结构概念和体系第0章汇编

1、2021-11-221结构概念和体系结构概念和体系 Structural Concepts and Systems （电子课件）（电子课件） 编制编制 ：计学闰：计学闰 高等教育出版社高等教育出版社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社绪绪 论论(Introduction )(Introduction )绪绪 论论( (Introduction ) ) 第第1 1章章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念(Some Important Concepts of Structure) 第第2 2章章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 (The General Problems in

2、Structural Design )第第3 3章章 结构的水平体系结构的水平体系(The Horizontal Systems of Structure )第第5 5章章 工程实例简介工程实例简介(Introduction to Engineering Examples )第第4 4章章 结构的竖向体系结构的竖向体系(The Vertical Systems of Structure )绪 论（Introduction）结构概念结构概念结构体系结构体系课程意义课程意义0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义随着科学技术的飞速发展随着科学技术的飞速发展专业之间的联系常被忽视，使学生的知识变得零

3、碎了专业之间的联系常被忽视，使学生的知识变得零碎了专业和学科专业和学科之间的分工之间的分工越来越细越来越细这对科学技这对科学技术的发展是术的发展是非常必要的非常必要的但过细的分但过细的分工有时也带工有时也带来一些弊病来一些弊病 平时只重视平时只重视构件的设计计算构件的设计计算，而对，而对结构体系结构体系的构成的构成及其重要及其重要性认识不足。性认识不足。 有的学生虽能有的学生虽能求解复杂的力学问求解复杂的力学问题，却不会从简单题，却不会从简单的工程结构中抽象的工程结构中抽象出出计算简图计算简图。 有的学生虽有的学生虽能设计高层或大能设计高层或大跨建筑，但对最跨建筑，但对最基本的基本的结构概念结

4、构概念理解不深。理解不深。 作为一名合格的建筑作为一名合格的建筑师或结构工程师应在师或结构工程师应在设计的设计的最初阶段最初阶段作出结构决定，对作出结构决定，对结构进行定性判断，并能够结构进行定性判断，并能够较快地作出近似的定量分析。较快地作出近似的定量分析。 0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义 招标书招标书工程结构的设计进程工程结构的设计进程初步设计初步设计施工图设计施工图设计方案设计方案设计0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义先进的设计思想先进的设计思想充分地体现出来充分地体现出来通过通过方案设计方案设计结结 构构 工工 程程 师师 在特定的建筑空间中用整体概念来设计在特定的建筑

5、空间中用整体概念来设计结构，并能有意识地利用总结构体系与各基结构，并能有意识地利用总结构体系与各基本体系之间力学关系。本体系之间力学关系。主要任务主要任务 不仅能精确地计算和分析一个给定的体不仅能精确地计算和分析一个给定的体系或构件。同时也要求具备丰富、踏实的整系或构件。同时也要求具备丰富、踏实的整体结构概念和基本体系的相互比较概念。体结构概念和基本体系的相互比较概念。同时同时 国际上公认的优国际上公认的优秀结构，都是由一种秀结构，都是由一种或几种结构体系有机或几种结构体系有机结合而成。结合而成。0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义本课程是一门理论与实际联系密切，多学科综合性的专业课本课程

6、是一门理论与实际联系密切，多学科综合性的专业课 引导学生深入理解结构概念，学会从房屋总体（而不引导学生深入理解结构概念，学会从房屋总体（而不只是结构构件）来分析和理解结构体系。介绍和分析各种只是结构构件）来分析和理解结构体系。介绍和分析各种常见的水平结构体系、竖向结构体系和工程实例。常见的水平结构体系、竖向结构体系和工程实例。介绍国内外著介绍国内外著名的建筑结构名的建筑结构剖剖 析析典型工程典型工程钢钢 结结 构构施工技术施工技术钢筋混凝土钢筋混凝土及砌体结构及砌体结构经济学等经济学等建筑设备建筑设备力力 学学房屋建筑学房屋建筑学 目的在于对各门目的在于对各门 课程作横向联系课程作横向联系0.

