结构体系与选型

1.梁的分类及受力特征：按材料：石梁、木梁、钢梁、钢筋混凝土梁、组合梁等。按断面形状：矩形梁、工字梁、T形梁、工字薄腹梁等。按受力分：简支梁、连续梁、悬臂梁等。当跨度太大时，在两端支座之间再增中间支座，称连续梁。2.桁架的组成和特点：桁架是由若干杆件在每杆两端用铰联结而成的结构。平面桁架：当各杆的轴线都在同一平面内，且外力也在这个平面内时，称为平面桁架。在平面桁架的计算简图中，通常引用如下假定：a各结点都是无摩擦的理想铰。b各杆轴线绝对平直，并通过铰的中心。c荷载和支座反力作用在结点上。经抽象简化后，杆轴交于一点，且“只受结点荷载作用的直杆、铰结体系”的工程结构。特性：只有轴力，而没有弯矩和剪力。轴力又称主内力（primary internal forces）。3.桁架结构的分类：一、根据维数分类：1. 平面（二维）桁架（plane truss）:所有组成桁架的杆件以及荷载的作用线都在同一平面内。2. 空间（三维）桁架（space truss）:组成桁架的杆件不都在同一平面内。二、按外型分类：1. 平行弦桁架2. 三角形桁架3. 抛物线桁架4. 梯形桁架三、按几何组成分类：简单桁架（simple truss）联合桁架（combined truss）复杂桁架（complicated truss）。四、按受力特点分类：1. 梁式桁架2. 拱式桁架。5、 计算方法：结点法、截面法、联合法结点法：以只有一个结点的隔离体为研究对象，用汇交力系的平衡方程求解各杆的内力的方法。结构计算简化的技巧应用需注意：a相似三角形的应用：在计算中，经常需要把斜杆的内力S分解为水平分力X和竖向分力Y。设斜杆的长度为L,其水平和竖向投影的长度分别为Lx和Ly,则由比例关系可知：b结点单杆：以结点为平衡对象能仅用一个方程求出内力的杆件，称结点单杆（nodal single bar）。 利用这个概念，根据荷载状况可判断此杆内力是否为零。c零杆：零内力杆简称零杆（zero bar）。5.拱式结构分类：从力学计算简图分：三铰拱、两铰拱和无铰供；按应用材料分类：钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构；从拱身截面看：有格构式和实腹式、等截面和变截面。6. 拱的基本特点：在竖向荷载作用下会产生水平推力。区别拱与梁的主要标志：水平推力存在与否。7.带拉杆的拱：在屋架中，为消除水平推力对墙柱影响，在两支座间增加一拉杆，由拉杆来承担水平推力，如上图。8.在桥梁中为了降低桥面高度，可将桥面吊在拱上。如下图。9.拱的特点：在竖向荷载作用下会产生水平推力。优点：水平反力产生负弯矩，可以抵消一部分正弯矩，与简支梁相、比拱的弯矩、剪力较小，轴力较大（压力）,应力沿截面高度分布较均匀。节省材料，减轻自重，能跨越大跨度。宜采用耐压不耐拉的材料 ，如砖石混凝土等。有较大的可利用空间。缺点：拱对基础或下部结构施加水平推力，增加了下部结构材料用量。10.拱的合理轴线：拱式结构受力最理想的情况是使拱身内弯矩为零，仅承受轴力。只要拱轴线的竖向坐标与相同跨度、相同荷载作用下的简支梁弯矩值成比例，即可使拱截面内仅有轴力没有弯矩。满足这一条件的拱轴线称为合理拱轴线。11.拱式结构的选型：一、结构支承方式分：三铰拱、两铰拱和无铰拱。(1).三铰拱是静定结构，其整体刚度较低，尤其是挠曲线在拱顶铰处产生折角，致使活载对桥梁的冲击增强，对行车不利。拱顶铰的构造和维护也较复杂。三铰拱除有时用于拱上建筑的腹拱圈外，一般不作主拱圈。(2).两铰拱取消了拱顶铰，构造较三铰拱简单，结构整体刚度较三铰拱为好，维护也较三铰拱容易，而支座沉降等产生的附加内力较无铰拱为小，因此在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方，可采用两铰拱桥。(3).无铰拱属三次超静定结构，虽然支座沉降等引起的附加内力较大，但在荷载作用下拱的内力分布比较均匀，且结构的刚度大，构造简单，施工方便,因此无铰拱是拱桥中,尤其是钢筋混凝土拱桥中普遍采用的形式。 二、拱的矢高：a矢高应满足建筑使用功能和建筑造型的要求；b失高的确定应使结构受力合理；c矢高的确定应考虑屋面做法和排水方式。