高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課后習題

1、1-1在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為什么說水平荷載成為決定因素，結(jié)構(gòu)側(cè)移成為控制指標?一方面結(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房髙度的一次方成正比，而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與樓房高度的二次方成正比；另一方面，對某一高度的樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化，從而使合理確定水平荷載比確定豎向荷載困難。1)結(jié)構(gòu)頂點的側(cè)移與結(jié)構(gòu)高度H的四次方成正比;2)結(jié)構(gòu)的側(cè)移與結(jié)構(gòu)的使用功能和安全有著密切的關(guān)系;過大側(cè)移會使人產(chǎn)生不安全感；使填充墻和主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或損壞

2、，影響正常使用；因P-效應(yīng)而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)安全受威脅。1-2在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為什么需要考慮柱的軸向變形和梁柱節(jié)點域的剪切變形？在高層鋼結(jié)構(gòu)中，由于柱中軸力大（特別是底層柱），因而軸向變形大，同時各柱軸向變形差異隨房屋高度的增加而加大。當房屋很高時，中柱和邊柱的軸向壓縮差異將會達到較大數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。因此，若忽略柱中軸向變形，將會使結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的分析結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。另一方面，在高層建筑中，特別是在超高層建筑中，柱的負載很大，其總高度又很大，整根柱在重力荷載下的軸向變形有時可能

3、達到數(shù)百毫米，對建筑物的樓面標高產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，在構(gòu)件下料時，應(yīng)根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋼框架的梁、柱大都采用工字形或箱形截面，若假設(shè)梁、柱端彎矩完全由梁、柱翼緣板承擔，并忽略軸力對節(jié)點域變形的影響，則節(jié)點域可視為處于純剪切狀態(tài)工作，加之節(jié)點域板件一般較薄，剪切變形較大，因此，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)移的影響不能忽視。1-3試述線性構(gòu)件、平面構(gòu)件和空間構(gòu)件的特點與區(qū)別。(1)線形構(gòu)件 具有較大長細比的細長構(gòu)件，稱為線形構(gòu)件或線構(gòu)件。當它作為框架中的柱或梁使用時，主要承受彎矩、剪力和壓力，其變形中的最主要成分是垂直于桿軸方向的彎曲變形。當它作為桁架或支撐中的弦桿和腹

4、桿使用時，主要是承受軸向壓力或拉力，軸向壓縮或軸向拉伸是其變形的主要成分。線構(gòu)件是組成框架-支撐體系、框架-剪力墻體系的基本構(gòu)件。(2)平面構(gòu)件 具有較大橫截曲寬厚比的片狀構(gòu)件，稱為平面構(gòu)件或面構(gòu)件。它作為樓板使用時，承受平面外彎矩，垂直于其平面的撓度是其變形的特點。它作為墻體使用時，承受著沿其平面作用的水平剪力和彎矩，也承擔一定的豎向壓力；彎曲變形和剪切變形是墻體側(cè)移的主要成分。面構(gòu)件出平面方向的剛度和承載力很小，結(jié)構(gòu)分析中常略去不計。面構(gòu)件是組成框架-剪力墻體系、框架-核心筒體系的基本構(gòu)件。(3)空間構(gòu)件 由線構(gòu)件和（或）面構(gòu)件組成的具有較大橫截面尺寸和較小壁厚的組合構(gòu)件，稱為空間構(gòu)件或立

5、體構(gòu)件。框筒就是由梁和柱等線構(gòu)件組成的空間構(gòu)件；框架-核心筒體系中的核心筒常由面構(gòu)件組成空間構(gòu)件；巨型結(jié)構(gòu)體系中的巨型柱常由線構(gòu)件或線構(gòu)件與面構(gòu)件組合成空間構(gòu)件，其巨型梁通常由線構(gòu)件組成。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，空間構(gòu)件作為豎向筒體或巨型柱使用時，主要承受傾覆力矩、水平剪力和扭轉(zhuǎn)力矩。與線構(gòu)件和面構(gòu)件相比，它具有較大的抗扭剛度和極大的抗推剛度，在水平荷載下的側(cè)移較小，因而在高層或超高層建筑中，宜盡量選用空間構(gòu)件?？臻g構(gòu)件是框筒體系、筒中筒體系、束筒體系、支撐框筒體系、大型支撐筒體系及巨型結(jié)構(gòu)體系中的基本構(gòu)件。2-1試述高層建筑結(jié)構(gòu)類型及其主要特征。根據(jù)主要結(jié)構(gòu)所用材料或不同材料的組合可將高層建筑結(jié)構(gòu)

6、分為：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、純鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)類型。后三種可歸屬于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)范圍，統(tǒng)稱髙層建筑鋼結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)類型的主要特征分別為：1.純鋼結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)類型的梁、柱及支撐（含等效支撐，如鋼板剪力墻、嵌入式內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻和帶豎縫的混凝土剪力墻）等主要構(gòu)件均采用鋼材。該類型主要用于純框架體系或框架-支撐（等效支撐）體系。2.鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)類型的梁、柱構(gòu)件采用鋼材，而主要抗側(cè)力構(gòu)件采用鋼筋混凝土內(nèi)筒或鋼筋混凝土剪力墻。該類型主要用于框架-內(nèi)筒體系或框架-剪力墻體系。3.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)類型包括鋼骨（型鋼）混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。該類

7、結(jié)構(gòu)的柱和主要抗側(cè)力構(gòu)件（筒體、剪力墻等豎向構(gòu)件）常采用鋼骨混凝土或鋼管混凝土，而梁等橫向構(gòu)件仍采用鋼材。2-2試述高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系的分類方法及其適用范圍。根據(jù)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的力學模型及其受力特性，可將常見的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)分成如下四大體系：框架結(jié)構(gòu)體系、雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系和巨型結(jié)構(gòu)體系。框架體系由于結(jié)構(gòu)自身力學特性的局限，對于30層以上的樓房經(jīng)濟性欠佳。雙重抗側(cè)力體系是在框架體系中增設(shè)支撐或剪力墻或核心筒等抗側(cè)力構(gòu)件，其水平荷載主要由抗側(cè)力構(gòu)件承擔，可用于30層以上的樓房。當房屋層數(shù)更多時，由于支撐等抗側(cè)力構(gòu)件的高寬比值超過一定限度，水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩引起的支撐等抗側(cè)力構(gòu)件中的

8、軸壓應(yīng)力很大，結(jié)構(gòu)側(cè)移也較大，宜采用加勁框架-支撐體系，利用外柱來提高結(jié)構(gòu)體系的抗傾覆能力。隨著房屋高度的增大，水平荷載引起的傾覆力矩，按照房屋高度二次方的關(guān)系急劇增大。因此當房屋層數(shù)很多時，傾覆力矩很大，此時宜采用以立體構(gòu)件為主的結(jié)構(gòu)體系，即簡體體系或巨型結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系能夠較好地滿足很高樓房抗傾覆能力的要求。2-3試述框架結(jié)構(gòu)體系的特征、特性及適用高度。1.體系特征框架體系是指沿房屋的縱向和橫向均采用鋼框架作為主要承重構(gòu)件和抗側(cè)力構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。其鋼框架是由水平桿件（鋼梁）和豎向桿件（鋼柱）正交連接形成。地震區(qū)的高樓采用框架體系時，框架的縱、橫梁與柱的連接一般采用剛性連接。在某

