李国强《建筑结构抗震设计》课后习题答案

第1章绪论1、震级和烈度有什么区别和联系？震级是表示地震大小的一种度量，只跟地震释放能量的多少有关，而烈度则表示某一区域的地表和建筑物受一次地震影响的平均强烈的程度。烈度不仅跟震级有关，同时还跟震源深度、距离震中的远近以及地震波通过的介质条件等多种因素有关。一次地震只有一个震级，但不同的地点有不同的烈度。2.如何考虑不同类型建筑的抗震设防？将建筑物按其用途分为四类：甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（设防类）、丁类（适度设防类）。1）标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。2）重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。3）特殊设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。4）适度设防类，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。3.怎样理解小震、中震与大震？小震就是发生机会较多的地震，50年年限，被超越概率为63.2%；中震，10%；大震是罕遇的地震，2%。4、概念、抗震计算、构造措施三者之间的关系？建筑抗震设计包括三个层次：概念设计、抗震计算、构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。他们是一个不可割裂的整体。5.试讨论结构延性与结构抗震的内在联系。延性设计：通过适当控制结构物的刚度与强度，使结构构件在强烈地震时进入非弹性状态后仍具有较大的延性，从而可以通过塑性变形吸收更多地震输入能量，使结构物至少保证至少“坏而不倒”。延性越好,抗震越好.在设计中，可以通过构造措施和耗能手段来增强结构与构件的延性，提高抗震性能。第2章场地与地基1、场地土的固有周期和地震动的卓越周期有何区别和联系？；由于地震动的周期成分很多，而仅与场地固有周期T接近的周期成分被较大的放大，因此场地固有周期T也将是地面运动的主要周期，称之为地震动的卓越周期。2、为什么地基的抗震承载力大于静承载力？地震作用下只考虑地基土的弹性变形而不考虑永久变形。地震作用仅是附加于原有静荷载上的一种动力作用，并且作用时间短，只能使土层产生弹性变形而来不及发生永久变形，其结果是地震作用下的地基变形要比相同静荷载下的地基变形小得多。因此，从地基变形的角度来说，地震作用下地基土的承载力要比静荷载下的静承载力大。另外这是考虑了地基土在有限次循环动力作用下强度一般较静强度提高和在地震作用下结构可靠度容许有一定程度降低这两个因素。3、影响土层液化的主要因素是什么？⑴土的类型、级配和密实程度⑵土的初始应力状态（地震作用时，土中孔隙水压力等于固结水压力是产生土体液化的必要条件）⑶震动的特性（地震的强度和持续时间）⑷先期振动历史或者：土层地质年代；土的颗粒组成及密实程度；埋置深度、地下水；地震烈度和持续时间。第3章结构地震反应分析与抗震计算1、结构抗震设计计算有几种方法？各种方法在什么情况下采用？底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法、静力弹塑性法⑴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，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。