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1、第3章 高层建筑荷载,教学提示：本章主要介绍了高层建筑风荷载的计算；抗震设防的准则和基本设计方法，水平地震作用的计算方法（主要是反应谱法）与竖向地震作用的计算方法。教学要求：熟练掌握风荷载的计算方法，以及用反应谱方法计算水平地震作用的方法，理解抗震设防的准则和基本设计方法，理解反应谱理论。,高层建筑的荷载包括竖向荷载和水平荷载。竖向荷载的计算与一般房屋并无区别，这里不再重复。以下主要介绍水平荷载风荷载和地震荷载的计算方法。,3.1 风荷载,空气流动形成的风遇到建筑物时，会使建筑物表面产生压力或吸力，这种作用称为建筑物所受到的风荷载。风的作用是不规则的，风压随风速、风向的变化而不断改变。实际上，
2、风荷载是随时间波动的动力荷载，但设计时一般把它视为静荷载。长周期的风压使建筑物产生侧移，短周期的脉动风压使建筑物在平均侧移附近摇摆。对于高度较大且较柔的高层建筑，要考虑动力效应，适当加大风荷载数值。确定高层建筑风荷载，大多数情况(高度300m以下)可按照建筑结构荷载规范规定的方法，少数建筑(高度大、对风荷载敏感或有特殊情况)还要通过风洞试验确定风荷载，以补充规范的不足。,3.1.1风荷载标准值（kN/m）1 当计算主要承重结构时,2 当计算围护结构时 基本风压 一般高层建筑取重现期为50年的风压值计算风荷载，但不得小于0.3KN/M。对 于特别重要或有特殊要求的高层建筑，取重现期为100年的风
3、压值计算风荷载。在进行舒适度计算时，取重现期为10年的风压值计算风荷载。,风压高度变化系数,对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面租糙度类别按表3-1确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类:一A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;一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;一C类指有密集建筑群的城市市区;一D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。,位于山区的高层建筑，按上述方法确定风压高度变化系数后，尚应按现行国家标准 建筑结构荷载规范GB50009的有关规定进行修正。,对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度类别，由表721确定外，还应
4、考虑地形条件的修正，修正系数h分别按下述规定采用:1 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用:,风载体型系数:建筑物各个表面风作用力的平均值与基本风压的比值。,计算主体结构的风荷载效应时，风荷载体型系数 可按下列规定采用:1 圆形平面建筑取0.8;2 正多边形及截角三角形平面建筑，由下式计算:式中 n-多边形的边数。3 高宽比不大于4的矩形、方形、十字形平面建筑取1.3;4 下列建筑取1.4:l)V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑;2)L形、槽形和高宽比H/B大于4的十字形平面建筑;3)高宽比H/B大于4，长宽比L/B不大于1.5的矩形、鼓形平面建筑。5 在需要更细致进行
5、风荷载计算的场合，风荷载体型系数可按表3-2或由风洞试验确定。,风振系数z 对于基本自振周期大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的房屋建筑，应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。,z-振型系数，可由结构动力学计算确定，计算时可仅考虑受力方向基本振型的影响;对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，也可近似采用振型计算点距室外地面高度z与房屋高度H的比值;-脉动增大系数，可按表3-3采用;-脉动影响系数，外形、质量沿高度比较均匀的结构可按表3-4采用;z-风压高度变化系数。,阵风系数计算围护结构时的阵风系数按荷载规范（GB500092001）表7.5.1确定。横
6、风向风振 对圆形截面的结构，还应根据雷诺数（Re）的不同情况进行横风向风振的校核，详见荷载规范（GB500092001）7.6节之规定。,总体风荷载：建筑物各个表面风荷载的合力，是沿高度变化的分布荷载，用于计算结构侧移和各构件内力。,局部风荷载：用于计算局部构件或围护构件或维护构件与主体的连接。对于檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等突出构件的上浮力，取s=-2.0。对封闭式建筑，按外表面风压的正、负情况取-2.0或+2.0。,风洞试验（JGJ3-2002)规定：有下列情况之一的建筑物，宜按风洞试验确定风荷载。1 高度大于200m 2高度大于150m，且平面性状不规则、立面形状复杂，或立面开洞、连体建筑
