第八讲建筑工程.

1第八讲建筑工程2建筑物的功能和安全“房屋建筑“是人类演化历史上最早的”土木工程“之一，山西省西安市附近的半坡遗址是文字史前人类居住文明的典型。有墙柱、灶坑、排水沟的遗址遗址内的先民居所模型3时至今日，土木工程设施已是所有文明社会不可或缺的组成部分。但林林总总的土木工程设施中，房屋建筑仍是最基本的要素之一。例如任何人类聚集地，都有称之为“住宅”的建筑，无论是城市中的公寓、宿舍或乡间的别墅，都可列入其中。住宅是人类活动最基本的物质保障之一，它起着遮风避雨、隔热御寒的基本功能，人们在其中生活、休养生息。即使人类已经进入太空，所谓“空间站”，其基本功能也离不开这些要素。隔热、遮阳保温、御寒防雨、防噪4要保障建筑物使用功能的实现，最重要的前提，是建筑物的安全性。如果楼房倒塌了，所有建筑功能都将随之而去，一切均无从谈起。建筑物的自身的重量，家具、设备、生活和生产办公用的周转物资的重量人类活动产生的作用寒冷地带冬季的积雪压力、雨季屋顶和墙面受到的积水压力在建筑物的外表面，风产生的压力和吸力一些意外事件给建筑物带来的冲击，如地震、爆炸等这些荷载分别经过建筑物的墙板、楼板或屋顶，传递到梁-柱结构体系。在这些外力作用下，结构体系能够保持其完整性，不至于发生局部坍塌或连续性的倒塌，是建筑物安全的最基本要求。5设计者和建造者建筑物需要满足人们对其多种功能的要求，这就需要各种专门领域的专家参与设计工作。这些专家包括：建筑师(对建筑物的内外空间、交通、日照、采光以及外观表现等进行设计)、结构工程师(设计承重结构系统)、电气工程师和设备工程师(对水、暖电、气的供给及其设备配置进行设计)。一个重要的或者规模庞大的建筑物单体的设计，可能还需规划、交通、环境、地质等领域的专家介入。其中，结构工程师肩负的结构设计任务，是保证建筑物安全的最重要的工作。当人们说到“结构工程师”时，这个词可以包含多种解释。广义的，可以认为所有的土木工程师都是结构工程师，因为结构系统及其安全性是所有土木工程的基本问题。但在土木工程这一大领域内，工程师们还有更细的分工，于是有一系列狭义的称呼，例如岩土工程师专门对工程地质条件的判别和处理，建造师负责工程项目的施工，而结构工程师，主要从事建筑物、桥梁等的结构分析与设计。6埃菲尔铁塔为纪念法国大革命100周年，法国政府决定建造一个纪念性质的建筑物。在700多个应征方案中，埃菲尔和他的团队提出的铁塔方案脱颖而出。埃菲尔的方案，不仅让建筑物的高度一下子跃升到300.5m，而且提出全部用铁来制造这样一个“摩天巨人”。其时距今约120年，近代钢铁业不过刚刚发端，几乎所有的建筑物都是石材或木材构筑的。铁塔的设计图达1700张，交给工厂的加工详图有3600余张；塔重7000t，由约18000个部件组成。继基础施工完成后，铁塔施工历时21个月，终于在法国大革命100周年的1889年落成。更加令人称道的是，整个施工过程没有发生一起死亡事故。这样一系列骄人纪录的产生，工程师埃菲尔功莫大焉。他曾在许多国家建造铁路桥梁，也是纽约自由女神像内金属骨架的设计者和建造者，他不仅主持了铁塔的设计，也是施工建造的直接组织者。7埃菲尔铁塔从力学角度分析，铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁，风荷载对于高耸的铁塔来说是主要荷载.由于铁塔的总体外形与风荷载作用下的弯矩图十分相似，因此塔身材料的强度和刚度可以被充分利用，受力非常合理；塔身底部所设斜框架轻易地跨越了一个大跨度，斜框架下的装饰性圆拱给人以稳定感，车流人流在塔下畅通无阻，更显铁塔的雄伟壮观。成功的结构设计造就了铁塔的建筑美。8结构体系的发展任何建筑物都需要具有与之匹配的、能承受荷载的内在骨架，这“骨架”就是结构。结构可以用各种方式来构筑，包括结构所采用的材料和构成结构的形式，如此就形成了各种结构体系。不同的结构体系具有不同的受力方式、传力途径和承载能力，合理的结构体系将促进建筑物的安全性和经济性。结构形式本质的差别在哪里呢？（以金字塔和3层建筑来说明）9古埃及王朝所兴建的金字塔，高度就已能达到146.6m，相当于今天三四十层楼高的建筑，但是，金字塔毕竟不是一个可供人们实际使用的建筑物，其内部基本是一个实心体。