⑵除⑴外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。⑶特别不规则的建筑、甲类建筑和表3—10所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。2.什么是地震作用？什么是地震反应？地震作用：结构所受最大的地震惯性力；地震反应：由地震动引起的结构内力、变形、位移及结构运动速度与加速度等统称为结构地震反应。是地震动通过结构惯性引起的。3、什么是地震反应谱？什么是设计反应谱？它们有何关系？地震反应谱：为便于求地震作用，将单自由度体系的地震最大绝对加速度、速度和位移与其自振周期T的关系定义为地震反应谱。设计反应谱：地震反应谱是根据已发生的地震地面运动记录计算得到的，而工程结构抗震设计需考虑的是将来发生的地震对结构造成的影响。工程结构抗震设计不能采用某一确定地震记录的反应谱，考虑到地震的随机性、复杂性，确定一条供设计之用的反应谱，称之为设计反应谱。设计抗震反应谱和实际地震反应谱是不同的，实际地震反应谱能够具体反映1次地震动过程的频谱特性，而抗震设计反应谱是从工程设计的角度，在总体上把握具有某一类特征的地震动特性。地震反应谱为设计反应谱提供设计依据。4、计算地震作用时结构的质量或重力荷载应怎样取？质量：连续化描述（分布质量）、集中化描述（集中质量）；进行结构抗震设计时，所考虑的重力荷载，称为重力荷载代表值。结构的重力荷载分恒载（自重）和活载（可变荷载）两种。活载的变异性较大，我国荷载规范规定的活载标准值是按50年最大活载的平均值加0.5～1.5倍的均方差确定的，地震发生时，活载不一定达到标准值的水平，一般小于标准值，因此计算重力荷载代表值时可对活载折减。抗震规范规定：。5、什么是地震系数和地震影响系数？它们有什么关系?……（3-41）其中—地震系数，通过地震系数可将地震动振幅对地震反应谱的影响分离出来，是确定地震烈度的一个定量指标。—动力系数。α为地震影响系数，是多次地震作用下不同周期T，相同阻尼比ζ的理想简化的单质点体系的结构加速度反应与重力加速度之比。6、为什么软场地的>硬场地的？为什么远震>近震？场地特征周期是根据覆盖层厚度d和土层等效剪切波速Vs按公式T＝4d/Vs计算的周期，而软场地的Vs小于硬场地的Vs，远震的Vs小于近震Vs，故之。7、一般结构应进行哪些抗震验算？以达到什么目的？为满足“小震不坏中震可修大震不倒”的抗震要求，规范规定进行下列内容的抗震验算：①多遇地震下结构允许弹性变形验算，以防止非结构构件（隔墙、幕墙、建筑装饰等）破坏。②多遇地震下强度验算，以防止结构构件破坏。③罕遇地震下结构的弹塑性变形验算，以防止结构倒塌。“中震可修”抗震要求，通过构造措施加以保证。8、结构弹塑性地震位移反应一般应采用什么方法计算？什么结构可采用简化方法计算？逐步积分法。其简化方法适用于不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架结构和填充墙钢筋混凝土框架结构、不超过20层且层刚度无突变的钢框架结构及单层钢筋混凝土柱厂房。9、什么是楼层屈服强度系数？怎样计算？楼层屈服强度系数ξy为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层i抗剪承载力和按罕遇地震作用下楼层i弹性地震剪力的比值。ξy计算：。10、怎样判断结构薄弱层和部位？