7、1 0.1 本课程的意义本课程的意义 使使学生学生 开阔开阔视野视野 了解作为建了解作为建筑功能和形式因筑功能和形式因素的结构体系的素的结构体系的基本类型及组成基本类型及组成 了解和掌握了解和掌握建筑方案中空间建筑方案中空间形式和结构性能形式和结构性能的相互关系的相互关系 理解理解和体会一和体会一些重要的些重要的结构概念结构概念 学会从工程中抽象出计算简图，用近似方法学会从工程中抽象出计算简图，用近似方法快速快速估算估算和比较各种设计方案，使得在房屋设计的最初阶段就能保和比较各种设计方案，使得在房屋设计的最初阶段就能保证建筑设计与结构设计的基本协调。了解世界建筑业的现证建筑设计与结构设计的基本

8、协调。了解世界建筑业的现状以及我国建筑业的发展方向，以提高学生的专业素质。状以及我国建筑业的发展方向，以提高学生的专业素质。剖析典型工程，介绍国内外著名的建筑结构剖析典型工程，介绍国内外著名的建筑结构0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义 一栋优秀的现代建筑必然是众多专业一栋优秀的现代建筑必然是众多专业密切配合、创造性合作密切配合、创造性合作的成果。的成果。建筑物建筑物材料材料经济经济设备设备施工施工结构结构建筑建筑其他其他 要加强各学科之间的相互渗透，要加强各学科之间的相互渗透，使建筑、结构、设备、环境等达到完美统一。使建筑、结构、设备、环境等达到完美统一。0.1 0.1 本课程的意义本课

9、程的意义 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 从力学方面从力学方面: 铁塔可看成是嵌固铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁，对于在地上的悬臂梁，对于高耸入云的铁塔来说，高耸入云的铁塔来说，风荷载是其主要荷载，风荷载是其主要荷载，由于铁塔的总体外形与由于铁塔的总体外形与风荷引起的弯矩图相似，风荷引起的弯矩图相似，因此充分利用了塔身材因此充分利用了塔身材料的强度和刚度，受力料的强度和刚度，受力非常合理。非常合理。风风荷荷下下的的弯弯矩矩图图M 以巴黎艾菲尔铁塔（以巴黎艾菲尔铁塔（Eiffel Tower）为例，它是）为例，它是1889年为纪年为纪念法国大革命胜利一百周年及巴黎世博会而建的标志性建筑，高念法国大革命胜利

10、一百周年及巴黎世博会而建的标志性建筑，高320 m，为当时世界第一高度，用钢达，为当时世界第一高度，用钢达9000t。它不仅满足了标志。它不仅满足了标志性建筑及展览功能要求，并且由于其精美设计，一直保留至今。性建筑及展览功能要求，并且由于其精美设计，一直保留至今。 0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 从建筑方面从建筑方面: 现 在 ， 艾 菲现 在 ， 艾 菲尔铁塔已成为巴黎尔铁塔已成为巴黎和法国的象征。可和法国的象征。可见一栋优秀的建筑见一栋优秀的建筑在社会、政治、经在社会、政治、经济和文化中所起的济和文化中所起的重 大 作 用 。 每 年重 大 作 用 。 每

11、年 600600多万旅游者登多万旅游者登塔观光，旅游收入塔观光，旅游收入也十分可观。也十分可观。0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义 菲尔铁塔菲尔铁塔 从结构方面：从结构方面： 底部底部斜框架斜框架轻易地跨越了大街，塔下畅通轻易地跨越了大街，塔下畅通无阻，更显铁塔的雄伟壮观。艾菲尔铁塔可谓建筑、结构完无阻，更显铁塔的雄伟壮观。艾菲尔铁塔可谓建筑、结构完美统一的代表。美统一的代表。2021-11-22130.1 0.1 本课程的意义本课程的意义 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 2021-11-22140.1 0.1 本课程的意义本课程的意义艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔2021-11-2215例：双曲抛物面冷却