9、些情況下，為加大結(jié)構(gòu)的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也可采用半剛性連接。2.受力特性剛性連接的框架在水平力作用下，在豎向構(gòu)件的柱和水平構(gòu)件的梁內(nèi)均引起剪力和彎矩，這些力使梁、柱產(chǎn)生變形。因此，框架結(jié)構(gòu)體系利用柱與各層梁的剛性連接，改變了懸臂柱的受力狀態(tài)，使柱在抵抗水平荷載時的自由懸臂髙度，由原來獨立懸臂柱或鉸接框架柱的房屋總高度(圖2-la)減少為樓層高度的一半（h/2)(圖2-lb)，即減小了幾十倍之多，從而使柱所承受的彎矩大幅度減小，使框架能以較小截面積的梁和柱，承擔作用于高樓結(jié)構(gòu)上的較大水平荷載和豎向荷載。因此，框架抗側(cè)力的能力主要決定于梁和柱的抗彎能力。房屋層數(shù)增多，側(cè)力總值增大，

10、而要提高梁、柱的抗彎能力和剛度，只有加大梁、柱的截面，截面過大，就會使框架失去其經(jīng)濟合理性。髙層建筑的框架結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，僅框架柱的軸向壓力自上而下逐層增加(框架梁、柱的彎矩和剪力自上而下基本無變化）；在水平荷載作用下，框架梁、柱的彎矩、剪力和軸力自上而下均逐層增加，上小下大，而且第二層邊跨的框架梁梁端內(nèi)力常為最大。3.變形特點框架在側(cè)力作用下，在所有桿件（柱和梁）內(nèi)均引起剪力和彎矩，從而使梁、柱產(chǎn)生垂直于桿軸方向的變形?？蚣茉趥?cè)力作用下所產(chǎn)生側(cè)向位移(圖2-2a)由兩部分組成：傾覆力矩使框架發(fā)生整體彎曲所產(chǎn)生的側(cè)移b (圖2_2b)和各層水平剪力使該層柱、梁彎曲（框架整體剪切）所產(chǎn)生

11、的側(cè)移s(圖2-2c)。對于高度在60m以下的框架，在側(cè)力引起的側(cè)向位移中，框架整體彎曲變形約占15%；框架整體剪切變形約占85%。因此框架整體側(cè)移曲線呈剪切型，層間側(cè)移呈下大上小狀。最大的層間側(cè)移常位于底層或下部幾層。在水平荷載作用下，框架節(jié)點因腹板較薄，節(jié)點域?qū)a(chǎn)生較大的剪切變形（圖2-3)，從而使框架側(cè)移增大10%20%（高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ99-1998）規(guī)定，應(yīng)計入其影響；對內(nèi)力的影響在10%以內(nèi)，可不計其影響)。4. 二階效應(yīng)鋼框架結(jié)構(gòu)除了具有一般框架結(jié)構(gòu)的性能以外，還存在著一種不可忽視的效應(yīng)即框架的二階效應(yīng)。這是因為鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有限，在風荷載或水平地震作用下

12、將產(chǎn)生較大的側(cè)向位移(圖2-4），由于豎向荷載P作用于幾何變形已發(fā)生顯著變化的結(jié)構(gòu)上使桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)側(cè)移進一步增大，這種效應(yīng)也稱之為二階效應(yīng)，或簡稱P-效應(yīng)。當鋼框架結(jié)構(gòu)越高事，P-效應(yīng)也就越顯著。為了控制結(jié)構(gòu)的側(cè)移值，必然要增加梁和柱的剛度。當結(jié)構(gòu)達達到一定高度時，梁、柱的截面尺寸就完全由結(jié)構(gòu)的剛度而不是強度控制。5.框架特點及應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點是能夠提供較大的內(nèi)部使用空間，因而建筑平面布置靈活，能適應(yīng)多種類型的使用功能，構(gòu)造簡單，構(gòu)件易于標準化和定型化，施工速度快，工期短。對層數(shù)不太多的高層結(jié)構(gòu)而言，框架體系是一種比較經(jīng)濟合理、運用廣泛的結(jié)構(gòu)體系，常用于層數(shù)不超過30層的高層建筑。在地

13、震力作用下，由于結(jié)構(gòu)的柔軟性，使結(jié)構(gòu)自振周期長，且結(jié)構(gòu)自重輕，結(jié)構(gòu)影響系數(shù)小，因而所受地震力小，這是有利于抗震的。但由于結(jié)構(gòu)的柔軟性，地震時側(cè)向位移大，易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的破壞，有時甚至造成結(jié)構(gòu)的破壞。2-4試述雙重抗側(cè)力體系的組成及其分類。當房屋高度較大時，可以參照單層工業(yè)廠房設(shè)柱間支撐的做法，在框架的縱、橫方向設(shè)置支撐或剪力墻等抗側(cè)力構(gòu)件，這樣就形成了框架和支撐或剪力墻共同抵抗側(cè)向力的作用，故稱之為雙重抗側(cè)力體系。該體系又可分為三類：鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系、鋼框架-剪力墻（現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻、現(xiàn)澆型鋼混凝土剪力墻、嵌人式鋼板剪力墻、嵌入式內(nèi)藏鋼板支撐的預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻和預(yù)制的帶豎縫鋼筋

14、混凝土剪力墻）結(jié)構(gòu)體系和鋼框架-核心筒（鋼筋混凝土核心筒、鋼骨混凝土核心筒或鋼結(jié)構(gòu)支撐核心筒）結(jié)構(gòu)體系。在鋼框架-支撐核心筒體系中，若設(shè)置連接支撐核心筒與外框架的剛性伸臂，則稱之為加勁框架-支撐核心筒體系，簡稱加勁框架-支撐體系或支撐核心筒-剛臂體系。2-5簡述框架-支撐體系的組成及適用范圍。1.體系特征房屋超過30層，或者純框架體系在風、地震作用下，不符合要求時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方向或其他主軸方向，根據(jù)側(cè)力的大小，布置一定數(shù)量的豎向支撐，所形成的結(jié)構(gòu)體系稱之為框架-支撐體系，簡稱為框-撐體系（圖2-6)。在這種體系中，框架布置原則、柱網(wǎng)尺寸和構(gòu)造要求，

15、基本上與框架體系相同。豎向支撐的布置，在結(jié)構(gòu)的縱、橫等主軸方向，均應(yīng)基本對稱。豎向支撐可采用中心支撐（軸交支撐）或偏心支撐（偏交支撐)。抗風及抗震設(shè)防烈度為7度以下時，可采用中心支撐；抗震設(shè)防烈度為8度及以上時，宜采用偏心支撐。若支撐沿樓面中心部位服務(wù)面積的周圍布置，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，可形成一個支撐核心筒。2.適用高度框-撐體系的抗推剛度比框架體系要大，而且框-撐體系由于框架和支持的變形協(xié)調(diào)，還使整個結(jié)構(gòu)體系的最大側(cè)移角有所減小。因此，在相同側(cè)移限值標準的情況下，框-撐體系可以用于比框架體系更高的房屋，一般用于40層以下的樓房較為經(jīng)濟。2-6試述鋼框架-剪力墻體系的組成