对于沿高度分布不均匀的框架结构，在地震作用下一般发生塑性变形集中现象，即塑性变形集中发生在某一或某几个楼层（图3-36），发生的部位为最小或相对较小的楼层，称之为结构薄弱层。原因是，较小的楼层在地震作用下会率先屈服，这些楼层屈后将引起卸载作用，限制地震作用进一步增加，从而保护其他楼层不屈服。判别：①对于沿高度分布均匀的框架结构，分析表明，此时一般结构底层的层间变形最大，因而可将底层当做结构薄弱层。②对于沿高度分布不均匀的框架结构，取该系数最小的楼层。③对于单层钢筋混凝土柱厂房，薄弱层一般出现在上柱。多层框架结构楼层屈服强度系数沿高度分布均匀与否，可通过参数a判别。11、哪些结构需要考虑竖向地震作用？设防烈度为8度和9度区的大跨度屋盖结构，长悬臂结构，烟囱及类似高耸结构和设防烈度为9度区的高层建筑，应考虑竖向地震作用。12、为什么抗震设计截面承载力可以提高？地震作用时间很短，快速加载时，材料强度会有所提高。进行结构抗震设计时，对结构构件承载力加以调整（提高），主要考虑下列因素：⑴动力荷载下材料强度比静力荷载下高；⑵地震是偶然作用，结构的抗震可靠度要求可比承受其他荷载的可靠度要求低。13、进行时程分析时，怎样选用地震波？P86最好选用本地历史上的强震记录，如果没有这样的记录，也可选用震中距和场地条件相近的其他地区的强震记录，或选用主要周期接近的场地卓越周期或其反应谱接近当地设计反应谱的人工地震波。第4章多层砌体结构抗震1、怎样理解多层砖房震害的一般规律？1.刚性楼盖房屋，上层破坏轻、下层破坏重；柔性楼盖房屋，上层破坏重、下层破坏轻；•2.横墙承重房屋的震害轻于纵墙承重房屋；•3.坚实地基上的房屋震害轻于软弱地基和非均匀地基上的震害；•4.预制楼板结构比现浇楼板结构破坏重；•5.外廊式房屋往往地震破坏较重；•6.房屋两端、转角、楼梯间、附属结构震害较重。2、怎样考虑多层砌体结构抗震的垂直地震作用？一般来说，垂直地震作用对多层砌体结构所造成的破坏比例相对较小。P98/3、在多层砌体中设置圈梁的作用是什么？①加强纵横墙的连接，加强整个房屋的整体性；②圈梁可箍住楼盖，增强其整体刚度；③减小墙体的自由长度，增强墙体的稳定性；④可提高房屋的抗剪强度，约束墙体裂缝的开展；⑤抵抗地基不均匀沉降，减小构造柱计算长度。4、怎样理解底部框架房屋底部框架设计原则？因底部刚度小，上部刚度大，竖向刚度急剧变化，抗震性能较差。为了防止底部因变形集中而发生严重的震害，在抗震设计中必须在结构底部加设抗震墙，不得采用纯框架布置。采用两道防线的思想进行设计，即在结构弹性阶段，不考虑框架柱的抗剪贡献，而由抗震墙承担全部纵横向的地震剪力。在结构进入弹塑性阶段后，考虑到抗震墙的损伤，由抗震墙和框架柱共同承担地震剪力。第5章钢混结构抗震2、总水平地震作用在结构中如何分配？其中用到哪些假定？根据各柱或各榀抗侧力平面结构的抗侧刚度进行地震作用引起的层剪力的分配。假定地震沿结构平面的两个主轴方向作用于结构；假定楼层屋盖在其平面内的刚度为无穷大。3、多高层钢筋混凝土结构抗震等级划分的依据是什么？有何意义？根据烈度、结构类型和房屋高度将抗震等级划分为四级，一级最高。划分的目的是控制钢筋混凝土的等级及用量，造成不必要的浪费和不足。4、为什么要限制框架柱的轴压比？当n较小时，为大偏心受压构件，呈延性破坏；当n较大时，为小偏心受压构件，受压边砼先达到极限压应变，呈脆性破坏。并且当轴压比较大时，箍筋对延性的影响变小，为保证地震时柱的延性，故限之。5、抗震设计为什么要满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱杆件”的原则？