7、等 3 规范或规程中没有给出风载体形系数的建筑物 4 周围地形和环境复杂的建筑物,3.2 地震作用,3.2.1 地震作用的特点地震效应:地面运动产生的结构反应,包括加速度、速度、位移反应。地面运动特性的特征量（三要素）：强度、频谱和持续时间。震中距的影响建筑物本身的动力特性对建筑破坏程度有很大的影响建筑物的动力特性：主要指建筑物的自振周期、振型和阻尼。,3.2.2 抗震设防准则和基本方法抗震设防是对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震措施，以达到结构抗震的效果和目的。抗震设防的目标：(三水准)“小震不坏，中震可修，大震不倒”即：1在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震的影响时，建筑物一般不受损坏或不
8、需修理仍可继续使用。（此时建筑物基本上处于弹性阶段）,2 在遭受本地区规定的设防烈度的地震的影响时，建筑物（包括结构和非结构部分）可能有一定损坏，但不至危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理仍可继续使用。（此时建筑物进入弹塑性阶段）3 在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震的影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。（此时建筑物将产生严重破坏但不至于倒塌）,抗震规范以二阶段设计法来实现上述“三水准”抗震设计目标。第一阶段设计：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一、二水准的要求。然后通过概念设计和构造措施来满足第三水准
9、的要求。第二阶段设计：对于有特殊要求的建筑和地震时容易倒塌的结构，按大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准的要求。,建筑物的抗震设防类别建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类和丁类四个抗震设防类别。甲类建筑应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，乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，丙类建筑应属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑，丁类建筑应属于抗震次要建筑。,各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求：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，当抗震设防烈度为度时，应符合本地区抗震设防烈
10、度提高一度的要求，当为度时，应符合比度抗震设防更高的要求。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，当抗震设防烈度为度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为度时，应符合比度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。,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。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。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；抗震措施应允许仍比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为度时不应降低。抗震设防烈度为度时
11、，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的计算。,抗震计算理论计算地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法（拟静力法）和时程分析法（直接动力法）。反应谱理论 反应谱：单质点弹性体系在一定的地面运动作用下，其最大反应（加速度、速度和位移反应）与体系自振周期之间的变化曲线（谱曲线）。,直接动力理论 用地震波（加速度时程）作为地面运动输入，直接计算并输出结构随时间而变化的地震反应。地震波的选取：采用弹塑性动力分析方法进行薄弱层验算时，宜符合以下要求：1 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线；2 地震波持续时间不宜少于12s，数
