《建筑工程概论》-第八章

第一节建筑结构的发展与分类一、建筑结构的历史我国应用最早的建筑结构是砖石结构和木结构。由李春于５９５—６０５年（隋代）建造的河北赵县安济桥是世界上最早的空腹式单孔圆弧石拱桥。该桥净跨３７．３７ｍ，拱高７．２ｍ，宽９ｍ；外形美观，受力合理，建造水平较高。山西五台山佛光寺大殿（建于公元８５７年）、６６ｍ高的应县木塔（建于１０５６年）为别具一格的梁、柱木结构承重体系。我国也是采用钢铁结构最早的国家。公元６０年前后（汉明帝时期）便用铁索建桥（比欧洲早７０多年）。我国用铁造房的历史也比较悠久，例如现存的湖北荆州玉泉寺的１３层铁塔建于宋代，已有１０００多年的历史。下一页返回第一节建筑结构的发展与分类随着经济的发展，我国的建设事业蓬勃发展，已建成的高层建筑有数万幢，其中超过１５０ｍ的有２００多幢。我国香港特别行政区的中环大厦建成于１９９２年，７３层，高３０１ｍ，是当时世界上最高的钢筋混凝土结构建筑。上海浦东的金茂大厦建成于１９９８年，８８层，高４２０ｍ，属钢和混凝土混合结构，是当时我国内地第一、世界第四高度的高层建筑。我国台湾地区的国际金融中心大厦建成于２００５年，１０１层，高５０８ｍ，属钢和混凝土混合结构，是当时世界第一高度的高层建筑。二、建筑结构的发展概况经历了漫长的发展过程，建筑结构在各个方面都取得了较大的进步。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类在建筑结构设计理论方面，随着研究的不断深入以及统计资料的不断累计，原来简单的近似计算方法已发展成为以统计数学为基础的结构可靠度理论。这种理论目前为止已逐步应用到工程结构设计、施工与使用的全过程中，以保证结构的安全性，使极限设计方法向着更加完善、更加科学的方向发展。经过不断的充实提高，一个新的分支学科———近代“钢筋混凝土力学”正在逐步形成，它将计算机、有限元理论和现代测试技术应用到钢筋混凝土理论和试验研究中，使建筑结构的计算理论和设计方法更加完善，并且向着更高的阶段发展。目前，高强混凝土的塑性性能不如普通混凝土，研制塑性好的高强混凝土是今后的发展方向。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类在结构方面，空间结构、悬系结构、网壳结构成为大跨度结构发展的方向，空间钢网架最大跨度已超过１００ｍ。综上所述，建筑结构是一门综合性较强的应用科学，其发展涉及数学、力学、材料及施工技术等科学。随着我国生产力水平的提高及结构材料研究的发展，计算理论的进一步完善以及施工技术、施工工艺的不断改进，建筑结构科学会发展到更高的阶段。三、建筑结构的一般分类建筑结构是指建筑物中由若干个基本构件按照一定的组成规则，通过符合规定的连接方式所组成的能够承受并传递各种作用的空间受力体系，又称为骨架。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类建筑结构按承重结构所用材料不同可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构等，按结构的受力特点可分为砖混结构、框架结构、排架结构、剪力墙结构、筒体结构等。（一）按材料不同分类１．混凝土结构混凝土结构是指由混凝土和钢筋两种基本材料组成的一种能共同作用的结构材料。自从１８２４年发明了波特兰水泥，１８５０年出现了钢筋混凝土以来，混凝土结构已被广泛应用于工程建设中，如各类建筑工程、构筑物、桥梁、港口码头、水利工程、特种结构等领域。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类采用混凝土作为建筑结构材料，主要是因为混凝土的原材料（砂、石等）来源丰富，钢材用量较少，结构承载力和刚度大，防火性能好，价格便宜。钢筋混凝土技术于１９０３年传入我国，现在已成为我国发展高层建筑的主要材料。随着科学技术的进步，钢与混凝土组合结构也得到了很大发展，并已应用到超高层建筑中。其构造有型钢构件外包混凝土，简称刚性混凝土结构；还有钢管内填混凝土，简称钢管混凝土结构。归纳起来，钢筋混凝土结构有以下优点：（１）易于就地取材。（２）整体性能好。（３）耐久性好。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类（４）可塑性好。（５）耐火性好。（６）刚度大，承载力较高。同时，钢筋混凝土结构也有一些缺点，如自重大，抗裂性能差，费工、费模板，隔声、隔热性能差，因此必须采取相应的措施进行改进。２．砌体结构砌体结构是砖砌体、砌块砌体、石砌体建造的结构的统称，又称砖石结构。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类砌体结构是我国建造工程中最常用的结构形式，墙体结构中砖石砌体占９５％以上，主要应用于多层住宅、办公楼等民用建筑的基础、内外墙身、门窗过梁、墙柱等构件（在抗震设防烈度６度区，烧结普通砖砌体住宅可建成８层），跨度小于２４ｍ且高度较小的俱乐部、食堂及跨度在１５ｍ以下的中小型工业厂房，６０ｍ以下的烟囱、料仓、地沟、管道支架和小型水池等。归纳起来，砌体结构具有以下优点：（１）取材方便，价格低廉。（２）具有良好的保温、隔热、隔声性能，节能效果好。（３）可以节省水泥、钢材和木材，不需要模板。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类（４）具有良好的耐火性及耐久性。（５）施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。