第三章建筑结构课件.ppt
第三章 建筑结构,3.1 建筑结构概述3.2 建筑结构设计方法与荷载3.3 建筑结构基本构件3.4 多、高层建筑结构体系3.5 基础选型,本章提要重点了解建筑结构的分类 掌握作用于结构上的荷载 了解多、高层建筑结构体系 理解基础选型的基本内容,第一节 建筑结构概述,建筑结构是房屋的骨架，是建筑物的承重体系，它的作用是承受荷载和传递荷载。结构应在受力情况下保持自身的形状和位置不变，否则它就不能承受荷载，结构是一个几何不变体。建筑结构不单纯是结构问题，而是一个综合性科学问题。,建筑结构分类 建筑结构是建筑物赖以存在的物质基础。建筑材料和建筑技术的发展决定着建筑结构的发展。按建筑结构所用材料，我们把建筑结构分为钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构、组合结构和膜结构。,第二节 建筑结构设计方法与荷载,建筑结构形式多种多样，无论是哪种结构，在设计过程中都有共同的问题要解决，如：结构上荷载的计算，材料强度的取值、衡量结构安全可靠的标准等。但是不同材料组成的结构在具体设计过程中又有其自身的特点。根据建筑结构可靠度设计统一标准的基本原则，我国现行规范采用以概率论为基础的极限状态设计法，使结构设计符合安全适用、经济合理、确保质量的要求。,（一）设计基准期与设计使用年限,设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，与设计使用年限不同。建筑结构可靠度设计统一标准规定设计基准期为50年。设计使用年限则明确了设计规定的一个使用时期，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限。对于普通房屋建筑，其使用年限与设计基准期一致，但两者的含义是各不相同的。,（二）建筑结构安全等级,建筑结构设计中，应根据结构遭受破坏可能产生的后果，如危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等严重程度，采用一级、二级、三级共三种不同的安全等级。对大量一般建筑列入中间二级，重要的则提高一级，次要的则降低一级。,（三）建筑结构功能要求,建筑结构设计的目的就是使其能完成预定的各项功能，并有足够的可靠性，其功能要求具体表现为以下几点：安全性 适用性 耐久性,（四）结构的极限状态和结构失效,结构能够满足功能要求而且能够良好的工作，称为结构的可靠或有效，反之则称结构不可靠或失效。区分结构可靠与失效状态的标志是极限状态。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态时，如达到极限能力、失稳、变形过大、裂缝过宽等，就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。根据功能要求，结构极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。,1.承载能力极限状态,承载能力极限状态是指结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或不适于继续承载的变形时的状态。如：压屈、失稳、倾覆、疲劳破坏等，这种破坏出现的概率应当很低。对于所有结构构件，均应进行承载力极限状态的计算，在必要时尚应进行构件的疲劳强度或结构的倾覆和滑移验算。,2.正常使用极限状态,正常使用极限状态是指结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值时的状态。对于在使用上或外观上需要控制变形值的结构构件，应进行变形的验算；对于在使用上要求不出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力的验算；对于允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度的验算；同时应进行相应的耐久性设计，以保证结构的正常使用和耐久性的要求。