建筑结构概念设计ppt课件

.,建筑结构概念设计,教材：建筑结构概念设计及案例,.,本书提出了结构概念设计的概念、原则和思路，并介绍相关案例。“概念”部分说明结构概念设计的地位和作用、基本思路、基本做法以及设计中常用到的结构概念。“原则”部分说明结构概念设计的经验认识、基本要领和基本方法。“案例”部分则通过介绍国内外一些著名建筑结构工程和著名结构工程师所做的结构方案和结构设计要点，探讨他们怎样将一些结构概念运用到设计中。适用于对当前建筑工程专业学生缺乏工程意识以及结构设计人员做方案能力不强的现象而写作的。,.,参考书：建筑结构概念体系与估算作者：罗福午清华大学出版社，1991该书为建筑学专业建筑结构课程的教材，从结构的概念、体系和估算几个方面进行阐述。对结构设计也不失为一本好的教材。结构概念和体系林同炎，S.D.思多台斯伯利，中国建筑工业出版社，该书为结构工程师提供了广泛而又有独特见解的结构概念设计基础知识和设计实例。着重介绍用整体概念来规划结构总体方案的方法，以及结构总体系和各分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合，设计出令人满意的建筑奠定基础。,.,概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。但随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。大部分工程师在计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误则不能及时发现；随着年龄的增长，导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却，更谈不上设计成果的不断创新。,.,强调概念设计的重要性（）现行的结构设计理论与计算方法存在许多缺陷或不可计算性，如混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。（）同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。（）概念设计之所以重要，还在于在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。,.,概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥越来越大的作用。然而现在的高校教学中，往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解。尤其在专业课教学中，单项计算练习居多，综合练习偏少，并着重体现在考题中，使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯。而且近年来强调计算机应用教育，比如，毕业设计用结构设计软件计算、出图。但由于计算机设计过程的屏蔽，手算过程训练程度的削弱，造成学生产生一定依赖性,结果综合运用能力下降，整体结构体系概念模糊。这些对于培养具有创造力、未来的工程师是相当不利的。,.,另一方面，随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。这则需要工程界和教育界进行共同的努力。推广概念设计思想是一种有效的办法。,.,第一章概述,1.1建筑结构及其作用结构：具有足够抵抗能力的建筑空间的骨架结构问题的主要表现（1）满足建筑空间和功能的需求（2）符合承载力和耐久性的需要（3）合理利用结构材料及其性能（4）连接构造和经济问题（5）要体现科技和工程的新发展（6）结构与建筑艺术要融为一体,造价：占总造价30-40%工期：占总工期40-50%建筑设计方针：以前：适用、经济、在可能的条件下注意美观。现在设计方针：适用、经济、美观,.,1.2结构概念设计的概念所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、材料性能、建造技术、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。有人比喻为慧件（wiseware）(相对于计算程序为“软件（software）”和计算机为“硬件（hardware）”)。,.,1.3概念设计在建设工程中的地位我国现行工程建设程序如图对一栋建筑，设计过程为设计任务书方案设计阶段初步设计阶段技术设计阶段施工图设计阶段施工图审查阶段付诸施工过程（施工中不断修改设计）竣工验收,目前，主要任务为进行设计构思，综合处理规划、建筑、结构、设备、施工等诸方面关系，方案论证，形成总体设计方案。这里为总的概念设计，结构概念设计应贯穿整个设计过程。,处理各工种技术问题,进行各工种细部设计,.,.,.,建筑设计与结构设计一栋建筑物好比一个人，建筑相应于人的容貌、体型、气质；结构相应于人的骨骼、耐力、寿命；水电暖等设备相应于人的神经、脉络、器官。