体系由于结构自身力学特性的局限，对于30层以上的楼房经济性欠佳。

双重抗侧力体系是在框架体系中增设支撑或剪力墙或核心筒等抗侧力构件，其水平荷载主要由抗侧力构件承担，可用于30层以上的楼房。

当房屋层数更多时，由于支撑等抗侧力构件的高宽比值超过一定限度，水平荷载产生的倾覆力矩引起的支撑等抗侧力构件中的轴压应力很大，结构侧移也较大，宜采用加劲框架-支撑体系，利用外柱来提高结构体系的抗倾覆能力。

随着房屋高度的增大，水平荷载引起的倾覆力矩，按照房屋高度二次方的关系急剧增大。

因此当房屋层数很多时，倾覆力矩很大，此时宜采用以立体构件为主的结构体系，即简体体系或巨型结构体系。

这种结构体系能够较好地满足很高楼房抗倾覆能力的要求。

2-3试述框架结构体系的特征、特性及适用高度。

1.体系特征框架体系是指沿房屋的纵向和横向均采用钢框架作为主要承重构件和抗侧力构件所构成的结构体系。

其钢框架是由水平杆件（钢梁）和竖向杆件（钢柱）正交连接形成。

地震区的高楼采用框架体系时，框架的纵、横梁与柱的连接一般采用刚性连接。

在某些情况下，为加大结构的延性，或防止梁与柱连接焊缝的脆断，也可采用半刚性连接。

2.受力特性刚性连接的框架在水平力作用下，在竖向构件的柱和水平构件的梁内均引起剪力和弯矩，这些力使梁、柱产生变形。

因此，框架结构体系利用柱与各层梁的刚性连接，改变了悬臂柱的受力状态，使柱在抵抗水平荷载时的自由悬臂髙度，由原来独立悬臂柱或铰接框架柱的房屋总高度(图2-la)减少为楼层高度的一半（h/2)(图2-lb)，即减小了几十倍之多，从而使柱所承受的弯矩大幅度减小，使框架能以较小截面积的梁和柱，承担作用于高楼结构上的较大水平荷载和竖向荷载。

因此，框架抗侧力的能力主要决定于梁和柱的抗弯能力。

房屋层数增多，侧力总值增大，而要提高梁、柱的抗弯能力和刚度，只有加大梁、柱的截面，截面过大，就会使框架失去其经济合理性。

髙层建筑的框架结构，在竖向荷载作用下，仅框架柱的轴向压力自上而下逐层增加(框架梁、柱的弯矩和剪力自上而下基本无变化）；在水平荷载作用下，框架梁、柱的弯矩、剪力和轴力自上而下均逐层增加，上小下大，而且第二层边跨的框架梁梁端内力常为最大。

3.变形特点框架在侧力作用下，在所有杆件（柱和梁）内均引起剪力和弯矩，从而使梁、柱产生垂直于杆轴方向的变形。

框架在侧力作用下所产生侧向位移△(图2-2a)由两部分组成：倾覆力矩使框架发生整体弯曲所产生的侧移△b (图2_2b)和各层水平剪力使该层柱、梁弯曲（框架整体剪切）所产生的侧移△s(图2-2c)。

对于高度在60m以下的框架，在侧力引起的侧向位移△中，框架整体弯曲变形约占15%；框架整体剪切变形约占85%。

因此框架整体侧移曲线呈剪切型，层间侧移呈下大上小状。

最大的层间侧移常位于底层或下部几层。

在水平荷载作用下，框架节点因腹板较薄，节点域将产生较大的剪切变形（图2-3)，从而使框架侧移增大10%~20%（《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-1998）规定，应计入其影响；对内力的影响在10%以内，可不计其影响)。

4. 二阶效应钢框架结构除了具有一般框架结构的性能以外，还存在着一种不可忽视的效应即框架的二阶效应。

这是因为钢框架结构的侧向刚度有限，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的侧向位移△(图2-4），由于竖向荷载P作用于几何变形已发生显著变化的结构上使杆件内力和结构侧移进一步增大，这种效应也称之为二阶效应，或简称P-△效应。

当钢框架结构越高事，P-△效应也就越显著。

为了控制结构的侧移值，必然要增加梁和柱的刚度。

当结构达达到一定高度时，梁、柱的截面尺寸就完全由结构的刚度而不是强度控制。

5.框架特点及应用框架结构体系的优点是能够提供较大的内部使用空间，因而建筑平面布置灵活，能适应多种类型的使用功能，构造简单，构件易于标准化和定型化，施工速度快，工期短。

对层数不太多的高层结构而言，框架体系是一种比较经济合理、运用广泛的结构体系，常用于层数不超过30层的高层建筑。

在地震力作用下，由于结构的柔软性，使结构自振周期长，且结构自重轻，结构影响系数小，因而所受地震力小，这是有利于抗震的。

但由于结构的柔软性，地震时侧向位移大，易引起非结构性构件的破坏，有时甚至造成结构的破坏。

2-4试述双重抗侧力体系的组成及其分类。

当房屋高度较大时，可以参照单层工业厂房设柱间支撑的做法，在框架的纵、横方向设置支撑或剪力墙等抗侧力构件，这样就形成了框架和支撑或剪力墙共同抵抗侧向力的作用，故称之为双重抗侧力体系。

该体系又可分为三类：钢框架-支撑结构体系、钢框架-剪力墙（现浇钢筋混凝土剪力墙、现浇型钢混凝土剪力墙、嵌人式钢板剪力墙、嵌入式内藏钢板支撑的预制钢筋混凝土剪力墙和预制的带竖缝钢筋混凝土剪力墙）结构体系和钢框架-核心筒（钢筋混凝土核心筒、钢骨混凝土核心筒或钢结构支撑核心筒）结构体系。

在钢框架-支撑核心筒体系中，若设置连接支撑核心筒与外框架的刚性伸臂，则称之为加劲框架-支撑核心筒体系，简称加劲框架-支撑体系或支撑核心筒-刚臂体系。

2-5简述框架-支撑体系的组成及适用范围。

1.体系特征房屋超过30层，或者纯框架体系在风、地震作用下，不符合要求时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵、横两个方向或其他主轴方向，根据侧力的大小，布置一定数量的竖向支撑，所形成的结构体系称之为框架-支撑体系，简称为框-撑体系（图2-6)。

在这种体系中，框架布置原则、柱网尺寸和构造要求，基本上与框架体系相同。

竖向支撑的布置，在结构的纵、横等主轴方向，均应基本对称。

竖向支撑可采用中心支撑（轴交支撑）或偏心支撑（偏交支撑)。

抗风及抗震设防烈度为7度以下时，可采用中心支撑；抗震设防烈度为8度及以上时，宜采用偏心支撑。

若支撑沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，可形成一个支撑核心筒。

2.适用高度框-撑体系的抗推刚度比框架体系要大，而且框-撑体系由于框架和支持的变形协调，还使整个结构体系的最大侧移角有所减小。