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房屋建筑学 第九章 结构设计 StructuralDesign 主要任务 根据国家有关建筑方针政策和设计规范 标准 以建筑方案为设计条件进行建筑承重体系的设计 主要任务是 结构选型 结构布置 结构受力分析 结构构件设计 由结构工程师来完成 各种结构体系包含的承重结构类型 墙承重结构 墙体承重结构按照墙体施工方法和材料的不同 可分为 夯土墙 土坯墙石砌墙砖砌体墙混凝土砌块墙现浇钢筋混凝土墙等 常用的墙体承重结构 砖混结构 砖墙 钢筋混凝土楼板 剪力墙结构 钢筋混凝土墙 大板结构 钢筋混凝土墙板 复合墙板 砖混结构 砖墙 钢筋混凝土楼板 一 结构特征1结构材料 墙体 砖砌体楼板 现浇或预制钢筋混凝土板2力学特性 强度较低 自重大 抗震性能较差 3适用范围 房间开间 进深不大 在中小型民用建筑中应用较为广泛 二 选型要点1房屋总高度和层数限值 2房屋最大高宽比限值 3抗震横墙最大间距限值 4房屋局部尺寸限值 5结构布置要点 优先采用横墙承重或纵横墙混合承重纵横墙宜均匀对称 平面对齐 竖向连续 按要求设变形缝 楼梯间不宜在尽端和转角 钢筋混凝土板的跨度一般为1 8 3 6m 预制钢筋混凝土板的跨度一般不超过4 2m 三 墙体布置 1横墙承重 2纵墙承重 3纵横墙混合承重 4部分框架承重 底层或内部部分为框架 底层框架承重的特征1总体布置 下部框架 上部砖混2矛盾分析1 功能 上静下动2 空间 上小下大3 结构 上刚下柔选型要点1总体要求1 总高度和层数限值2 底层框架柱网选择2抗震要求1 抗震横墙最大间距限值2 抗震墙布置3转换层设置 板式转换 梁板式转换 箱体转换 剪力墙结构 钢筋混凝土墙 一 结构特征及适用范围剪力墙结构 是指其竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙所组成 这种结构侧向刚度大 位移小 称为刚性结构体系 剪力墙通常为横向布置 间距小 约为3 6m 因此平面布置不够灵活 仅适用于小开间的高层住宅 旅馆 办公楼等 这种结构从理论上讲可建造上百层的民用建筑 但从技术经济考虑 地震区的剪力墙结构一般控制在35层 总高110m以内 非地震区可适当放宽 由于使用需要 剪力墙结构的底部剪力墙改为框架 形成框支剪力墙结构 但这种结构的上部刚度与底部刚度相差悬殊 刚度突变 对地震区建筑是不利的 二 剪力墙的结构布置在民用建筑中 一般是横墙短而数量多 纵墙长而数量少 因此纵横向剪力墙布置应适应这一特点 三 剪力墙结构体系构成1 全现浇墙2 大型板材墙3 内浇外砌墙4 内浇外挂墙5 框支剪力墙6 框架 剪力墙结构 现浇墙结构一 建筑特征1工具式模板现浇内墙和楼板2空间小 刚度大二 结构类型1内浇外砌内墙现浇 外墙砌体2内浇外挂内墙现浇 外墙挂板三 选型要点1内墙承重 均匀布置 避免刚度突变 2外墙围护 加强连接 保证结构整体 3构件受力状态1 并联体的连杆内力 框架 剪切型侧向变形 剪力墙 弯曲型侧向变形 并联体 弯剪型侧向变形 2 框架和抗震墙的内力 框架剪力 连杆使框架水平剪力上下分布均匀 抗震墙弯矩 连杆减小抗震墙底部弯矩 3 水平荷载和剪力分布规律 框架水平荷载上正下负 顶端受正向集中力 抗震墙水平荷载上小下大 顶端受反向集中力 框架和抗震墙顶端水平剪力均不为零 框架楼层剪力最大值在 0 3 0 6 H之间 抗震墙顶端一段的水平剪力为负值 抗震墙承担80 的水平荷载 4抗震墙布置原则1 抗震墙的设置 沿结构平面主轴线方向布置 抗震墙的数量要适当 按照 分散均匀周边对称 四准则布置 不宜布置单肢墙2 抗震墙的平面布置 每个方向沿两条以上相距较远的轴线设置抗震墙 抗震墙的设置部位 a竖向荷载较大处b平面形状变化或楼盖水平刚度剧变处c楼梯电梯间及楼板较大洞口两侧 抗震墙应避开需要开大洞口的墙体位置 在独立结构单元端部 抗震墙距外墙 8米 防震缝两侧不宜设成对的抗震墙 纵向抗震墙不宜设在独立结构单元的两端 抗震墙宜用LTH口形 框架结构一 