12、塔例：双曲抛物面冷却塔（Cooling Tower with Hyperbolic Paraboloid Shell）从工艺方面：从工艺方面： 汽轮机的效率和进汽温度汽轮机的效率和进汽温度与出汽温度之差有关，温差越与出汽温度之差有关，温差越大，效率越高，所以要用水来大，效率越高，所以要用水来冷却汽轮机。冷却水被加热后，冷却汽轮机。冷却水被加热后，用管道送到冷却塔顶部喷洒下用管道送到冷却塔顶部喷洒下来，并通过来，并通过滴水板滴水板尽量延长热尽量延长热水下落的路程，同时冷空气从水下落的路程，同时冷空气从冷却塔下部进入塔内，与热水冷却塔下部进入塔内，与热水进行热交换，被加热的冷空气进行热交换，被加热

13、的冷空气体积膨胀，容重减轻，缓缓上体积膨胀，容重减轻，缓缓上升。升。 人们在世界各地的火电厂附近常见到钢筋混凝土双曲抛物面人们在世界各地的火电厂附近常见到钢筋混凝土双曲抛物面冷却塔冷却塔（Reinforced Concrete Cooling Tower with hyperbolic paraboloid Shell），其功能是要冷却汽轮机中被加热了的冷却水。其功能是要冷却汽轮机中被加热了的冷却水。 双曲抛物面冷却塔塔身中双曲抛物面冷却塔塔身中部略细，加速了空气上升速度，部略细，加速了空气上升速度，形成上拔力，加速空气流动。形成上拔力，加速空气流动。到塔身上部，上升的空气被继到塔身上部，上升

14、的空气被继续加热，体积更加膨胀。此时，续加热，体积更加膨胀。此时，上部塔身略为放宽，减少了上上部塔身略为放宽，减少了上升空气的阻力，有利于空气流升空气的阻力，有利于空气流动。可见，双曲抛物面冷却塔动。可见，双曲抛物面冷却塔在冷却工艺上是很合理的。在冷却工艺上是很合理的。热水热水冷空气冷空气滴水滴水板板2021-11-2216例：双曲抛物面冷却塔例：双曲抛物面冷却塔(Cooling Tower with Hyperbolic Paraboloid Shell)从结构方面从结构方面： 圆形平面与矩形平面相比风圆形平面与矩形平面相比风荷载可减少约荷载可减少约30%; 塔身下部外塔身下部外形与风荷载作

15、用下的弯矩图相似，形与风荷载作用下的弯矩图相似，逐渐加大的直径对塔身稳定性十逐渐加大的直径对塔身稳定性十分有利，使自上而下逐渐增大的分有利，使自上而下逐渐增大的结构自重均匀分布。结构自重均匀分布。从施工方面从施工方面： 双曲抛物面是一个旋转曲面，双曲抛物面是一个旋转曲面，可由一根倾斜母线绕纵轴旋转而可由一根倾斜母线绕纵轴旋转而成，成，曲面上曲面上存在两个母线方向。存在两个母线方向。即即曲面上任一点都存在两根曲面曲面上任一点都存在两根曲面上的直线上的直线，施工比较方便，施工比较方便。轴线轴线母母线线2021-11-2217例：双曲抛物面冷却塔例：双曲抛物面冷却塔（ Cooling Tower w

16、ith hyperbolic paraboloid Shell） 双曲抛物面冷却塔可谓建筑造型、结构形式和使双曲抛物面冷却塔可谓建筑造型、结构形式和使用功能的完美结合，世界各地到处都可看到双曲抛物用功能的完美结合，世界各地到处都可看到双曲抛物面冷却塔。面冷却塔。可见，即使设计像冷却塔这样一种可见，即使设计像冷却塔这样一种工程构工程构筑物筑物也要求设计者具有渊博的知识。也要求设计者具有渊博的知识。 双曲抛物面冷却塔优美的结构形双曲抛物面冷却塔优美的结构形式，加上冉冉升起的水气形成地平线上式，加上冉冉升起的水气形成地平线上一道美丽的风景线，十分壮观。采用双一道美丽的风景线，十分壮观。采用双曲抛物面