三、拱轴线方程：从受力合理的角度出发，应选择合理的拱轴线方程，使拱身内只有轴力。没有弯弯，但合理拱轴线的形式不但与结构的支座约束条件有关还与外荷载的形式有关。12.网格结构与网架结构定义：空间网格结构是由多根杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构。13.网架结构的优越性：a空间工作，传力途径简捷。b重量轻，经济指标好。c刚度大，抗震性能好。d施工安装简便。e网架杆件和节点定型化、商品化生产f网架的平面布置灵活。发展迅速的原因：a社会发展和工程建设的需要。b标准化、工厂化生产。c电子计算技术的应用。14.网架结构的形式与分类：平面桁架系组成的网架结构。 六角锥体组成的网架结构。四角锥体组成的网架结构。 三角锥体组成的网架结构。15.网架结构的选型影响因素：网架制作、安装方法、用钢指标、跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件。实用与经济的原则，多方案比较确定。主要考虑施工制作和用钢指标两个因素。16.网壳结构形式。按组成层数分：单层网壳和双层网壳。 单层柱面网壳：按材料分:木网壳、钢筋混凝土、钢网壳、铝合金网壳、塑料网壳、玻璃钢网壳等。按曲面形式：a单曲面：筒网壳或称为柱网壳。b双曲面：球网壳、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）。17.单层圆柱面网壳的网格可采用：a单向斜杆正交正放网格、b交叉斜杆正交正放网格、c联方网格、d三向网格。18.单层球面网壳的网格可采用：a肋环型、b肋环斜杆型、c三向网格、d扇形三向网格、e葵花形三向网格、f短程线型。19.悬索结构：索的形状是不稳定的(随荷载分布形式变化)。必须采取不同的构造措施，以形成各种具有形状稳定性的悬索体系。类型：a单层悬索加重屋面b预应力“悬挂薄壳”c预应力双层索系d预应力索网e劲性悬索f横向加劲平行索系索-梁(桁)体系g索-拱体系。.20.单层索系加重屋面：设置重屋面的作用使均布重力荷载具有优势，以保证初始形状的相对稳定性。21.悬挂薄壳：单层重屋面体系的进一步演进。a挂屋面板b加超载，然后灌缝c缝结硬后卸去超载，形成悬挂薄壳。22.砌体结构：指用砖、石或砌块为块材，用砂浆砌筑的结构。（砖砌体、石砌体、砌块砌体）砌体结构发展概况：应用范围扩大、新材料、新技术和新结构的不断研制和使用、砌体结构计算理论和计算方法的逐步完善。23.砌体结构的优缺点：优点：a砌体结构材料来源广泛，易于就地取材。b砌体结构有很好的耐火性和较好的耐久性。c砖砌体的保温、隔热性能好，节能效果明显。d可以节约水泥、钢材和木材。e当采用砌块或大型板材作墙体时，可以减轻结构自重，加快施工进度，进行工业化生产和施工。缺点：a砌体结构自重大。b无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度低，抗震及抗裂性能较差。c砌体结构砌筑工作繁重。d砖砌体结构的粘土砖用量很大，往往占用农田，影响农业生产。必须大力发展砌块、煤矸石砖、粉煤灰砖等粘土砖的替代产品。24.砌体结构的应用范围：a主要用于承受压力的构件，如基础、内外墙、柱等。b砌筑围护墙和填充墙等。c桥梁、隧道工程等。25.砌体结构房屋（混合结构)的组成：房屋中墙、柱等竖向承重构件用块体和砂浆砌筑而成的砌体材料，屋盖、楼盖等水平承重构件用钢筋混凝土、轻钢或其他材料建造的房屋称为砌体结构。26. 横墙承重体系：当房屋开间不大(一般为34.5m)，横墙间距较小，将楼(或屋面)板直接搁置在横墙上的结构布置称为横墙承重方案：房间的楼板支承在横墙上，纵墙仅承受本身自重。27. 横墙承重方案的荷载主要传递路线为：楼（屋）面板横墙基础地基。纵墙门窗开洞受限较少、横向刚度大、抗震性能好。适用于多层宿舍等居住建筑以及由小开间组成的办公楼。28.纵墙承重体系：对于要求有较大空间的房屋(如厂房、仓库)或隔墙位置可能变化的房屋，通常无内横墙或横墙间距很大，因而由纵墙直接承受楼面、屋面荷载的结构布置方案即为纵墙承重方案：其屋盖为预制屋面大梁或屋架和屋面板。这类房屋的屋面荷载(竖向)传递路线：板梁(或屋架)纵墙基础地基。 