因此设计一个建筑物需要各工种的共同合作。,.,其中，建筑与结构设计者的合作是最基本的，也是最重要的。特提出四个合作的层次（1）首先是合作（即各人做各的设计，遇到矛盾，协商解决）最低层次的要求（2）其次是结合（即虽个人做各的设计，但都相互了解，主动的互相补充）较高层次的要求（3）第三是融合（即你中有我，我中有你，融为一体，结构自觉地考虑建筑问题，建筑自觉地考虑结构问题）更高层次的要求（4）第四是统一（即结构工程师就是好的建筑师，建筑师就是好的结构工程师，两类人才的素质统一在一个人身上）最高层次的要求,.,1.4建筑结构的基本构件类型1.4.1基本构件的类型主要有12种类型（1）板（2）梁（3）柱（4）框架（属结构单元）（5）桁架（6）网架（7）拱（8）壳体（9）墙（10）索（11）薄膜（12）基础,.,1.4.2各种构件之间的区别和联系构件的分类刚性的基本构件（1）线形构件直线形：梁、柱、框架、桁架；曲线形：梁、拱；（2）面形构件平面形：板、墙、框架、桁架和平板网架组成的平面结构构件单曲面形：拱板、拱和桁架组成的单曲面结构构件双曲面形：各种壳体、网架构成的壳面结构构件,.,非刚性（柔性）的基本构件（1）线形构件直线形：拉索；曲线形：悬索；（2）面形构件平面形：拉膜；单曲面形和薄膜：由拉索构成的单曲面索构件；双曲面形：充气结构、由金属编织物构成的双曲面拉索构件；各种线形构件及其所构成结构单元见表各种刚性和非刚性基本构件和基本结构单元见表以楼盖基本结构单元为例，表1-4给出了其受荷情况。,.,.,.,.,1.5建筑结构的几个基本概念1.5.1荷载和作用分类：,.,几点说明：（1）对建筑结构，需特别注意温度和地基不均匀沉降或差异沉降，因为计算中没有考虑（2）静荷载和动荷载：大部分荷载为静荷载，只有个别荷载可看作动荷载，如冲击荷载、吊车荷载、地震作用等。动荷载是指荷载施加的较快，而快慢是相对于结构自振周期而言，如在1s内荷载从0增加到其最大值，对自振周期为0.1s的结构，这种加荷速度可看作静荷载，而对自振周期为5s的结构，则可看作动荷载。如风荷载，对低层和多层建筑，为静荷载，而对高层建筑或其他柔性结构（塔桅），则为动荷载。（3）荷载和作用效应的不利组合,.,1.5.2结构失效、材料性能和结构受力（1）结构失效的类型破坏（指材料达到强度，使结构丧失承载力）、失稳（构件压屈）、变形过大（含裂缝过宽）、耐久性丧失、倾覆和滑移,.,（2）材料性能特别是材料的物理力学性能和其他指标，以及各种材料之间性能的差别（钢、砼、砌体、木材等）常用的材料指标：极限（屈服）应力和应变、弹性模量、波松比、延性、线膨胀系数、耐火性、耐久性、冷弯性等（3）结构受力主要掌握各类构件在不同荷载下的受力性能、破坏机理、破坏模式等,.,1.5.4结构的三个基本分体系水平体系、竖向体系和基础体系,.,1.5.5关于地基的基本概念设计工作涉及持力层的选择、地基承载力确定、基础形式、软弱地基的处理等，使设计中较难的部分。（1）地基土的特性压缩性大、强度低（抗剪强度）、透水性大（2）土的物理指标天然容重（重度）：1620kN/m3含水率=水重/固体颗粒重=060%（沙土040%，粘土2060%）孔隙比=孔隙体积/固体体积=0.51.2(沙土0.6，粘性土1时为良好地基）无粘性土分为密实、中密、稍密和松散，共4类,.,粘性土根据含水率的不同，其性能差别很大（3）常见的不良地基1）软土：指抗剪强度低、压缩性高、渗透性小的淤泥和淤泥质土，尚未压实固结的吹、冲填土，松散砂土等。参考性能指标天然含水率3080%，甚至更高；孔隙比12；压缩系数0.51.5；液性指数0.751.0；剪切强度20kPa。,.,2）杂填土3）河岸河沟附近场地，山坡或山脚下场地4）断层或岩层节理发育场地不良地基需进行地基处理（4）地基的变形特征指沉降量、沉降差、倾斜等，都应满足规范的要求。地基的变形是逐渐完成的，一般多层建筑在施工期间完成的沉降量，沙土为80%，低、中、高压缩性土分别完成5080%，2050%，520%；粘性土完成沉降需几年或几十年。（5）地下水对工程的影响：基础埋深、施工排水、地下水位升降（地基沉降）、地下室防水、水质侵蚀性、空心结构物浮起等。,岩层在地应力作用下形成断裂构造，但未发生相对位移时称为节理。若岩层节理的密度较大，称为节理发育，此时，岩体被节理切割成碎块，破坏了岩层的整体性。,.,1.5.6梁、板设计中的几个基本概念（1）常用的截面为矩形和T形，更合理的截面为工形和箱形，一般认为，剪力主要由腹板承受，弯矩主要由翼缘承受。（2）单跨简支梁合理的形式为两端伸臂梁，外伸的合理长度为0.21L至0.225L，此时最大正负弯矩和挠度均比单跨简支梁小得多。,.,（3）对截面有较大转动能力的等截面连续梁，以及最短跨不小于最长跨2/3的不等跨连续梁，可按下述方法计算弯矩：1）在各跨上作简支梁的弯矩图；2）假定各支座截面处的负弯矩；取值参考：每端第二支座M=0.11q(l1+l2)/22每端第三支座M=0.08q(l1+l2)/223）将各支座处负弯矩值连成直线，就可求得连续梁的弯矩。