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建筑结构 第1章概述 建筑结构的基本概念 主要内容 1 1 建筑结构的基本结构构件 结构单元和结构体系 1 2 建筑结构概念设计 1 3 建筑结构和工程管理的关系 1 4 建筑结构的基本任务 1 1建筑结构的基本概念 1 1 1 建筑通常由楼板 屋顶 墙体或柱 基础 楼电梯 门窗等组成 板 梁 墙体 柱 基础 为基本结构构件 建筑结构的任务 1 1建筑结构的基本概念 服务于人类对社会的应用和美观需求物质需求 如各类房间 门厅 楼梯 过道等 精神需求 历史 文化 艺术的产物 各类建筑都要用结构来实现 抵御自然界或人为施加于建筑物的各种荷载或作用建筑结构支撑 承受自然界或人为施加的各种荷载或作用 使建筑物在这些作用力施加下不破坏 不倒塌 利用建筑材料并充分发挥其作用建筑结构的物质基础是建筑材料 结构是由各种材料组成的 如钢结构 钢筋混凝土结构 砌体结构 建筑结构实质上是材料的强度 刚度性能的反映 建筑结构上的作用及其分类 1 1建筑结构的基本概念 作用来自两类现象自然现象如地心引力即重力 风力 冰 雪的自重 材料性能产生的热胀冷缩和干缩 地质原因产生的地基沉降等 人为现象如机械运行产生的周期运动 爆炸产生的冲击 人为施加的预应力等建筑结构上的作用分为直接作用 也叫荷载 和间接作用 直接作用 直接施加在结构上使它产生内力和变形 间接作用 因某种原因 非直接施加 使结构产生内力和变形 如混凝土的收缩 温度变化 基础的差异沉降 地震等 1 1建筑结构的基本概念 荷载的分类永久荷载在结构设计使用年限内 其值不随时间而变化 或其变化与平均值相比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载 如 自身重力 土压力 预应力 又称之为恒荷载 可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变化 其变化与平均值不可忽略的荷载 如 楼面活荷载 风荷载 雪荷载 吊车荷载 又称之为活荷载 1 1建筑结构的基本概念 建筑结构的功能要求 1 1建筑结构的基本概念 1 1 2 建筑结构的设计使用年限建筑结构的设计使用年限 是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按其规定目的使用的时期 建筑结构可靠度设计统一标准 规定 临时性结构5年 易于替换的结构构件25年 普通房屋和构筑物50年 纪念性建筑和特别重要的建筑结构100年 注意 区别建筑物的设计使用年限与建筑物的使用寿命 二者有关系 但不等同 超过设计使用年限的结构不是不能继续使用 而是其可靠度降低了 需要维修和加固 1 1建筑结构的基本概念 建筑结构的功能要求结构在预定的使用期间内应能承受在正常施工 正常使用情况下可能出现的各种荷载 外加变形 如超静定结构的支座不均匀沉降 约束变形 如温度和收缩变形受到约束时 等的作用 结构在正常使用期间 具有良好的工作性能 不会使人产生不安全感和不舒适感 如不发生影响正常使用的过大的变形 挠度 侧移 振动 频率 振幅 或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度 结构在正常使用和正常维护条件下 应具有足够的耐久性 即在各种因素的影响下 混凝土碳化 钢筋锈蚀 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低 而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性 降低使用寿命 在偶然事件 如地震 爆炸 发生时和发生后 结构应能保持整体稳定性 不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失 1 4 是安全性 2 是适用性 3 是耐久性 安全性 适用性 耐久性统称为耐久性 缺一不可 其中安全性最重要 1 1建筑结构的基本概念 建筑结构的安全等级 建筑结构的定义 1 1建筑结构的基本概念 1 1 3 定义 在一个建筑空间中用各种基本结构构件组合建造成的有某种特征的机体 为建筑物的持久使用和美观需求服务 对人们的生命财产提供安全保障 建筑结构的分类 1 1建筑结构的基本概念 1 1 4 按所使用的材料分类 混凝土结构 砌体结构 钢结构 组合结构混凝土结构分为 素混凝土结构 钢筋混凝土结构 也可简称RC 预应力混凝土结构 也简称PC 和钢管混凝土结构 钢骨混凝土结构 纤维混凝土结构等 素混凝土结构 由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构 抗拉性能差 主要用于受压为主的结构 钢筋混凝土结构 将钢筋和混凝土组合在一起共同工作的结构 整体受力性能好 是目前最广泛使用的结构 预应力混凝土结构 由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预应力的混凝土制成的结构 主要是针对钢筋混凝土结构抗裂性差的缺点 适用于跨度较大的梁板等结构 1 1建筑结构的基本概念 砌体结构由砖砌体 砌块砌体或石砌体用砂浆砌筑组合在一起的结构 主要用于地层 多层建筑 缺点 承载能力低 自重大 抗震性能差 钢结构以钢材为主要承重骨架而制作的结构 适用于底层 多层建筑 