,房屋结构的失效，意味着结构或者属于它的构件不能满足各种功能的要求，结构的失效常见的有下列几种现象：（1）破坏：指结构或构件截面抵抗作用力的能力不足以承受作用效应的现象，如拉断、压碎等。（2）失稳：指结构或构件因长细比（如构件的长度与其截面边长之比）过大而在不大的作用力下突然发生位于作用力平面外的变形过大的现象，柱子压屈、梁在平面外的扭曲等均属失稳现象。,（3）变形过大：楼板、梁的过大挠度或过宽的裂缝；柱、墙的过大侧移；房屋有过大的倾斜或过大的沉陷等。（4）倾覆：指整个结构或结构的一部分（如挑檐、阳台）失去平衡而倾倒的现象。（5）结构所用材料丧失耐久性：指钢材锈蚀、混凝土受腐蚀、砖遭冻融、木材被虫噬等化学、物理、生物现象等。,（一）作用和效应直接施加在土木工程结构上的外力是由荷载引起的。如果地球没有引力，自然界没有风吹、雨雪，荷载就不会存在，土木工程也就不需要结构。土木工程结构要有能抵御自然或人为的作用力的能力，因此，了解作用在结构上的荷载有那些，其性质如何非常重要。作用与作用效应的基本概念作用：是指能使结构产生效应的各种原因的总称。作用分为直接作用和间接作用。,作用效应：作用在结构上产生的内力和变形的总称。能使结构产生作用效应的原因有两种：一种是施加在结构上集中力和分布力，如结构自重，作用于楼面的人群、家具、设备，作用于桥面的车辆、人群，施加于结构物上的风压力、水压力、土压力等，它们都是直接施加于结构上（直接作用），工程界习称为“荷载”；另一种是施加于结构上的外加变形或约束变形，如地震、基础沉降、材料收缩和徐变、温度变化引起结构产生作用效应，它们都是间接作用于结构（间接作用）。,（二）荷载（直接作用）荷载是指直接作用在结构上的外加力。荷载是一个不确定的随机变量，它一般直接作用于建筑物本身。荷载是直接以力的形式作用于结构，如结构自重、行人或车辆的重量、风压力、土压力、水压力等。在建筑结构可靠度设计统一标准中规定，设计基准期为50年的这段时间内，荷载不仅量值上要变化，而且作用在结构上的持续时间也在变化，因此建筑结构荷载规范中将荷载按下列原则分类。按随时间的变异，结构上荷载分为下列三类：,恒载（永久荷载）指设计基准期内永久施加在结构上,其量值不随时间变化的荷载。,作用在工程结构上的恒载类型主,要有：结构自重,、墙面、地面、屋面、桥面以及建筑物内的固定装置等。,墙体及内装饰,内隔断,窗,门,楼面,楼板,大梁,（2）活载（可变荷载）：指在设计基准期内施加在结构上、其量值可随时间变化或移动的荷载。,使用活载：包括楼面活载、屋面活载。,作用在工程结构上的活载有多种类型，如：使用活载、移动的设,备及车辆活载、风载、雪载等。,可移动设备,可移动设施,家具,家具,家具,人群,车辆活载：主要是铁路或公路车辆的荷载，包括工业厂房的行车。工业厂房的行车,车辆活载是一种移动式荷载,风载：风是由大气压力不等引起的空气运动。,由风的运动而施加在墙面或,结构上的压力称为风载。,风载有三个“不一样”：不同地区不一样（沿海、内陆）；同一地区不同时间不一样；同一房屋不同高度、不同部位不一样。,（3）偶然荷载在设计基准期内不一定出现，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、台风、撞击力等。,美国世贸中心大厦,撞击起火倒塌,佛山九江大桥被撞,百米桥面坠入江中,地震释放的能量以地震波的形式传到地面，引起结构振动。结构由地震引起的振动称为地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震荷载”。地震震级和地震烈度是两个不同概念，震级表示一次地震释放的能量的大小，烈度表示某地区遭受地震影响的强度。地震对结构施加的影响属间接作用，应把结构承受的“地震荷载”称为地震作用。,一般说来，距震中愈近，地震影响愈大，地震烈度愈高；离震中愈远，地震烈度就愈低。