,.,（4）在楼盖结构中，常采用双向或三向交叉梁系，它分为正放正交、斜放正交、三向斜交等，正放正交适用于方形楼面。,双向板-1,双向板-2,.,（6）单向板和双向板1）判别：支承条件、板面形状、板边尺寸等2）需特别注意：对四角支承板，其受力和刚度比四边支承板更为不利，且其主要受力方向为长边，支承点附近板带承受的弯矩大于跨中板带承受的弯矩，与四边支承板刚好相反。,.,1.5.7梁、拱和索梁：部分受拉、部分受压，应力分布不均匀，不能充分利用材料的强度。对梁施加一偏心压力，可使梁各截面处于受压或压弯状态，从而提高梁的承载力形成拱同样，对梁施加一偏心拉力，也能使梁各截面处于受拉或拉弯状态，形成拉杆，其极端情况为“索”,.,拱：适宜采用抗压性能好的材料（砖、砼）设计的关键是合理选择拱的外形（合理拱轴）、确定承受推力的结构措施。拱的推力通常采取以下措施（1）拉杆；（2）基础；（3）由侧面结构物承受；（4）由侧面水平构件承受（水平屋盖）防止拱平面外失稳，需设置侧向支撑,.,.,索：适宜采用抗拉性能好的材料（钢索、钢缆）索仅承受拉力，在房屋建筑中用作屋面结构，由索网、边缘构件和支承构件三部分组成。索网有单曲面、双曲面和交叉曲面。结构设计关键为索网的选取和支承处理，支承采用以下措施：（1）用斜向牵索；（2）用封闭的圆形或马鞍形环梁和相应支柱；（3）用对应的斜撑体系。,.,.,1.5.8框架一般情况，梁柱节点为刚接，有时也可做成铰接。（1）框架柱为压弯（剪）构件，梁为弯剪构件；在多层建筑中，当跨度较大时，梁的截面往往大于柱截面，顶层柱因压力小而处于受力不利状态。而高层建筑中，柱是主要抗侧力构件，柱截面往往大于梁截面，底层柱因承受的弯矩大而处于受力不利状态。（2）必须考虑竖向荷载和水平荷载的不利组合。由于水平荷载的方向不同，梁、柱端组合后的内力可能会发生较大变化，梁端可能会出现正弯矩。（3）设计时应做到“强柱弱梁、强节点弱构件”，对R.C.框架，应做到“强剪弱弯”。（4）在计算框架结构的侧移时，需考虑框架高宽比的影响。当高宽比较大时，需考虑整体弯曲的影响。,.,1.5.9平面桁架和空间网架平面桁架可看成由（工形）截面梁演变而来。即将梁截面正应力较小的腹板挖去，形成由上下弦和斜腹杆连接的格构式梁平面桁架。上下弦相应于梁的翼缘，承受弯矩引起的压力和拉力；腹杆相应于梁的腹板，承受剪力引起的斜拉力和斜压力。桁架杆件均为全截面受力，材料能得到充分的利用，适用跨度较大情况（15m36m）。桁架特点：（1）结点为铰结点；（2）荷载作用在结点上；（3）各杆件主要内力为轴向力（主内力）；（4）由于工程实际并不是理想铰接，由此将产生附加内力（也称次内力），对次内力应予以特别注意。,.,桁架的形式对杆件内力影响较大，选型时还应考虑屋面防水、屋面板布置等因素。图中拱式桁架受力最合理。,.,空间网架是平面桁架向空间的演变。既可做成将平面桁架在两个方向上正交或斜交的网架，也可做成上下弦各自联系成网格，腹杆在两个方向上都起斜杆作用的网架。既可做成平板网架，也可做成折板形或壳形网架。平板网架一般由柱支承，犹如双向板受力。可按下图求得网架上下弦内力C（压力）和T（拉力）。,.,网架在概念设计时应注意以下问题,（1）选择合适的网格类型和杆件组成；（2）选择网架的节点做法；（3）注意网架与支柱的连接。,.,1.5.13结构受力、变形的相对性（1）结构受力的相对性计算可得:(b=1.2a)MA=0.185qab2PA=0.44qa2MB=0.315qa2bPB=0.76qa2可知两根梁承受的荷载差别不太大。若假设B梁的线刚度为A梁线刚度的8倍，同理可求得MA=0.0576qa3；PA=0.096qa2MB=0.552qa3；PB=1.104qa2可知，92%的荷载由B梁承受。即当两个方向交叉梁的线刚度之比为8左右时，线刚度大的梁几乎承受全部荷载，而线刚度小的梁几乎不承受荷载。,.,在结构分析时，若某构件的线刚度比其他构件的线刚度大得多，则可假定该构件的线刚度为无穷大。在正交梁系中，若两个方向梁的线刚度相近，则荷载为双向传递；若线刚度相差较大，则荷载沿线刚度大的方向单向传递。如楼盖中的主次梁等。（2）结构变形的相对性主要变形和次要变形：如计算梁的挠度和框架侧移时，常略去构件剪切变形和轴向变形的影响，只考虑弯矩引起的变形。主体部分和从属部分：如当荷载只施加在主体结构上，可单独取出主体结构计算内力，认为从属部分内力为零。当荷载只加在从属结构上时，可将主体部分视为从属部分的支承，计算从属部分的支座反力，再将支座反力施加在主体结构上，计算内力。,.,1.5.14结构构件的弯曲变形（1）弯曲变形图的规律根据弯矩和曲率关系，M大的区段，变形曲线的曲率大；M为零的区段，变形曲线为直线。,刚结点,铰结点,反弯点,.,（2）绘制弯曲变形的步骤,1）先绘出构件的弯矩示意图；2）根据弯矩图和上述规律作变形图；一般先从直接受荷的构件画起，按顺序对与其相连的构件作图；,.,1.5.15预应力和预应力结构（1）预应力的概念预应力的概念从1886年提出，直到1928年才用于工程实际。