同时，砌体结构还存在一些缺点：自重大，砌筑工程繁重，砌块和砂浆间粘结力较弱，烧结普通砖砌体的黏土用量大。３．钢结构钢结构是指建筑物的主要承重构件全部由钢板或型钢制成的结构。由于钢结构具有承载能力高、重量较轻、钢材材质均匀、塑性和韧性好、制造与施工方便、工业化程度高、拆迁方便等优点，所以它的应用范围相当广泛。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类目前，钢结构多用于工业与民用建筑中的大跨度结构、高层和超高层建筑、重工业厂房、受动力荷载作用的厂房、高耸结构以及一些构筑物等。归纳起来，钢结构的特点如下：（１）强度高、自重轻、塑性和韧性好、材质均匀。（２）钢结构的可焊性好，制作简单，便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸，可以缩短工期。（３）有优越的抗震性能。（４）无污染，可再生，节能，安全，符合建筑可持续发展的原则，可以说钢结构的发展是２１世纪建筑文明的体现。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类（５）钢材耐腐蚀性差，需经常刷油漆维护，故维护费用较高。（６）钢结构的耐火性差。（二）按结构的受力特点分类１．砖混结构砖混结构是指由砌体和钢筋混凝土材料共同承受外加荷载的结构。由于砌体材料强度较低，且墙体容易开裂、整体性差，故砖混结构的房屋主要用于层数不多的民用建。２．框架结构框架结构是指由梁、柱构件通过铰接（或刚接）相连而构成承重骨架的结构，是目前建筑结构中较广泛的结构形式之一。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类框架结构能保证建筑的平面布置灵活，主要承受竖向荷载；防水、隔声效果也不错，同时具有较好的延性和整体性，因此，框架结构的抗震性能较好；其缺点是其属于柔性结构，抵抗侧移的能力较弱。一般多层工业与民用建筑大多采用框架结构，合理的建筑高度约３０ｍ，即层高约３ｍ时不超过１０层。３．排架结构排架结构通常是指由柱子和屋架（或屋面梁）组成，柱子与屋架（或屋面梁）铰接，而与基础固接的结构。从材料上说，排架结构多为钢筋混凝土结构，也可采用钢结构，广泛用于各种单层工业厂房。其结构跨度一般为１２~３６ｍ。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类４．剪力墙结构剪力墙结构是指由整片的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土楼（屋）盖组成的结构。墙体承受所有的水平荷载和竖向荷载。剪力墙结构整体刚度大、抗侧移能力较强，但它的建筑空间划分受到限制，造价相对较高，因此，一般适用于横墙较多的建筑物，如高层住宅、宾馆及酒店等。合理的建造高度为１５~５０层。５．筒体结构筒体结构是指由钢筋混凝土墙或密集柱围成的一个抗侧移刚度很大的结构，犹如一个嵌固在基础上的竖向悬臂构件。筒体结构的抗侧移刚度和承载能力在所有结构中是最大的。上一页下一页返回第一节建筑结构的发展与分类根据筒体的不同组合方式，筒体结构可以分为框架-筒体结构、筒中筒结构和多筒结构三种类型。（１）框架-筒体结构，兼有框架和筒体结构的优点，其建筑平面布置灵活，抵抗水平荷载的能力较强。（２）筒中筒结构又称双筒结构，内、外筒直接承受楼盖传来的竖向荷载，同时又共同抵抗水平荷载。筒中筒结构有较大的使用空间，平面布置灵活，结构布置也比较合理，空间性能较好，刚度更大，因此，适用于建筑较高的高层建筑。（３）多筒结构是由多个单筒组合而成的多束筒结构，它的抗侧刚度比筒中筒结构还要大，可以建造更大的高层建筑。上一页返回第二节建筑材料的设计指标一、建筑钢材钢材的强度具有变异性。按同一标准生产的钢材，不同时期生产的各批钢材之间的强度不会完全相同；即使同一炉钢轧制的钢材，其强度也会有差异。因此，在结构设计中采用其强度标准值作为基本代表值。所谓强度标准值，是指正常情况下可能出现的最小材料强度值。根据规定，材料强度标准值应具有不小于９５％的保证率。热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定，而预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋等预应力筋没有明显的屈服点，其强度标准值根据极限强度确定。钢筋的强度设计值为其强度标准值除以材料分项系数γｓ的数值。下一页返回第二节建筑材料的设计指标延性较好的热轧钢筋γｓ取１．１０；高强度５００ＭＰａ级钢筋γｓ取１．１５；对预应力筋，γｓ一般取不小于１．２０。各类钢筋的强度标准值和设计值见表８-１和表８-２。二、混凝土１．混凝土的强度《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定，素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ１５；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不低于Ｃ２０；采用强度等级４００ＭＰａ及以上筋时，混凝土强度等级不应低于Ｃ２５；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于Ｃ４０，且不应低于Ｃ３０；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于Ｃ３０。