高层建筑结构设计与抗震分析教学辅导

高层建筑结构设计与抗震分析教学辅导内容摘要：

振周期，利用反应谱曲线和计算公式，就可以很方便的确定体系的反应加速度，进而求出地震作用。 应用反应谱理论不仅可以解决单质点体系的地震反应计算问题，而且可以通过振型分解法还可以计算多质点体系的地震反应。 在工程上，除应用反应谱计算结构地震作用外，对于高层建筑和特别不规则建筑等，还可以采用时程分析法来计算结构的地震反应。 这个方法先选定地震地面加速度图，然后用数值积分方法求解运动方程，算出每一个时间增量的结构反应，如位移，速度和加速度反应。 21．按振型分解法求出地震作用后如何计算体系的地震作用效应。 答：求出第j振型质点i上的水平地震作用Fij后，就可按一般力学方法计算结构的地震作用效应Sj(弯矩、剪力、轴向力和变形）。 根据振型分解反应谱法确定的相应于各振型的地震作用Fij（i=1,2, …,n）均为最大值。 所以，按Fij所求的地震作用效应Sj（j=1,2, …,n）也是最大值。 但是，相应于各振型的最大地震作用效应Sj不会同时发生，这样就出现了如何将Sj进行组合，以确定合理的地震作用效应问题。 《抗震规范》根据概率论的方法，得出了结构地震作用效应“平方和开平方”的近似计算公式：, 式中 S——水平地震效应 ——第j振型水平地震作用产生的作用效应，可只取2~3个振型，振型个数可适当增加。 22．什么是地震系数k。 怎样确定它的数值。 答：地震系数是地震动峰值加速度与重力加速度之比，即： 也就是以重力加速度为单位的地震动峰值加速度。 显然，地面加速度愈大，地震的影响就愈强烈，即地震烈度愈大。 所以，地震系数与地震烈度有关，都是地震强烈程度的参数。 23．什么是主振型的正交性。 答：对于多质点弹性体系而言，它的不同的两个主振型之间，存在着一个重要的特性，即主振型的正交性。 在体系的动力计算中，经常要利用这个特性。 主振型关于质量矩阵的正交性，用数字表达的条件就是.=0 ()式中 ——与相应的特征向量，即第振型； ——质量矩阵；——与相应的特征向量，即第振型。 24．地震作用与一般荷载有何不同。 答：在地震作用效应和其他荷载效应的基本组合超出结构构件的承载力，或在地震作用下结构的侧移超过允许值，建筑物就遭到破坏，以至于倒塌。 因此，在建筑抗震设计中，确定地震作用是个十分重要的问题。 地震作用与一般静荷载不同，它不仅取决于地震烈度大小和震中距远近的情况，而且与建筑结构的动力特性（如结构自振周期、阻尼等）有密切关系。 而一般静荷载与结构的动力特性无关，可以独立地确定。 因此，确定地震作用比一般静荷载复杂得多。 25．各类抗震设防类别建筑的抗震设防标准应符合哪些要求。 答：各类抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求：（1） 甲类建筑 地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6~8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。 （2） 乙类建筑 地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6~8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。 对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。 （3）丙类建筑 地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求（4）丁类建筑 一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。 抗震设防烈度为6度时，除《抗震规范》有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。 26．什么是放大系数。 怎样确定它的数值。 答：动力系数是单质点弹性体系在地震作用下最大反应加速度与地面最大加速度之比。 即 也就是质点最大反应加速度比地面最大加速度放大的倍数。 在结构抗震计算中，通常将频率用自振周期表示，即。 所以，上式又可写成 由上式可知，动力系数与地面运动加速度纪录的特征，结构的自振周期以及阻尼比有关。 当地面加速度纪录和阻尼比给定时，就可以根据不同的值算出动力系数，从而得到一条曲线。 这条曲线就称为动力系数反应谱曲线。 动力系数是单质点最大反应加速度与地面运动最大加速度之比，所以曲线实际上是一种加速度反应谱曲线。 第3章 场地与地基1．局部工程地质条件对工程抗震影响的结果如何。 