预应力是在结构受荷前，主动地对结构施加某种作用力，在构件截面上得到的应力。由于所施加的作用力在时间、空间和数值上都可以控制和调整，实际上是对结构的一种控制，将建筑结构由仅是一种被动承受各种作用的被动结构，转变为一种可以用它主动调节受力和变形的主动结构。（2）预应力结构的优点）从材料上看，改善砼的塑性，使其成为弹性材料，无裂缝，整体性和耐久性好；）从结构上看，提高构件的刚度，减小截面、减小变形，更重要的构件的性能可由设计者进行控制。,.,）从经济上看，可加大跨度，降低层高，降低砼用量和自重等。（）预应力结构的理论）弹性理论施加预应力后能使结构处于弹性阶段；）荷载平衡理论用预应力来平衡外荷载，可将外荷载对结构的影响抵消；）全预应力和部分预应力。（）预应力结构范围和分类预应力砼结构，预应力钢结构，预应力组合结构，预应力砌体结构。有粘结、无粘结预应力、体外预应力。（）预应力砼结构设计关键确定构件尺寸，主要是梁（板）高度（厚度）；布置预应力钢筋在纵横向的位置及施加预应力的大小；关键截面的应力状态和长期性能；,.,1.5.16结构抗震概念设计几十年来,在总结地震灾害经验中发现,对结构抗震设计来说,“概念设计”比“计算设计”更为重要。抗震结构概念设计的重要性还在于不确定性因素太多，如未来地震的强度、性质，地震时场地条件对结构影响，各种材料在振动过程中的性质等。我国现行抗震规范有关概念设计的主要内容如下：（1）选择对建筑抗震有利的场地,宜避开对建筑抗震不利的地段,不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。对于不利地段,结构工程师应提出避开要求,当无法避开时,应采取有效措施,这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原因,诸如地基土的不均匀沉陷、地震引起的地表错动与地裂。,.,（2）建筑的平立面布置应符合概念设计的要求,不应采用严重不规则的方案。不规则的建筑,在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。（）结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求。采用哪一种结构材料,什么样的结构体系,经技术经济条件比较综合确定。同时力求结构的延性好,尽量降低房屋重心,充分发挥材料的强度,并提出了结构两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近的抗震概念。（）尽可能设置多道抗震防线。地震有一定的持续时间,而且可能多次往复作用,根据地震后倒塌的建筑物的分析,最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。适当处理构件的强弱关系,使其形成多道防线,是增加结构抗震能力的重要措施。如框架结构,框架就成为唯一的抗侧力构件,若采用“强柱弱梁”型延性框架,梁的屈服先于柱的屈服,可以利用梁的变形消耗地震能量,使框架柱退居到第二道防线的位置。,.,（）具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。提高结构的抗侧刚度,往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。要使建筑物具有很强的抗倒塌能力,最理想的是使结构中的所有构件都具有较高的延性,然而实际工程中很难做到。有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性是比较经济有效的办法。例如上刚下柔的框支墙结构,应重点提高转换层以下的各层的构件延性。对于框架和框架筒体,应优先提高柱的延性。另一种提高结构延性的办法是控制构件的破坏形态,减小受压构件的轴压比,提高柱的延性。（）确保结构的整体性。各构件之间的连接必须可靠:1)构件节点的承载力不应低于其连接构件的承载力,当构件屈服、刚度退化时,节点应保持承载力和刚度不变。2)予埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。3)装配式的连接应保证结构的整体性,各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作。4)结构应具有连续性,注重施工质量,避免施工不当使结构的连续性遭到削弱甚至破坏。,.,（）对设计中常出现的问题做出了具体规定。1)体形复杂的建筑不一概提倡设防震缝。2)对规则结构与不规则结构做出了定量的划分。并用强制性条文对建筑师的建筑设计方案提出了限制。如第3.4.1条规定,“建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的方案”。3)予应力砼的抗侧力构件,应配有足够的非予应力钢筋。