建筑结构复习资料

建筑结构复习资料一、绪论：建筑结构的认知与基本要求建筑结构，简而言之，是建筑物中用以承受荷载、传递内力、并维持其整体稳定性的骨架系统。它不仅是建筑物安全的根本保障，也在很大程度上影响着建筑的使用功能、造型美学及经济合理性。理解建筑结构，首先需要明确其基本功能：安全性、适用性与耐久性，这三者共同构成了结构设计的核心目标。在学习建筑结构的过程中，我们需建立起“整体-构件-材料”的层级概念。从宏观的结构体系，到中观的构件受力，再到微观的材料性能，三者相互关联，缺一不可。同时，结构设计并非孤立的技术行为，它需要与建筑功能、施工条件、经济因素乃至环境影响进行综合考量，这体现了结构工程师的系统思维与综合素养。二、结构设计基本原则与荷载（一）结构设计的基本原则结构设计必须遵循国家现行规范与标准，其根本目的在于确保结构在规定的设计使用年限内，能够安全、可靠地承受可能出现的各种作用。核心原则包括：1.功能适用性原则：结构应满足预定的使用功能，在正常使用条件下具有良好的工作性能，如不应产生过大的变形或振动，以免影响使用或造成使用者不适。2.安全可靠性原则：结构在施工和使用期间，对可能发生的各种荷载和不利因素（如地震、温度变化等），应具有足够的承载能力（强度）和稳定性，以防止结构破坏或倒塌。3.耐久性原则：结构在使用环境下，应具有抵抗材料劣化（如钢材锈蚀、混凝土碳化等）的能力，确保其在设计使用年限内不需要过大的维护就能保持其应有功能。4.经济合理性原则：在满足安全、适用、耐久的前提下，应通过优化设计、合理选材、高效施工等手段，控制工程造价，追求最佳的综合经济效益。（二）荷载的分类与代表值荷载是指作用在结构上的主动力。准确识别和计算荷载，是结构设计的首要步骤。1.按随时间的变异分类：*永久荷载（恒荷载）：在结构设计使用年限内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。如结构自重、土压力、预应力等。其代表值为标准值。*可变荷载（活荷载）：在结构设计使用年限内，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。如楼面活荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。其代表值包括标准值、组合值、频遇值和准永久值，其中标准值是基本代表值，其他代表值根据不同的极限状态和组合情况选用。*偶然荷载：在结构设计使用年限内不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。如地震作用、爆炸力、撞击力等。其代表值一般为标准值，且在设计中通常采用专门的组合规则。2.按荷载作用的方向分类：可分为竖向荷载（如自重、楼面活载）、水平荷载（如风荷载、地震作用）等。3.荷载的标准值：是荷载的基本代表值，指结构在正常使用条件下可能出现的最大荷载值，一般由规范规定或通过统计方法确定。在进行结构构件设计时，需根据不同的极限状态（承载力极限状态或正常使用极限状态），将不同类型的荷载按规范规定的组合规则进行组合，得到设计值进行计算。三、建筑材料的基本性能结构材料是构成结构的物质基础，其性能直接影响结构的受力行为、安全度和耐久性。建筑结构中常用的材料主要有混凝土、钢材、砌体等。（一）混凝土混凝土是由胶凝材料（主要是水泥）、骨料（砂、石）、水以及必要时掺入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经硬化而成的人造石材。1.强度：是混凝土最重要的力学性能。