12、值化时距可取为0.01s或0.02s；3 输入地震波的最大加速度，可按表采用。(用于0.15g和0.3g的地区）由于结构在罕遇地震下进入塑性，所以必须确定构件恢复力模型,3.2.4 设计反应谱 地震影响系数：地震作用：因此关键在于确定 值。其直接变量为结构自振周期，另外还场地特征周期和结构阻尼比有关。然后按抗震规范中给出的地震影响系数曲线确定。,1、除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，此时，阻尼调整系数2=1；曲线下降段衰减指数=0.9，直线下降段的下降斜率调整系数1=0.02 2、当建筑结构的阻尼比按有关规定不等于0.05时：,2 阻尼调整系数，当小于0.55时，应取0.55,水平
13、地震影响系数最大值max 应按表3-8取值；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表3-9取值。6度时的建筑（建造于类场地较高的高层建筑除外），以及生土房屋和 木结构房屋等，应允许不进行截面抗震验算，但应符合有关的抗震措施要求。6度时建造于类场地较高的高层建筑，7度和7度以上的建筑结构（生土房屋和 木结构房屋除外），应进行多遇地震作用下的截面抗震验算。较高的高层建筑:如高于40m的钢筋混凝土框架结构、高于60m的其他钢筋混凝土的民用房屋等应进行多遇地震作用下截面抗震验算，尚应进行相应的变形验算。,3.2.5 水平地震作用计算底部剪力法 1 适用范围：高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度
14、沿高度分布比较均匀的结构。2 结构的水平地震标准值，按下列公式计算：FEk结构总水平地震作用标准值1相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数。Geq结构总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%。,Fi质点i的水平地震作用标准值Hi,Hj分别为质点i,j的计算高度n顶部附加地震作用系数，多层钢筋混凝土和钢结构房屋按表3-10,说明：鞭端效应:当建筑物有突出屋面的小建筑物，如屋顶间、女儿墙等时，由于这些建筑物的质量和刚度突然变小，地震反应随之加大。这种现象称为“鞭端效应”。对多层建筑，抗震规范（GB500112001）规定，当采用底部剪力法计算这类建筑的地震作用效
15、应时，宜乘以增大系数3，此增大部分不应向下传递，但与该突出部分相连的构件应予以计入。对高层建筑，增大系数应按高规（JGJ32002)附录之规定选用。,振型分解反应谱法 因结构计算模型分为水平结构和空间结构，振型组合也有两种方法。这里主要介绍：1 平面结构振型分解反应谱法 结构j振型i质点的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：Fij=jjXjiGi（i=1,2n,j=1,2m）式中：Fji j振型i质点的水平地震作用标准值j相应于j振型自振周期的地震影响系数 Xjij振型i质点的水平相对位移jj振型的参与系数 Gi集中于i质点的重力荷载代表值。,重力荷载代表值：应取结构和构配件自重标准值和个可
16、变荷载组合值之和。,2 振型组合 水平地震作用效应（弯矩、剪力、轴力和变形），应按下式确定：,SEk水平地震作用标准值的效应Sjj振型水平地震作用标准值的效应，可只取前23个振型，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，振型个数应适当增加。,验算抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求：式中：VEki第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；剪力系数，不应小于表3-11规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数；Gj第j层的重力荷载代表值,表3-11 楼层最小地震剪力系数值,注：1 基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，可插入取值
17、；2 括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区,3.2.6 结构自振周期的计算计算方法：理论计算、半理论半经验公式和经验 公式。1，理论计算（在采用振型分解反应谱计算时应用）：刚度法、柔度法 刚度增大后周期折减系数：框架：0.60.7 框架剪力墙：0.70.8 剪力墙:1.0,2，半理论半经验公式（采用底部剪力法时应用）：1）顶点位移法,重力荷载作为水平力作用于各质点上计算结构的弹性侧移曲线，得顶点的以弹性侧移T（单位是m),0为结构 基本周期修正系数，取值同上。,2）能量法计算步骤：以重力荷载作为水平力作用于各质点上 计算结构的弹性侧移曲线，得各质点的弹性侧移i,3