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标一般将Ｃ５０以上的混凝土称为高强度混凝土。同钢筋相比，混凝土强度具有更大的变异性，按同一标准生产的混凝土各批强度会不同，即便同一次搅拌的混凝土其强度也有差异。因此，设计中也应采取混凝土强度标准值来进行计算。混凝土强度设计值等于混凝土强度标准值除以混凝土材料分项系数γｃ（γｃ＝１．４）。各种强度等级的混凝土强度标准值、强度设计值见表８-３和表８-４。２．混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标在实际工程中，为了计算结构的变形、混凝土及钢筋的应力分布和预应力损失等，都必须有一个材料常数———弹性模量Eｃ。混凝土的弹性模量以其强度等级值（fｃｕ，ｋ为代表）按下式计算：《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定，混凝土受压和受拉的弹性模量宜按表８-５采用。混凝土的剪变模量Eｃ可按相应弹性模量值的４０％采用。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标３．混凝土的徐变混凝土在不变荷载长期作用下，其应变随时间而继续增长的现象，称为混凝土的徐变。混凝土的徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大的影响。混凝土的徐变会使受弯构件的变形增大，使结构或构件产生内力重分布。在预应力混凝土结构中，还会产生较大的预应力损失。产生徐变的原因通常认为有两方面：一是混凝土中尚未形成水泥石结晶体的水泥石凝胶体的黏性流动所致，二是由于混凝土内部的微裂缝在长期荷载作用下不断发展和增长，而导致应变的增长。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标试验表明，徐变与下列一些因素有关：（１）水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大；（２）增加混凝土集料的含量，徐变将变小；（３）养护条件好，水泥水化作用充分，徐变就小；（４）混凝土加荷前，混凝土强度越高，徐变越小；（５）构件截面中应力越大，徐变越大。４．混凝土的收缩和膨胀混凝土在空气中硬化时体积减小的现象，称为收缩；当混凝土在水中硬化时，其体积会产生膨胀。通常收缩值的量值较大，对结构有明显的不利影响，因此要特别注意。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标而膨胀值的量值很小，对结构有利，一般可不予考虑。在自由状态下，混凝土的收缩对结构并不产生多大危害，但实际上结构总是处在相互约束状态，混凝土在受各种约束时会产生拉应力。当此拉应力超过混凝土的抗拉强度fｔ时，就会开裂。混凝土的收缩可能会使构件在未受荷载前就出现裂缝或引起预应力损失，因此，在实际工程中要加以预防。影响混凝土收缩的因素很多，试验表明，混凝土的收缩主要与下列因素有关：（１）水泥品种。水泥强度等级越高，所配制的混凝土收缩越大。（２）水泥用量。水泥用量越大，混凝土收缩越大，水灰比越大，则混凝土收缩越大。（３）集料的性质。集料的量大，收缩小。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标（４）养护条件。在硬化过程中周围湿度越大，收缩越小。（５）混凝土制作方法。混凝土越密实，收缩越小。（６）使用环境的影响。使用环境温湿度大时，收缩小。（７）构件的体积与表面积的比值。比值大，收缩小。５．钢筋和混凝土共同工作的原因钢筋和混凝土是两种不同性质的材料，在钢筋混凝土结构中之所以能够共同工作，主要有以下原因：（１）钢筋表面与混凝土之间存在粘结作用。这种粘结作用由三部分组成：上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标一是混凝土硬化时体积收缩，将钢筋紧紧握住而产生的摩擦力。二是由于钢筋表面凹凸不平而产生的机械咬合力。三是混凝土与钢筋接触表面间的胶结力，这来源于浇筑时水泥浆体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥晶体的生长和硬化，从而使水泥胶体与钢筋表面产生吸附胶着作用。这种化学吸附力只能在钢筋和混凝土的界面处原生状态时才存在，一旦发生滑移，它就失去作用。其中，机械咬合力约占５０％。（２）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数几乎相同（钢筋为１．２×１０－５，混凝土为１．０×１０－５１．５×１０－５），在温度变化时两者的变形基本相等，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标（３）钢筋被混凝土包裹着，从而使钢筋不会因大气的侵蚀而生锈变质。上述三个原因中，钢筋表面与混凝土之间存在粘结作用是最主要的原因。三、砌体材料砌体的材料主要包括块材和砂浆。１．块材《砌体结构设计规范》（ＧＢ５０００３—２０１１）中规定的块体强度等级分别为：上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标（１）烧结普通砖、烧结多孔砖：ＭＵ３０、ＭＵ２５、ＭＵ２０、ＭＵ１５和ＭＵ１０；（２）蒸压灰砂普通砖、蒸压粉煤灰普通砖：ＭＵ２５、ＭＵ２０和ＭＵ１５；（３）混凝土普通砖、混凝土多孔砖：ＭＵ３０、ＭＵ２５、ＭＵ２０和ＭＵ１５；（４）混凝土砌块、轻集料混凝土砌块：ＭＵ２０、ＭＵ１５、ＭＵ１０、ＭＵ７．