16、、分類以及各種類型的受力特點和適用情況。鋼框架-剪力墻體系是在鋼框架上，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方向或其他主軸方向，根據(jù)側(cè)力的大小，配置一定數(shù)量的剪力墻而形成。由于剪力墻可以根據(jù)需要布置在任何位置上，布置靈活。另外剪力墻可以分開布置，兩片以上剪力墻并聯(lián)體較寬，從而可減少抗側(cè)力體系的等效高寬比值，提高結(jié)構(gòu)的抗推剛度和抗傾覆能力。鋼框架-剪力墻體系的受力特性和變形特點與鋼框架-支撐體系相似。剪力墻可分為現(xiàn)澆和預(yù)制兩大類。預(yù)制剪力墻板通常嵌人鋼框架框格內(nèi)，因此常被稱為嵌人式墻板。2.鋼框架-嵌入式剪力墻板體系(1)體系的組成：鋼框架-嵌入式墻板體系是以鋼框架為基本主體，根據(jù)側(cè)力的大小，在結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方

17、向或其他主軸方向的鋼框架梁、柱形成的框格內(nèi)嵌入一定數(shù)量的預(yù)制墻板而組成的體系，如圖2-9。此類結(jié)構(gòu)體系適用于抗震設(shè)防烈度為8度或9度、總層數(shù)超過12層的鋼結(jié)構(gòu)建筑。預(yù)制墻板有以下幾種類型：帶縱、橫肋的鋼板；內(nèi)藏鋼板支撐的鋼筋混凝土墻板；帶豎縫的混凝土墻板；帶水平縫的鋼筋混凝土墻板。由于預(yù)制墻板嵌入于鋼框架梁、柱形成的框格內(nèi)，一般應(yīng)從結(jié)構(gòu)底層到頂層連續(xù)布置。為使墻板承受水平剪力而不承擔豎向荷載，墻板四周于鋼框架梁、柱之間應(yīng)留縫隙，僅有數(shù)處與鋼框架梁、柱連接。(2)結(jié)構(gòu)受力特性：整個建筑的豎向荷載全部由鋼框架來承擔；水平荷載引起的水平剪力由鋼框架和墻板共同承擔，并按兩類構(gòu)件的層間抗推剛度（側(cè)向剛度

18、）比例分配（一般情況，水平剪力主要由墻板來承擔)；水平荷載引起的傾覆力矩，由鋼框架和鋼框架-墻板所形成的組合體來承擔。(3)體系特點及應(yīng)用：由于嵌入式墻板具有特殊的構(gòu)造，其延性比普通的現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體大數(shù)倍，因而能與鋼框架更協(xié)調(diào)地工作；由于墻板具有較強的抗推剛度和抗剪承載力，因此與鋼框架體系相比，鋼框架-嵌入式墻板體系的抗推剛度和抗減承載力都得到顯著提高，在風或地震作用下，其層間側(cè)移比鋼框架體系顯著減小，因而這種結(jié)構(gòu)體系可以用于地震區(qū)層數(shù)更多的樓房。鋼框架-嵌入式墻板體系的變形特點與鋼框架-支撐體系相似。3.鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系(1)體系的組成：鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系是以鋼框架為基本主

19、體，在結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方向或其他主軸方向的鋼框架之間布置一定數(shù)量的現(xiàn)澆剪力墻板而組成的結(jié)構(gòu)體系。一般應(yīng)沿房屋的縱向和橫向，均布置剪力墻板?？v、橫向剪力墻的數(shù)量應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度和樓房層數(shù)的多少由計算確定。縱墻和橫墻可分開布置，也可連成一體?，F(xiàn)澆剪力墻體水平截面的形狀可以是一字形（片狀）、L形、T形、工字形。工程中，現(xiàn)澆剪力墻板可以是鋼筋混凝土墻板或型鋼混凝土（鋼骨混凝土）墻板。(2)結(jié)構(gòu)受力特性：在鋼框架-現(xiàn)澆剪力墻板體系中，現(xiàn)澆剪力墻板是主要抗側(cè)力構(gòu)件，它具有較大水平截面，而且沿高度方向連續(xù)，因此具有較大的抗推剛度，將承擔大部分剪力和傾覆力矩。鋼框架因抗推剛度相對較小，主要承擔豎向荷載。在水平荷

20、載作用下，現(xiàn)澆剪力墻屬彎曲型構(gòu)件，鋼框架屬剪切型構(gòu)件，兩者協(xié)調(diào)工作后，鋼框架頂部數(shù)層的水平剪力將大于下部，設(shè)計時應(yīng)予注意。(3)體系變形特點及應(yīng)用：由于在水平荷載作用下，現(xiàn)澆剪力墻的側(cè)移曲線屬彎曲型，而鋼框架的側(cè)移曲線屬剪切型，兩者協(xié)調(diào)變形后，其側(cè)移曲線屬彎剪型，呈反S狀。2-7試述鋼框架-核心筒體系的組成、分類及其特點與適用情況。1.體系特征鋼框架-核心筒體系是指由外側(cè)鋼框架與內(nèi)部核心筒所組成的混合結(jié)構(gòu)體系。內(nèi)部核心筒可以是鋼筋混凝土核心筒或鋼骨混凝土核心筒或鋼結(jié)構(gòu)支撐核心筒。當結(jié)構(gòu)的樓層平面采用核心式建筑布置方案，將所有服務(wù)性設(shè)施集中在樓面中心部位時，可以沿服務(wù)性面積周圍設(shè)置鋼筋混凝土墻（

21、形成鋼筋混凝土核心筒）或鋼骨混凝土墻(形成鋼骨混凝土核心筒）或鋼結(jié)構(gòu)支撐（形成鋼結(jié)構(gòu)支撐核心筒)。鋼框架與核心筒之間通過鋼梁連接。鋼梁與鋼筋混凝土核心筒常為鉸接連接，與鋼骨混凝土核心筒及鋼結(jié)構(gòu)支撐核心筒-般宜采用剛接，也可鉸接；鋼梁與鋼框架的連接宜采用剛接，也可鉸接。2.受力特性由于核心筒是立體構(gòu)件，在各個方向都具有較大的抗推剛度，在結(jié)構(gòu)體系中，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，將承擔大部分的水平剪力和傾覆力矩，而在核心筒外圍的鋼框架主要是承擔豎向荷載及小部分水平剪力。當外圍鋼框架的梁與柱采取柔性連接，即梁端與柱采用鉸接時，鋼框架僅承擔豎向荷載，水平荷載則全部由核心筒承擔。在水平荷載作用下，核心筒屬彎曲型

22、構(gòu)件，鋼框架屬剪切型構(gòu)件，兩者協(xié)調(diào)工作后，鋼框架頂部數(shù)層的水平剪力將大于下部，設(shè)計時應(yīng)予注意。3.體系變形特點由于在水平荷載作用下，核心筒的側(cè)移曲線屬彎曲型，而鋼框架的側(cè)移曲線屬剪切型，兩者協(xié)調(diào)變形后，其側(cè)移曲線屬彎剪型，呈反S狀。2-8簡述加勁的鋼框架-核心筒體系的組成及受力與變形特征。1.體系特征加勁的鋼框架-核心筒體系，是在鋼框架-核心筒體系中，增設(shè)連接核心筒與外圍鋼框架的大型桁架（稱為加勁伸臂桁架，簡稱剛臂）以及增設(shè)連接外圍鋼框架的周邊大型桁架（稱為加勁周邊桁架，簡稱外圍桁架）所組成的結(jié)構(gòu)體系（圖2-14)。這是因為，就抵抗水平荷載而言，核心筒（豎向支撐）為彎曲型懸臂構(gòu)件，其水平承載能