结构特征1 结构材料 以梁柱构成建筑物的骨架 传递和支承建筑物的全部荷载 而墙体仅起分隔室内外空间和围护作用 承重骨架的材料 一般多用钢筋混凝土 也可用钢或木等其他材料 2 力学特性 竖向承重结构全部由框架组成 在水平荷载下 其结构强度低 刚度小 水平位移大 故称为柔性结构体系 二 构件受力特点1受力特点竖向荷载下梁的弯 剪 柱的弯 压2变形特点a 框架侧移以整体剪切变形为主b 梁 柱弯曲变形是框架侧移的主因 三 适用范围高抗震烈度地区不宜使用按 高层建筑结构设计建议 设防烈度现浇结构装配结构9度25米不用8度45米25米7度55米35米6度60米50米非震区60米50米钢筋混凝土结构 20层钢结构 30层多用于住宅楼 办公楼 教学楼 综合楼 无梁楼板 是将现浇钢筋混凝土板直接支承在柱上的楼板结构 为了增大柱的支撑面积和减小板的跨度 常在柱顶增设柱帽和托板 无梁楼板顶棚平整 室内净空大 采光 通风好 其经济跨度为6m左右 板厚一般为120mm以上 多用于荷载较大的商店 仓库 展览馆等建筑中 钢 框架 结构一 普通钢结构 一 结构特征 优缺点和适用范围 1 普通钢结构是的工业化程度高 工作性能可靠 结构自重轻 在工程中得到了广泛的应用 有如下一些特点 1 强度高 截面小 运输和装拆均较方便 但是 杆件较细长 因此稳定性问题较其它类型的结构更为突出 设计中应予以充分注意 2 材料的均匀性和同向性好 它最符合一般工程力学的基本规定 应力计算比较可靠 3 材料的可焊性好 因而可简化制造工艺 提高钢结构的工业化生产程度 4 耐火性和耐腐性较差 在有侵蚀性介质环境中或在有特殊防火要求的建筑中使用钢结构 应采用有效的防护措施 钢结构的维护费用较高 2 当前钢结构的适用范围 就民用建筑和工业企业范围来说 大致如下 1 用于重型车间的承重骨架 2 受动力荷载影响的结构 3 高耸结构 4 大跨度结构 二 钢结构的连接方式建筑钢结构所采用的连接方式有 焊接连接 铆钉连接 普通螺栓连接和高强度螺栓连接 三 轻型钢结构轻型钢结构系指主要由圆钢或小角钢 45x4或 56x36x4 组成的钢结构 轻型钢结构主要用于跨度L 18m 吊车起重量Q 5t的A3 A6级且无高温 高湿和侵蚀环境的厂房以及一些采用轻型屋面材料的或临时建筑的屋盖结构中 柱子和吊车梁不宜采用轻型钢结构 另外 还有其它钢结构类型如压型钢板 混凝土组合板 外包钢混凝土钢结构 钢 混凝土组合梁 钢管结构 钢管混凝土结构等 大跨度结构 在三维世界里 任何结构物本质上都是空间性质的 只不过出于简化设计和建造的目的 人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算 无法进行简单分解的空间体系日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力 体现着大自然的美丽和神奇 空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力 而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用 当跨度越大时 空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能 事实上 当跨度达到一定程度后 一般平面结构往往已难于成为合理的选择 从国内外工程实践来看 大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系 二 平面大跨结构 19世纪后半叶 二战 特征 桁架 刚架 拱结构 三 新型大跨结构 二战 今 特征 薄壳 悬索 网架 1薄壁结构合理的外形 充分发挥材料受压性能 以较薄的壳体跨越很大的空间 而具有足够的强度和刚度 2悬索结构纤细的索网 充分发挥钢材抗拉性能 轻盈活波 适宜与大跨度3网架结构利用小型杆件 组合成整体结构 刚度大 变形小 自重轻 材料省 2 新型大跨结构的特点 整体上是空间结构 跨度大 可覆盖巨大的室内空间 矢高小 曲率平缓 可有效利用空间 