高层建筑结构大作业

作业说明：《高层建筑结构》是应用性较强的课程，为了培养学生的设计能力，掌握核心知识点，同时也为了较大程度地减轻学生的课业负担，这次作业没有考虑大型设计作业，而是采用了分散的题型，请大家在规定的时间内完成作业。一、基础题1，一幢10层的框架结构，柱网尺寸为8m×8m，混凝土强度等级C30，试完成下列各题：（1）按高规6.4.2条估算底层中框架柱的截面尺寸。（2）假设天然地基承载力设计值fa=120kPa,确定底层中框架柱的基础尺寸(独立基础)。答：（1）《高层建筑混凝土结构技术规程》P66，6.4.2抗震设计时，钢筋混凝土柱轴压比不宜超过表6.4.2的规定：对于VI类场地上较高的高层建筑，其轴压比限值应适当减小框架结构三类抗震等级，柱子轴压比限值为0.85.根据《混凝土结构设计规范》可知，当选用HrB400钢筋时，竹子的配筋率最小为0.55%，最大为5%。珠子配筋率选为4%。则混凝土柱承受的最大轴向应力值σ=0.04*360+0.96*30=43.2MPa。《高层建筑结构设计》P13，楼层竖向荷载值取13KN/m2.仅考虑柱子受竖向荷载作用，则每根珠子承受的竖向荷载值N=10*64*13=8320KN。柱子的截面积S=8.32/（0.85*43.2）=0.227m2,设柱子截面为方形，边长a=0.48m。（2）8320./120=69.3m2,设独立基础为方形，边长b=8.3m。2，确定上海市奉贤区海湾镇、南桥镇和徐汇区的徐家汇等区域的地面粗糙度。答:《高层建筑结构设计》P13提到，地面粗糙度应分为四类：A类指近海海面和海盗、海岸、湖岸及沙漠地区；B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C类指有墨迹建筑群的城市市区；D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。3，上海某地产开发有限公司拟在上海市奉贤区大学城建一座酒店式公寓（地处海湾路和海泉路交叉口），椭圆形平面，长轴长55m，短轴长25m，框架-核心筒结构体系，高度98m。（1）计算该公寓顶部的风荷载标准值(kN/m2)（2）计算该公寓中腰部的风荷载标准值(kN/m2)4,（1）确定上海市徐汇区某门卫楼的设防类别；（2）确定上海市徐汇区某别墅的的设防类别；（3）确定上海交通大学徐汇校区图书馆的设防类别；（4）确定上海交通大学徐汇校区教学楼的设防类别。答：《高层建筑结构设计》P16，建筑抗震分甲类、乙类、丙类、丁类四个类别：甲类建筑：属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑乙类建筑：属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑丙类建筑：应属于出甲乙丁类以外的一般建筑。丁类建筑：属于抗震次要建筑。5，根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010和高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，说明上海市图书馆(两个主塔高分别为58.8米和106.9米)和上海中心(结构高度580米)的抗震设计方法有何不同？答：《高层建筑结构设计》P17,上海市图书馆属于高度不超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转偶联振动的振型分解反映谱法。上海重心属于高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转偶联振动影响的振型分解反应谱法。此外上海中心还属于7独设防烈度，建筑高度大于100m的建筑，应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算6，确定上海市图书馆(两个主塔高分别为58.8米和106.9米)的水平地震影响系数α1（即相应于结构基本自振周期T1的水平地震影响系数）,所缺条件根据前面所学知识和GB50011-2010《建筑抗震设计规范》确定。