23、力和抗推剛度的大小，與核心筒（豎向支撐）的髙寬比成反比。當高層建筑采用鋼框架-核心筒體系時，盡管核心筒作為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，但中央服務(wù)豎井的平面尺寸較小，沿服務(wù)豎井布置的豎向支撐高寬比較大，房屋很高時，由于支撐的髙寬比值太大，抗側(cè)力效果顯著降低，往往不能滿足其要求。此時，應(yīng)沿核心筒豎向支撐所在平面，在房屋頂層以及每隔若干層，沿房屋縱向、橫向或其他合適方向，設(shè)置至少一層樓高的加勁大型桁架伸臂桁架和周邊桁架（圖2-14)，將內(nèi)部支撐與外圈框架柱連為一整體彎曲構(gòu)件，共同抵抗水平荷載引起的傾覆力矩。所以，這種體系被稱為加勁的鋼框架-核心筒體系?？梢姡@種體系是對鋼框架-核心筒體系進行的一種改進體系。這一

24、體系基本上可不改變鋼框架-核心筒體系的結(jié)構(gòu)布置，只是通過設(shè)置剛臂和外圍桁架，使外圍鋼框架的所有柱均參與整體抗彎作用，從而提高了整個結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，減少了內(nèi)筒所承擔的傾覆力矩，也減小了結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移。加勁伸臂桁架和加勁周邊桁架應(yīng)設(shè)在同一樓層，該層常被稱為水平加強層，常用作設(shè)備層或避難層，其設(shè)置位置及間隔的樓層數(shù)量，應(yīng)綜合考慮設(shè)備層或避難層的設(shè)置位置以及以減小結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力為目標的優(yōu)化分析結(jié)果而定。2.受力特性在一般的鋼框架-核心筒體系（無剛臂時）中，由于連接外柱與核心筒（支撐）的鋼梁跨度大，截面小，抗彎剛度很弱。當整個體系受到水平荷載作用時，外柱基本上不參與整體抗彎，核心筒幾乎承擔全部的傾覆力矩

25、。而在加勁鋼框架-核心筒體系中，整個體系受到水平荷載作用時，由于加勁桁架的豎向抗彎及抗剪剛度均很大，核心筒（支撐）受彎時，各層水平桿繞水平軸作傾斜轉(zhuǎn)動，加勁桁架也隨水平桿一起轉(zhuǎn)動，迫使外柱參與整體抗彎。一側(cè)外柱受壓，一側(cè)外柱受拉，形成與傾覆力矩方向相反的力矩（如同剛臂處作用一反向彎矩)，將抵消一部分由水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，從而減小了核心筒（支撐）所受的傾覆力矩，如圖2-15。3.體系變形特點由于加勁桁架的強大豎向剛度和外柱的較大軸向剛度，不僅使整個加勁鋼框架-核心筒體系頂面各點發(fā)生同一轉(zhuǎn)角而位于同一斜面上，而且使柱頂面轉(zhuǎn)角減小，使該體系整體彎曲所產(chǎn)生的側(cè)移，得以較大幅度的減小（減小幅度一般為

26、20%30%)，如圖2-17。也使該體系可用于建造比一般的鋼框架-核心筒體系（無剛臂時）更大高度的高樓。2-9試述筒體結(jié)構(gòu)體系的組成、分類及其受力、變形特點與適用情況。所謂筒體結(jié)構(gòu)體系，就是由若干片縱橫交接的“密柱深梁型”框架或抗剪桁架所圍成的筒狀封閉結(jié)構(gòu)。每一層的樓面結(jié)構(gòu)又加強了各片框架或抗剪桁架之間的相互連接，形成一個具有很大空間整體剛度的空間筒狀封閉構(gòu)架。根據(jù)筒體的組成、布置和數(shù)量的不同，可將筒體結(jié)構(gòu)分為框架筒體、筒中筒、框筒束等結(jié)構(gòu)體系。2.2.3.1框架筒體體系1.體系特征框架筒體體系是由建筑平面外圍的框架筒體和內(nèi)部承重框架所組成的結(jié)構(gòu)體系（圖2-18、2-19)框架筒體是由三片以上

27、的“密柱深梁型”框架或抗剪桁架所圍成的筒狀封閉型抗側(cè)力立體構(gòu)件，簡稱框筒?！懊苤笔侵缚蛲膊捎妹芘配撝?，柱的中心距不得大于4.5m; “深梁”是指框筒采用較高截面的實腹式窗裙梁，其截面高度一般為0.9 1.5m。通常，平行于側(cè)力方向的框架被稱為腹板框架，與之垂直的框架則被稱為翼緣框架。框筒的平面形狀宜為圓形或方形或矩形（其長寬比不宜大于1.5,否則，剪力滯后效應(yīng)過于嚴重，不能充分發(fā)揮其立體構(gòu)件的效能，此時宜采用框筒束結(jié)構(gòu)體系）或正三角形或正多邊形等較規(guī)則平面?？蛲驳牧⒚骈_洞率一般取30%左右，過大不能充分發(fā)揮立體構(gòu)件的空間效能；太小則可能會影響建筑使用功能或增加用鋼量。外圍框架筒體的梁與柱采用

28、剛性連接，以便形成剛接框架。內(nèi)部承重框架的梁與柱鉸接即可，僅承受重力荷載。由于內(nèi)部承重框架僅承受重力荷載，所以，其柱網(wǎng)可以按照建筑平面使用功能要求隨意布置，不要求規(guī)則、正交，柱距也可以加大，從而提供較大的靈活使用空間。2.受力及變形特點作用于樓房的水平荷載所引起的水平剪力和傾覆力矩，全部由外圍框筒承擔（水平剪力由平行于側(cè)力方向的各片腹板框架承擔，傾覆力矩則由平行于和垂直于側(cè)力方向的各片腹板 框架和翼緣框架共同承擔)；各樓層的重力荷載，則是按受荷面積比例分配給內(nèi)部承重框架和外圍框筒。框架筒在側(cè)向荷載作用下整體彎曲（傾覆力矩作用下）時，若框架筒能作為一整體并按單純的懸臂實壁構(gòu)件受彎，則框架筒柱的軸

29、力分布如圖2-19中虛線所示（直線分布，符合平截面假定)。由于存在框架橫梁（窗裙梁）的豎向彎剪變形，使框架筒中柱的實際軸力不再符合平截面假定的直線分布規(guī)律，而是呈非線性分布（圖2-19中實線所示的曲線）狀態(tài)，框架筒柱的這種軸力分布規(guī)律稱之為剪力滯后效應(yīng)（Shear lag effect)。剪力滯后效應(yīng)使得房屋的角柱要承受比中柱更大的軸力，并且結(jié)構(gòu)的側(cè)向撓度將呈現(xiàn)明顯的剪切型變形。剪力滯后效應(yīng)將削弱框筒作為抗側(cè)力立體構(gòu)件的空間效能?？蛲步Y(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)越明顯，則對筒體效能的影響越嚴重。影響框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)的因素主要是梁與柱的線剛度比、結(jié)構(gòu)平面形狀及其長寬比。當平面形狀一定時，梁、柱線剛度

30、比愈小，剪力滯后效應(yīng)愈明顯。反之,框架柱中的軸力愈趨均勻分布，結(jié)構(gòu)的整體性能也愈好。結(jié)構(gòu)平面形狀對筒體的空間剛度影響很大，正方形、圓形、正三角形等結(jié)構(gòu)平面布置方式能使筒體的空間作用較充分地得到發(fā)揮。2.2.3.2筒中筒體系1.體系特征筒中筒結(jié)構(gòu)體系是由分別設(shè)置于內(nèi)外的兩個以上筒體通過有效的連接組成一個共同工作的結(jié)構(gòu)體系，如圖2-21所示。外筒，通常是由密柱深梁組成的鋼框筒或支撐鋼框架組成的支撐鋼框筒；內(nèi)筒，可以是由密柱深梁組成的鋼框筒，或支撐（含等效支撐，如嵌人式鋼板剪力墻，內(nèi)藏鋼板支撐的鋼筋混凝土剪力墻，帶豎縫的鋼筋混凝土剪力墻，帶水平縫的鋼筋混凝土剪力墻）鋼框架組成的支撐鋼框筒，或現(xiàn)澆鋼筋

