建筑结构基础知识.ppt

1、1,第一节建筑结构的概念及其经济合理性,“建筑结构”一词经常被提起，但何谓建筑结构？你能给出一个清晰且完整的定义吗？ 结构既要经济又要合理，那么怎么做，才能达到此目地呢？,2,一、建筑结构的概念,结构是建筑物的重要空间骨架。空间骨架是由许多构件（如板、梁、墙、柱、杆、基础等）以各种方式相互连接组成一个完整的结构体系。,3,图5.1多层房屋结构的组成,4,由不同的材料或不同的构件，以及不同的体型，可以组成不同的结构体系，如图5.2所示。结构必须抵抗自然界和人为的各种作用，因此，无论哪种结构体系都应具备足够的强度、刚度和稳定性。,5,图5.2结构体系框图,6,2）形式 建筑结构的形式是多种多样的，

2、图5.3是房屋结构常见的形式。,图5.3房屋结构的形式,7,3）功能 （1）空间功能建筑结构的首要功能是开辟合理的使用空间，所以有“空间骨架”之称。这是人类生活和生产的需要，也是结构存在的根本目的。 （2）抵抗功能建筑结构的另一重复功能是抵抗各种作用力，所以它要形成“骨架”。这就要求结构具备应有的承载能力，并能正常使用且有耐久性。,8,二、建筑结构的经济合理性,结构的经济合理性是指其结构本身要科学合理，同时其造价和维持费用要符合经济性原则。为此将涉及到3个方面的问题：一是合理选取结构材料，二是恰当选择结构型式，三是充分考虑经济效果。,9,1）选材 选材，是指合理地选取结构的材料。它应根据结构受

3、力情况的不同，发挥材料的长处，而避开材料的短处。 2）选型 梁、刚架、拱、索是最基本的4种结构型式，如图5.5所示。它们有各自的跨度适用范围。,10,图5.5 4种结构型式 (a)梁；(b)刚架；(c)拱；(d)索,11,3）经济性 经济性以造价和维持费来衡量。我们追求的是：所付出的代价应与所预期的要求相符合。,12,第二节建筑结构的材料性能及选用,结构的安全可靠要求用好料、多用料，而结构的经济性（即省钱）则要求用廉料、少用料。这显然是一对矛盾。解决这一矛盾的办法是：分析材料的性能，合理用材，材尽其用。,13,一、材料的弹性、塑性和脆性,什么是材料的弹性和塑性？这就需要把材料进行拉伸才能做出回

4、答。先做一个小试验，如图5.7所示。,图5.7橡皮筋和橡皮泥的拉伸示意图,14,图5.8材料的拉伸图,15,二、材料性能及选用,建筑结构常用的材料有：砌体、木材、钢材、混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土等。这些材料的力学性能是有很大的差异性，因此，在建筑结构中就有怎样选用材料的问题。,16,1）钢材 钢材是一种弹塑性材料。它的抗拉和抗压强度相近，与其他常用材料相比，钢材的强度最高，弹性模量最大，故钢材耐拉也耐压。,图5.9钢板和型钢,17,图5.10冷弯薄壁型钢,18,2）混凝土 混凝土是由骨料（如石子、砂）、水泥和水混合而成的人工材料。这是一种脆性材料，它的抗拉能力很弱，且受拉时极易产生裂缝，

5、但抗压性能较强，故常用于基础等受压的结构中。,19,3）钢筋混凝土 钢筋混凝土是集脆性和弹塑性材料长处的结构材料。混凝土抗拉能力极弱，但抗压性能很强，而钢筋的优势是抗拉能力强，所以在混凝土中，配置适量的钢筋来承担拉力，只让混凝土承受压力。这两种材料的结合是取长补短，发挥各自优势的典范。,20,图5.11钢筋混凝土梁与素混凝土梁的比较 （a）素混凝土梁;（b）钢筋混凝土梁,21,4）预应力混凝土 这是一种在结构构件承受荷载之前，预先施加应力的技术。它的原理可以用一根橡皮筋把一些火柴盒绷紧的实验来模拟，如图5.12所示。,22,图5.12预应力原理的比拟,23,5）砌体材料 凡是由天然材料（如石块