7,上海某中学教学楼的层建筑面积为680m2，4层楼，层高5.1m，试估算该教学楼在地震作用下底部剪力的大小（kN）。答，教学楼选用框架结构形式，结构自重荷载取5Kn/m2,楼面活荷载取3KN/m2,《高层建筑结构设计》P18结构总重力荷载代表值GE=4*680*(5+0.5*3)=17680KN结构等效重力荷载代表值Geq=0.85Ge=0.85+17680=15028KN,根据P23经验公式高层钢筋混凝土框架结构的基本自振周期T=0.25+0.00053，H为20.4m,估算B为10m，则T=0.35s上海某中学教学楼设计地震分组为第一组。四类场地，查《搞成建筑结构设计》P219附表8.5的特征周期Tg为0.65s，7度设防地震，查P218表8.4水平地震影响系数最大值αmax为0.23.因为0.1T0.65，所以α1=η2*αmax=0.23.地震作用下底部剪力FEK=α1*Geq=0.23*15028=3456KN.8，某高层建筑，抗震设防烈度8度。主楼高65m，采用钢筋混凝土框-剪结构；裙房高21m，采用钢筋混凝土框架结构。设计时考虑在主、裙楼之间设缝。试问，该缝的最小宽度应为多少？答：根据《高层建筑结构设计》P27或《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）P13第3.4.10条设置防震缝时，应符合下列规定：1，框架结构房屋，高度不超过15m时不应小于100nn；超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m,4m,3m,2m,宜加宽20mm;框架—剪力墙结构房屋不应小于框架结构规定数值的70%，且不宜小于100mm.2，防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按不利的结构类型确定。3，防震缝两侧的房屋高度不同时，防震缝宽度可按较低的房屋高度确定。抗震设防烈度8度，框—剪结构，裙房高度21m，0.7*（100+40）=98mm,所以防震缝宽度应设为100mm9，开发商计划在上海市海湾旅游区建一幢框架-剪力墙体系的写字楼，试问最高能建多高？（结构高度，单位为米）答：该框架—剪力墙体系的写字楼，属于抗震设防烈度7度的A级高度丙类建筑。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）查表3.3.1-1A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度可知，该建筑最高可建120m10已经用PKPM的SATWE模块计算了一幢结构，请根据分析结果对照高规3.4.5条，看是否满足高规要求？答；根据《高层建筑结构设计》P26或《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3-2010）P12，第3.4.5条规定，结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构建最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9.二、框架结构设计题工程资料及设计条件：某6层钢筋混凝土框架结构，层高4.5m，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，Ⅳ类场地。柱轴压比为0.5，混凝土强度等级C30（fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2），纵向钢筋和箍筋均采用HRB400级钢筋（360N/mm2）。梁平法配筋图和柱配筋图（图中除角柱外，未注明的框架柱均为KZ-1）如图2所示。图2四层梁配筋图'yyff图3KZ-1配筋详图1，用传统表达方法绘制KL205的配筋详图，在详图中应清晰地表达清楚以下内容：（1）确定KL205的抗震等级；答：根据《高层建筑结构设计》P48,A级高度钢筋混凝土结构的抗震登记应按附表8.16确定。