,图 6-4 震源、震中、震中距、地震波关系示意图,第三节 建筑结构基本构件,基本构件是组成结构体系的单元，按受力特征主要划分为三类：轴心受力构件 偏心受力构件 受弯构件,构件所受的外力作用点与构件截面形心不重合时，这种构件即为偏心受力构件。（单向偏心受压的边柱和双向偏心受压的角柱）,构件所受的外力作用点与构件截面形心重合时，则构件横截面产生的应力均匀分布，这种构件即为轴心受力构件。（轴心受压中柱）,水平放置构件承受竖向荷载时，会发生弯曲变形，使构件截面产生弯曲应力和剪应力，这类构件即为受弯构件。如梁、板结构，其截面形式有以下几种：,钢梁形状,混凝土梁形状,矩形梁、T形梁、倒T形梁、L形梁、Z形梁、槽形梁、箱形梁、空腹梁、叠合梁等。,平面尺寸较大而厚度较小的受弯构件，通常水平放置。,单向板,双向板,第四节 多高层建筑结构体系,砌体结构又称为砖混结构。所谓混合结构就是指同一结构体系中，采用两种或两种以上的材料组成承重结构体系的房屋。,砖混结构选材方便、施工简单、工期短、造价低、耐火性及耐久性也满足设计要求，是我国在多层建筑中使用较多的建筑形式。砖混结构的住宅承重结构是楼板和墙体。“砖”是指竖向承重的砌体，“混”是指楼板、楼梯、圈梁、阳台、挑檐采用钢筋砼构件。,砖混结构办公楼砖混结构抗震性能较差，住宅一般在层以下，其它民用建筑在3层以下。,砖混结构幼儿园为砼构造柱留设马牙槎,框架是由梁和柱刚性连接的骨架结构。国外多用钢为框架材料，国内主要为钢筋混凝土框架。框架结构不仅梁的跨度可以扩大，而且房屋的层数也可以增加。框架结构体系是六层以上高层房屋的一种理想的结构体系。框架结构的优点是抗压、抗弯能力较好，强度高，自重轻，整体性和抗震性好，建筑平面布置灵活，可以获得较大的使用空间。,框架受力体系由梁、柱组成，能承受较大的竖向荷载，承受水平荷载能力较差。钢筋砼框架结构高度一般不宜超过55m，钢结构框架不宜超过110m。,钢筋砼框架结构的构造,武钢新办公楼办公楼、高层住宅、教学楼、宾馆、写字楼、多层厂房等中高层建筑常采用框架结构的结构型式,钢筋砼框架结构,高层住宅,框架在水平荷载作用下表现出“抗侧刚度小、水平位移”的柔性特点，在框架结构基础上在房屋中设置一些墙片剪力墙，可以提高房屋的抗侧力刚度。这种墙片不仅提高了房屋的抗侧力刚度，而且为整个房屋提供很大的抗剪强度和刚度，所以称这种墙片为“抗剪墙”或“剪力墙”。剪力墙结构体系主要有：框架剪力墙结构、剪力墙结构、框支剪力墙结构和筒式结构四大类。,1.框架剪力墙结构,框剪结构就是在框架体系的房屋中设置一些剪力墙来代替部分框架。在整个体系中，剪力墙负担绝大部分的水平荷载，而框架则以负担竖向荷载为主，两者共同受力，合理分工，物尽其用。这种结构体系属半刚性结构体系。这种结构适用于25层以下的房屋，最高不宜超过30层。建筑物的高宽比不宜大于45。,2.剪力墙的结构,此结构是全部由剪力墙承重而不设框架的结构体系。剪力墙结构的刚度、强度都比较高，有一定延性，结构传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强。全剪力墙结构体系用于40层以下比较合适。在非地震区建筑物高度可到150m左右。建筑物高宽比不宜大于。,3.框支剪力墙结构,底层为框架的剪力墙结构即框支剪力墙结构。这种结构体系由于以框架代替了若干片剪力墙，所以房屋的抗侧力刚度比全剪体系有所削弱，不过比框剪体系要好。就墙片本身来看，框支剪力墙的墙片相当于大开洞的剪力墙。,4.筒式结构,筒式结构是由框剪结构与全剪结构的演变发展而来的。它将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体，筒体在水平荷载作用下好象一个竖向悬臂封闭箱。它的空间结构刚度大，抗扭性能也好，又因为剪力墙的集中而不妨碍房屋的使用空间，使建筑平面设计重新获得良好的灵活性，所以它最适合于各种高层公共建筑和商业建筑。,对于很好的超高层房屋，尤其是办公楼一类的建筑，采用另一种体系筒中筒结构。