2025年高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽題庫試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某8度（0.2g）設(shè)防區(qū)，建筑高度150m的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的30%，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2024），該結(jié)構(gòu)的框架部分抗震等級應(yīng)為（）。A.一級B.二級C.三級D.四級答案：A解析：框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，若框架部分承擔(dān)的傾覆力矩≤50%，則框架部分的抗震等級應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架的規(guī)定采用。8度0.2g區(qū)，高度＞130m的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架部分抗震等級為一級（規(guī)程表3.3.3-1）。2.下列關(guān)于高層鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的描述中，錯誤的是（）。A.順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)需計算平均風(fēng)與脈動風(fēng)的組合效應(yīng)B.橫風(fēng)向風(fēng)振可能由渦激振動引起，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速超過臨界風(fēng)速時需驗算C.高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.02~0.04，隨結(jié)構(gòu)剛度增大而減小D.風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算時，基本風(fēng)壓應(yīng)采用50年重現(xiàn)期，對特別重要的建筑可提高至100年答案：C解析：高層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比一般為0.01~0.02（純鋼結(jié)構(gòu)）或0.02~0.03（混合結(jié)構(gòu)），隨結(jié)構(gòu)剛度增大，阻尼比通常增大而非減?。ā督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2022第8.4.3條）。3.某超高層建筑采用帶伸臂桁架的筒中筒結(jié)構(gòu)，伸臂桁架的最佳布置位置為（）。A.設(shè)備層頂部，避開剛度突變層B.結(jié)構(gòu)高度的1/3~1/2處，與核心筒加強(qiáng)層重合C.頂層，增強(qiáng)抗傾覆能力D.底部加強(qiáng)區(qū)，提高整體剛度答案：B解析：伸臂桁架通過連接外框筒與核心筒，將外框柱的軸向力轉(zhuǎn)化為抗傾覆力矩，最佳布置位置為結(jié)構(gòu)高度的1/3~1/2處（《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》2024版），通常與設(shè)備層（加強(qiáng)層）結(jié)合以減少對建筑功能的影響。4.關(guān)于高強(qiáng)混凝土（C80~C100）在高層建筑中的應(yīng)用，下列說法正確的是（）。A.可顯著減小柱截面，但需注意核心區(qū)箍筋加密以提高延性B.彈性模量與普通混凝土相同，無需調(diào)整計算參數(shù)C.收縮徐變小于普通混凝土，有利于控制長期變形D.抗震設(shè)計中，軸壓比限值可與普通混凝土一致答案：A解析：高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度高但延性較低，需通過加密箍筋約束核心混凝土（《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2023第6.3.7條）；其彈性模量高于普通混凝土（E_c=4.75×10^4N/mm2forC80）；收縮徐變更大；軸壓比限值需比普通混凝土嚴(yán)格（如C80柱軸壓比限值降低0.05）。5.某200m高建筑采用屈曲約束支撐（BRB）作為消能構(gòu)件，其設(shè)計中需重點控制的參數(shù)不包括（）。A.支撐的屈服位移B.支撐的極限受壓承載力C.核心鋼板的寬厚比D.