５和ＭＵ５；（５）石材：ＭＵ１００、ＭＵ８０、ＭＵ６０、ＭＵ５０、ＭＵ４０、ＭＵ３０和ＭＵ２０。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标２．砂浆砂浆在砌体中的作用是将块材连成整体并使应力均匀分布，以保证砌体结构的整体性。此外，由于砂浆填满块材间的缝隙，减少了砌体的透气性，提高了砌体的隔热性及抗冻性。砂浆按其组成材料的不同，分为水泥砂浆、混合砂浆和石灰砂浆。水泥砂浆具有强度高、耐久性好的特点，但保水性和流动性较差，适用于潮湿环境和地下砌体；混合砂浆具有保水性和流动性较好、强度较高、便于施工而且质量容易保证的特点，是砌体结构中常用的砂浆；石灰砂浆具有保水性、流动性好的特点，但强度低、耐久性差，只适用于临时建筑或受力不大的简易建筑。上一页下一页返回第二节建筑材料的设计指标砂浆的强度等级是用龄期为２８ｄ边长为７０．７ｍｍ的立方体试块所测得的极限抗压强度来确定的，用符号“Ｍ”表示，单位为ＭＰａ（Ｎ／ｍｍ２）。砂浆强度分为Ｍ１５、Ｍ１０、Ｍ７．５、Ｍ５和Ｍ２．５五个等级。验算施工阶段砌体结构的承载力时，砂浆强度取零。当采用混凝土小型空心砌块时，应采用与其配套的砌块专用砂浆（用“Ｍｂ”表示）和砌块灌孔混凝土（用“Ｃｂ”表示）。砌块专用砂浆强度等级有Ｍｂ２０、Ｍｂ１５、Ｍｂ１０、Ｍｂ７．５和Ｍｂ５五个等级，砌块灌孔混凝土与混凝土强度等级等同。上一页返回第三节砌体结构构造及组成一、砌体结构的分类（一）无筋砌体无筋砌体由块体和砂浆组成，包括砖砌体、砌块砌体和石砌体。无筋砌体房屋抗震性能和抗不均匀沉降能力较差。１．砖砌体砖砌体包括实砌砖砌体和空斗墙，通常用于内、外墙的承重及围护和隔断。承重墙的厚度由强度和稳定性要求确定。实砌砖砌体可以砌成厚度为120ｍｍ（半砖620ｍｍ（两砖半）的墙体，也可砌成厚度为180ｍｍ、300ｍｍ和４420ｍｍ的墙体，但此时部分砖必须侧砌，不利于抗震。下一页返回第三节砌体结构构造及组成实心砖砌体的砌筑方法有一顺一丁、梅花丁、三顺一丁等，如图８-１所示。试验表明，砌筑时，如果顺砖的层数超过５层，砌体在较大压力作用下，可能沿竖向灰缝开裂，并过早丧失稳定，从而使砌体抗压强度明显下降。实心砖墙可砌成的墙厚为２４０ｍｍ、３７０ｍｍ、４９０ｍｍ、６２０ｍｍ、７４０ｍｍ等。实心砖也可砌成空心的砖砌体，形成空斗砌体。一般是将部分或全部砖立砌，内部留有空洞，这是我国较古老的传统形式，用于构筑房屋的围护墙或内部隔断。这种砌体具有自重轻、热工性能好、节约块体和砂浆及造价低等优点。空斗墙是将全部或部分砖立砌，并留空斗（洞），现已很少采用。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成２．砌块砌体砌块砌体由砌块和砂浆砌筑而成。其自重轻，保温隔热性能好，施工进度快，经济效益好，又环保。小型砌块尺寸较小，型号多，尺寸灵活，适用面广，但手工砌筑劳动量大；中型砌块尺寸较大，适于机械化施工，提高了劳动生产率，但型号少，使用不够灵活；大型砌块尺寸大，便于机械化施工，但需要相当的生产设备和施工能力。因此，小型砌块砌体有很广阔的发展前景。３．石砌体石砌体由石材和砂浆（或混凝土）砌筑而成。按石材加工后的外形规则程度，可分为料石砌体、毛石砌体、毛石混凝土砌体等。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成石砌体价格低廉，可就地取材，但自重大，隔热性能差，作外墙时厚度一般较大，在产石的山区应用较为广泛。料石砌体可用作房屋墙、柱，毛石砌体一般用作挡土墙和基础。（二）配筋砌体为提高砌体强度，减少其截面尺寸，增加砌体结构（或构件）的整体性，可采用配筋砌体。配筋砌体主要有以下几种：（１）网状配筋砖砌体又称横向配筋砌体，在砌体中每隔几皮砖在其水平灰缝设置一层钢筋网。钢筋网有方格网式和连弯式两种，如图８-２所示。方格网式一般采用直径为３４ｍｍ的钢筋，连弯式采用直径为５~８ｍｍ的钢筋。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成（２）组合砖砌体由砖砌体和钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层组合而成，如图８-３所示，适用于荷载偏心距较大、超过截面核心范围或者进行增层改造的墙或柱。（３）砖砌体和钢筋混凝土构造柱组合墙是在砖砌体中每隔一定距离设置钢筋混凝土构造柱，并在各层楼盖处设置钢筋混凝土圈梁，使砖砌体墙与钢筋混凝土构造柱和圈梁组成一个整体结构共同受力，如图８-４所示。工程实践表明，这种墙体不仅提高了构件的承载力，同时还增强了房屋的变形与抗倒塌能力。施工时必须先砌墙，后浇筑钢筋混凝土构造柱。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成（４）配筋砌块砌体是指在水平灰缝中配置水平钢筋，在混凝土砌块墙体上下贯通的竖向孔洞中插入竖向钢筋，并用灌孔混凝土灌实，使竖向和水平钢筋与砌体形成一个整体，如图８-５所示。这种砌体具有抗震性能好、造价较低、节能的优点，可用于中高层房屋建筑。二、砌体结构房屋的结构布置在混合结构房屋设计中，其结构布置方案根据承重墙、柱的位置，一般分为以下几种。１．纵墙承重方案纵墙承重方案是由纵墙直接承受楼面（或屋面）荷载，再由纵墙将荷载传至基础，基础传至地基。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成在这种结构布置方案中，纵墙为主要的承重构件，如图８-６所示。