厚度薄 自重轻 节省材料 形式多样 可适合于各种形状的平面组合 拱结构 一 拱结构特征 优缺点和适用范围 1 拱结构的特点 拱是一种推力结构 在竖向荷载下产生水平推力 拱是一种无矩结构 通过合理拱轴可使杆件无弯矩 拱可充分利用材料抗压强度 断面小 跨度大 刚架结构 一 刚架结构特征 优缺点和适用范围刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构 由于梁和柱是刚性节点 在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用 因而能减少梁的跨中弯矩 同样 在水平荷载作用下 梁对柱也有约束作用 能减少柱内的弯矩 由于刚架结构受力合理 轻巧美观 能跨越较大的跨度 制作又很方便 因而应用非常广泛 一般用于体育馆 礼堂 食堂 菜场等大空间的民用建筑 也可用于工业建筑 1 跨度 实腹式 50 60米 格构式两铰刚架 60 120米 格构式无铰刚架 120 150米 折线弓形刚架 40 50米高15 20米2 断面 实腹式梁高h 1 12 1 20 L设预应力拉杆h 1 30 1 40 L 折线弓形刚架梁高 柱宽 1 15 1 25 L 二 刚架结构跨度尺寸 排架结构 桁架结构 由屋架 或屋面梁 柱 基础等组成 柱顶与屋架为铰接 柱底与基础顶面为固接 在单层工业厂房中有着广泛的应用 根据生产工艺和使用要求不同 排架结构可设计成等高或不等高 单跨或多跨及其它多种形式 网架结构 平板网架和网壳结构 还包括一些未能单独归类的特殊形式 如折板式网架结构 多平面型网架结构 多层多跨框架式网架结构等 总起来可称为空间网格结构 这类结构在我国发展很快 且持续不衰 一 网架结构特征 优缺点和适用范围网架是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构 它具有下列优点 1 杆件之间相互起支撑作用 形成多向受力的空间结构 故其整体性强 稳定性好 空间刚度大 有利于抗震 2 当荷载作用于网架各节点上时 杆件主要承受轴向力 故能充分发挥材料的强度 节省材料 3 网架结构高度小 可以有效地利用空间 4 结构的杆件规格统一 有利于工厂化生产 5 网架形式多样 可创造丰富多彩的建筑形式 二 网架结构形式网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶 适用于多种平面形状 如圆形 方形 三角形 多边形等各种平面的建筑 按外形分为平板网架和曲面网架 按建造材料可分为钢网架 木网架 钢筋混凝土网架 按网架本身的构造又可分为单层网架和双层网架 平板网架都是双层的 曲面网架可以是单层网架或双层网架 平板网架多采用钢管或角钢制作 曲面网架可采用木 钢 钢筋混凝土 我国受木材资源少的限制 很少用木材制作网架 而多采用钢网架 有时也采用钢筋混凝土网架 平板网架自身不产生推力 支座为简支 构造比较简单 可以适用于各种形状的建筑平面 所以应用最广泛 曲面网架多数是有推力的结构 支座条件比较复杂 但外形美观 建筑造型独具特色 1 杆件 角钢 钢管2 节点 十字钢板节点 用于角钢杆件 焊接或螺栓 球节点 用于钢管杆件a 实心球 螺栓连接b 空心球 焊接连接3 网架上弦起坡排水坡度要求2 5 结构起拱 跨度 60m时 起拱1 300 上弦加柱 按坡度变高 平板网架杆件与节点 4网架的构造组成 悬索结构 柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度 其形状也是不确定的 必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施 才能赋予一定的形状 成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构 因此也称其为张力结构 帐篷薄膜结构 张拉式膜 或索 膜 结构自80年代以来在发达国家获得极大发展 这种体系与索网结构类似 张紧在刚性或柔性边缘构件上 