纵墙门窗开洞受限、整体性差。适用于单层厂房、仓库、食堂。29.纵、横墙承重体系：当建筑物的功能要求房间的大小变化较多时，为了结构布置的合理性，通常采用纵横墙布置方案，纵横墙承重方案，既可保证有灵活布置的房间，又具有较大的空间刚度和整体性，所以适用于教学楼、办公楼、多层住宅等建筑。此类房屋的荷载传递路线：楼(屋)面板 基础地基。30.内框架承重体系：对于工业厂房的车间、仓库和商店等需要较大空间的建筑，可采用外墙与内柱同时承重的内框架承重方案，该结构布置为楼板铺设在梁上，梁两端支承在外纵墙上，中间支承在柱上 。此类房屋的竖向荷载的传递路线：楼(屋)面板梁 地基。平面布置灵活、抗震性能差。应充分注意两种不同结构材料所引起的不利影响。31.底部框架承重体系：对于底层为商场、展览厅、食堂等需设置大空间，而上部各层为住宅、宿舍、办公室的建筑，可采用底部框架承重方案。该结构底部以柱代替内外墙，墙和柱都为主要承重构件，上刚下柔，刚度在底层和第二层间发生突变。底层平面布置灵活、但刚度突变对抗震性不利，需考虑上、下层抗侧移刚度比。此类房屋的竖向荷载的传递路线：上部几层梁板荷载内外墙体结构转化层钢筋混凝土梁柱基础地基。 32.变形缝分类：伸缩缝：防止墙体产生过大的温度应力和收缩应力而产生竖向裂缝。设置在平面转折和体形变化处，房屋中部以及错层处。沉降缝：消除地基过大的不均匀沉降而造成的危害。设置在建筑平面转折处；地基压缩性有显著差异处；房屋高度或荷载差异较大处；分期建造房屋的交界处；建筑结构、地基或基础类型不同的交界处。沉降缝将建筑物从屋盖到基础全部断开。防震缝：防止地震时相邻单元相互碰撞。房屋立面高差在6m以上；房屋有错层，且楼板高差较大；各部分结构刚度、质量截然不同时需设置防震缝。33.防震缝缝宽：应根据地震设防烈度和结构相邻部分可能产生的位移（房屋高度）确定，可采用50-100mm。地震区的房屋，其伸缩缝和沉降缝的宽度均应符合防震缝要求。34.墙体布置原则：a尽可能采用横墙承重体系，尽量减少横墙间的距离，以增加房屋的整体刚度。b承重墙布置力求简单、规则，纵墙亦拉通，避免断开和转折，每隔一定距离设一道横墙，将内外纵墙拉结在一起，形成空间受力体系，增加房屋的空间刚度和增强调整地基不均匀沉降的能力。c承重墙所承受的荷载力求明确，荷载传递的途径应简捷、直接。开洞时应使各层洞口上下对齐。d结合楼盖、屋盖的布置，使墙体避免承受偏心距过大的荷载或过大的弯矩。35.高层建筑定义：我国高层建筑混凝土结构技术规程规定，10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物为高层。建筑物高度超过100m时，不论住宅建筑或公共建筑，均为超高层。民用建筑设计通则规定，以高度为24米、100米的住宅和公共建筑分别列为高层及超高层建筑，其防火要求不同。（联合国将9层直到高度100m的建筑定位高层建筑；将30层或高度100m以上的建筑定位超高层建筑。日本将515层的建筑定位高层；而15层以上的建筑称为超高层建筑。）实际上结构没有确切的划分低层、中层和高层的界限，对于结构设计而言影响设计的重要因素水平荷载及其效应是随高度而渐变的。特点：（1）在相同的建设场地中，建造高层建筑可以获得更多的建筑面积，样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨的问题。（2）在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境，并带来更充足的日照、采光和通风效果。（3）从城市建设和管理的角度看，建筑物向高空延伸，可以缩小城市的平面规模，缩短城市道路和各种公共管线的长度，从而节省城市建设与管理的投资。（4）高层建筑中的竖向交通一般由电梯来完成，这样就会增加建筑物的造价，从建筑防火的角度看，高层建筑的防火要求要高于中低层建筑，也会增加高层建筑的工程造价和运行成本。（5）从结构受力特性来看，侧向荷载（风荷载和地震作用）在高层建筑分析和设计中将起着重要的作用，特别是在超高层建筑中将起主要作用。因此，高层建筑的结构分析和设计要比一般的中低层建筑复杂得多。