4)非结构构件与其结构主体的连接,应进行抗震设计,如幕墙、附属机械、电气设备系统支座和连接等需符合地震时对使用功能的要求。5)投资方愿意通过增加投资来提高安全要求的抗震建筑,采用隔震和消能减震设计。6)结构材料的选用应减少材料的脆性,优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋和规定强度等级范围内的混凝土。,.,抗震规范:结构规则性和抗震概念设计（一）建筑方案和结构布置的要求根据近几年的震害经验，新增房屋建筑设计不应采用严重不规则设计方案的严格要求。列入对高层砼框架结构及带转换层、加强层、错层和连体等复杂结构的结构布置强制性要求。明显提高对底部框架砖房和单层空旷房屋大厅的结构布置要求。强制性条文:3.4.1建筑方案，3.5.2结构体系，3.7.1非结构抗震；7.1.8底框结构布置，10.1.3空旷大厅选型。相关条文：3.4.2、3.4.3、3.4.4、3.5.1、3.5.3、3.7.2、13.3.3JGJ3：6.1.6高层框架布置，10.1.2,10.3.3,10.5.2,10.5.5复杂结构。,.,1、结构的规则性“规则”包含了对建筑平立面外形尺寸、抗侧力构件布置、质量分布、承载力分布等诸因素的综合要求。建筑结构的平、立面是否规则，对结构的抗震性能具有重要的影响，需要求建筑师和工程师共同协调解决。2001规范3.4.1条对建筑师提出明确要求：（1）建筑设计应符合抗震概念设计要求，（2）不应采用严重不规则的设计方案。,.,2、不规则的类型按第3.4.2条，不规则的类型有（1）平面不规则：沿两个主轴方向布置不匀称，如扭转不规则；凹凸不规则；开洞过大、错层不规则；抗侧力构件斜交等。（2）竖向不规则：沿竖向布置有突变，如侧向刚度突变，几何尺寸突变；竖向构件不连续；相邻楼层承载力突变；相邻楼层质量突变等。,.,3、三种不规则程度的划分“规则”的界定随结构类型不同而异，新规范提出了三种不规则性的程度：不规则，超过(3.4.2)一项及以上的规则指标；特别不规则，多项不规则指标均超过(3.4.2)规定值或某项超过甚多，具有较明显的抗震薄弱部位，可能引起不良后果；严重不规则，体型复杂，某项不规则指标大大超过(3.4.3)上限值或多项不规则指标超过(3.4.3)上限值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者。,.,.,.,.,.,（二）抗震结构体系抗震结构体系是抗震设计应考虑的最关键问题，结构方案选取是否合理，对安全和经济起决定性的作用。要在经济和技术条件综合决策中运用抗震概念设计：1、地震动的不确定性和结构地震反应的复杂性，结构要符合“简单”要求；2、建筑结构应具有多道抗震防线；3、建筑结构应避免竖向强度与刚度突变；4、结构体系应具有整体性、良好的吸能能力；5、各类结构构件应具有良好的延性；6、注意非结构构件的性能和对主体结构的影响,.,（三）抗震概念设计概念设计的主要内容：（1）应特别重视建筑结构的规则性（包括平面规则性和竖向规则性）；（2）合理选择建筑结构体系（包括：a明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；b避免因部分结构构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力、风载和地震作用的能力；c结构体系应具备必要的承载能力和良好的变形能力，从而形成良好的耗能能力）；（3）采取必要的抗震措施提高结构构件的延性。,.,.,.,.,.,单跨框架严重破坏,.,.,.,.,.,带构造柱砖房未倒,.,唐山地震中未倒的四层砖房（较规则）,.,.,.,.,高层规程有关概念设计：主要震害经验从震害中吸收教训，改进高层建筑结构，是非常重要的：一、1976年唐山地震7.9级，唐山市市区烈度达10度，天津为8度，北京为6度强。震后调查了35幢高层建筑的震害，对高层建筑结构抗震设计有很重要的参考价值。1、不宜采用纯框架结构，应优先考虑设有剪力墙的结构。框架梁柱截面小，配筋较弱，承载力低，地震中容易破坏；框架刚度小，侧移大，填充墙和装饰在地震中损坏。京、津、唐地区框架填充墙多为砌体，地震中普遍损坏，轻则开裂，重则倒塌，修复困难，修复费用高。,.,2、注意防震缝的设计，留有足够的宽度。除北京饭店（缝宽600mm）外，几乎是有缝必碰，有碰必坏。轻者面砖，女儿墙碰坏；重者框架碰撞。缝净宽达150mm的天津友谊宾馆（8层框架）和北京民航大楼（9层框架）也难以避免碰撞。3、平面形状或刚度不对称，会使建筑产生显著扭转，震害严重。如天津人民印刷厂采用L形平面，楼梯间偏置，地震时由于扭转而使几根角柱破坏。4、凸出屋面的塔楼受高振型影响，产生显著的鞭梢效应，破坏严重。天津南开主楼上面3层框架塔楼主震中已严重破坏，余震中全部倒塌。北京地区采用混合结构的屋面小楼电梯间也大量损坏。,.,5、楼电梯间破坏一般都较重。楼电梯间无楼板，墙体一边有楼板，另一边没楼板，受力十分不利。