或通过特殊构造支承在若干独立支点上 通过张拉建立预应力 并获得确定形状 膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式 它以性能优良的织物为材料 或是向膜内充气 由空气压力支撑膜面 或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧 从而形成具有一定刚度 能够覆盖大跨度空间的结构体系 自从上世纪七十年代以来 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑 商场 展览中心 交通服务设施等大跨度建筑中 膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案 充气薄膜结构 同属于张力结构体系 在国外应用很广的膜结构或索 膜结构在我国则处于艰难起步阶段 除了设计理论储备和生产条件方面的原因外 缺少符合建筑要求的国产膜材是一个主要的制约因素 膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用 因此关键问题是要提供满足功能要求 耐久性好与经济的膜材 用于膜结构有二种主要建筑织物 即涂敷聚四氟乙烯 PTFE 的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯 PVC 的聚酯织物 折板结构 折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系 折板结构通常用钢筋混凝土建造 也可用钢丝网水泥建造 折板结构由折板和横隔构件组成 在波长方向 折板犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板 折板的波峰和波谷处刚度最大 可视为连续板的各支点 折板结构呈空间受力状态 具有良好的力学性能 结构厚度薄 省材料 省模板 可预制装配 构造简单 折板结构可用来建造大跨度屋顶 也可用作外墙 薄壳结构自然界某些动植物的种子外壳 蛋壳 贝壳 可以说是天然的薄壳结构 它们的外形符合力学原理 以最少的材料获得坚硬的外壳 以抵御外界的侵袭 人们从这些天然壳体中受到启发 利用混凝土的可塑性 创造出各种形式的薄壳结构 一 结构特征 优缺点和适用范围薄壳结构是用混凝土 塑料等刚性材料以各种曲面形式构成的薄壳结构 呈空间受力状态 主要承受曲面内的轴向力 而弯矩和扭距很小 所以混凝土强度能得到充分的利用 由于是空间结构 强度和刚度都非常好 薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一 而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一 所以薄壳结构具有自重轻 省材料 跨度大 外形多样的优点 可用来覆盖各种平面形状的建筑屋顶 但大多数薄壳结构的形式较复杂 多采用现浇施工 费工 费时 费模板 且结构计算较复杂 不宜承受集中荷载 这些缺点在一定程度上影响了它的推广使用 各种空间结构类型中 钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所发展 当时建造过一些中等跨度的球面壳 柱面壳 双曲扁壳和扭壳 在理论研究方面还投入过许多力量 制定了相应的设计规程 但这种结构类型日前应用较少 主要原因可能是施工比较费时费事 二 薄壳结构的形式薄壳结构形式很多 常用的有筒壳 圆顶壳 双曲扁壳 鞍形壳等四种 筒壳由壳面 边梁 横隔构件三部分组成 为单曲面薄壳 形状较简单 便于施工 是最常用的薄壳形式 圆顶壳由壳面和支承环两部分组成具有很好的空间工作性能 很薄的圆顶可以覆盖很大的空间 可用于大型公共建筑 如天文馆 展览馆 体育馆 会堂等各种建筑 双曲扁壳由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成 它受力合理 厚度薄 可覆盖较大的空间 较经济 适用于工业与民用建筑的各种