２．横墙承重方案横墙承重方案是由横墙直接承受楼面（屋面）荷载，其荷载的传递线路为：楼面（屋面）荷载传至横墙，横墙传至基础，基础传至地基。其中，横墙为主要承重构件，如图８-７所示。３．混合承重方案若由纵墙和横墙混合承受楼面（屋面）荷载，则形成纵横墙混合承重方案，其荷载的传递路线为：楼面（屋面）荷载传至纵墙和横墙，再传至相应的基础，最后传至地基，如图８-８所示。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成４．内框架承重方案由房屋内部的钢筋混凝土框架柱和外墙共同承受楼面（屋面）荷载的承重方案称为内框架承重方案，如图８-９所示。在这种承重方案中，荷载的传递路线为：楼面（屋面）荷载传至外墙和框架柱，再传至基础，最后传至地基。各种承重方案的优、缺点如下：纵墙承重方案室内空间较大，使用布置灵活，但横向刚度较差，楼盖、屋盖用材较多，适用于空间较大的房屋，如仓库、厂房等。横墙承重方案中，房屋的横向刚度较大，但横墙较密，布置受限制，且墙体材料用量较多，应用于横墙间距较密的房屋，如住宅、宿舍、旅馆等。上一页下一页返回第三节砌体结构构造及组成混合承重方案布置比较灵活，两个方向的刚度都较好，墙体材料和楼盖、屋盖用材介于以上两种方案之间，适用于教室、试验楼、办公楼等要求有较大空间的房屋。内框架承重方案布置灵活，易满足使用要求，与全框架相比，节省水泥、钢筋用量，但空间刚度较差，适用于多层工业厂房、仓库、商店等。上一页返回第四节混凝土结构构造及组成一、钢筋混凝土受弯构件钢筋混凝土受弯构件是指仅承受弯矩和剪力的构件，在实际工程中，梁、板是最典型的受弯构件。（一）板的构造要求１．板的截面形式、厚度和支承长度板的截面形式一般分为矩形板、空心板、槽形板等，如图８-１０所示。板的厚度h应满足承载力、刚度和抗裂度的要求。现浇板的厚度一般取为１０ｍｍ的倍数，工程中现浇板的常用厚度为６０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍ。下一页返回第四节混凝土结构构造及组成现浇单向板的最小构造厚度要满足表８-６的要求。现浇板搁置在砖墙上，其支承长度a≥h（板厚）且≥１２０ｍｍ。预制板搁置在砖墙上时，支承长度a≥１００ｍｍ；搁置在钢筋混凝土梁上时；a≥８０ｍｍ。２．板的配筋板的抗剪能力较大，通常只需要配置纵向受力钢筋和分布钢筋，如图８-１１所示。（１）受力钢筋。受力钢筋沿板的短跨方向布置在截面受拉一侧。其主要作用是承受弯矩在板内产生的拉力，其数量通过计算确定。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成受力钢筋的直径通常采用８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍ的ＨＰＢ３００级钢筋，大跨度板常采用ＨＲＢ３３５级钢筋。为了使板内的钢筋受力均匀，配置时应尽量采用直径较小的钢筋，在同一块板中采用不同直径的钢筋时，其种类一般不宜多于两种，钢筋直径差不少于２ｍｍ，以免施工不便。为了正常地分担内力，板中受力钢筋的间距不宜过稀，但为了绑扎方便和保证浇捣质量，板的受力钢筋间距也不宜过密。当板厚h≤１５０ｍｍ时，不宜大于２００ｍｍ；当板厚h＞１５０ｍｍ时，不宜大于１．５h，且不宜大于２５０ｍｍ。板的受力钢筋间距通常不宜小于７０ｍｍ。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成在简支板或连续板支座处，下部纵向受力钢筋应伸入支座，其锚固长度lａｓ不应小于５d，间距不应大于４００ｍｍ，截面面积不应小于该方向跨中正弯矩钢筋的１／３。为了承担支座处的负弯矩，将跨中下部受力钢筋弯起支座上部，称为弯起钢筋，弯起角度不宜小于３０°，距支座边缘不小于l０／７，每米不少于５根ϕ６。（２）分布钢筋。分布钢筋垂直于板的受力钢筋方向，在受力钢筋内侧按构造要求配置。其作用有三个：一是在施工中固定受力钢筋的位置，形成钢筋网；二是将板所承受的荷载均匀、有效地传到受力钢筋上去；三是承受温度变化和混凝土收缩在垂直板方向所产生的拉应力。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成分布钢筋宜采用ＨＰＢ３００级钢筋，常用直径为６ｍｍ、８ｍｍ。梁式板中单位长度上分布钢筋的截面面积不宜小于单位宽度上受力钢筋截面面积的１５％，且不宜小于该方向板截面面积的０．１５％。分布钢筋的直径不宜小于６ｍｍ，间距不宜大于２５０ｍｍ；当集中荷载较大时，分布钢筋截面面积应适当增加，间距不宜大于２００ｍｍ。分布钢筋应沿受力钢筋直线段均匀布置，并且受力钢筋所有转折处的内侧也应配置。（二）梁的构造要求１．梁的截面形式、尺寸及支承长度梁有各种形状的截面，如矩形、Ｔ形、倒Ｔ形、花篮形、Ｉ形、空心形和双肢形等（图８-１２），应根据不同要求选择不同的形式。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成在整体式结构中，为了便于施工，一般采用矩形和Ｔ形截面；在装配式楼盖中，为了搁置梁，可采用倒Ｔ形或花篮形截面。为了方便施工，在确定梁截面时，应统一规格尺寸，一般按下列情况采用：（１）梁截面宽度b，一般宜采用１５０ｍｍ、１８０ｍｍ、２００ｍｍ、２２０ｍｍ、２５０ｍｍ、３３０ｍｍ。大于２５０ｍｍ时，一般应以５０ｍｍ为模数。圈梁的截面宽度应按墙厚确定。（２）梁截面高度h，一般宜采用２５０ｍｍ，３００ｍｍ，３５０ｍｍ，…，７００ｍｍ，８００ｍｍ，９００ｍｍ。