许多混合结构的楼梯间开裂、倒塌。钢筋砼井筒，在楼板处出现水平裂缝。6、高层部分与低层部分之间的连接构造不合理，造成严重震害。如天津友谊宾馆低层餐厅的屋面梁通过牛腿搭在主楼框架柱上，因两部分振动不一致而使牛腿压坏、拉断。7、框架柱截面小，箍筋不足，柱的延性与抗剪能力不够而发生剪切破坏或柱头压碎。8、沿竖向楼层质量与刚度变化太大，产生变形集中而破坏。天津碱厂14层框架，在6层、11层层间变形集中，地震中首先在11层中柱破坏，以后6层以上全部倒塌。,.,二、1977年罗马尼亚地震震级7.2，布加勒斯特烈度为8.5度，33座高层框架倒塌，1座11层剪力墙结构倒塌。主要震害特征为：1、体型复杂、柱子刚度相差太大的旧式高层框架破坏非常严重，在33幢倒塌的框架中占了31幢。2、框架层高、开间大，刚度太小，变形太大，使震害很容易发生。尤其在学校、博物馆等要求大空间的公共建筑中，框架破坏十分明显。3、剪力墙结构空间整体性好，震害较少。剪力墙住宅大部分为11层，有些高达20层，地震中大部分完好，少量产生一些裂缝，仅一幢倒塌，是由于整体倾覆。,.,4、底层框支，上层剪力墙或砖混的柔性底层结构，破坏严重。由于上层刚度大，下层过分柔性，变形集中于底层，使底层柱脚或柱顶破坏。5、无梁楼盖结构若不设剪力墙，则抗侧刚度太低，容易破坏。一座4层的无梁楼盖建筑，柱截面尺寸为700mm700mm，地震中完全倒塌。三、1985年墨西哥地震震级8.1。这次地震持时较长（180s），Tg也长（2-2.5s），10-15层的砼结构严重破坏：1、场地覆盖层过厚，特征周期长，对刚度较小的框架结构产生严重的震害。场地特征周期2s以上，对周期1-2s的建筑影响极大。,.,2、地基的稳定性问题需特别注意。由于沙土液化及地基承载力不足，建筑产生的沉降差大，使构件严重破坏，其中一幢倾覆。即使桩基，也由于沙土液化而下沉。3、框架结构破坏十分严重，主要原因：框架柱截面小；箍筋配置不足；主筋锚固不良而拨出等。破坏特征：柱身剪切破坏和柱头、柱脚压弯破坏。墨西哥城框架结构一般柱距5m7m，柱截面400400到400700，轴压比0.7以上。个别工程甚至柱为350350，轴压比更大。4、无梁楼盖大量破坏，主要表现为柱将楼板冲切破坏，许多层楼板叠在一起。因此无梁楼盖柱头设置现浇柱帽非常重要。,.,5、平面不规则产生严重的扭转，部分构件受力过大而破坏，角柱破坏十分明显。6、建筑物上部楼层因高振型振动而产生过大地震力而破坏。7、伸缩缝、沉降缝宽度过小，碰撞破坏的很多。8、施工质量差，砼强度达不到，钢筋粘结力不足而拨出，另外，钢筋少放、漏放，施工粗糙等也加剧了震害。四、1988年亚美尼亚地震震级7.0，列宁纳坎市烈度9度，建筑物80%破坏，其中有大量砼高层建筑，一类是全装配框架，短边方向有少量剪力墙；另一类是装配式大板剪力墙。约100栋装配式框架全部倒塌或严重破坏；而7栋大板住宅无一破坏，震害轻微。,.,1、下层柔性柱，上层剪力墙或砖墙的柔性底层房屋破坏很严重。2、建筑物端部设置楼梯间，楼板有大洞口，因刚度不均匀而产生扭转；3、外纵墙门窗洞口过大，连梁尺寸太小，容易产生破坏；4、楼板与纵墙之间没有可靠连接，竖向荷载传不到纵墙上，降低纵墙的抗震能力；5、楼板与楼板之间的板缝无连接，楼板整体性差；6、墙体质量差，混凝土和砂浆强度等级太低而降低了抗震性能；,.,7、楼板钢筋没有伸入楼面圈梁，锚固不足；8、现浇混凝土框架构件内配筋不连续；9、框架混凝土的强度太低；10、框架节点的承载力与延性不足；11、装配式柱接头上、下不对中，接头抗剪构造措施不足。这次地震中，剪力墙结构（即使是装配式大板）的抗震性能远优于框架结构。大板结构除板缝有些场合出现开裂、滑移外，几乎无重大损害。,.,五、1995年日本阪神地震震级7.2级，属直下型，即竖向地震加速度相当大。大量砼多层、高层建筑物受到震害：1、许多砼多层框架在一层处柱子数量较少、抗震能力差，承受不了巨大的竖向地震作用而被压碎、倒塌，波及到整座建筑物下坠。2、中间部分楼层破坏是本次地震的一个特点。许多8-10层框架结构在第4、5层的部分柱子被压坏，造成上部楼层下落，重叠在一起。其原因可能是中部楼层柱子截面尺寸、材料强度改变或取消了部分剪力墙，刚度或承载力突变，形成结构薄弱层。,.,3、80年代以前建造的砼结构，无法抵抗10-11度地震。4、剪力墙结构的抗震能力明显较优，只在窗间墙处产生X形裂缝，未发生严重破坏或倒塌。5、强震下地基发生液化、不均匀沉陷，导致砼多、高层房屋发生整体倾斜甚至倾覆。在倒塌和严重受害的多、高层建筑中，约有55%是砼结构。说明在罕遇地震下，采取有效措施提高砼结构抗倒塌能力的重要性。六、1999年台湾集集地震震级7.3（9.21），震中位于南投县日月潭附近，波及台北、台中、南投等城市。地震中，砼多、高层建筑震害严重：,.,1、砼框架柱截面过小，砼强度低，轴压比过大。许多建筑的底层柱压碎，上部楼层坠落、重叠。2、柱配筋较弱，箍筋偏少，且箍筋普遍未设135弯钩，对纵筋约束较弱，柱压碎处纵筋几乎都散开。