结构体系分类：高层建筑结构按使用材料划分，主要有钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构，以钢筋混凝土结构在高层建筑中的应用最为广泛。A高层建筑按结构体系划分:有框架体系、剪力墙体系、框架-剪力墙体系和筒体体系。B混凝土结构体系常用的混凝土结构体系：框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构。C较新的混凝土结构体系：巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂和悬挑结构、隔震减震结构。D钢结构体系：a框架结构b双重抗侧力体系：钢框架-支撑（剪力墙板）体系、钢框架-混凝土剪力墙体系、钢框架-混凝土核心筒体系c筒体系：框筒体系、桁架筒体系、筒中筒体系、束筒体系。36.控制结构设计的因素：低层、中层和高层建筑都要承受竖向荷载和水平荷载（风荷载及地震作用），其结构设计原理基本相同，但控制结构设计的因素不同；竖向荷载作用下的基底轴力与结构高度成正比，水平荷载产生的基底剪力与结构高度成正比；但水平荷载产生的总体倾覆力矩与结构高度平方成正比，而顶点侧移与结构高度四次方成正比。低层建筑有竖向荷载控制，高层建筑一般由水平荷载控制。37.控制侧移原因：过大的位移使人不舒服，影响使用；过大的位移使填充墙及装修出现裂缝或损坏，也会使电梯变形；过大的位移使主体结构出现裂缝，甚至损坏；过大的位移使得结构产生附加内力，引起P-效应。38.框架结构体系概念：由梁、柱组成的框架作为竖向承重和抗水平作用的结构体系。优点：在建筑上能够提供较大的空间，平面布置灵活。缺点: 抗侧刚度较小，在水平荷载作用下位移大，抗震性能较差，亦称“柔性结构”。39.框架结构房屋最大适用高度：“抗侧刚度小，水平位移大”，是种柔性结构体系。合理层数是6一l 5层，最经济是10层左右。高宽比为3一5。我国高层建筑混凝土结构技术规程规定了框架结构最大适用高度应不超过表规定。(a房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出的电梯机房、水箱等；b表中框架不含异型框架结构。) 0.框架结构的组成：由梁和柱连接而成的。梁柱连接处一般为刚性连接也可为铰接连接当为铰接连接时我们通常叫它排架结构。框架结构一般要求框架梁宜连通，框架柱在纵横两个方向应有框架梁连接，梁、柱中心线宜重合，框架柱宜纵横对齐、上下对中。使用功能或建筑造型上的要求，框架结构也可作成抽梁、抽柱、内收、外挑、斜梁、斜柱等形式。41.框架结构的布置包括：框架柱布置和梁格布置。42.框架柱的布置：a柱网布置应满足建筑功能的要求：在住宅、旅馆等民用建筑中，柱网布置应与建筑隔墙布置相协调尽量减少柱网对建筑使用功能的影响。b柱网布置应规则、整齐、间距适中，传力体系明确，结构受力合理应沿建筑物的两个主轴方向都应设置框架；柱网的尺寸还受到梁跨度的限制，一般常使梁跨度在69m为宜。c柱网布置应便于施工。d结构布置应考虑施工方便，以加快施工进度，降低工程造价。43.梁格布置：柱网确定后，用梁把柱连起来，即形成框架结构。沿建筑物长向的称纵向框架，沿短向的称横向框架。44.变形缝的设置：当房屋纵向太长、立面高差太大、体型比较复杂的情况，我们对建筑就应进行变形缝的设置。伸缩缝也叫温度缝，其设置主要与结构的长度有关，当未采取可靠措施时，伸缩缝间距不宜超过表31的限值。沉降缝的设置：主要与基础受到的上部荷载及场地的地质条件有关。温度缝与沉降缝的缝宽一般不小于50mm。防震缝的设置：应力求使各结构单元简单、规则，刚度和质量分布均匀，避免发生地震作用下的扭转效应。框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。设缝原则：“少设或三缝合一”。 建筑设计：应通过调整平面形状、尺寸、体型等措施；结构设计：应通过选择节点连接方式、配置构造钢筋、设置刚性层等措施。施工方面：应通过分阶段施工、设置后浇带、做好保温隔热层等措施，来防止由于温度变化、不均匀沉降、地震作用等因素所引起的结构或非结构构件的损坏。45.框架结构的抗震布置要求：(1)房屋的平面、立面宜简单、规则。(2)楼、电梯间不宜布置在结构单元的两端和拐角部位。