当用于高层建筑时费用较高 优点 承载能力高 自重小 抗震性能好 施工速度快 缺点 钢材易腐蚀 耐火性差 成本高 1 1建筑结构的基本概念 组合结构组合结构是指钢与混凝土共同承受荷载的结构 分为钢骨混凝土结构 混合结构 钢骨混凝土结构 将型钢配置在钢筋混凝土的梁 柱中而形成的结构 如型钢混凝土框架结构 混合结构 一部分为钢筋混凝土结构 另一部分为钢结构 如钢框架 钢筋混凝土筒体 型钢混凝土框架 钢筋混凝土筒体 1 1建筑结构的基本概念 按层数及高度分类单层建筑结构 单层厂房 仓库等多层建筑结构 2 9层的建筑物高层建筑结构与超高层建筑结构从结构设计的角度 高层建筑混凝土结构技术规程 规定 10层及以上或高度超过28m的混凝土结构为高层建筑结构 一般地 把40层及以上超过100m的建筑结构成为超高层建筑结构 从建筑设计的角度 高层民用建筑设计防火规范 规定 10层以上的居住建筑或24m以上的其他民用建筑称为高层建筑 建筑结构的基本结构构件 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 1 2 1 板指覆盖一个具有较大平面尺寸但却有较小厚度的平面形构件 通常在水平方向设置 承受垂直于板面方向的荷载 以受弯曲为主 梁指承受垂直于其纵轴方向荷载的直线形构件 其截面尺寸小于其长向跨度 以受弯曲 受剪切为主 柱指承受平行于其纵轴方向荷载的直线形构件 其截面尺寸小于其高度 以受压缩 受弯曲为主 墙指承受平行于及垂直于墙面方向荷载的竖向平面构件 其厚度小于墙面尺寸 以受压缩为主 有时也受弯曲 受剪切 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 杆指截面尺寸小于其长度的直线形杆件 承受与其长度方向一致的轴力 拉力或压力 多用于组成桁架或网架或用于单独承受拉力的杆件 拱指承受沿其纵轴平面内荷载的曲线形构件 其截面尺寸小于其弧长 以受压缩为主 也受弯曲和剪切 壳一种曲面形且具有很好空间传力性能的构件 能以极小厚度覆盖大跨度空间 以受压缩为主 索一种以柔性受力的钢索组成的构件 具有直线形或曲线形 膜一种用薄膜材料 如玻璃纤维布 塑料薄膜 制成的构件 只能受拉 基本构件分类 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 按构件受力状态分类 1 受弯 受剪构件 M V 梁 板 框架梁 2 受压构件 含压弯 柱 墙 拱 壳壁 框架柱 桁架和网架中的压杆 3 受拉构件 含拉弯 桁架和网架中的拉杆 索 膜 4 受扭构件 雨篷梁基本受力状态 拉抻 N 压缩 N 弯曲 M 剪切 V 扭转 MT 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 按构件几何形状分类 1 直线形构件 指截面尺寸比构件长度小得多的直线构件 如梁 柱 杆 索 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 2 曲线形构件 指截面尺寸比构件弧长小得多的曲线构件 如曲梁 拱 悬索 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 3 平面构件 指厚度比平面边长小得多的构件 如板 墙 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 4 单曲面构件 指只有一个方向有曲率 另一方向曲率为零的曲面构件 如拱板 单面筒壳 单曲索面 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 5 双曲面构件 指两个方向都有曲率的曲面构件 如球壳 扭壳 充气构件 双曲拉索 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 按构件刚性特征分类 1 刚性构件 指在荷载作用下除有一定挠度和位移外无其他显著形状改变的构件如板 梁 柱 墙可设计成拉 压 弯 剪 扭有的的构件 2 柔性构件 指在一种荷载作用下只有一个形状 一旦荷载性质有变 如均布荷载变为集中荷载 它的形状也会突然变化的构件如缆索 薄膜只能设计成受拉构件 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 按构件的支承系统的空间构成及与支承点的关系分类 1 单向支承构件 构件将何在传递给支承系统的传递路线只能沿一个方向 如图 a b 2 双向支承构件 构件将荷载传递给支承系统的传递路线沿两个方向 如图 c d 双向支承构件比单向支承构件更优越 它既能增大构件刚度 也能减小构件截面尺寸 节约材料 经济性更好 建筑物的结构单元 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 1 2 2 板 梁结构单元楼 屋 盖结构的基本结构单元 由楼 屋 面板和梁组成 最广泛地运用于各类建筑 支承情况 梁是板的支承 梁支承在墙或柱上承受荷载 楼 屋 盖竖向重力荷载 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 板 墙结构单元布置方式 板直接搁置在墙上 板可以按单向或双向铺设特点 跨度不能过大 所用墙体较多 整体刚性很大 但使用空间不灵活应用 宿舍 住宅 