框架柱延性差，抗震能力弱。3、因设置窗下墙而形成大量短柱、普遍产生剪切型破坏。如台北市一座10层框架结构，形成窗间框架短柱，震后发现45斜向剪断破坏。4、许多商住用框架结构，上层采用大量的实心砖填充墙，刚度很大；底层商店砖墙很少，刚度较弱。地震中由于底层变形集中而破坏。5、框架柱钢筋的搭接长度、锚固长度不足，在地震中钢筋断开、拨出，使柱子折断破坏，甚至房屋倒塌。,.,6、梁柱接头处少配置箍筋，接点区破碎。7、框架柱端箍筋未加密或加密区不足，地震中柱端纵向钢筋压屈，核心区砼破裂。8、采用双柱、单跨框架，因一侧柱破坏而导致全楼倒塌，如台中客运站。9、由于窗下砼墙截面较高，产生强梁弱柱框架，柱破坏严重。10、施工质量不良，砼强度低、不密实，在小截面柱内设置塑料落水管，严重影响了柱承载力和变形能力。从震害看，框架震害集中表现在柱的承载力和延性上，在设计和施工上应采取加强措施。上述震害表明：高层结构抗震设计是十分复杂的工作，需要对每个环节都予以充分考虑。,.,结构体系和概念设计1、结构体系：分类：刚性结构柔性结构合理选择结构的刚度采用刚性结构还是柔性结构的问题，历来争论较多。历次震害表明：采用何种结构形式，取决于所用的结构体系和材料特性，还取决于场地类型，避免场地土和建筑物发生共振。对砼结构，历次震害表明：刚度较大的结构一般震害较轻，因砼构件截面大、刚性大、变形能力较差，比较适宜用提高承载力、控制塑性变形的方法来提高抗震性能；相反，钢结构特性是截面小、延性好，适合采用柔性结构方案。刚、柔结构特性的比较见表,.,表4.0.1刚性结构与柔性结构的特点,.,2、强调概念设计原则：1、选择有利的场地，避开不利的场地，采取措施保证地基的稳定性。基岩有活动性断层和滑坡地带属于危险场地，不宜兴建高层建筑；冲积层过厚，沙土有液化的危险、湿陷性黄土等，属于不利场地，要采取相应的措施减轻震害的影响。2、合理选择结构体系。对于砼结构，一般来说纯框架抗震能力较差；框-剪结构性能较好；剪力墙结构和筒体结构具有良好的空间整体性，刚度也较大，历次地震中震害都较小。3、平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；避免在凹角和端部设置楼电梯间；避免楼电梯间偏置，以免产生扭转的影响（图A）。,.,4、竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多、过急，力求刚度均匀渐变，避免产生变形集中（图A、D）。5、结构的承载力、变形能力和刚度要均匀连续分布，适应结构的地震反应要求。某一部分过强、过刚会使其它楼层或部位形成相对薄弱环节。顶层、中间楼层取消部分墙柱形成大空间层后，要调整刚度并采取构造加强措施。底层部分剪力墙变为框支柱，比上层刚度削弱更为不利，应专门考虑抗震措施（图B、C）。非结构墙体（特别是砖填充墙）的不规则、不连续布置也可能引起刚度的突变。,.,.,.,6、高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受鞭梢效应影响。必要时可以采用钢结构或型钢混凝土结构。7、在设计和构造上实现多道设防。如框架结构采用强柱弱梁设计，梁屈服后柱仍能保持稳定；框-剪结构设计成连梁首先屈服，然后是墙肢，框架作为第三道防线；剪力墙结构中连梁先屈服，通过空间整体性形成高次超静定等。8、合理设置防震缝。宜采取调整平面形状与尺寸，加强构造措施，设置后浇带等方法尽量不设缝、少设缝。必须设缝时应有足够缝宽。9、节点的承载力应大于构件的承载力。从构造上采取措施防止地震下承载力和刚度过早退化。装配式框架和大板结构必须加强节点。,.,10、保证结构有足够刚度，限制顶点和层间位移。小震时防止过大位移使结构开裂；中震时保证结构不严重破坏；强震下结构不倒塌。11、构件设计应采取有效措施防止脆性破坏，保证构件有足够的延性。脆性破坏指剪切、锚固和压碎等突然而无事先警告的破坏形式。设计时应保证抗剪承载力大于抗弯承载力，按“强剪弱弯”的方针进行配筋。为提高构件的抗剪和抗压能力，加强约束箍筋是有效措施。12、保证地基基础的承载力、刚度和有足够的抗滑移、抗转动能力，使整个高层建筑成为一个稳定的体系，防止产生过大差异沉降和倾覆。13、减轻结构自重，最大限度的降低地震作用。,.,平面布局的调整例,在方案阶段应密切与建筑专业配合，适当调整平面，也能在满足功能和建筑艺术的前提下，使结构布置更为合理。,平面布局的调整例,.,1.5.18对标准、规范、规程的认识1、有关建筑结构设计的法规：宪法法律行政法规部门规章（国家主席令）（国务院令）（如建设部令）有关的法律（1）中华人民共和国建筑法（国家主席91号令）98年3月1日起实施（2）中华人民共和国防灾减灾法（国家主席94号令）98年3月1日起实施有关的行政法规（1）建设工程质量管理条例（国务院279号令）00年1月30日实施有关的部门规章（1）工程建设国家标准管理办法（建设部24号令），92年12月30日起实施（2）工程建设若干违法违纪行为处罚办法（建设部68号令）1999年3月3日起实施（3）实施工程建设强制性标准监督规定（建设部81号令）2000年8月25日起实施,.,由上可知，规范是设计的依据2、规范的级别及强制性按照中华人民共和国标准化法（98年颁布）的规定，标准共分四类：即国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。