答：局部工程地质条件对工程抗震影响的结果：（1）局部地质构造的影响断裂带是地质构造上的薄弱环节，浅源地震往往与断裂活动有关，发震断裂带附近地表，在地震时可能产生新的错动，使建筑物遭受较大的破坏。 因此，对于各种危险地段选择建筑场地应予以避开。 （2）局部地形的影响宏观现象、仪器观测和理论分析都说明，局部孤突地形对震害具有明显的影响，一般来说，局部地形高差大于30～50m时，震害就开始出现明显的差异。 因此，孤突的山梁、孤立的山包、高差较大的台地等，都是明显影响震害的地形。 （3）地下水位的影响宏观震害现象表明，水位越浅，震害越重。 在不同的地基中，地下水位的影响程度也有所差别，对柔软土层的影响最大，粘性土次之，对卵砾石、碎石、角砾土则影响较小。 尤其是当地下水深1～5m时，对震害的影响最为明显，当地下水位较深时，则影响不再显著。 2．什么是场地、场地土。 场地土的刚性一般用什么表示。 场地条件对建筑震害的主要影响因素有哪些。 答：场地即指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。 其范围相当于厂区， km2的平面面积。 场地土则是指在场地范围内的地基土。 场地土的刚性一般用土的剪切波速表示，因为剪切波速是土的重要动力参数，是最能反映场地土的动力特性的，因此，以剪切波速表示场地土的刚性广为各国抗震规范所采用。 一般认为，场地条件对建筑震害的主要影响因素有：场地土的刚性（即坚硬或密实程度）大小和场地覆盖层厚度。 震害经验指出，土质愈软，覆盖层愈厚，建筑物震害愈严重，反之愈轻。 3．建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合哪些要求。 答：建筑场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求：（1）一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。 （2），且其下卧岩土的剪切波速均不小于400m/s时，可取地面至该土层顶面的距离作为覆盖层厚度。 （3）剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层。 （1）土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。 4．哪些建筑可不进行天然地基与基础抗震承载力验算。 答：可不进行天然地基与基础抗震承载力验算的建筑：历次震害调查表明，一般天然地基上的下列一些建筑很少因为地基失效而破坏。 因此，《抗震规范》规定，建造在天然地基上的以下建筑，可不进行天然地基和基础抗震承载力验算：（1）砌体房屋。 （2）地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、单层空旷房屋和不超过8层，且高度在25m以下的一般民用框架房屋及与其基础载荷相当的多层框架厂房。 这里的地基主要受力层是指条形基础底面下深度为3b（b为基础底面宽度），单独基础底面下深度为1b，且厚度均不小于5m的范围（二层以下的民用建筑除外）。 （3）7度Ⅰ、Ⅱ类场地，柱高分别不超过10m，且结构单元两端均有山墙的钢筋混凝土柱和砖柱单跨及等高多跨厂房（锯齿形厂房除外）。 （4）6度时的建筑（建造在Ⅳ类场地上的较高的高层建筑除外。 这里较高的高层建筑是指，高度大于40m的钢筋混凝土框架、高度大于60m的其他钢筋混凝土民用房屋及高层钢结构房屋。 ）。 软弱粘性土层指7度、8度和9度时，地基静承载力特征值分别小于80、100和120kPa的土层。 5．怎样验算天然地基抗震承载力。 答：验算天然地基在地震作用下的竖向承载力时，按地震作用效应标准组合的基础地面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求≤≤式中： 地震作用效应标准组合的基础底面平均压力；地震作用效应标准组合的基础底面边缘最大压力； 调整后地基土抗震承载力。 《抗震规范》同时规定，高宽比大于4的建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其他建筑，基础底面与地基土之间零应力区域面积不应超过基底面积的15%。 根据后一规定，对基础底面为矩形基础，其受压宽度与基础宽度之比则应大于85%，即≥式中 矩形基础底面受压宽度；矩形基础底面宽度。 6．为什么在确定地基土抗震承载力时，其取值可以比地基静承载力大一些。 我国规范是如何确定地基土抗震承载力值的。 答：在地震作用下，建筑物地基土的抗震承载力与地基静承载力是有差别的。 这是因为在静压力作用下，地基土将产生弹性变形及永久变形（即残余变形）。 弹性变形可在短时间内完成，而永久变形则需要较长的时间才能完成，因此，在静载长期作用下，地基中将产生较大的变形。 而地震作用时间很短，只能使土层产生弹性变形而来不及发生永久变形。 