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 板 柱结构单元布置方式 板直接支承在立柱上特点 若采用柱帽 板跨可以加大 形成宽敞的无梁使用空间应用 贮藏性或开敞式娱乐性建筑物 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 梁 柱结构单元布置方式 横梁搁置在立柱上的基本竖向结构单元 梁柱间为铰接承受荷载 只能承受竖向重力荷载 不能承受侧向水平荷载要求 必须另有能支承侧向力的支撑构件来保证其侧向稳定 或者将柱固端连接在它的支承结构 如基础 上 古代梁柱 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 铰连接 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 梁 墙结构单元布置方式 梁直接搁置在墙上的基本竖向结构单元结点 梁墙间一般有梁垫 为铰连接 若将梁端整体放大 与墙粘结成一体 则宜将梁墙间视作刚结点应用 砌体结构建筑物 铰接 刚接 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 框架结构单元布置方式 与梁 柱结构单元相似 但梁柱间为刚性连接承受荷载 既能承受竖向重力荷载又能承受侧向水平荷载 不需另设支撑构件特点 组成的空间宽敞 可以灵活进行建筑布置应用 适用于多种建筑物 对办公楼 商业或科教建筑更为适宜 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 刚性连接 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 桁架结构单元桁架是将短直线杆件组成为几何形状不变的三角形图形的集合 其杆件间为铰接连接 为二维的平面结构 网架为空间结构 桁架组成 上 下弦和斜 直腹杆 杆件间为铰连接桁架结构单元组成 具有一定跨度的桁架 两侧横梁或支撑 保证侧向稳定 支承 柱或墙应用 一般用于屋盖 跨度范围为12 30m 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 网架结构单元演变 是桁架结构的演变纵横两个方向的桁架等高上 下弦为交错的网格腹杆均做成斜向 对两个方向的上下弦都起腹杆作用支承 少量立柱优点 大跨度的开敞空间应用 多用于有从多群众场合的公共建筑 如体育场馆 展览馆 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 拱结构单元特点 曲线形构件 拱底有水平推力要求 与能够承受水平推力的拉杆或墩座连在一起扁平拱结构 可作为屋盖的基本结构单元陡峭拱结构 具有水平跨越 竖向支承功能 可作为单层建筑物的主要覆盖结构可用于大型公共建筑或工业建筑 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 壳体结构单元特点 曲面形构件组成 壳壁 边缘构件 直梁 曲梁 拱 应用 可作为屋盖 单层建筑物的主要覆盖结构 形式新颖 多用于各类中小型可供观赏的建筑物以及大跨度的公共建筑物 建筑物的结构体系 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 1 2 3 建筑结构的结构体系是从整体建筑物出发 并与整体建筑结构受力相关的结构系统 建筑结构的稳定性建筑结构在侧向水平荷载作用下 整体结构有着作为一个整体发生滑移 倾覆或倒塌的可能 也可能是整体结构中某些基本结构构件发生断裂或出现不允许的变形等 整体结构发生滑移 倾覆或倒塌的破坏危害性最大 建筑结构设计的基本考虑 在任何作用下 建筑结构都要保持整体稳定 结构从不稳定状态转化为稳定状态 三种方法 支撑 剪力墙 刚节点框架 对于高层建筑 还可采用筒体结构保证其侧向稳定性 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 a 梁 柱组合 b 在水平荷载作用下处于不稳定状态 c 板 墙组合的不稳定状态 d 支撑 e 剪力墙 f 刚节点框架 g 筒体结构 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 建筑结构的结构体系组成 水平分体系 竖向分体系 基础分体系 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 1 水平分体系组成 楼盖结构 屋盖结构楼盖是建筑楼层的结构组成部分 主要类型 楼面板体系 板 梁结构体系 楼盖结构分为 单向板肋楼盖 双向板肋楼盖 无梁楼盖屋盖是建筑物屋顶的结构组成部分 主要类型 板 梁结构体系 桁架结构体系 网架结构体系 拱结构体系或壳体结构体系 索结构体系或膜结构体系 楼盖 屋盖 结构主要承受楼 屋 盖构件及其构造层的自重恒载 楼 屋 面的活荷载 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 2 竖向分体系竖向分体系主要由墙 柱构成 它可以是竖向承重结构体系 主要承受由竖向荷载产生的内力效应 也可以是竖向抗侧力结构体系 主要承受由水平风荷载和水平地震作用产生的内力效应 常见的竖向分体系如下 砌体承重墙结构体系指楼盖 屋盖一般采用钢筋混凝土结构构件 墙体由砌体墙构成 