31、混凝土墻形成的鋼筋混凝土核心筒，或鋼骨混凝土墻形成鋼骨混凝土核心筒。這種體系一般是利用作為垂直運輸、管道及服務(wù)設(shè)施的結(jié)構(gòu)核心部分布置內(nèi)筒，并與平面周邊外筒通過各層樓面梁板的聯(lián)系形成一個能共同受力的空間筒狀骨架。由于筒中筒結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)外筒體共同承受側(cè)向力，所以結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度很大，能承受很大的側(cè)向力。有時，為了進一步提高該體系的抗側(cè)力效能，在結(jié)構(gòu)頂層和設(shè)備層或避難層，利用沿內(nèi)框筒的四個邊設(shè)置向外伸出的加勁伸臂桁架，與外框筒鋼柱相連，加強內(nèi)外框筒的連接，并在外框筒中設(shè)置加勁的周邊桁架，可使外框筒的翼緣框架中段各柱，在結(jié)構(gòu)整體抗彎中發(fā)揮更大的作用，用以彌補因外框筒剪力滯后效應(yīng)帶來的損失，從而進一步提

32、高結(jié)構(gòu)體系的抗推能力。2.受力特性筒中筒體系的內(nèi)筒，平面尺寸比外筒小，可顯著減小剪力滯后效應(yīng)，結(jié)構(gòu)側(cè)移中剪切變形與彎曲變形的比例，內(nèi)框筒比外框筒要小，內(nèi)框筒更接近于彎曲型抗側(cè)力構(gòu)件；其外框筒，平面尺寸比內(nèi)筒大，剪力滯后效應(yīng)嚴重，結(jié)構(gòu)側(cè)移中剪切變形所占比例較大，因而外框筒屬于彎剪型抗側(cè)力構(gòu)件。內(nèi)、外框筒通過各層樓蓋的聯(lián)系，將共同承擔作用于整個結(jié)構(gòu)的水平剪力和傾覆力矩。3.變形特點由于筒中筒體系的外框筒屬于彎剪型抗側(cè)力構(gòu)件，而內(nèi)框筒更接近于彎曲型抗側(cè)力構(gòu)件，內(nèi)、外框筒通過各層樓蓋協(xié)同工作，側(cè)移趨于一致，其側(cè)移曲線形狀與雙重抗側(cè)力體系相似。由于筒中筒體系的彎曲型構(gòu)件與剪彎型構(gòu)件側(cè)向變形的相互協(xié)調(diào)，對

33、于減小結(jié)構(gòu)頂點位移和結(jié)構(gòu)下半部的最大層間側(cè)移角都是有利的。2.2.3.3框筒束體系1.體系特征框筒束體系是由兩個以上的框筒并列組合在一起形成的框筒束及其內(nèi)部的承重框架共同組成的結(jié)構(gòu)體系（圖2-23)，或者以一個平面尺寸較大的框筒為基礎(chǔ)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求，在其內(nèi)部縱向或橫向，或者縱、橫兩個方向，增設(shè)一榀以上的腹板框架所構(gòu)成(圖2-24a)。增設(shè)的內(nèi)部腹板框架，可以是密柱深梁型框架或帶支撐（含等效支撐，如嵌入式墻板）的稀柱淺梁型框架?？蛲彩械拿恳粋€框筒單元（子框筒），可以是方形、矩形、三角形、梯形、弧形或其他形狀，而且每一個單筒可以根據(jù)上面各層樓面面積的實際需要，在任何高度中止，而不影響整個

34、結(jié)構(gòu)體系的完整性，如美國希爾斯大廈（圖?？蛲彩w系的使用條件幽體系更加靈活。2.受力特點水平荷載下的框筒束，水平剪力由平行于剪力方向的各榀內(nèi)、外腹板框架承擔，傾覆力矩則由平行于和垂直于側(cè)力方向的各榀腹板框架和翼緣框架共同承擔。(2)內(nèi)、外翼緣框架中的各柱，基本上僅承受軸向力；內(nèi)、外腹板框架中的各柱，除軸向力外，還承受沿框架所在平面的水平剪力及由此引起的彎矩。(3)框筒束各框筒單元內(nèi)部的框架柱，僅承擔其荷載從屬面積范圍內(nèi)的豎向荷載。(4)框筒束各柱的軸力分布，比較接近于實腹筒的分布，其軸力與該柱到中和軸的距離大致成正比，這說明框筒束的剪力滯后效應(yīng)甚弱（圖2-24)。2-10試述巨型結(jié)構(gòu)的概念與特

35、點。1.概念巨型結(jié)構(gòu)的概念產(chǎn)生于20世紀60年代末，由梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)發(fā)展而形成。巨型結(jié)構(gòu)體系又稱超級結(jié)構(gòu)體系，它是由不同于常規(guī)梁柱概念的大型構(gòu)件巨型梁和巨型柱所組成的主結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作的一種髙層建筑結(jié)構(gòu)體系。巨型結(jié)構(gòu)的梁和柱一般都是空心的立體桿件。巨型構(gòu)件的截面尺寸通常很大，其中巨型柱的尺寸常超過一個普通框架的柱距，其形式上可以是巨大的實腹鋼骨混凝土柱、空間格構(gòu)式柱或是筒體；巨型梁采用高度在一層以上的空間鋼桁架，一般隔若干層才設(shè)置一道。巨型結(jié)構(gòu)的主結(jié)構(gòu)通常為主要抗側(cè)力體系，次結(jié)構(gòu)只承擔豎向荷載，并負責將力傳給主結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)是一種超常規(guī)的具有巨大抗側(cè)力剛度及整體工作性能的

36、大型結(jié)構(gòu)。2巨型結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用巨型結(jié)構(gòu)具有一系列不同于普通結(jié)構(gòu)的特點。(1)結(jié)構(gòu)整體剛度大。由矩形截面梁的截面剛度應(yīng)EI=Ebh3/12中可知，截面剛度與截面高度的三次方成正比。由于巨型構(gòu)件的截面尺寸比常規(guī)構(gòu)件大得多，因此其剛度必然比普通結(jié)構(gòu)的剛度大很多。(2)側(cè)向剛度大，且沿髙度分布均勻，是一種理想的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。(3)體系靈活多樣，有利于抗震。巨型結(jié)構(gòu)可以有各種不同的變化和組合，主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)可以采用不同的材料和體系。巨型結(jié)構(gòu)是一種大體系，可以在不規(guī)則的建筑中采取適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元組成規(guī)則的巨型結(jié)構(gòu)，對抗震有利。(4)巨型結(jié)構(gòu)的次結(jié)構(gòu)只是傳力結(jié)構(gòu)，故次結(jié)構(gòu)的柱子不必連續(xù)，建筑物中可以布置大