外約束套管的防火保護(hù)層厚度答案：B解析：BRB設(shè)計需控制屈服位移（影響耗能效率）、核心鋼板寬厚比（防止局部屈曲）、防火保護(hù)層厚度（滿足耐火極限）；其受壓承載力因約束套管作用可接近受拉承載力，無需額外控制極限受壓承載力（《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》JGJ297-2024第5.2.3條）。二、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的核心原則及其在抗震設(shè)計中的具體應(yīng)用。答案：核心原則包括：規(guī)則性（平面、豎向剛度與質(zhì)量均勻）、整體性（各抗側(cè)力體系協(xié)同工作）、延性（強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎）、冗余度（多道防線）。抗震設(shè)計中應(yīng)用：①平面規(guī)則性控制（如扭轉(zhuǎn)位移比≤1.4）；②豎向避免剛度突變（層間剛度比≥0.7）；③通過強(qiáng)柱弱梁調(diào)整梁柱抗彎承載力（η_c=1.5）；④設(shè)置框架-核心筒雙重抗側(cè)力體系，核心筒與框架分別承擔(dān)地震作用。2.對比分析鋼筋混凝土核心筒與鋼-混凝土混合核心筒在超高層建筑中的優(yōu)缺點。答案：鋼筋混凝土核心筒優(yōu)點：剛度大、抗側(cè)移能力強(qiáng)、防火性能好、造價低；缺點：自重大（增加基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)）、施工周期長、延性較差（高烈度區(qū)需加強(qiáng)配筋）。鋼-混凝土混合核心筒優(yōu)點：自重輕（減少地震作用）、施工速度快（鋼骨與混凝土協(xié)同）、延性好（鋼骨約束混凝土）；缺點：防火要求高（需厚涂型防火涂料）、節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜（鋼骨與鋼筋連接）、造價較高（鋼材成本）。3.說明風(fēng)荷載作用下高層建筑頂點加速度的控制意義及主要優(yōu)化措施。答案：控制意義：頂點加速度過大將導(dǎo)致人員不適（ISO標(biāo)準(zhǔn)建議住宅≤0.15m/s2，辦公≤0.25m/s2），影響使用功能；長期振動可能引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞損傷。優(yōu)化措施：①增大結(jié)構(gòu)剛度（如增加核心筒厚度、設(shè)置伸臂桁架）；②提高阻尼比（設(shè)置黏滯阻尼器、采用混合結(jié)構(gòu)）；③調(diào)整平面形狀（流線型減少渦激振動）；④設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）吸收振動能量。4.簡述高層建筑施工階段模擬分析的必要性及主要計算內(nèi)容。答案：必要性：施工過程中結(jié)構(gòu)逐步形成，自重荷載分層施加，混凝土收縮徐變、構(gòu)件齡期差異會導(dǎo)致實際應(yīng)力與一次性加載計算結(jié)果偏差，可能引發(fā)開裂或變形超限。計算內(nèi)容：①分層加載模擬（每層施工時僅考慮已施工部分的剛度）；②混凝土收縮徐變模型（采用CEB-FIP2010或規(guī)范建議公式）；③施工臨時支撐的拆除順序（避免結(jié)構(gòu)突然卸載）；④不同施工階段的層間位移與應(yīng)力驗算（確保施工安全）。5.列舉三種新型高層建筑結(jié)構(gòu)體系，并說明其適用場景及技術(shù)優(yōu)勢。答案：①鋼管混凝土束筒結(jié)構(gòu)：由多個鋼管混凝土柱與鋼板剪力墻組成，適用于200m以下辦公建筑；優(yōu)勢：工廠化預(yù)制程度高（縮短工期）、自重輕（降低基礎(chǔ)造價）、抗側(cè)移剛度大。②形狀記憶合金（SMA）自復(fù)位框架：梁柱節(jié)點采用SMA連桿，適用于高烈度地震區(qū)；優(yōu)勢：地震后可自動恢復(fù)變形（殘余位移?。?、減少修復(fù)成本。③氣膜-鋼結(jié)構(gòu)組合體系：外層為充氣膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為輕鋼結(jié)構(gòu)，適用于大跨度公共建筑（如會展中心）；優(yōu)勢：自重極輕（風(fēng)荷載敏感但地震作用?。?、空間利用率高、可快速搭建。三、計算題（每題15分，共30分）1.某10度（0.4g）設(shè)防區(qū)，70m高的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（丙類建筑），首層層高4.5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6m，共19層（含首層）。