(3)各层楼板应尽量设置在同一标高上，尽可能不采用复式框架。(4)房屋高低层不宜用牛腿相连，宜用缝分开。46.框架结构的分类：按照材料分:钢框架、钢筋混凝土框架。钢筋混凝土框架结构按施工方法的不同，分为全现浇式、半现浇式、装配式和装配整体式4种。框架结构按承重方式不同分为全框架结构、内框架结构、底层框架结构三种。47.剪力墙：是一种抵抗竖向荷载引起的轴向作用和风荷载、地震作用等引起的剪切、弯曲作用的结构单元。其刚度较大，一般是钢筋混凝土的墙片。为整个房屋提供很大的抗剪强度和刚度。48.剪力墙结构：结构水平和竖向荷载全部由剪力墙承担的结构体系。49.按剪力墙的整体性(墙体开洞大小)分：49.剪力墙体系的优点：a结构整体性强抗侧刚度大，侧向变形小，在承载力方面的要求易得到满足，适于建造较高的建筑；b集承重、抗风、抗震、围护与分隔为一体，经济合理地利用了结构材料；c用钢量较省；d抗震性能好，具有承受强烈地震裂而不倒的良好性能；e与框架结构体系相比施工相对简便与快速。缺点：a墙体较密，使建筑平面布置和空间利用受到限制，较难满足大空间建筑功能的要求；b结构自重较大，加上抗侧刚度较大，结构自振周期较短，导致较大的地震作用。50.框架剪力墙结构：由框架与剪力墙组合而成的结构体系。在整个框架剪力墙结构体系中，框架与剪力墙同时存在，剪力墙承担绝大部分的水平荷载，而框架则承担竖向荷载为主，两者共同受力，合理分工。其剪力墙布置：a.剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边、楼梯间、电梯间、平面形状变化和竖向荷载较大等部位。在实际工程中，剪力墙间距一般在2.5B及30m以内。b.平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。c.纵横剪力墙宜组成L形、T形和槽形等形式。d.剪力墙不宜太长，总高度与长度之比宜大于2。e.不宜在伸缩缝和防震缝两侧同时布置剪力墙，纵向剪力墙不宜布置在端部，而应布置在中部。f.剪力墙宜贯通建筑物的全高，避免刚度突变。图6.10是框架剪力墙结构根据建筑平面几何图形进行剪力墙布置的典型平面。其适用范围：由于框架剪力墙是以框架为主体、以剪力墙为辅助，以补救框架结构不足的一种组合体系，适用于25层以下的建筑，最高不宜超过30层。51.普通剪力墙结构概念：全部由剪力墙组成的结构体系，其墙体的布置实际上等于将砌体结构的块体承重墙换成现浇的钢筋混凝土墙。结构布置：常采用平面布置的形式。钢筋混凝土墙承受全部竖向荷载和水平力，所以剪力墙应双向或多向布置，并且拉通对直，如图6.11所示。对于矩形、L形、T形平面，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置；对于三角形平面、T形平面，剪力墙沿三个方向布置；对于正方形、圆形和弧形平面，剪力墙可沿径向及环向布置。剪力墙的数量在方案设计阶段就要合理地确定，尽量对称、均匀，且数量适当。剪力墙长度不宜过长，过长会导致结构刚度过大，加大抗震能力，不经济。剪力墙为67m的大开间比33.9m的小开间经济，能降低材料用量，增加使用面积。剪力墙上的洞口宜上下对齐，并列布置。适用范围：由于普通剪力墙结构全部由纵横墙体组成，其刚度比框架剪力墙结构更好，对于40层以下的高层住宅、高层旅馆、公寓十分通用。普通剪力墙结构的建筑物高宽比不宜大于6，其高度要考虑抗震要求，地震区7度设防时为120m左右，8度设防时为100m左右，9度设防时为60m左右。为满足高层建筑多功能、综合用房的需要，顶部楼层采用普通剪力墙结构以满足旅馆和住宅的要求，中部办公用房则需要中、小室内空间同时存在，则宜采用框支剪力墙结构，底部做商店或停车场需要大空间，则宜加大柱网，尽量减少墙体，这样的结构布置称为框支剪力墙结构，如图6.12所示。52.框支剪力墙结构由于结构底部与上部结构刚度不同，易产生突变，故抗震性差。对抗震要求较高的房屋，宜经过专门的试验研究后方可使用框支剪力墙结构。57.筒体体结构平面布置要点：（1）筒体结构平面形式选用方形、圆形为好，也可用对称的三角形或人字形平面。当采用矩形平面时，长宽比不宜大于2。（2）外框筒密柱间距一般为1.223m。平面四角处的柱子