37、空間或空中臺地或大門洞。次結(jié)構(gòu)中的柱子僅承受巨型梁間的少數(shù)幾層荷載，截面可以做得很小，給房間布置的靈活性創(chuàng)造了有利條件。(5)施工進度快。巨型結(jié)構(gòu)體系可先施工其主結(jié)構(gòu)，待主結(jié)構(gòu)完成后分開各個工作面同時施工次結(jié)構(gòu)，大大縮短了施工周期。(6)具有更大的穩(wěn)定性和更高的效能，可節(jié)省材料，降低造價，使建筑物更加經(jīng)濟實用。例如香港中國銀行大樓采用巨型桁架體系，節(jié)省鋼材左右。(7)具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能。能滿足綜合功能或一些特殊功能要求，能滿足建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計有機結(jié)合的要求，使其良好的建筑適應(yīng)性和經(jīng)濟性均能得到充分的體現(xiàn)。(8)可淸楚地劃分為主、次結(jié)構(gòu)，傳力途徑明確。2-11試述巨型結(jié)構(gòu)

38、的分類以及各類型的組成與受力、變形特征。1.分類巨型結(jié)構(gòu)從材料上可分為巨型鋼結(jié)構(gòu)、巨型鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（SRC)、巨型鋼-鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)以及巨型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；按其主要受力和組成，可分為巨型框架、巨型支撐外框筒（巨型支撐框筒）、巨型支撐筒（巨型桁架筒）和巨型懸掛結(jié)構(gòu)等基本類型。2.2.4.3巨型框架結(jié)構(gòu)1.組成與布置巨型框架，可以說是把一般框架按照一定比例放大而成。與一般框架的桿件為實腹截面不同，巨型框架的梁和柱是格構(gòu)式立體構(gòu)件。巨型框架的“柱”，一般布置在房屋的四角。多于四根時，除角柱外，其余柱沿房屋的周邊布置。巨型框架的“梁”，一般每隔1215個樓層設(shè)置一根，其中間樓層是僅承受重力荷

39、載的一般小框架。由于巨型框架體系的“柱”布置在房屋四角，所以巨型框架比多根柱沿周圈布置的框筒體系具有更大的抗傾覆能力。2.受力特點主結(jié)構(gòu)（巨型框架）承擔全部作用于樓房的水平荷載（產(chǎn)生水平剪力和傾覆力矩）和豎向荷載；巨型梁間的次結(jié)構(gòu)（次框架）僅承受巨型梁間的重力荷載，并將其傳給主結(jié)構(gòu)（巨型框架)。3.變形特點由于巨型框架具有很大的抗側(cè)移剛度和抗傾覆能力，加之巨型梁具有很大的抗彎剛度和抗剪剛度，使其側(cè)向位移曲線在巨型梁處，有類似加勁的框架-核心筒體系的側(cè)向位移曲線的內(nèi)收現(xiàn)象（圖2-17c)，因此，其側(cè)向位移較常規(guī)體系大為減小。該體系的側(cè)移曲線，在巨型梁處出現(xiàn)內(nèi)收現(xiàn)象，總體呈剪切型，與加勁的框架-核

40、心筒體系的側(cè)移曲線類似。該體系特別適于超髙層或有特殊、復(fù)雜及其綜合功能要求的高層建筑。2.2.4.4巨型支撐外框筒體系1.體系特征框筒體系由于橫梁的柔軟性，使得筒體出現(xiàn)程度不同的剪力滯后效應(yīng)，筒體的空間效能因而受到一定的削弱。為了進一步增強筒體結(jié)構(gòu)的剛度，沿“稀疏淺梁型”外框筒的各個面增設(shè)巨型交叉支撐構(gòu)成巨型支撐框筒體系，如圖2-32所示的美國約翰漢考克大廈。巨型支撐外框筒體系是由建筑周邊的巨型支撐框筒和內(nèi)部的承重框架所組成。巨型支撐框筒的支撐斜桿軸線與水平面的夾角一般取45°左右；相鄰立面上的支撐斜桿在框筒轉(zhuǎn)角處與角柱相交于同一點，使整個結(jié)構(gòu)組成空間幾何不變體系，并保證支撐傳力路線

41、的連續(xù)性。根據(jù)受力特點，可將巨型支撐外框筒劃分為主構(gòu)件和次構(gòu)件兩部分。在每一個區(qū)段中，主構(gòu)件包括支撐斜桿、角柱和主樓層的窗裙梁，如圖2-30a中粗實線所示；次構(gòu)件包括周邊各中間柱和介于主樓層之間的各層窗裙梁，如2-30a中細實線所示。巨型支撐外框筒體系（簡稱支撐框筒）不再像一般框筒那樣要求密排柱和高截面窗裙梁。受力狀態(tài)水平荷載引起的水平剪力和傾覆力矩，全部由巨型支撐外框筒承擔；豎向荷載則由巨型支撐外框筒和內(nèi)部的承重框架共同承擔，并按各自的受荷面積比例分擔。巨型支撐外框筒，在水平荷載作用下發(fā)生整體彎曲時，本來應(yīng)該由框筒各層窗裙梁承擔的豎向剪力（圖2-31a），絕大部分改由支撐斜桿來承擔（圖2-3

42、1b）。在巨型支撐外框筒體系中，是靠支撐斜桿的軸向剛度（而不是靠窗裙梁的豎向彎剪剛度）所提供的軸向承載力來抵抗水平剪力和豎向剪力，而且桿件的軸向剛度遠大于桿件的彎剪剛度，加之支撐又具有幾何不變性，所以水平荷載作用下巨型支撐外框筒的水平和豎向剪切變形均很小，基本上消除了剪力滯后效應(yīng)，從而能更加充分地發(fā)揮抗側(cè)力立體構(gòu)件的空間工作效能。3.變形特點在巨型支撐外框筒體系中，是靠支撐斜桿的軸向剛度所提供的軸向承載力來抵抗水平剪力和豎向剪力，加之支撐又具有幾何不變性，因此巨型支撐外框筒體系具有很大的水平和豎向剛度。在水平荷載作用下，整個結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生的側(cè)移中，整體彎曲產(chǎn)生的側(cè)移，約占80%以上，而結(jié)構(gòu)剪切變

43、形所產(chǎn)生的側(cè)移約占20%以下。2.2.4.5巨型支撐筒體系1.體系特征巨型支撐筒體系又稱巨型桁架筒體系。該體系是建筑平面周邊的巨型或大型立體支撐、支撐節(jié)間內(nèi)的次（?。┛蚣芗皟?nèi)部的一般框架（或內(nèi)部立體或空間支撐）所組成的結(jié)構(gòu)體系。建筑平面周邊的巨型或大型立體支撐，是沿建筑平面周邊每一個立面設(shè)置橫跨整個面寬的豎向大型支撐，相鄰立面的支撐斜桿和水平腹桿與角柱相交于同一點，使建筑平面周邊各立面的豎向大型支撐相互連接，構(gòu)成一個巨型支撐筒亦稱巨型立體支撐或稱巨型桁架筒（圖2-33)。豎向大型立體支撐的支撐斜桿和水平腹桿一般采用型鋼制作，有時水平腹桿采用桁架式桿件亦稱轉(zhuǎn)換術(shù)架（圖2-33b);豎向大型立體支