6、等）或人工制品（如砖、混凝土砌块等）用粘性材料（如砂浆）砌筑起来的整体结构，都称为砌体。砌体所用的材料大多是脆性的，常用3种块材有砖、石块、混凝土砌块；常用的砂浆有水泥砂浆、混合砂浆、非水泥砂浆等。,24,表5.1地面以下或防潮层以下的砌体潮湿 房间的墙所用材料的最低强度等级,25,6）木材 木材是最古老的天然结构材料。它的材料性质因受力状况不同，而有塑性和脆性之分。当木材顺纹受压时，它的变形较大，表现为塑性；而在受拉时，变形较小，故又表现为脆性。,26,27,第三节钢筋与混凝土,在目前的建筑结构工程中，用量最多、用途最广的当属钢筋与混凝土。在建筑材料中，大家已经对这两种材料的力学性能有所了解

7、。现在所要介绍的是钢筋和混凝土的强度指标以及在结构中如何选用等内容。,28,一、钢筋,1）钢筋强度的标准值,图5.15各级钢筋的应力应变曲线,29,30,31,2）钢筋强度的设计值 在建筑结构构件按承载能力极限状态设计时，钢筋强度必须取设计值。,32,33,4）钢筋的种类和等级 钢筋混凝土结构或预应力钢筋混凝土结构中所用的钢筋有两种：热轧钢筋和热处理钢筋。 预应力钢筋混凝土结构中所用的钢丝按外形分为4种：光面钢丝，刻痕钢丝，螺旋肋钢丝，钢绞线，其中钢绞线有3股和7股之分。 在混凝土结构中，还可以使用其他钢筋。,34,图5.16冷扎扭钢筋外形,35,36,5）钢筋的形式 建筑结构所采用的钢筋形式

8、可分为柔性钢筋和劲性钢筋两类。,图5.17各种形式的钢筋,37,6）钢筋的选用 建筑结构对钢筋的要求简单地说，就是强度要高、塑性要好。 强度高可以保证结构的承载力，且节约钢材，取得较好的经济效果。 塑性好钢筋在拉断前有足够的变形能力，使构件在即将破坏之前，能给人以预告信号，而且在冷弯时有较好的加工性能。,38,二、混凝土,混凝土的强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度3种。第一种是用来确定混凝土强度等级的标准，而后两种是计算指标。 1）立方体抗压强度fcu,k 2）轴心抗压强度（fck,fc） 3）轴心抗拉强度（ftk,ft）,39,图5.18混凝土立方体抗压器,40,图5.19棱柱

9、体轴心抗压强度,41,42,4）混凝土的变形 （1）混凝土弹性模量Ec大家已经知道，弹性模量是反映弹性材料应力和应变之间关系的一个重要物理量，即E=/=常数。某种材料的弹性模量高，表明它的应变相对较小。由此可见，弹性模量反映了材料受力后的相对变形性质。,43,44,（2）混凝土的收缩混凝土在空气中凝结过程中，体积减小的现象称为收缩。 （3）混凝土的徐变混凝土在长期不变荷载作用下，应变随时间继续增长的现象，称为混凝土的徐变。,45,5）混凝土强度等级的选用 钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于表5.10的要求。,46,47,三、钢筋与混凝土的粘结,1）钢筋与混凝土的共同工作基

10、础 钢筋和混凝土是两种性质差异很大的材料,它们之所以能够有效地共同工作，一般是建立在下述三点基础之上的。 （1）粘结 （2）温度线膨胀系数相近 （3）防锈,48,2）钢筋与混凝土的粘结力 钢筋与混凝土能够共同工作的基础，主要是靠两者之间存在较强的粘结力来保证。粘结力包括： 水泥的胶结作用使钢筋和混凝土接触表面上产生化学胶着力。,49,混凝土凝固后将钢筋裹紧而产生的摩擦力。 钢筋表面凹凸不平（指肋纹钢筋、月牙钢筋、螺纹钢筋等）或光面钢筋的弯钩与混凝土之间的机械咬合力。,50,图5.20钢筋拉拔试验,51,图5.21提高钢筋锚固能力的措施 (a)加弯钩；(b)弯折；(c)焊短角钢；(d)焊短钢筋,