当h＞８００ｍｍ时，一般应以１００ｍｍ为模数，见表８-７。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成现浇钢筋混凝土结构中，主梁的截面宽度不应小于２２０ｍｍ，次梁的截面宽度不应小于１５０ｍｍ。现浇钢筋混凝土结构中，主梁下部钢筋为单层配置时，一般主梁至少应比次梁高出５０ｍｍ，并应将次梁下部纵向钢筋设置在主梁下部纵向钢筋上面，以保证次梁支座反力传给主梁。主梁下部钢筋为双层配置，或附加横向钢筋采用吊筋时，主梁应比次梁高出１００ｍｍ；次梁高度大于主梁时，应将次梁接近支座（主梁）附近设计成变截面，使主梁高出次梁不小于５０ｍｍ；主梁与次梁必须等高时，次梁底层钢筋应置于主梁底层钢筋上面并加强主梁在该处的箍筋或设置吊筋。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成框架扁梁的截面高度除满足表８-７中规定的数值外，还应满足刚度要求。跨度较大时截面高度h取较大值，跨度较小时截面高度h宜取较小值；同时，扁梁的截面高度h不宜小于２．５倍板的厚度。２．梁的配筋梁中一般布置四种钢筋，即纵向受力钢筋、架立钢筋、弯起钢筋和箍筋。（１）纵向受力钢筋用以承受弯矩，在梁的受拉区布置钢筋以承担拉力；有时由于弯矩较大，在受压区亦布置钢筋，协助混凝土共同承担压力。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成（２）架立钢筋布置于梁的受压区，和纵向受力钢筋平行，以固定箍筋的正确位置，承受由于混凝土收缩及温度变化所产生的拉力。如在受压区有受压纵向钢筋时，受压钢筋可兼作架立钢筋，如图８-１３所示。当梁的跨度l＜４ｍ时，架立钢筋直径应不小于８ｍｍ；当４ｍ≤l＜６ｍ时，架立钢筋直径应不小于１０ｍｍ；当l＞６ｍ时，架立钢筋直径不应小于１２ｍｍ。（３）弯起钢筋是将纵向受力钢筋弯起而成型的，用以承受弯起区段截面的剪力。弯起后，钢筋顶部的水平段可以承受支座处的负弯矩。（４）箍筋用以承受梁的剪力，连系梁内的受拉及受压纵向钢筋并使其共同工作；此外，还能固定纵向钢筋位置，便于浇灌混凝土。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成箍筋的形式有封闭式和开口式两种，一般情况下均采用封闭箍筋。为使箍筋更好地发挥作用，应将其端部锚固在受压区内，且端头应做成１３５°弯钩，弯钩端部平直段的长度不应小于５d（d为箍筋直径）和５０ｍｍ。箍筋的肢数一般有单肢、双肢和四肢，如图８-１４所示，通常采用双肢箍筋。当梁宽b≥４００ｍｍ且一层内纵向受压钢筋多于３根时，或当梁宽b＜４００ｍｍ但一层内纵向受压钢筋多于４根时，宜采用四肢箍筋。只有当梁宽b≤１５０ｍｍ时，才采用单肢箍筋。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成箍筋的直径与梁高h有关，为了保证钢筋骨架具有足够的刚度，《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定：当h＞８００ｍｍ时，其箍筋直径不宜小于８ｍｍ；当h≤８００ｍｍ时，其箍筋直径不宜小于６ｍｍ；梁中配有计算需要的纵向受压钢筋时，箍筋直径尚不应小于d／４（d为纵向受压钢筋的较大直径）。梁中箍筋间距除满足计算要求外，还应符合最大间距的要求。为防止箍筋间距过大，出现不与箍筋相交的斜裂缝，《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定，梁中箍筋的最大间距宜符合表８-８的规定。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成当梁中配有按计算需要的纵向受压钢筋时，箍筋应做成封闭式，箍筋间距不应大于１５d（d为受压钢筋的最小直径），同时不应大于４００ｍｍ；当一层内的纵向受压钢筋多于５根且直径大于１８ｍｍ时，箍筋间距不应大于１０d；当梁截面宽度b＞４００ｍｍ且一排压筋多于３根，或b不大于４００ｍｍ但一排压筋多于４根时，应设置复合箍筋。（三）混凝土保护及截面有效高度为了保护钢筋免遭锈蚀，保证钢筋与混凝土间有足够的粘结强度以及耐火、耐久性要求，受力钢筋的表面必须有足够厚度的混凝土保护层。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度不应小于受力钢筋的直径d；设计使用年限为５０年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度应符合表８-９的规定；设计使用年限为１００年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于表８-９中数值的１．４倍。截面有效高度h０是指受拉钢筋的重心至混凝土受压边缘的垂直距离，即二、钢筋混凝土受拉构件受拉构件分轴心受拉构件和偏心受拉构件，当轴向拉力作用点和截面形心重合时，称为轴心受拉构件；当轴向拉力作用点与截面形心不重合时，称为偏心受拉构件。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成在实际工程中，屋架的下弦杆、圆形水池池壁沿环向等都是轴心受拉构件，矩形水池池壁等则属于偏心受拉构件。由于混凝土抗拉强度很低，极限拉应变很小，所以当构件承受的拉力不大时，混凝土就会开裂，而此时钢筋的应力还很小，因此，轴心受拉构件的拉力全部由钢筋承担。钢筋混凝土受拉构件的受力钢筋不得采用绑扎搭接接头，在构件端部，受力钢筋必须可靠地锚固。