17、壳这种薄壁空间结构，受力合曲抛物面壳这种薄壁空间结构，受力合理，自重轻，不但安全可靠，也经济合理，自重轻，不但安全可靠，也经济合理。理。2021-11-2218例例: 声音聚焦声音聚焦 SonicFocussing 球形或抛物面形的屋盖结构球形或抛物面形的屋盖结构( (壳体或拱结构壳体或拱结构) )，若曲面的，若曲面的焦点位置处理不当，会形成焦点位置处理不当，会形成声聚焦声聚焦。在焦点附近，强大的噪。在焦点附近，强大的噪音音会使人难以忍受，严重影响使用功能。音音会使人难以忍受，严重影响使用功能。 改变曲率改变曲率或或加设吊顶加设吊顶，可以减少或消除这种声聚焦的现，可以减少或消除这种声聚焦的现象

18、。可见，在设计的方案阶段，应注意基本的建筑功能、空象。可见，在设计的方案阶段，应注意基本的建筑功能、空间形式与结构体系的协调一致。间形式与结构体系的协调一致。(b)(a)(b)(a) 拱形天棚的声音聚焦现象拱形天棚的声音聚焦现象0.1 0.1 本课程的意义本课程的意义更深入地理解和体会一些重要的结构概念更深入地理解和体会一些重要的结构概念本课程的本课程的意义意义 了解作为了解作为建筑功能和形建筑功能和形式因素的结构式因素的结构体系的基本类体系的基本类型及组成型及组成 了解和掌了解和掌握建筑方案握建筑方案中空间形式中空间形式和结构性能和结构性能的相互关系的相互关系学会用近似方法学会用近似方法快速

19、快速估估算和比较各种设计方案算和比较各种设计方案 学会从工程中学会从工程中抽象出抽象出计算简图计算简图 使得在房屋设计的方使得在房屋设计的方案阶段就能保证建筑设案阶段就能保证建筑设计与结构设计的基本协计与结构设计的基本协调。调。 概 述（Introduction） 结构概念结构概念结构体系结构体系课程意义课程意义0.2 结构概念结构概念自自 重重结构结构(Structure)是建筑物的是建筑物的基本受力骨架基本受力骨架 外部荷载作用外部荷载作用 变形作用变形作用环境作用环境作用 结构自结构自重，如梁、重，如梁、板、柱、墙板、柱、墙及构造层荷及构造层荷重等重等 活荷活荷载、风荷载、风荷载、雪荷载

20、、雪荷载、地震载、地震作用等作用等 温度变化引温度变化引起的变形、地基起的变形、地基沉降、结构材料沉降、结构材料的收缩和徐变变的收缩和徐变变形等形等 阳光、阳光、雷雨、海水、雷雨、海水、大气污染作大气污染作用等用等结构失效将带来生命和财产的巨大损失。结构失效将带来生命和财产的巨大损失。因此在设计中对结构要有因此在设计中对结构要有最基本的功能要求最基本的功能要求。0.2 结构概念结构概念可靠可靠Safety 适用适用Serviceability耐久耐久 Durability 在偶然事故在偶然事故后后 ( afteranaccident ) 仍能保仍能保持结构的整体稳持结构的整体稳定性定性（Gen

21、eralStability）1. 失效（破坏）失效（破坏）后果后果是否严重是否严重2.2.失效（破坏）失效（破坏）预兆预兆是否明显是否明显3.3.失效（破坏）失效（破坏）概率概率的大小的大小 在结构局部遭到破坏在结构局部遭到破坏后，仍能保持有足够的承载后，仍能保持有足够的承载能力，不产生倾覆或失稳，能力，不产生倾覆或失稳，不产生过大的变形和裂缝，不产生过大的变形和裂缝，使损失控制在局部范围内。使损失控制在局部范围内。结结 构构 的的 基基 本本 功功 能能 要要 求求TheBasicPerformanceofStructure 世界上世界上没有绝对的安没有绝对的安全可靠！所谓全可靠！所谓安全就

22、是失效安全就是失效概率小到人们概率小到人们可以接受的程可以接受的程度。度。0.2 结构概念结构概念武汉长江大桥武汉长江大桥 工程中工程中通常采用多通常采用多次次超静定超静定结结构。当某个构。当某个杆件遭到破杆件遭到破坏后结构会坏后结构会产生内力重产生内力重分布，保证分布，保证结构整体不结构整体不倒塌。倒塌。 概 述 （Introduction） 结构概念结构概念结构体结构体系系课程意义课程意义结构体系结构体系：是是由许多结构构件由许多结构构件有效地组合有效地组合起来起来的的结结构构的整体的整体，用，用以承受各种以承受各种可能的可能的外部作用。外部作用。0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系