18、 经验公式（仅用于估算）1）钢筋混凝土剪力墙结构，高度2550m，剪力墙间距6m左右：T1横=0.06N T1纵=0.05N 2）钢筋混凝土框架剪力墙结构：T1=（0.060.09）N 3）钢筋混凝土框架结构：T1=（0.080.10）N 4）钢结构：T1=0.10N N建筑物层数,3.2.7 竖向地震作用计算9度时的高层建筑，其竖向地震作用标准值应按下列公式确定；楼层的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配，并宜乘以增大系数1.5。,式中:Fvmax结构总竖向地震作用标准值Fi质点i的竖向地震作用标准值。vmax 竖向地震影响系数的最大值，取0.65 max。Geq结构等效
19、总重力荷载，可取其重力荷载代表值的75%。,课堂作业（15分钟）1.高层建筑混凝土结构有哪几种主要体系？简述各种结构体系的优缺点，受力和变形特点，适用层数和应用范围 2.在抗震结构中为什么要求平面布置简单、规则、对称，竖向布置刚度均匀？沿竖向布置可能出现哪些刚度不均匀的情况？说明如何避免竖向刚度不均匀？,第4章 设计要求及荷载效应组合,教学提示：本章介绍了高层建筑结构包括承载能力、侧移限制、舒适度及稳定与抗倾覆等方面的总体设计要求；以及水平荷载作用方向和高层建筑荷载效应组合方法。教学要求：本章要求学生熟悉高层建筑的设计要求，掌握荷载效应组合的基本原则，各种工况的区别及其应用。,4.1 承载力验
20、算结构构件承载力验算的一般表达式 无地震组合时 0 SR 有地震组合时 SERE/RE 0为结构的重要性系数 RE为承载力抗震调整系数 S为不考虑地震作用时荷载效应组合下构件内力设计值 SE为考虑地震作用时荷载效应组合下构件内力设计值 R和RE分别为不考虑和考虑地震作用荷载效应组合下构件内力设计值,4.2 侧移限制使用阶段层间位移限制层间位移限制：（u/h)maxu/h原因：防止主体结构开裂，破坏；防止填充墙和装修开裂，破坏；过大的变形会使电梯等无法正常工作；并使人有不舒适感；过大的侧移还会使结构产生附加应力。,4.2.2 防止倒塌层间位移限制简化计算时结构薄弱层（部位）的位置可按下列情况确定
21、：1 楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；2 楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层（部位）及相对较小的楼层，一般不超过23处。楼层屈服强度系数为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值,4.3 舒适度要求高度超过150m的高层建筑，在风荷载作用下，按10年重现期计算结构顶点加速度，要求：住宅、公寓 amax不大于0.15m/s2 办公、旅馆 amax不大于0.25m/s2,4.4 稳定与抗倾覆高层建筑在重力荷载下一般都不会出现整体丧失稳定的问题，但在水平荷载下会出现P-效应 P-效应：在水平荷载作用
22、下，高层建筑出现侧移后，重力荷载会产生附加弯矩，附加弯矩又会增大侧移，这种二阶效应称为P-效应。因此，某些情况下，高层建筑计算要考虑P-效应，即结构整体稳定验算。,4.4.1 高层钢筋混凝土结构的稳定验算在水平力作用下，当高层建筑结构满足下列规定时，可不考虑重力二阶效应的不利影响。1 剪力墙、框架剪力墙结构、筒体结构 2 框架结构：式中：EJd结构在一个主轴方向的等效侧向刚度。H房屋高度 Gi,Gj分别为第i,j楼层的重力荷载设计值 Di第I楼层的弹性等效侧向刚度，可取该层剪力与层间位移的比值。n结构总层数。,高层建筑结构的稳定应符合下列规定 1 剪力墙、框架剪力墙结构、筒体结构 2 框架结构
23、：（i=1,2,n),当 或 时，则要考虑重力二阶效应，可采用弹性方法进行计算，也可采用对未考虑重力二阶效应的计算结果乘以增大系数的方法近似考虑。结构位移增大系数F1、F1i以及结构构件弯矩和剪力增大系数F2、F2i可分别按下列规定近似计算 1 对框架结构，2 对剪力墙、框架剪力墙结构、筒体结构：,高层钢结构的稳定验算高层建筑钢结构当同时符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定。1 结构各楼层柱子平均长细比和平均轴压比，满足下式要求：式中：m楼层柱平均长细比 Nm楼层柱平均轴压力设计值 Npm楼层柱的全塑性平均轴压力 Npm=fy*Am fy钢材屈服强度 Am柱截面面积平均值,2 结构按一阶线性
24、弹性计算所得的各楼层层间相对侧移值，满足下列公式要求：式中：u按一阶线形弹性计算所得的质心处层间侧移；h楼层层高 计算楼层以上全部水平作用之和 计算楼层以上全部竖向作用之和,对于不符合上述要求的高层建筑钢结构，可按下列要求验算整体稳定：1 对于有支撑的结构，且/1/1000可按现行国家标准钢结构设计规范（50017-2003）附录D附表D-1采用。支撑体系可以是钢支撑、剪力墙和核心筒体等。2 对于无支撑的结构和/1/1000的有支撑的结构，应按能反映二阶效应的方法验算结构的整体稳定。,4.4.3 高层建筑抗倾覆问题如果高层建筑的侧移很大，其重力作用合力点移至基底平面范围以外，则可能发生倾覆问题