44、撐的豎桿（角柱）通常采用型鋼混凝土巨柱或鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式巨柱或鋼筋混凝土巨柱。在巨型立體支撐的每個節(jié)間區(qū)段內(nèi)設(shè)置次框架，以承擔該區(qū)段內(nèi)若干樓層的重力荷載。在樓房內(nèi)部，通常設(shè)置次一級的立體或空間支撐（有時設(shè)置一般鋼框架）用以承桕樓層內(nèi)部的重力荷載。2.受力狀態(tài)作用于樓房的水平荷載產(chǎn)生的全部水平剪力和傾覆力矩，由建筑平面周邊的巨型或大型立體支撐承擔，其水平剪力由巨型或大型立體支撐中平行于荷載方向的斜桿承擔，傾覆力矩則由大型立體支撐中所有立柱承擔。重力荷載由次框架、樓房內(nèi)部空間支撐及大型立體支撐中所有立柱共同承擔，并按荷載從屬面積比例分配。巨型或大型立體支撐中所有立柱均布置在建筑的周邊，可獲得最大的抗傾

45、覆力臂，從而使該體系獲得最大的抗推剛度和抗傾覆能力。由于該體系是通過大型立體支撐中的支撐斜桿的軸向剛度（而不是依靠橫梁的抗彎剪剛度）來傳遞剪力，因此消除了剪力滯后效應(yīng)。2.2.4.6巨型懸掛結(jié)構(gòu)體系1.體系特征巨型懸掛結(jié)構(gòu)體系是利用鋼吊桿將大樓的各層樓蓋，分段懸掛在主構(gòu)架各層巨型梁上所形成的結(jié)構(gòu)體系。主構(gòu)架一般采用巨型鋼框架，其立柱可以是類似豎放空腹桁架或立體剛接框架或者支撐筒；其橫梁通常均采用立體鋼框架。主構(gòu)架每個區(qū)段內(nèi)的吊桿，通常是采用髙強度鋼材制作的鋼桿，或者采用高強度鋼絲束。每個區(qū)段內(nèi)的吊桿一般只吊掛該區(qū)段內(nèi)的樓蓋。懸掛結(jié)構(gòu)體系可以為樓面提供很大的無柱使用空間。位于髙烈度地區(qū)的樓房，懸

46、掛結(jié)構(gòu)體系的使用，還可顯著減小結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)。2.受力狀態(tài)懸掛結(jié)構(gòu)體系的主構(gòu)架，幾乎承擔整幢大樓的全部水平荷載和豎向荷載，并將其直接傳至基礎(chǔ)。主構(gòu)架每個區(qū)段內(nèi)的鋼吊桿僅承擔該區(qū)段各層樓蓋的重力荷載。為防止主構(gòu)架橫梁撓曲和吊桿伸長造成樓面過度傾斜，可采取橫梁起拱或者對吊桿施加預(yù)應(yīng)力等措施加以解決。3.變形特點在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線呈剪切型，但由于巨型懸掛結(jié)構(gòu)具有很大的抗側(cè)移剛度和抗傾覆能力，加之巨型梁具有巨大的抗彎剛度和抗剪切剛度，使其側(cè)向位移曲線在巨型梁處，有如加勁的框架-核心筒體系的側(cè)向位移曲線類似的內(nèi)收現(xiàn)象（圖2-17c)，因此，其側(cè)向位移較常規(guī)體系大為減小。3-1如何選擇有利

47、的建筑場地？1.避免地面變形的直接危害選擇建筑場地時，應(yīng)避開對建筑抗震危險的地段。危險地段是指地震時可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段和可能受到它們危害的地段，以及位于8度以上地震區(qū)的地表斷裂帶、地震時可能發(fā)生地表錯位的地段。2.避免不利地形不利地形一般指條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡的邊緣。國內(nèi)外多次地震經(jīng)驗表明，位于上述不利地形建筑物的破壞程度要比鄰近開闊平坦地形上建筑物的破壞程度加重1 2度。3.避開不利場地國內(nèi)外多次地震經(jīng)驗表明，位于很厚場地覆蓋層上的髙層建筑等較柔結(jié)構(gòu)，其破壞程度比薄覆蓋層上同類結(jié)構(gòu)嚴重很多。因此，設(shè)計高層鋼結(jié)構(gòu)建筑時，最好避開厚場

48、地覆蓋層這類不利場地。場地覆蓋層厚度是指地表面至基巖頂面或等效基巖頂面（剪切波速V>500m/S的堅硬土）的深度。4.避開不利地基土不利地基土主要是指：飽和松散的砂土和粉土（該類土易產(chǎn)生土層液化現(xiàn)象）；泥炭、淤泥和游泥質(zhì)土等軟土（該類土在地震時易發(fā)生較大幅度的突然沉陷，常稱之為溪陷土）。由于上述可液化土和軟土在地蔑時可能發(fā)生較大的沉陷和不均勻沉陷，因此，不能用作筏基和箱基下的天然地基。此外，采用樁基時，也應(yīng)考慮地震時可液化土的可能沉陷而造成樁承臺板底面脫空，以及對樁身產(chǎn)生的負摩擦力。3-2如何確定合適的建筑體型？建筑體形與建筑平面形狀、建筑立面形狀和房屋的高度等因素密切相關(guān)。因此，選擇合

49、適的建筑體型可歸結(jié)為選擇合適的建筑平面形狀、建筑立面形狀和房屋的高度。故下面就與建筑體型密切相關(guān)的幾個方面進行分述。3.2.1建筑平面形狀由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高度較大，水平荷載（風荷載和地震作用）對其產(chǎn)生重要影響，往往起著控制作用。因此，在確定建筑平面形狀時，宜從降低風荷載和地震作用兩方面考慮。1.抗風設(shè)計(1)宜優(yōu)先選用流線型平面：從抗風角度考慮，建筑平面宜優(yōu)先選用圓形、橢圓形等流線型平面形狀，該類平面形狀的建筑，其風載體型系數(shù)較小，它能顯著降低風對高層建筑的作用，可取得較好的經(jīng)濟效果。圓形、橢圓形等流線型平面，與矩形平面比較，風載體型系數(shù)大約可減小30%以上2，作用于圓形平面髙樓上的風荷載標

50、準值，僅為方形平面髙樓的62%。這是因為圓柱形屋垂直于風向的表面積最小，因此，表面風壓比矩形平面房屋要小得多；此外，由于圓形平面的對稱性，當風速的沖角發(fā)生任何改變時，都不會引起側(cè)向力數(shù)值上的改變。因此，采用圓形平面的高層建筑，在大風作用下不會發(fā)生馳振現(xiàn)象。(2)應(yīng)盡量選擇規(guī)則平面：樓層平面形狀不對稱的高層建筑，在風荷載作用下易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。實踐經(jīng)驗證明：一幢髙層建筑，在大風作用下即使是發(fā)生輕微的扭轉(zhuǎn)振動，也會使居住者感到振動加劇很多。因此，為使高層建筑結(jié)構(gòu)滿足風振舒適度的需求，使高層居住者不致在大風作用下感到不適，建筑平面應(yīng)盡量選擇方形、圓形、橢圓形、矩形、正多邊形等雙軸對稱的平面形狀。在實際

51、工程中，常采用矩形、方形甚至三角形等建筑平面，但在其平面的轉(zhuǎn)角處，常采用圓角或平角（切角）的處理方法。這樣處理后，既可減小建筑的風載體型系數(shù)，又可降低風荷載作用下框筒或束筒體系角柱的峰值應(yīng)力。德國法蘭克福商業(yè)銀行新大樓就采用了這種處理方式7。在進行結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)結(jié)合建筑平面、立面形狀，使各樓層的抗推剛度（側(cè)移剛度）中心與風荷載的合力中心接近重合，并位于同一豎直線上，以避免建筑扭轉(zhuǎn)振動。注意建筑平面長寬比的限值：對于鋼框筒結(jié)構(gòu)體系，若采用矩形平面鋼框筒，其長邊與短邊的比值不宜大于1:5。超過該比值的矩形平面鋼框筒，當風向平行于矩形平面的短邊時，框筒由于剪力滯后效應(yīng)嚴重而不能充分發(fā)揮作為立體構(gòu)件的