*立方体抗压强度（fcu）：以边长为150mm的立方体试块，在标准养护条件下养护28天后，按标准试验方法测得的抗压强度，是混凝土强度等级划分的依据，如C30、C40等，其中C后面的数字表示立方体抗压强度标准值（MPa）。*轴心抗压强度（fc）：棱柱体试块（高度与边长比为2~3）的抗压强度，更接近实际构件中混凝土的受压情况，是结构设计中混凝土轴心受压和偏心受压承载力计算的依据。*轴心抗拉强度（ft）：混凝土的抗拉强度远低于其抗压强度（约为抗压强度的1/8~1/20），这是混凝土的重要弱点，也是导致混凝土构件开裂的主要原因。2.变形性能：包括弹性变形、塑性变形、徐变和收缩。徐变是指混凝土在长期不变荷载作用下，随时间而增长的变形；收缩是指混凝土在凝结硬化和使用过程中，在无外力作用下体积缩小的现象。两者都会对结构产生不利影响，如引起预应力损失、结构变形增大等。（二）钢筋建筑结构中常用的钢材主要是热轧钢筋和预应力钢筋。1.强度：*屈服强度（fy）：当钢筋的应力超过弹性极限后，应力不增加或开始有所下降而应变持续增加的现象称为屈服。屈服阶段的最小应力值为屈服强度，是钢筋强度设计值的主要依据。*极限强度（fu）：钢筋拉断前所能承受的最大应力值，反映了钢筋的承载潜力和延性储备。2.塑性：钢筋在断裂前产生永久变形的能力，通常用伸长率和冷弯性能来衡量。良好的塑性是结构在破坏前能够产生明显变形、避免脆性破坏的重要保证。3.与混凝土的粘结性能：钢筋与混凝土之间通过粘结力共同工作，传递内力。粘结力主要由化学胶结力、摩擦力和机械咬合力组成。保证足够的粘结性能，是钢筋混凝土结构受力性能的基础。（三）钢筋与混凝土的共同工作钢筋混凝土结构之所以得到广泛应用，正是利用了钢筋与混凝土两种材料性能的互补性：混凝土抗压强度高而抗拉强度低，钢筋抗拉强度高且具有良好的塑性。两者之间可靠的粘结力，使得它们能共同受力，充分发挥各自的优势。在钢筋混凝土构件中，通常在受拉区配置钢筋以承受拉力，混凝土主要承受压力，有时也利用其受压区混凝土承受压力。四、基本构件设计原理（一）受弯构件（梁）梁是典型的受弯构件，主要承受竖向荷载，在截面上产生弯矩和剪力。1.正截面受弯承载力：*适筋梁：当梁内纵向受拉钢筋配置适量时，梁的破坏始于受拉钢筋屈服，然后受压区混凝土被压碎。这种破坏有明显的预兆，属于延性破坏，是设计所追求的。*超筋梁：当纵向受拉钢筋配置过多时，梁的破坏始于受压区混凝土被压碎，而受拉钢筋尚未屈服。这种破坏突然发生，无明显预兆，属于脆性破坏，设计中应避免。*少筋梁：当纵向受拉钢筋配置过少时，梁在开裂后，裂缝迅速开展，受拉钢筋立即屈服甚至被拉断，破坏也很突然，属于脆性破坏，设计中同样应避免。*设计原则：通过计算，确保梁为适筋梁，其正截面受弯承载力按平截面假定和相关基本假定进行计算，核心是确定受压区高度，并保证钢筋屈服和混凝土压碎的先后顺序。2.斜截面受剪承载力：梁在剪力和弯矩共同作用下，可能沿斜截面发生破坏。斜截面破坏形式主要有斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏，除剪压破坏外，其余均为脆性破坏。设计中通过配置箍筋和弯起钢筋（统称为腹筋）来提高梁的斜截面受剪承载力，并需满足最小配箍率和箍筋间距等构造要求，以防止脆性破坏。（二）受压构件（柱）柱是典型的受压构件，主要承受轴向压力，有时还同时承受弯矩和剪力（偏心受压）。1.轴心受压构件：当轴向力作用线与构件截面形心轴线重合时为轴心受压。其承载力主要取决于混凝土的抗压强度和纵向钢筋的配置量，同时需考虑长细比对构件承载力的降低影响（稳定系数）。2.偏心受压构件：当轴向力作用线与构件截面形心轴线不重合，或构件同时承受轴向力和弯矩时为偏心受压。根据偏心距大小和纵向钢筋配置情况，偏心受压破坏可分为大偏心受压破坏（受拉破坏）和小偏心受压破坏（受压破坏）。