《高层建筑结构设计》P222查附表8.16A级高度的高层建筑结构抗震等级可知，7度27米高的框架结构的抗震等级为二级，所以KL205的抗震等级为二级（2）计算KL205受拉钢筋抗震锚固长度；答钢筋HRB400三级钢直径25.C30混凝土，受拉钢筋抗震锚固长度：IaE=41d=41*25=1025mm（3）计算KL205受拉钢筋的水平锚固长度；答根据《高层建筑结构设计》P78，水平段锚固弯折前的水平投影长度不应小于0.4IabE=0.4*1025=410mm（4）根据上述（2）和（3），以及图2和图3，试问KL205受拉钢筋锚固时，钢筋需要弯折吗？如果需要弯折，确定弯折后的竖向锚固长度；答；根据上述（2）和（3），以及图2和图3，KL205受拉钢筋锚固时需要弯折。根据《高层建筑结构设计》P78,弯折后的竖直投影长度应取15倍梁纵向钢筋直径，15*25=375mm（5）确定KZ-1的箍筋加密区长度范围；答;题中已说明KZ-1不是角柱。根据《高层建筑结构设计》P72，底层柱的上段和其他各层柱的两端，应取矩形界面柱之长边尺寸，柱净高之1/6和500mm三者的最大值范围。本题中取矩形截面柱长边尺寸800mm（6）说明KZ-1箍筋加密区的箍筋直径和取值依据；答；题中KZ-1箍筋加密区的箍筋直径为10mm,取值依据，参见《高层建筑结构设计》P72,表4.4柱端箍筋加密区的构造要求，抗震等级二级，箍筋最小直径为8mm2.假设框架抗震等级为三级，计算KL205在B轴～C轴跨中处纵筋配筋率，请验算是否满足梁的最小配筋率。3.假设框架抗震等级为三级，计算KZ-1的体积配箍率，并验算是否符合最小体积配箍率要求。4.假设框架抗震等级为三级，抗震设计如何实现强剪弱弯，请结合规范给出计算公式。三、剪力墙结构设计题1，某高层住宅楼，所在地区设防烈度为7度，主体结构高度90m，采用剪力墙结构体系，试根据高规确定该住宅楼的抗震等级，并写出依据。答;根据《高层建筑结构设计》P48,A级高度钢筋混凝土结构的抗震登记应按附表8.16确定。《高层建筑结构设计》P222查附表8.16A级高度的高层建筑结构抗震等级可知，7度90米高的剪力墙结构的抗震等级为二级。2，某剪力墙结构，30层(不计出屋面小塔楼)，每层的层高均为3m,室外地坪相对标高为-0.45m，地下室顶板标高-0.050(可作为结构嵌固端)，某片剪力墙标高79.95m,试确定底部加强部位的高度（单位：m）。答：根据《高层建筑结构设计》P83，抗震设计时，剪力墙底部加强部位的高度。应从地下室顶板算起：部分框支剪力墙结构的剪力墙，其底板加强部位的高度，可取框支层加框支层以上两层的高度及落地剪力墙总高度的1/10二者的较大值：其他结构的剪力墙，底部加强部位的高度可取底部两层和强i总高度的1/10二者的较大值。该建筑底部两层高度为6米，墙体总高度为79.95+0.05=80米。墙体总高度的1/10为8米。所以底部加强部位的高度为8米。3，根据下图判定属于哪些梁属于连梁？答：连梁位置已在途中标记，如下图4，某剪力墙结构，抗震等级为二级，其中一字形剪力墙，墙肢截面高度h=5000mm，墙肢厚度b=300m，混凝土强度等级C35（fc=16.7N/mm2）。所受的恒荷载标准值为5000kN，活荷载标准值为2000kN，试确定其底部加强部位边缘构件类型，并写出计算过程。答：根据《高层建筑结构设计》P108，剪力墙的约束边缘厚茧分为四种：暗桩、有翼墙、有端桩、有转角墙（L形墙）。墙体所受轴向应力α==23.3N/mm2fc=16.7N/mm所以应采用约束边缘构件。根据一字形剪力墙，约束边缘构建应采用暗桩。5，剪力墙中有一约束边缘构件YAZ5，其配筋如下图所示，保护层厚度25mm，试计算该边缘构件的体积配箍率ρV；答：混凝土保护层厚度取25mm，则柱箍筋所围核心区尺寸为460mm*250mm箍筋长度为3*510+4*300=2730mm箍筋的体积配筋率Ρv=0.25*3.14*102*2730/460*250*150=0.0124四、框架-剪力墙结构设计题某30层高层建筑结构（框架-剪力墙结构），经建模分析，该楼框架部分承担的地震倾覆力矩为结构总地震倾覆力矩的80%，应按何种结构类型进行设计。答：根据《高层建筑结构设计》P114相关内容进行设计。经建模分析，该楼框架部分承担的地震倾覆力矩为结构总地震倾覆力矩的80%，主要地震倾覆力矩由框架结构承担，所以应采用框架结构中嵌入剪力墙的结构方案。