如何满足这些原则？P133~6、框架结构在什么部位应加密箍筋？有何作用？在梁中有集中荷载的地方，在梁的两端，柱的上下端均需要加密箍筋。梁端箍筋加密：保证梁端塑性铰区的抗剪强度；约束混凝土以提高梁端塑性铰区的变形能力。柱端箍筋加密：增加柱端截面的抗剪强度；约束混凝土以提高抗剪强度及变形能力；为纵向钢筋提供侧向支撑，防止纵筋压曲。7、对水平地震作用的弯矩可以调幅吗？为什么？不应进行调幅,地震作用引起的内力均不应进行调幅。因为调幅后会减小节点和构件的抗剪承载力，不安全。8、框架节点核心区应满足哪些抗震设计要求？1)梁板对节点区的约束作用2)轴压力对节点区混凝土抗剪强度和节点延性的影响3)剪压比和配箍率对节点区混凝土抗剪强度的影响4)梁纵筋滑移对结构延性的影响5）节点剪力设计值6）节点受剪承载力的设计要求9、确定抗震墙等效刚度的原则是什么？其中考虑了哪些因素？对高层建筑中的剪力墙等构件，通常用位移的大小来间接反映结构刚度的大小。在相同的水平荷载作用下，位移小的结构刚度大；反之位移大的结构刚度小。如果剪力墙在某一水平荷载作用下的顶点位移为u，而某一竖向悬臂受弯构件在相同的水平荷载作用下也有相同的水平位移u，则可以认为剪力墙与竖向悬臂受弯构件具有相同的刚度，故可采用竖向悬臂受弯构件的刚度作为剪力墙的等效刚度，它综合反映了剪力墙弯曲变形、剪切变形和轴向变形等的影响。10、分析框架-抗震墙结构时，用到了哪些假定？用微分方程法进行近似计算(手算)时的基本假定：(a)不考虑结构的扭转。(b)楼板在自身平面内的刚度为无限大，各抗侧力单元在水平方向无相对变形。(c)对抗震墙，只考虑弯曲变形而不计剪切变形;对框架，只考虑整体剪切变形而不计整体弯曲变形(即不计杆件的轴向变形)。(d)结构的刚度和质量沿高度的分布比较均匀。(e)各量沿房屋高度为连续变化。第6章钢结构抗震1.多高层钢结构梁柱刚性连接断裂破坏的主要原因是什么？⑴焊缝缺陷⑵三轴应力影响⑶构造缺陷⑷焊缝金属冲击韧性低2.钢框架柱发生水平断裂破坏的可能原因是什么？竖向地震使柱中出现动拉力，由于应变速率高，使材料变脆；加上焊缝和截面弯矩与剪力的不利影响，造成柱水平断裂。3.为什么楼板与钢梁一般应采用栓钉或其他元件连接？进行多高层钢结构多遇地震作用下的反应分析时，可考虑现浇混凝土楼板与钢梁的共同作用。此时楼板可作为梁翼缘的一部来计算梁的弹性截面特性。故在设计中应保证楼板与钢梁间有可靠的连接措施。4.为什么进行罕遇地震结构反应分析时，不考虑楼板与钢梁的共同作用？进行多高层钢结构罕遇地震反应分析时，考虑到此时楼板与梁的连接可能遭到破坏，则不应考虑楼板与梁的共同工作。5.进行钢框架地震反应分析与进行钢筋混凝土框架地震反应分析相比有何特殊因素要考虑？相邻楼层质量比、刚度比；立面收进尺寸的比例；任意楼层抗侧力构件的总的受剪承载力；考虑柱的轴向变形；计入梁柱节点域剪切变形；高层钢结构的位移影响；钢框架的长细比和宽厚比。6.在同样的设防烈度条件下，为什么多高层建筑钢结构的地震作用大于多高层建筑钢筋混凝土结构？延性好？7.对于框架—支撑结构体系，为什么要求框架任一楼层所承担的地震剪力不得小于一定的数值？钢支撑或混凝土心筒部分的刚度大，可能承担整体结构绝大部分地震作用力。但其延性较差，为发挥钢框架部分延性好的作用，承担起第二道结构抗震防线的责任，要求钢框架的抗震承载力不能太小，故要求框架任一楼层所承担的地震剪力不得小于一定的数值。8.抗震设计时，支撑斜杆的承载力为什么折减？考虑支撑在地震反复轴力作用下的特征，即：支撑在反复轴力作用下，屈曲荷载逐渐下降，下降的幅度与支撑长细比有关，支撑长细比有关越大下降幅度越大。