52、空間作用，從而降低框筒抵抗側(cè)力的有效性。若該比值大于1.5時，宜采用束筒結(jié)構(gòu)體系。2.抗震設(shè)計(1)宜優(yōu)先選用簡單規(guī)則平面：位于地震區(qū)的髙層建筑，水平地震作用的分布取決于質(zhì)量分布。為使各樓層水平地震作用沿平面分布對稱、均勻，避免引起結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動，其平面應(yīng)盡可能采用圓形、方形、矩形等對稱的簡單規(guī)則平面。但由于城市規(guī)劃對街景的要求，或由于建筑場地形狀的限制，高層建筑不可能千篇一律地采用圓形、方形等簡單規(guī)則的平面形狀，而不得不采用其他較為復(fù)雜的平面形狀。為了避免地震時發(fā)生較強烈的扭轉(zhuǎn)振動以及水平地震作用沿平面的不均勻分布，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ991998)規(guī)定，對抗震設(shè)防的高層建筑鋼

53、結(jié)構(gòu)，其常用的平面尺寸關(guān)系應(yīng)符合表3-1和圖3-1的要求，凡符合該要求者，均可視為規(guī)則平面。(2)盡量避免選用不規(guī)則平面：比圖3-1中更為復(fù)雜的平面均為不規(guī)則平面。對于圖3-1中的平面形狀，當其尺寸關(guān)系不滿足表3-1的限值者，也視為不規(guī)則平面。在工程設(shè)計中，應(yīng)盡量避免選用不規(guī)則平面。當無法避免時，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行精細的地震反應(yīng)分析，以獲取較確切的地震內(nèi)力與變形，并采取相應(yīng)的抗震措施。3.2.2建筑立面形狀1.抗風設(shè)計(1)宜選用上小下大的簡單規(guī)則：的立面強風地區(qū)的髙樓，宜采用上小下大的梯形或三角形立面（圖3-2a、b)0這是因為，作用于房屋的風荷載標準值是隨離地面的髙度而增加的。采用上小下大的梯形

54、或三角形立面的優(yōu)點是:縮小了較大風荷載值的受風面積，使風荷載產(chǎn)生的傾覆力矩大幅度減小;從上到下，樓房的抗推剛度和抗傾覆能力增長較快，與風荷載水平剪力和傾覆力矩的增長情況相適應(yīng)；樓房周邊向內(nèi)傾斜的豎向構(gòu)件軸力的水平分力，可部分抵消各樓層的風荷載水平剪力。(2)立面可設(shè)大洞或透空層：對于位于臺風地區(qū)的層數(shù)很多、體量較大的髙樓，可結(jié)合建筑布局和功能要求，在樓房的中、上部，設(shè)置貫通房屋的大洞，或每隔若干層設(shè)置一個透空層（圖3-2c、d)，可顯著減小作用于樓房的風荷載。2.抗震設(shè)計(1)宜優(yōu)先選用簡單規(guī)則的立面：對于抗震設(shè)防的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，其立面形狀宜采用矩形、梯形、三角形等沿高度均勻變化的簡單幾何圖

55、形。避免采用樓房立面尺寸存在劇烈變化的階梯形立面，更不能采用由上而下逐步收進的倒梯形建筑。因為立面形狀的突然變化，必然帶來樓層質(zhì)量和抗推剛度劇烈變化。地震時，突變部位就會因劇烈振動或塑性變形集中效應(yīng)而使破壞程度加重。（2）盡量避免選用不規(guī)則立面3.2.3房屋高度1.房屋總高度實踐經(jīng)驗表明，不同的結(jié)構(gòu)類型，不同的結(jié)構(gòu)體系，各有其適用的最大高度：鋼框架屬于彎曲桿系（圖34a)，它是依靠梁和柱的桿件抗彎剛度來為結(jié)構(gòu)提供抗推剛度，其體系抵抗側(cè)力的剛度和承載力較小，符合經(jīng)濟合理原則的房屋最大適用高度較低；鋼框架-剪力墻(剪力墻厲平面構(gòu)件，圖3-4c，在其平面內(nèi)的剛度和承載力較大）、鋼框架-支撐（支撐屬軸

56、力桿系，圖3-4b，其抗推剛度遠大于由彎曲桿系所組成的框架的抗推剛度）和各類筒體（筒體屬立體構(gòu)件，圖34d，具有極大的抗推剛度和抗傾覆力矩的能力）等體系，抵抗側(cè)力的剛度和承載力逐級增大，它們所適用的最大房屋高度也逐級增高；此外，鋼材的強度和變形能力比混凝土高得多，所以，鋼結(jié)構(gòu)所適用的最大房屋高度要比鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)更高一些。2.房屋高寬比房屋高寬比是指房屋總高度與房屋底部順風（地震）向?qū)挾鹊谋戎?。它的?shù)值大小直接影響到結(jié)構(gòu)的抗推剛度、風振加速度和抗傾覆能力。若房屋的髙寬比值較大，結(jié)構(gòu)就柔，風或地震作用下的側(cè)移就大，陣風引起的振動加速度就大，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力就低。所以，進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗風、

57、抗震設(shè)計時，房屋的髙寬比應(yīng)該得到控制。既然房屋的高寬比值決定著結(jié)構(gòu)抗推剛度和抗傾覆能力，那么，房屋高寬比的允許最大值，應(yīng)該隨水平荷載的大小而異，即風荷載大的初抗震設(shè)防烈度髙的建筑物，其高寬比值要小一些，反之，就可以大一些。3-3在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中，為什么不宜設(shè)置變形縫？ 由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的高度較大，一般為塔形建筑，其平面尺寸一般達不到需要設(shè)置伸縮縫的程度（伸縮縫的允許最大間距可達90m);且設(shè)縫會引起建筑構(gòu)造和結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的很多麻煩；同時，若縫不夠?qū)拕t縫的功能不能發(fā)揮，地震時可能因縫兩側(cè)的部分撞擊而引起結(jié)構(gòu)破壞。所以高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ991998)規(guī)定：高層建筑鋼結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置伸

58、縮縫。日本的高層建筑一般都不設(shè)伸縮縫。當必須設(shè)置時，抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)伸縮縫應(yīng)滿足防震縫的要求。高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ991998)規(guī)定：髙層建筑鋼結(jié)構(gòu)不宜設(shè)置防震縫。其薄弱部位應(yīng)采取措施提髙抗震能力。因此未對防震縫的寬度未作規(guī)定。為了保證髙層建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體性，在其主體結(jié)構(gòu)內(nèi)不應(yīng)設(shè)置沉降縫。3-4在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為什么要控制房屋的高寬比?房屋高寬比是指房屋總高度與房屋底部順風（地震）向?qū)挾鹊谋戎怠Ｋ臄?shù)值大小直接影響到結(jié)構(gòu)的抗推剛度、風振加速度和抗傾覆能力。若房屋的髙寬比值較大，結(jié)構(gòu)就柔，風或地震作用下的側(cè)移就大，陣風引起的振動加速度就大，結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力就低。所以，進行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗風、抗震設(shè)計時，房屋的髙寬比應(yīng)該得到控制。3-5在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，為何宜釆用多道抗震防線？(1)必要性：由于地震對房屋的破壞作用有時持續(xù)十幾