25、。正常设计的高层建筑不会出现倾覆问题。原因：高宽比控制 基础底面零应力区面积的控制（对高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下不允许出现零应力区，其他基础，零应力区面积不应超过基础底面积底0.15）,4.5 抗震结构延性要求和抗震等级4.5.1 延性结构的概念延性：构件和结构屈服后，在承载力基本不降低的前提下（一般取承载力的85%)，结构（构件）的变形能力。一般用延性比表示。构件延性比：极限变形与屈服变形之比。结构延性比：结构达到极限时顶点位移与屈服时顶点位移的比值。抗震结构应设计成延性结构，通过结构延性吸收能量，抵抗罕遇地震作用。,概念设计与抗震等级建筑抗震概念设计（seismic concep
26、t design of buildings）：根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑总体布置并确定细部构造的过程。目的：将抗震结构设计成延性结构。方法：钢筋混凝土结构的抗震构造措施钢筋混凝土结构的抗震等级：为了体现不同烈度下不同结构体系、不同高度有不同的抗震（延性）要求。,4.6 荷载效应组合及最不利内力荷载效应组合1.无地震作用时的效应组合 一般表达式:(适用于所有结构)S=GSGk+Q1Q1SQ1k+w w Swk式中：S荷载效应组合的设计值；SGk，SQ1k，SWk分别为恒荷载、活荷载和风荷载标准值计算的荷载效应；G、Q1、W分别为恒荷载、活荷载和风荷载效应分项
27、系数；Q1、W分别为活荷载和风荷载的组合系数。,(1)规范对应考虑的各种工况的分项系数和组合系数作如下规定。组合系数Q1要考虑两种情况:可变荷载控制的组合，取Q1=1.0。永久荷载控制的组合，取Q1=0.7。风荷载取W=1.4,其组合系数W为：高层建筑取W=1.0，多层建筑取W=0.6。位移计算时，为正常使用状态，各分项系数均取1.0。,2)根据组合一般规律，高层建筑的无地震作用组合工况有两种。永久荷载效应起控制作用：1.35恒载效应+1.40.7活载效应 可变荷载效应起控制作用：当风荷载作为主要可变荷载，楼面活荷载作为次要可变荷载时：1.2恒载效应+1.4活载效应+1.41.0风载效应当楼面
28、活荷载作为主要可变荷载，风荷载作为次要可变荷载时：1.2恒载效应+1.41.0活载效应+1.40.6风载效应,2.有地震作用时的效应组合：一般表达式为：SE=GSGE+EhSEhk+EvSEvk+w w Swk式中：SE有地震作用荷载效应组合的设计值SGE，SEhk，SEvk，SWk分别为重力荷载代表值、水平地震作用标准值和竖向地震作用标准值、风荷载标准值的荷载效应；G，Eh，Ev，W分别为上述各种荷载作用的分项系数；W风荷载的组合系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用的高层建筑应取为0.2。根据一般表达式，对于高层建筑，有地震作用组合的基本工况如下：,(1)对于所有高层建筑：1.2重力荷载
29、效应+1.3水平地震作用效应。(2)对于60m以上高层建筑增加此项：1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+1.40.2风荷载效应。(3)9度设防高层建筑增加：1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+0.5竖向地震作用效应。(4)9度设防高层建筑增加：1.2重力荷载效应+1.3竖向地震作用效应。(5)9度设防且为60m以上高层建筑增加：1.2重力荷载效应+1.3水平地震作用效应+1.3竖向地震作用效应+1.40.2风荷载效应。,4.6.2 竖向活荷载的布置高层结构计算时可不考虑活荷载的不利布置，按满布活荷载计算内力若竖向活荷载很大时，应考虑活荷载的不利布置。,4.6.3 水平荷载的方向
30、,由于风荷载和地震荷载都是随机作用，所以可能沿任何方向。设计假定只考虑主轴方向的水平荷载，但应双向考虑。这两种内力大小相等，方向相反。若有斜交结构，当斜交方向与主轴方向之间的夹角大于15时，尚应计算斜交方向的水平地震作用。,4.6.4 控制截面和最不利内力控制截面：控制构件承载力的截面，如内力最大的截面，截面尺寸变化处，配筋数量变化处。梁：支座截面（最大负弯矩、最大剪力）和跨中（最大正弯矩）柱（墙）：上下两端,其不利内力组合方式有 1 2 3 4,及相应的N,及相应的M,及相应的M,较大及N较大（小偏压）或较小（大偏压）,4.6.5 钢筋混凝土框架梁弯矩塑性调幅竖向荷载作用下可以考虑框架梁塑性
31、内力重分布。现浇框架梁支座负弯矩调幅系数0.80.9装配整体式框架梁支座负弯矩调幅系数0.70.8跨中弯矩应满足,作业题1.计算水平地震作用有哪些方法？适用于什么样的建筑结构？2.计算地震作用时，重力荷载怎样计算？各可变荷载的组合值系数为多少？3.用底部剪力法计算水平地震作用及其效应的方法和步骤如何？为什么在顶部有附加水平地震作用,4.试述振型分解反应谱法计算水平地震作用及效应的步骤。为什么不能直接将各振型的效应相加?,5.试述振型分解反应谱法计算水平地震作用及效应的步骤。为什么不能直接将各振型的效应相加?,6.为什么抗震结构要具有延性？7.为什么抗震设计要区分抗震等级？抗震等级与延性要求是什么关系？抗震等级的影响因素有哪些？8.什么是荷载效应组合？效应指什么？9.内力组合和位移组合的项目以及分项系数、组合系数有什么异同？为什么？,