23、和其他体系（系统）仅仅为人类提供一个挡风避雨的场所仅仅为人类提供一个挡风避雨的场所不仅要为人们提供有效的空间和环境，不仅要为人们提供有效的空间和环境，还提供良好的还提供良好的设备和其它环境保障系统设备和其它环境保障系统早期早期房屋房屋现代现代建筑建筑0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系和其他体系（系统）水水(Water and Waste water)一幢现代建筑中的其他设施系统主要有一幢现代建筑中的其他设施系统主要有: 暖暖(Energy)电电(Electrical and Information works ) 上水系上水系统、排水系统、排水系统、消防水统、消防水系统等系统等 能源系

24、统包能源系统包括煤气、燃油、括煤气、燃油、蒸汽、热水、采蒸汽、热水、采暖或空调系统等暖或空调系统等 动力电和照明电系统、应急动力电和照明电系统、应急照明系统、电报、电传、电话、照明系统、电报、电传、电话、电视、信息网络系统、信息传电视、信息网络系统、信息传感系统、安全监控系统等感系统、安全监控系统等 这些系统都有其各自的特殊要求，又必须统一安置在房屋这些系统都有其各自的特殊要求，又必须统一安置在房屋内部。既要保证这些设施正常有效地运行，又要满足房屋的使内部。既要保证这些设施正常有效地运行，又要满足房屋的使用功能，有时会发生一些矛盾，这就要求设计人员用功能，有时会发生一些矛盾，这就要求设计人员在

25、建筑设计在建筑设计的最初阶段的最初阶段协调好各个系统的基本要求。协调好各个系统的基本要求。0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系和其他体系（系统） 例如，设备系统往例如，设备系统往往需要竖井，通风管道，往需要竖井，通风管道，这些竖井和通风管道难这些竖井和通风管道难免与建筑使用功能或结免与建筑使用功能或结构构件发生矛盾，这就构构件发生矛盾，这就需要在总体方案中给予需要在总体方案中给予充分考虑，一旦方案确充分考虑，一旦方案确定，各专业系统的设计定，各专业系统的设计已完成，再作修改就很已完成，再作修改就很困难了，有时会造成设困难了，有时会造成设计工作的大量返工，或计工作的大量返工，或严重影响使用

26、功能。严重影响使用功能。 图示为锯齿形纺织图示为锯齿形纺织厂中风道与结构构件的厂中风道与结构构件的结合，使结合，使车间内部整齐车间内部整齐美观。美观。 左图为在多层厂左图为在多层厂房中利用梁间空间作通房中利用梁间空间作通风和排风道，使风和排风道，使结构系结构系统和通风系统有机地结统和通风系统有机地结合在一起。合在一起。 风道梁风道天沟出风口送风道回风道梁 以单层工以单层工业厂房中的业厂房中的屋架为例屋架为例0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系和其他体系（系统）结构体系结构体系荷荷 载载结构构件结构构件构件设计构件设计内内 力力构件设计构件设计配筋计算配筋计算结构设计结构设计在结构体系中构

27、件的受力状态与构件设计时的计算简图不完全相同在结构体系中构件的受力状态与构件设计时的计算简图不完全相同 设计屋架时我们只考虑用屋架来承受作用在屋架设计屋架时我们只考虑用屋架来承受作用在屋架平面内的荷载，屋架在竖向能承受很大的竖向荷载，平面内的荷载，屋架在竖向能承受很大的竖向荷载，也有很大的抗弯刚度。但也有很大的抗弯刚度。但屋架在其出平面方向屋架在其出平面方向( (垂直垂直屋架平面方向屋架平面方向) )的刚度和承载力都非常小，甚至小到的刚度和承载力都非常小，甚至小到可以忽略不计。可以忽略不计。 但是，完成屋盖支撑系统和盖上屋面板以后，屋盖就成为但是，完成屋盖支撑系统和盖上屋面板以后，屋盖就成为一