三、钢筋混凝土受扭构件在钢筋混凝土构件中，承受扭矩的构件如雨篷板与雨篷梁之间，框架边梁与次梁之间都属于这种情况。上一页下一页返回第四节混凝土结构构造及组成实际上纯扭构件是很少的，大多数情况是承受弯矩、剪力和扭矩的共同作用，构件处于弯、剪、扭共同作用的复合受力状态。在实际工程中，均采用横向箍筋和纵向钢筋构成的空间骨架作为受扭构件的配筋形式。受扭纵筋应沿周边均匀对称布置在截面内。受扭纵筋的间距不应大于２００ｍｍ，也不应大于梁截面短边长度。受扭纵筋的接头和锚固要求均按钢筋混凝土受拉钢筋的要求考虑。架立钢筋和梁侧构造纵筋也可作受扭钢筋。受扭箍筋应在靠近受扭构件表面均匀设置，必须为封闭式，且末端应做成１３５°的弯钩，弯钩端头直平段的长度不应小于１０d（d为箍筋的直径）。上一页返回第五节钢结构构造及组成一、钢结构的连接钢结构是由钢板和各种型钢通过一定连接方法组成的。钢结构的连接方法有三种：焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接，如图８-１５所示。１．焊缝连接焊缝连接是通过电弧产生热量，使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成一体。其优点是任何形式的构件一般都可直接相连，不会削弱构件截面且用料经济，构造简单，加工方便，连接刚度大，密封性能好，可采用全自动或半自动作业，提高生产效率；下一页返回第五节钢结构构造及组成缺点是焊缝附近的钢材在高温作用下形成热影响区，使其金相组织和力学性能都发生变化，导致材质局部变脆；焊接过程中钢材由于受到不均匀的加温和冷却，结构产生焊接残余应力和残余变形，也使钢材的承载力、刚度和使用性能受到影响。焊缝连接有气焊、接触焊和电弧焊等方法。电弧焊又分为手工焊、自动焊和半自动焊三种。目前，钢结构中较常用的焊接方法是手工电弧焊。２．螺栓连接螺栓连接有普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。普通螺栓分为Ａ、Ｂ、Ｃ三级。Ａ、Ｂ级为精制螺栓，Ｃ级为粗制螺栓。上一页下一页返回第五节钢结构构造及组成高强度螺栓有摩擦型和承压型两种，有８．８和１０．９两个性能等级。螺栓连接的特点是拆装方便，操作简单，不需要特殊的设备，常用于安装节点的连接和装拆式结构的连接。螺栓的排列如图８-１６所示。３．铆钉连接铆钉由顶锻性能好的铆钉钢制成。进行铆钉连接时，先在被连接的构件上制成比钉径大１．０~１．５ｍｍ的孔，然后将一端有半圆钉头的铆钉加热，直到铆钉呈樱桃红色时将其塞入孔内，再用铆钉枪或铆钉机进行铆合，使铆钉填满钉孔，并打成另一铆钉头。铆钉在铆合后冷却收缩，对被连接的板束产生夹紧力，这有利于传力。上一页下一页返回第五节钢结构构造及组成铆钉连接的韧性和塑性都比较好。但铆钉连接比较费工且耗材较多，目前只用于承受较大动力荷载的大跨度钢结构，在工厂中几乎已被焊接代替，在工地中几乎已被高强度螺栓连接所代替。二、钢梁按制作方法不同，钢梁可分为型钢梁和组合梁两大类。型钢梁构造简单，制造省工，成本较低，因此，除荷载较大或跨度较大，型钢梁不能满足要求时采用组合梁外，应优先采用型钢梁。型钢梁的截面有热轧工字钢、热轧Ｈ型钢和槽钢三种（图８-１７）。槽钢弯曲时将同时产生扭转，受荷不利，故应用较少。热轧型钢腹板的厚度较大，用钢量较多，为经济考虑，某些荷载不大的受弯构件（如檩条）可采用冷弯薄壁型钢，但防腐要求较高。上一页下一页返回第五节钢结构构造及组成组合梁一般采用三块钢板焊接而成的工字形截面，或由Ｔ形钢中间加板的焊接截面（图８-１７）。有特殊需要时，还可采用两层翼缘板的截面、高强度螺栓或铆钉连接而成的工字形截面、箱形截面等。和型钢梁相比，组合梁的截面组成比较灵活，可使材料在截面上的分布更为合理，节省钢材。钢梁可以做成简支梁、连续梁、悬臂梁等。简支梁的用钢量较多，但由于制作、安装、修理、拆换比较方便，以及不受温度变化和支座沉陷的影响，因而得到广泛的应用。三、钢柱常见的钢柱有型钢截面钢柱和组合截面钢柱。按照组合截面的构造形式，钢柱又可以分为实腹式和格构式两种。上一页下一页返回第五节钢结构构造及组成型钢截面的钢柱，用工省，制作方便，但承载能力低、刚度小，由于受压制工艺的限制，两方向惯性矩相差较大，壁厚，用料不经济，只适用于高度小、荷载小的构件。实腹式钢柱承载能力较强、刚度大、截面尺寸、形状不受限制，用料经济。但费工费时，受力比较复杂，适用于高度较高、荷载较大的构件。格构式钢柱稳定性及刚度好，自重轻，节省材料。但结构制作费工，适用于高度很大，对稳定性、刚度要求很高的构件。受压的钢柱一般不会发生强度破坏，其截面都应稳定控制，所以钢柱要考虑的主要问题就是它的稳定性。提高柱的稳定性的措施有：上一页下一页返回第五节钢结构构造及组成（１）提高截面面积；（２）在相同用量的前提下，选用合理的截面形式，尽量采用宽肢薄壁的截面，来提高整体稳定系数；（３）尽量减少构件的计算长度，增加侧向支承点，提高结构的刚度，以起到提高整体稳定性的作用；（４）当柱子很高时，最有效的措施是采用格构柱。上一页返回第六节建筑结构的荷载一、荷载的含义荷载通常是指作用在结构上的外力，如结构自重、水压力、土压力、风压力以及人群及货物的重力、起重机轮压等。此外，还有其他因素可以使结构产生内力和变形，如温度变化、地基沉陷、构件制造误差、材料收缩等。从广义上说，这些因素也可看作荷载。合理地确定荷载，是结构设计中非常重要的工作。如果将荷载估计过大，所设计的结构尺寸将偏大，造成浪费；如将荷载估计过小，则所设计的结构不够安全。