故折减之，用受循环荷载时的强度降低系数折减。9.防止框架梁柱连接脆性破坏可采取什么措施？①严格控制焊接操作，减少焊接缺陷;②焊缝冲击韧性不能过低。③适当加大梁腹板下部的割槽口，提高焊缝质量;④补充腹板与抗剪连接板之间的焊缝;⑤采用梁端加盖板和加腋，或梁柱采用全焊方式来加强连接的强度;⑥利用节点域的塑性变形能力，为此节点域可设计成先于梁端屈服。⑦可利用“强节点弱杆件”的抗震设计概念，将梁端附近截面局部削弱，如梁端狗骨式设。10.中心支撑钢框架抗震设计应注意哪些问?计算地震作用下人行支撑和V型斜杆的内力时地震作用的标准值乘以1.5；支撑杆件长细比宽厚比；宜采用双轴对称截面8度以上抗震结构可采用带有消能装置的中心支撑体系。11.偏心支撑钢框架抗震设计应注意哪些问题?偏心支撑框架的抗震设计应保证罕遇地震下结构屈服发生消能梁段上；消能梁段腹板不得加焊贴板提高其承载力，不得在腹板上开洞；为保证塑性变形过程中消能梁段的腹板不发生局部屈曲，按规定在梁腹板两侧设置加劲肋；内力调整；5层以上结构采用偏心支撑框架时，顶层可不设偏心梁段。第7章单厂抗震1．单层厂房主要有哪些地震破坏现象？（请简略答）主要是围护结构的破坏。型天窗是厂房抗震的薄弱部位，震害主要表现为支撑杆件失稳弯曲，支撑与天窗立柱连接节点被拉脱，天窗立柱根部开裂或折断等。(屋面板错动滑落，甚至引起屋架的失稳倒塌。厂房受纵向水平地震作用时的破坏程度重于受横向地震作用时的破坏程度。主要的破坏形式有：(1)天窗两侧竖向支撑斜杆拉断，节点破坏(2)屋面板与屋架的连接焊缝剪断，屋面板从屋架上滑脱坠地。屋架的震害主要是端头混凝土酥裂掉角、支撑大型屋面板的支墩折断、端节间上弦剪断等。（3）屋面的破坏或屋盖的倒塌。柱根处也会发生沿厂房纵向的水平断裂。(4)纵向围护砖墙出现斜裂缝。柱的局部震害则较常见：主要有：（1）上柱柱身变截面处酥裂或折断。（2）柱顶与屋面梁的连接处由于受力复杂易发生剪裂、压酥、拉裂或锚筋拔出、钢筋弯折等震害。（3）由于高振型的影响，高低跨两个屋盖产生相反方向的运动，使中柱柱肩产生竖向拉裂。（4）下柱下部出现横向裂缝或折断，后者会造成倒塌等严重后果。（5）柱间支撑产生压屈。2．单层厂房质量集中的原则是什么？房屋的质量一般是分布的。当采用有限自由度模型时，通常需把房屋的质量集中到楼盖或屋盖处；集中质量一般位于屋架下弦（柱顶）处。计算结构的动力特性时，应根据“周期等效”的原则；计算结构的地震作用时，对于排架柱应根据柱底“弯矩相等”的原则，对于刚性剪力墙应根据墙底“剪力相等”的原则，经过换算分析后确定。3．“无吊车单层厂房有多少不同的屋盖标高，就有多少个集中质量”,这种说法对吗？不对。等高排架可简化为单自由度体系。不等高排架，可按不同高度处屋盖的数量和屋盖之间的连接方式，简化成多自由度体系。例如，当屋盖位于两个不同高度处时，可简化为二自由度体系。图7-10示出了在三个高度处有屋盖时的计算简图。应注意的是，在图7-10中，当H1＝H2时，仍为三质点体系。4．在什么情况下考虑吊车桥架的质量？为什么？吊车桥架对排架的自振周期影响很小。因此，在计算自振周期时可不考虑其对质点质量的贡献。这样做一般是偏于安全的。这是因为吊车桥架是局部质量，此局部质量不能有效地对整体结构的动力特性产生可观的影响；确定厂房的地震作用时，对设有桥式吊车的厂房，除将厂房重力荷载按前述弯矩等效原则集中于屋盖标高处外，还应考虑吊车桥架的重力荷载。因为桥架是个较大的动质量，地震时会引起厂房的强烈的局部震动。