28、个刚度很大的一个刚度很大的“刚性盘体刚性盘体”，可以承受各个方向的荷载，协，可以承受各个方向的荷载，协调各柱的变形，屋盖体系在水平方向还可以承受很大的水平弯调各柱的变形，屋盖体系在水平方向还可以承受很大的水平弯矩和水平剪力。此时，矩和水平剪力。此时，屋架只是屋盖体系的一部分，甚至只相屋架只是屋盖体系的一部分，甚至只相当于整个屋盖系统的当于整个屋盖系统的“加劲肋加劲肋”。由于结构体系的有效高度很。由于结构体系的有效高度很大，按结构体系工作时附加给各个构件的内力一般都很小，在大，按结构体系工作时附加给各个构件的内力一般都很小，在设计中常忽略不计，不会影响各构件的承载力。设计中常忽略不计，不会影响各

29、构件的承载力。0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系和其他体系（系统） 如何将各结构构件组合如何将各结构构件组合成有效的结构体系，对结构成有效的结构体系，对结构设计人员来说，是十分重要设计人员来说，是十分重要的。在高层建筑和抗震结构的。在高层建筑和抗震结构设计中显得尤其重要。设计中显得尤其重要。 结构设计中都要求解结构内力，可是在许多结构设计中都要求解结构内力，可是在许多情况下，引起内力的荷载是含糊不清的。情况下，引起内力的荷载是含糊不清的。 例如，地例如，地基不均匀下沉基不均匀下沉引起的结构内引起的结构内力。由于地基力。由于地基和结构的交互和结构的交互作用，实际结作用，实际结构内力的大小

30、，构内力的大小，很难准确求得。很难准确求得。 再如，抗震设计中，地震本身就是再如，抗震设计中，地震本身就是个随机量，地震荷载是个惯性力，它与个随机量，地震荷载是个惯性力，它与结构刚度有关，随着地震的发展，结构结构刚度有关，随着地震的发展，结构刚度也在变化。尽管我们对地震已进行刚度也在变化。尽管我们对地震已进行了许许多多的调查研究，但至今房屋的了许许多多的调查研究，但至今房屋的抗震主要还依靠抗震主要还依靠“概念设计概念设计”，即提高，即提高结构的整体性，形成可靠的结构体系，结构的整体性，形成可靠的结构体系，以抵抗各种可能的不利作用以抵抗各种可能的不利作用。把房屋组成可靠的结构体系显得尤为重要把房

31、屋组成可靠的结构体系显得尤为重要0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系和其他体系（系统） 以常见的以常见的混合结构房屋混合结构房屋为例，设置圈为例，设置圈梁和构造柱对梁和构造柱对形成结构体系形成结构体系十分有利。当十分有利。当地基产生不均地基产生不均匀沉降时，房匀沉降时，房屋就会有较大屋就会有较大的整体变形，的整体变形，如图所示。如图所示。 我们可把整个房我们可把整个房屋 看 作 一 受 弯 的屋 看 作 一 受 弯 的“梁梁”， 当房屋中部当房屋中部下沉时，设在基础顶下沉时，设在基础顶面的圈梁就像面的圈梁就像“梁梁”的配筋一样承受拉力。的配筋一样承受拉力。尽管圈梁的配筋很少尽管圈梁的配筋很少( ( 一 般 只 配一 般 只 配 4 1 0 或或412) )，然而这根，然而这根“梁梁”的有效高度相当于房的有效高度相当于房屋总高，内力臂很大，屋总高，内力臂很大，很少的几根钢筋就可很少的几根钢筋就可以承受很大的弯矩，以承受很大的弯矩，阻止砌体开裂，并减阻止砌体开裂，并减少不均匀沉降。少不均匀沉降。 当房屋两端下沉时，设在房屋顶当房屋两端下沉时，设在房屋顶部的圈梁，作用完全相同部的圈梁，作用完全相同。 0.3 结构体系和其他体系（系统）结构体系和其他体系（系统） 从这个例子中我们可以看出，从这个例子中我们可以看出，圈