进行结构设计，就是要确保结构的承载能力足以抵抗内力，将变形控制在结构能正常使用的范围内。在进行结构设计时，不仅要考虑直接作用在结构上的各种荷载作用，还应考虑引起结构内力、变形等效应的间接作用。下一页返回第六节建筑结构的荷载二、荷载的分类在工程实际中，作用在结构上的荷载是多种多样的。为便于力学分析，需要从不同的角度对它们进行分类。（一）按荷载的分布范围分类根据荷载的分布范围，荷载可分为集中荷载和分布荷载。１．集中荷载集中荷载是指分布面积远小于结构尺寸的荷载，如起重机的轮压。由于这种荷载的分布面积较集中，因此在计算简图上可把这种荷载作用于结构上的某一点处。２．分布荷载上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载分布荷载是指连续分布在结构上的荷载，当连续分布在结构内部各点上时叫体分布荷载；当连续分布在结构表面上时叫面分布荷载；当沿着某条线连续分布时叫线分布荷载；当为均匀分布时叫均布荷载。（二）按荷载的作用性质分类根据荷载的作用性质，荷载可分为静力荷载和动力荷载。（１）当荷载从零开始，逐渐缓慢、连续均匀地增加到最后的确定数值后，其大小、作用位置以及方向都不再随时间而变化，这种荷载称为静力荷载。（２）大小、作用位置、方向随时间而急剧变化的荷载称为动力荷载。上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载（三）按荷载作用时间的长短分类根据荷载作用时间的长短，荷载可分为恒荷载和活荷载。１．恒荷载恒荷载是指作用在结构上的不变荷载，即在结构建成以后，其大小和作用位置都不再发生变化的荷载。２．活荷载活荷载是指在施工或建成后使用期间可能作用在结构上的可变荷载，这种荷载有时存在，有时不存在，它们的作用位置和作用范围可能是固定的（如风荷载、雪荷载、会议室的人群荷载等），也可能是移动的（如起重机荷载、桥梁上行驶的汽车荷载等）。上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载不同类型的房屋建筑，因其使用的情况不同，活荷载的大小也就不同。在现行《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９—２０１２）中，各种常用的活荷载都有详细的规定。确定结构所承受的荷载是结构设计中的重要内容之一，必须认真对待。在荷载规范未包含的某些特殊情况下，设计者需要深入现场，结合实际情况进行调查研究，才能合理确定荷载。三、荷载代表值为了满足结构设计的需要，需要对荷载赋予一个规定的量值，该量值即所谓荷载代表值。结构设计时，永久荷载采用标准值作为代表值，可变荷载应根据各种极限状态的设计要求分别采用标准值、准永久值、组合值或频遇值为代表值。上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载１．荷载标准值《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９—２０１２）规定，标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（如均值、众值、中值或某个分位值）。作用于结构上荷载的大小具有变异性。永久荷载标准值一般根据结构的设计尺寸和材料，或结构构件的单位自重计算。常用材料构件的单位自重可参见《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９—２０１２）。可变荷载标准值主要依据历史经验确定。上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９—２０１２）给出了可变荷载标准值，在设计时可以直接查用。表８-１０列出了民用建筑楼面均布活荷载标准值及其他代表值系数，表８-１１列出了屋面均布活荷载标准值及其他代表值系数。２．可变荷载准永久值可变荷载准永久值是指在设计基准期内经常作用于结构的一部分活荷载，它对结构的影响类似于永久荷载，如室内的家具和固定设备的荷载等。可变荷载准永久值主要用于正常使用极限状态按长期荷载效应组合的设计中。３．可变荷载组合值上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载两种或两种以上的可变荷载同时作用于结构上时，所有可变荷载同时达到其单独出现时的最大值可能性极小。为此，将可变荷载标准值乘以荷载组合系数可得可变荷载组合值。可变荷载组合值可表示为ψｃ

Qｋ（ψｃ为可变荷载组合值系数），其值按表８-１０、表８-１１查取。可变荷载组合值主要用于承载能力极限状态或正常使用极限状态按短期荷载效应组合的设计。４．可变荷载频遇值可变荷载频遇值是指在设计基准期内被超越的总时间仅为设计基准期一小部分的荷载值。可变荷载频遇值由可变荷载标准值乘以荷载频遇值系数而得。上一页下一页返回第六节建筑结构的荷载可变荷载频遇值可表示为ψｆQｋ（ψｆ为可变荷载频遇值系数），其值按表８-１０、表８-１１查取。四、均布荷载的计算均布荷载是指当线荷载大小都相同时的荷载，当线荷载各点大小不相同时，称为非匀布荷载。各点线荷载的大小用荷载集度q表示，某点的荷载集度意味着线荷载在该点的密集程度，其常用单位为Ｎ／ｍ或ｋＮ／ｍ。上一页返回第七节建筑结构的极限状态一、建筑结构的功能要求及安全等级１．结构功能要求结构设计的目的是使所设计的结构在规定的设计使用年限内能完成预期的全部功能要求。结构的功能要求包括：（１）安全性。指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致