大偏心受压破坏时，受拉钢筋先屈服，然后受压区混凝土压碎，有一定延性；小偏心受压破坏时，受压区混凝土先压碎，受拉钢筋可能不屈服，延性较差。设计时需根据偏心距、配筋等条件判断破坏形态，并按相应公式计算承载力。（三）受拉构件与受扭构件*受拉构件：主要承受轴向拉力，分为轴心受拉和偏心受拉。轴心受拉构件的承载力由钢筋承担，混凝土开裂后拉力几乎全部由钢筋承受。*受扭构件：在扭矩作用下，截面产生剪应力和相应的主拉应力，当主拉应力超过混凝土抗拉强度时，构件将出现螺旋形裂缝。受扭承载力主要由箍筋、纵筋（抗扭钢筋）以及混凝土共同提供。（四）构件的裂缝与变形验算除了承载力计算外，为满足适用性要求，还需对某些构件进行正常使用极限状态下的裂缝宽度验算和变形验算（如梁的挠度）。这些验算通常基于弹性或弹塑性理论，采用相应的简化计算方法。五、结构体系概述结构体系是指由不同受力特性的构件按照一定规律组合而成，能承受各种荷载并将其传递至地基的整体结构。常见的建筑结构体系包括：1.框架结构：由梁和柱刚性连接而成的骨架体系。其优点是建筑平面布置灵活，可提供较大的使用空间；缺点是侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，适用于层数不太高的建筑。2.剪力墙结构：由剪力墙（抗侧力墙体）承受竖向荷载和水平荷载的结构体系。剪力墙具有很大的侧向刚度和抗侧移能力，适用于高层建筑。但建筑平面布置的灵活性相对较差。3.框架-剪力墙结构：将框架和剪力墙结合起来，共同承受竖向和水平荷载。它兼具框架结构的灵活性和剪力墙结构的刚度，是目前高层建筑中应用广泛的结构体系之一。4.筒体结构：由一个或多个筒体（如核心筒、框筒、筒中筒等）作为主要抗侧力构件的结构体系。筒体具有极强的空间刚度和整体性，适用于超高层建筑。5.砌体结构：由块体（如砖、砌块）和砂浆砌筑而成的结构。其优点是取材方便、造价较低；缺点是强度较低、整体性和抗震性能较差，目前多用于多层民用建筑。选择合适的结构体系，需要综合考虑建筑高度、使用功能、地质条件、抗震设防烈度、施工技术、经济指标等多方面因素。六、结构设计方法简介当前，建筑结构设计普遍采用极限状态设计法，以概率理论为基础，以分项系数表达的设计表达式进行设计。极限状态是指结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态，超过该状态结构或构件就不能满足设计要求。极限状态分为两类：1.承载力极限状态：对应于结构或构件达到最大承载能力或发生不适于继续承载的变形。如构件破坏、结构失稳、地基丧失承载力等。设计时需按此状态进行计算，确保结构具有足够的安全储备。2.正常使用极限状态：对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。如过大的变形、裂缝宽度超过限值、振动过大等。设计时需根据结构的使用要求进行验算。在极限状态设计表达式中，通过对荷载效应（内力、变形等）和结构抗力（承载力、刚度等）分别采用不同的分项系数（如荷载分项系数、材料分项系数）来考虑各种不确定因素的影响，使结构在规定的时间内和规定的条件下，完成预定功能的概率（可靠度）达到可接受的水平。七、复习建议建筑结构学科理论性与实践性均较强，复习时应注意以下几点：1.夯实基础：深刻理解基本概念、基本原理（如力的平衡、变形协调、材料本构关系）和基本计算方法，这是分析和解决复杂问题的前提。2.理清脉络：建立知识框架，将零散的知识点联系起来，如荷载如何传递、构件如何受力、不同材料的性能如何影响构件设计等。3.重视规范：结构设计必须依据现行规范进行。复习时应熟悉主要规范（如《建筑结构荷载规范》、《混凝土结构设计规范》等）的基本规定和常用条文，理解规范背