所以，由地震作用产生的地基变形较静载产生的地基变形要小得多。 而地基承载力是根据地基允许变形值确定的，若地基允许变形值一定，因为静载产生的变形大，故所需的静载压力就小，而地震作用产生的变形小，故所需的地震作用产生的压力就应该大。 因此，从地基变形角度来说，有地震作用时地基土的抗震承载力应该比地基土的静承载力要大，即动强度一般高于静强度。 另外，从结构安全角度出发，因为地震作用是偶遇的，其安全度可以小一些，故在确定地基土抗震承载力时，其取值可以比地基静承载力大一些。 我国规范对于地基土抗震承载力的取值采取在地基土静承载力的基础上乘以提高系数的方法。 7．何谓地基土的液化。 答：在地下水位以下的饱和的松砂和粉土受到地震的振动作用，土颗粒间有压密的趋势，孔隙水压力增高以及孔隙水向外运动，这样，一方面可能引起地面上发生喷砂冒水现象，另一方面更多的水分来不及排除，使土颗粒处于悬浮状态，形成有如“液体”一样的现象，称为液化。 8．影响砂土液化的因素有哪些。 答：影响砂土液化的因素：（1）沙土的组成一般来说，细砂比粗砂容易液化，级配均匀的比级配良好的容易液化，细砂比粗砂容易液化，主要原因是粗砂较细砂的透水性好，即使粗砂有液化现象发生，但因孔隙水超压作用时间短，其液化进行的时间也短。 （2）相对密度松砂比密砂容易液化。 在粉土中，由于它是粘性土与无粘性土之间的过渡性土壤，因而其粘性颗粒的含量多少就决定了这类土壤的性质，从而也就影响液化的难易程度。 （3）土层的埋深砂土层埋深越大，即有效覆盖压力越大，砂层就越不容易液化。 地震时，液化砂土层的深度一般是在10m以内。 （4）地下水位地下水位浅的比地下水位深的容易发生液化。 对于砂类土液化区内，一般地下水位深度＜4m，容易液化，超过此深度后，就没有液化发生。 对粉土的液化，在7度、8度、9度区内，、容易液化，超过此值后，则未发生液化现象。 （5）地震烈度大小和地震持续时间多次震害调查表明：地震烈度高，地面运动强度大，就容易发生液化。 一般5～6度地区很少看到有液化现象。 实验结果还说明，如地面运动时间长，即使地震烈度低，也可能出现液化。 9．软弱粘性土地基抗震措施主要有哪些。 答：软弱粘性土地基抗震措施为：（1）必要时采用桩基或其它人工地基，其它人工地基如：换土垫层，垫层材料可以为砂、碎石、灰土、矿渣等。 也可采用化学加固法，即在粘性土中，用高压旋喷法向四周土体喷射水泥浆、硅酸钠等化学浆液。 或采用电硅化法，即借助于电渗作用，使注入软土中的硅酸钠（水玻璃）和氯化钙溶液顺利地进入土的孔隙中，形成硅胶，将土粒胶结起来。 （2）选择合适的基础埋置深度。 （3）减轻基础荷载，调整基础底面积，减少基础偏心。 （4）加强基础的整体性和刚性，采用箱基、筏基或钢筋混凝土十字条形基础，架设基础圈梁、基础连系梁等。 （5）增加上部结构的整体刚度和对称性，合理设置沉降缝，预留结构净空，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。 10．建筑场地类别是怎样划分的。 答：建筑场地是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。 其范围相当于厂区、。 国内外大量震害表明，不同场地上的建筑震害差异是十分明显的。 因此，研究场地条件对建筑震害的影响是建筑抗震设计中十分重要的问题，一般认为，场地条件对建筑震害的影响主要因素是：场地土的刚性（即坚硬或密实程度）大小和场地覆盖层厚度。 震害经验指出，土质愈软，覆盖层愈厚，建筑物震害愈严重，反之愈轻。 场地土的刚性一般用土的剪切波速表示，因为剪切波速是土的重要动力参数，是最能反映场地土的动力特性的。 因此，以剪切波速表示场地土的刚性广为各国抗震规范所采用。 11．影响土的液化因素有哪些。 答：场地土液化与许多因素有关，因此需要根据多项指标综合分析判断土是否会发生液化。 但当某指标达到一定数值时，不论其他因素情况如何，土都不会发生液化液化，或即使发生液化也不会造房屋震害。 我们称这个数值为这个指标的界限值。 影响土的液化的因素有：（1）地质年代（2）土中黏粒含量（3）上覆非液化土层厚度和地下水位深度（4）土的密实程度（5）土层埋深（6）地震烈度和震级第4章 结构计算方法1．结构分析的弹性静力假定如何。 国内设计规范的计算方法如何。 答：结构分析的弹性静力假定：在竖向荷载和风荷载作用下，正常使用状态时结构处于弹性阶段；当多遇地震作用下，抗震设计也要求结构与构件处于弹性工作状态。 因此，高层建筑结构的内力和位移一般按弹性方法计算。 一般情况下不考虑结构进入弹塑性状态所引起的内力重分布。 国内设计规范，仍沿用弹性方法计算结构内力，按弹塑性极限状态进行截面设计。 因此，在实际工程抗震设计中，仍按弹性结构进行内力计算，只在某些特殊情况下，考虑设。