已知首層層間側(cè)移剛度D1=2.5×10^5kN/m，第二層D2=2.2×10^5kN/m，第三層及以上Dn=2.0×10^5kN/m。（1）驗算首層是否為薄弱層；（2）若為薄弱層，計算其樓層地震剪力增大系數(shù)。（注：《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2024規(guī)定，樓層側(cè)移剛度比γ=Di/(1.5Di+1)，當(dāng)γ＜0.5時為薄弱層；薄弱層地震剪力增大系數(shù)η=1.5~2.0，具體按γ取值。）答案：（1）首層與第二層剛度比γ=D1/(1.5D2)=2.5×10^5/(1.5×2.2×10^5)=2.5/(3.3)=0.758＞0.5，不滿足薄弱層條件（規(guī)范要求γ＜0.5時為薄弱層）。但需進(jìn)一步驗算首層與第三層剛度比（因第二層剛度可能突變）：γ'=D2/(1.5D3)=2.2×10^5/(1.5×2.0×10^5)=2.2/3=0.733＞0.5，故無薄弱層。（2）因首層非薄弱層，無需增大剪力系數(shù)。2.某150m高的矩形截面鋼筋混凝土核心筒（平面尺寸8m×12m，墻厚400mm），基本風(fēng)壓w0=0.8kN/m2（100年重現(xiàn)期），地面粗糙度B類，結(jié)構(gòu)基本周期T1=3.5s。計算100m高度處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（體型系數(shù)μs=1.3，高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.8，風(fēng)振系數(shù)βz=1.5）。答案：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=βzμsμzw0代入數(shù)據(jù)：wk=1.5×1.3×1.8×0.8=1.5×1.3×1.44=1.5×1.872=2.808kN/m2四、案例分析題（30分）背景：某220m高的超高層辦公樓（8度0.2g，Ⅲ類場地，設(shè)計地震分組第一組），建筑平面為邊長40m的正方形，采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)（核心筒平面20m×20m，墻厚從底部800mm漸變至頂部400mm）。業(yè)主要求優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案以降低用鋼量，同時滿足“大震不倒”的抗震目標(biāo)。問題：（1）分析該結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力特性，指出核心筒與鋼框架的協(xié)同工作機(jī)制；（2）提出3項降低用鋼量的優(yōu)化措施，并說明技術(shù)依據(jù)；（3）針對大震不倒目標(biāo)，需重點驗算哪些內(nèi)容？提出2項加強(qiáng)措施。答案：（1）抗側(cè)力特性：核心筒承擔(dān)主要水平地震作用（約80%~90%），鋼框架作為二道防線承擔(dān)剩余作用；協(xié)同工作機(jī)制：核心筒剛度大，變形以彎曲為主；鋼框架剛度較小，變形以剪切為主；通過樓板協(xié)同，整體變形為彎剪型，減少層間位移角。（2）優(yōu)化措施：①核心筒采用高強(qiáng)混凝土（C80~C100）：可減小墻厚（如底部墻厚從800mm減至600mm），降低混凝土用量，同時減少鋼框架承擔(dān)的傾覆力矩（核心筒剛度提高），間接減少框架柱用鋼量（《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2023允許C100用于核心筒）。②鋼框架柱采用矩形鋼管混凝土柱（CFST）：鋼管約束混凝土提高抗壓承載力，可減小柱截面（如從1200mm×1200mm減至1000mm×1000mm），減少鋼材用量；同時CFST柱延性優(yōu)于純鋼柱，滿足抗震要求（《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS28-2023）。③優(yōu)化伸臂桁架布置：在設(shè)備層（50m、100m、150m）設(shè)置伸臂桁架，連接核心筒與外框柱，將外框柱轉(zhuǎn)化為“巨型柱”，利用其軸向剛度抵抗傾覆力矩，減少核心筒受拉區(qū)墻肢的配筋（《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》2024版指出伸臂可使外框柱承擔(dān)30%~40%的傾覆力矩）。（3）大震不倒驗算內(nèi)容：①彈塑性層間位移角（限值1/100）；②核心筒連梁、框架梁柱的塑性鉸分布（避免形成機(jī)構(gòu)）；③關(guān)鍵構(gòu)件（