筒中筒结构由剪力墙组成的内筒和与之相互作用的外筒（以密排柱和肩梁形成的框架筒）组成。,各种筒式结构(a)框架内单筒结构(b)单筒外移式框架单筒结构(c)框架外单筒结构(d)筒中筒(e)组成筒,纽约世界贸易中心大楼,框筒结构实例,深圳国际中心大厦正面剖面图,筒中筒结构实例,美国西尔斯大厦 110层高422米结构体系采用九个连在一起的筒体组成,1、薄壳结构 薄壳结构属空间结构体系。它相当于把双向板平板做成曲板，使曲板的内力改变为受压为主。薄壳结构是一种形抵抗结构。薄壳结构赖以获得这种能力的“形”就是曲面。薄壳的结构效能就归功于曲面的曲率和几何特征。,薄壳结构优点是：材料省，自重小，为大跨度提供有利条件；曲板的曲面多样化，为建筑造型丰富多彩提供创造条件。缺点是体型复杂，现浇结构费时、费工和模料，施工不便；板厚太小，结构厚度和保温隔热均靠这几公分厚的材料，隔热效果不够好，长期日晒雨淋易开裂；壳板天棚的曲面容易引起室内声音反射和混响，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜采用。,薄壳的形式,复杂曲面,薄壳结构实例,球面壳,圆柱壳,双曲扁壳,折结构,幕结构,2、悬索结构 悬索结构是由轴心受拉的钢索作为主要承重构件的一种大跨度屋盖的理想结构形式。悬索结构由索网、边缘构件和支承结构等三部分组成（见图）。索网采用多股钢铰线或钢丝绳制成。索网的网格尺寸一般为12m左右。,悬索屋盖的组成,边缘构件多是钢筋混凝土构件，它可以是梁、拱或桁架等结构构件。边缘结构的尺寸根据所受水平力和竖向力通过计算确定。支承结构可以是钢筋混凝土立柱或框架结构。采用立柱支承时，有时还要采取钢缆锚拉设施。索网是一个中心受拉构件，既无弯矩也无剪力。由于索本身是一个非常柔软的构件，其抗弯刚度可以完全忽略不计，而且它的形状随荷载性能的不同而改变。,3、薄膜结构是由多种高强薄膜材料（PVC）及加强构件（钢架、钢柱或钢索）相结合组成的曲面，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。,膜结构设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四个问题。,青岛颐中体育场看台罩棚,第五节 基础选型,基础按其埋深不同，分深基础和浅基础。,浅基础按构造形式不同分为：独立基础、条形基础、筏板基础、箱形基础等。,1、独立基础：当建筑物上部为框架结构，常采用独立基础。在建筑中，柱的基础一般都是单独基础。亦称独立基础。从形式上又分为锥形、踏步形或杯形基础（见图）。,独立基础,2、条形基础,墙的基础通常连续设置成长条形，称为条形基础。,墙下条形基础,3、筏板基础,当柱子或墙传来的荷载很大，地基土较软弱，用单独基础或条形基础都不能满足地基承载力要求时，往往需要把整个房屋底面（或地下室部分）做成一片连续的钢筋混凝土板，作为房屋的基础，称为筏板基础。,带形基础、十字形基础、筏式基础 箱形基础,为了对筏板基础进行加强，增加基础板的刚度，以减小不均匀沉降，高层建筑往往把地下室的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构，称为箱形基础。,4、箱型基础,箱形基础,深基础按构造形式不同分为：桩基础、沉井基础、地下连续墙等。,1、桩基础,桩基础的分类：,（1）按桩身材料分类木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩、其它组合材料桩。,(2)按施工方法分类,预制桩,钻孔灌注桩,按施工方法可分为预制桩、灌注桩两大类。,沉井基础,2、沉井基础,3、地下连续墙,天津百货大楼地下连续墙,小结,建筑结构的分类作用于结构上的荷载多、高层建筑结构体系基础选型的基本内容,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