11、52,第四节建筑结构设计方法简介,结构的坚固并安全，还能够正常使用，这是众望所归的。因此，需要在设计时，充分考虑到结构的各项功能要求，并由此建立科学的设计方法。那么，结构功能要求有哪些？其设计原理和设计方法是什么？,53,一、结构功能要求与极限状态,1)结构的功能要求 （1）规定的时间它是指我国建筑结构可靠度设计统一标准（GB 500682001）（简称统一标准）中规定的结构设计使用年限，其分类可见表5.11。 （2）正常的条件 （3）结构的功能要求,54,55,2）结构的极限状态 既然结构的极限状态是结构由可靠向失效转化的临界状态，那么常见的失效现象有哪些呢？ （1）结构失效现象 破坏失稳

12、发生过大变形 发生过宽的裂缝 结构变成几何可变体系 倾覆地基的变形过大 发生锈蚀、腐蚀、虫蛀等情况,56,图5.22结构的破坏,57,图5.23结构失稳,58,图5.24结构发生过大变形,59,（2）极限状态方程 如果能够把结构所处的极限状态，用一数学方法来表示，这就可以得到结构的极限状态方程。 结构或构件安全可靠的基本条件应该是： Z=RS0（5.1）,60,二、荷载的代表值,S既然是荷载效应，那么就需要先计算出荷载之值。在第4章中，大家已经熟悉了各种荷载的分类，也了解到荷载是多样的，有的还是可变的。 建筑结构设计有承载能力极限状态和正常使用极限状态这两种设计方法。前者，一般是以结构内力超过

13、其承载能力为依据；后者，一般是以结构的变形、裂缝、振动参数超过设计允许的限值为依据。,61,1）永久荷载标准值 对于结构构件的自重，因其值变化不大，一般以其平均值作为自重的标准值。即可按构件尺寸与材料或结构构件单位体积的自重（或单位面积的自重）平均值确定。本书所列的材料和构件自重，可见表5.12，更详细的情况可查建筑结构荷载规范（GB 500092001）的附录A，以下将该规范简称为荷载规范。,62,63,64,65,66,67,（3）雪荷载和风荷载 在荷载规范中的附表D.4，可查得全国各城市的雪压和风压。现摘录我国4个直辖市和两个地区的基本雪压和风压，见表5.15。,68,表5.15全国一些

14、城市的50年一遇雪压和风压,69,3）可变荷载的组合值、频遇值、准永久值 可变荷载的组合值、频遇值、准永久值都是由可变荷载标准值分别乘以相应的系数（组合值系数c、频遇值系数f、准永久值系数q）而得出。即：,70,三、极限状态设计表达式,1）承载能力极限状态设计表达式 由式（5.1）知道，结构或构件安全可靠的基本条件是：RS0或SR。当设计结构或构件的承载能力时，S是内力，R是相应的抗力。当然要求结构或构件能够抵抗住荷载所产生的内力。 因此承载能力极限状态设计表达式为：,71,2）荷载效应设计值的计算 若设永久荷载和可变荷载的设计值分别为g和Q，则有g=gk，Q=QQk，而由荷载设计值g和Q所产

15、生的弯矩也是设计值，分别设为Mg和MQ，故有：,72,3）荷载效应组合设计值的计算 此题中，荷载效应的组合就是弯矩的叠加，其组合设计值为：,73,一、地震基本知识,1）地震的基本概念 由地壳中岩层发生断裂或错动，以及火山爆发、溶洞塌陷等原因导致地面发生程度不同的振动，这种现象就称为地震。,第五节建筑结构抗震知识,74,图5.37地震名词及示意图,75,2）震级和烈度 （1）地震的震级地震的震级是衡量一次地震大小的等级。它表示一次地震释放能量的多少，一次地震只有一个震级。地震的震级用符号M表示。 M=lgA（5.5）,76,（2）地震烈度 地震烈度是指某一地区和建筑物遭受一次地震影响的强烈程度。地震烈度不仅与震级的大小有关，而且与震源深度、震中距、地质条件等因素有关。,77,78,79,80,81,82,3）地震的破坏 地震造成的破坏可归纳为地表的破坏、建筑结构的破坏及次生灾害三类。,图5.39地震引发的山体滑坡,83,二、抗震设防目标,1）抗震设防的一般目标 抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采取抗震构造措施，以提高建筑物抗震能力的作用。 建筑物抗震设防的方针是以预防为主。在现有的科学技术水平和经济政策条件下，减轻建筑物的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。,84,2）抗震设防的范围 我国是一个多地震国家，基本烈度6度以上（包括6度）的地区占国土面积的63