墙体既是竖向承重结构分体系 也是竖向抗侧力结构分体系 适用于多层住宅建筑 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 排架结构体系由屋面梁 或屋架 柱和基础组成 屋面梁 或 屋架与柱顶为铰连接 柱与基础顶面为刚性连接 主要用于单层工业厂房 a 单跨厂房 b 双跨厂房 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 框架结构体系由梁 柱等构件刚性连接组成 框架结构中梁 柱节点都是刚性连接 故结构在不太高的建筑物中可以用作竖向承重结构分体系和竖向抗侧力结构分体系 过高时它只用作竖向承重结构分体系 适用于15层以下的建筑物 主要用于多层工业厂房 仓库 需要较大空间的商业 旅馆 办公建筑 以及建筑组合较复杂的多层住宅建筑 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 剪力墙结构体系墙体由钢筋混凝土墙构成 既是竖向承重结构分体系 也是竖向抗侧力结构分体系 优点 更强的侧向和竖向刚度 抵抗水平力的能力强 缺点 平面布置 竖向布置受到一定的局限 适用于住宅 旅馆等高层建筑 a 外立面 b 结构标准层平面 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 框架 剪力墙结构体系在框架结构的基础上 沿框架纵 横方向的某些位置 在柱与柱之间设置数道钢筋混凝土墙体作为剪力墙 它是框架和剪力墙的有机结合 共同承受竖向 水平荷载作用 综合了二者的优点 空间布置灵活 抗侧刚度大 广泛用于高层建筑 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 a 立面 b 结构二层平面 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 筒体结构体系用钢筋混凝土墙组成一个筒体作为房屋的承重结构 筒体可以由密柱深梁组成一个筒体 也可以用多个筒体组成筒中筒结构 束筒结构 还可以将框架和筒体联合起来组成框筒结构 筒体结构在各个方向的抗侧刚度都很大 是目前高层建筑中较多采用的结构形式 框筒结构体系 筒体位于结构核心部位 周边由间距很密的柱和截面很高的梁组成的密柱深梁框架而成的结构 筒中筒结构体系 由内外筒体组成的结构 通常内筒为剪力墙薄壁筒 外筒为密柱组成的框筒 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 a 框筒 b 筒中筒 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 束筒结构体系 由多个筒体组合在一起而形成的结构 具有竖向和水平刚度都很大的优点 如芝加哥西尔斯大厦 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 巨型框架结构体系利用筒体作为柱子 在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连 筒体和巨型梁即构成巨型框架 巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度 由于它可以看作是由两级框架组成 第一级为巨型框架 是承载的主体 第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架 只承受竖向荷载 也起承载作用 因此 这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构 具有良好的抗震性能 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 巨型支撑结构体系由巨型空间支撑 支撑平面内的次框架及结构内部的次框架组成 竖向支撑在整体建筑物中起着抗侧向水平力作用 适用于超高层 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 保证建筑结构竖向分体系和水平分体系相互作用 并形成空间结构整体性的要求 1 水平分体系在竖向 通过构件的弯曲 它要能承受楼面或屋面的竖向荷载 把荷载传递给竖向分体系 在水平方向 它应能承受水平荷载 并把荷载传至竖向分体系 且能保持其截面的几何形状不变 在水平方向 它应能起水平的刚性横隔板和支承竖向构件的作用 保持竖向构件间的整体性和稳定性 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体系 2 竖向分体系在竖向 要能承受由水平分体系传来的全部荷载 并把它们传给基础 在水平方向 要能抵抗水平力 并传递给基础 还要能抵抗水平力产生的倾覆力矩所产生的弯曲应力 竖向分体系必须联系在一起 获得更好的抗弯和抗压能力 凡是可能设置水平分体系的地方 竖向分体系应当与水平分体系相连接 3 基础分体系指承受由柱或墙传来的竖向力和由抗侧向力分体系传来的水平力的基础构件所组成的结构体系 可分为浅基础和深基础 浅基础 柱下独立基础 柱下条形基础 墙下条形基础 筏型基础 箱型基础 埋深较浅 一般在地面下1 6m 深基础 桩基础 深井基础 沉箱基础 埋深较深 在地面6m以上 对基础分体系的基本要求 足够的承载力 足够的刚度 1 2建筑结构基本构件 结构单元和结构体