（1）国家标准：由国务院或各部委授权主管机构制定或批准。如建设部（会同有关部门）审查批准、发布施行，由建设部负责管理和解释。GB50009-2001建筑结构荷载规范GB50007-2002建筑地基基础设计规范GB50010-2002混凝土结构设计规范GB50003-2001砌体结构设计规范GB50017-2003钢结构设计规范GB50011-2001建筑抗震设计规范GB50005-2003木结构设计规范GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50021-2001岩土工程勘察规范GB50023-95建筑抗震鉴定标准GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准GB50223-95建筑抗震设防分类标准GB50292-1999民用建筑可靠性鉴定标准GB50300-2001建筑工程施工质量验收统一标准,.,（2）行业标准：由各行业主管部门授权主管机构制定或批准。如建设部批准、发布施行的规范。JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程JGJ6-99高层建筑箱形与筏形基础技术规程JGJ7-91网架结构设计与施工规程JGJ51-2002轻骨料混凝土技术规程JGJ18-2003钢筋焊接及验收规程JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程JGJ79-2002建筑地基处理技术规程JGJ99-98高层民用建筑钢结构技术规程JGJ106-2003建筑桩基检测技术规范其他行业YB9238-92钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程DL5073-1997水工建筑物抗震设计规范DL5085-1999钢-混凝土组合结构设计规程JTJ004-89公路工程抗震设计规范,.,（3）推荐性国家标准：由中国工程建设标准化协会组织编制并批准，推荐给各有关单位使用。相当于行业标准，由于技术尚未成熟，故未以政府名义正式颁布。CECS104-99高强混凝土结构技术规程CECS28-90钢管混凝土结构设计与施工规程（4）地方标准：各省、市的标准一般情况下，设计人员应该遵循标准、规范、规程中的规定，但另一方面，不要把这些规定看为一成不变的，对不恰当的条文，也可以予以修正、发展和更新。现行的我国规范中，有4种不同情况的条文规定：（1）强制性条文：具有法律属性，一经查出违反，不论是否发生事故，都要追究责任。此次新颁布的规范中均有说明（黑体字）。,.,（2）要严格遵守的条文：规范中使用“必须”、“严禁”等词，表示非这样做不可，但并不具有强制性要求。（3）应遵守的条文：规范中使用“应”、“不应”等，表示在正常情况下均得遵守，大多属于此类条文。（4）允许有松动的条文：规范中使用“宜”、“可”、“不宜”，表示在条件允许时首先应这样做，有时也可不遵守。有时还有经过政府有关部门批准发布的技术导则、技术措施、指南和标准图等，这些规定的内容属规范的向下延伸，起到细化、补充、辅助作用。可以不按此执行。,.,2托罗哈（E.Torroja）作品案例2.2有轨电车站本设计为一钢筋混凝土门式刚架，从结构上来说应该较为简单。本设计的巧妙之处在于，进行结构设计时，根据门式刚架弯矩图的正负，来布置其顶板和墙板。,沿月台设计成凸出体，供候车休息，且符合力学原理,.,2.3圆形手术教室概况：平面直径21.34m，中间无柱，屋盖上设一个圆形或八角形的竖向天窗，且与底层同圆心。设计方案有两种：,方案A为按常规的结构方案，而最后却选用了方案B,.,.,方案B主要构件配筋示意图,.,由于屋面荷载的不对称性，为了验证计算结果，进行了小比例的模型试验,.,2.4某集贸市场概况：8个周边支柱支承一个球面圆屋顶，圆顶直径为47.6m，球面曲率半径为44.2m。,球面圆顶的外檐与8个圆柱形拱顶汇合，二者的交接区为圆顶的支承，使得结构内产生的主应力集中到边支柱上。,.,球面圆顶壳身厚度为8.89mm，在支承处逐渐增至45.72mm，支承点处的竖向力由柱承受，水平力由钢环箍（1630）承受。施工时，环箍需先施加拉力，为此在钢环箍上设置花兰螺丝，待钢环箍拉紧后，用混凝土包起来，以防止锈蚀和温度变形。为了减小温差变形对支承柱引起的弯矩，则柱应允许发生一定的径向侧移，为此柱截面设计成沿径向截面较小，沿环向较大，如图。同时，为防止壳身的失稳和壳边的压屈，自环箍中点设置径向杆件与拱身相连。,.,（1）球面壳结构的厚