由金字塔的一个剖切面可以看出：上部石块的重力传递到紧贴着的下部石块，压力依次向下传递。只要结构材料——石块能够承受得住压力，结构就能站立。沙漠的风沙将侵蚀石材表面，但要撼动这样一座实心人造山，则显得无能为力。10由3层建筑来说明楼房受力的概念：由于留出了室内空间，楼面建筑材料的重量，包括面层、楼板、吊顶，以及在楼板上的家具、人群的重量经由楼板或者梁传到侧墙。随着楼层的增高，墙体必须变厚，这就是早年砖砌结构、石砌结构的情况。墙太厚，室内空间就小。另一方面，用于承重的墙体还不能随意设窗，进深稍大些的室内就需人工照明，解决这一问题的思路是用另一种结构形式来代替墙体承重的结构，框架结构体系应运而生。柱子之间的墙体，无论是外墙还是内隔墙，都可以是不承重的。11建筑基本构件板板指平面尺寸较大而厚度较小的受弯构件，通常水平放置，但有时也斜向设置（如楼梯板）或竖向设置（如墙板）。板在建筑工程中一般应用于楼板、屋面板、基础板、墙板等。楼板屋面板基础板墙板12板按受力形式可分为单向板和双向板单向板指板上的荷载沿一个方向传递到支承构件；双向板指板上的荷载沿两个方向传递到支承构件。单向板双向板13梁梁是工程结构中的受弯构件，通常水平放置，但有时也斜向设置以满足使用要求，如楼梯梁。梁的截面高度与跨度之比一般为1/8～1/18，高跨比大于1/4的梁称为深梁；梁的截面高度通常大于截面的宽度，但因工程需要，梁宽大于梁高时，称为扁梁；梁的高度沿轴线变化时，称为变截面梁。梁的分类：1.按所用材料分：钢梁、钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁、木梁以及钢与混凝土组成的组合梁等142.梁按截面形式分：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。矩形梁T形梁I形梁153.按梁的常见支承方式可分为：简支梁，悬臂梁，一端简支另一端固定梁，两端固定梁,连续梁简支梁：悬臂梁：16一端简支一端固定梁：两端固定梁：连续梁：174.按在结构中的位置分：主梁、次梁、连梁、圈梁、过梁等次梁一般直接承受板传来的荷载，再将板传来的荷载传递给主梁。主梁除承受板直接传来的荷载外，还承受次梁传来的荷载。连梁主要用于连接两榀框架，使其成为一个整体。圈梁一般用于砖混结构，将整个建筑围成一体，增强结构的抗震性能。过梁一般用于门窗洞口的上部，用以承受洞口上部结构的荷载。18柱柱是工程结构中主要承受压力，有时也同时承受弯矩的竖向构件。1、按截面形式分：方柱、圆柱、管柱、矩形柱、工字形柱、H形柱、L形柱、十字形柱、双肢柱、格构柱。2、钢柱按截面形式分为：实腹柱和格构柱。实腹柱指截面为一个整体，常用截面为工字形截面，格构柱指柱由两肢或多肢组成，各肢间用缀条或缀板连接。193.按所用材料分：石柱、砖柱、砌块柱、木柱、钢柱、钢筋混凝土柱、劲性钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱和各种组合柱；4.按柱的破坏形式或长细比可分为：短柱、长柱及中长柱。格构柱截面20钢筋混凝土柱的破坏钢柱的破坏215.按受力形式分为：轴心受压柱和偏心受压柱。6.钢筋混凝土柱：是最常见的柱，广泛应用于各种建筑。按制造和施工方法分为现浇柱和预制柱。7.劲性钢筋混凝土柱：劲性钢筋混凝土柱是在钢筋混凝土柱的内部配置型钢，与钢筋混凝土共同受力，可减小柱的断面，提高柱的刚度，但用钢量较大。8.钢管混凝土柱：钢管混凝土柱是用钢管作为外壳，内浇混凝土，是劲性钢筋混凝土柱的另一种形式。22钢骨混凝土柱2324拱拱为曲线结构，主要承受轴向压力，与梁的最大区别在于拱在竖直荷载作用下产生水平反力。由于这个力的存在使拱的弯矩要比跨度、荷载相同的梁的弯矩小得多，并主要是承受压力，使得拱截面上的应力分布比较均匀，更能发挥材料的作用，并可利用抗拉性能较差而抗压较强的材料，如砖、石、混凝土等来建造，这是拱的主要优点。拱结构广泛应用于桥梁工程，建筑工程中应用较少，其典型应用为砖混结构中的砖砌门窗圆形过梁，亦有拱形的大跨度结构。25拱按铰数可分为三铰拱、无铰拱、双铰拱、带拉杆的双铰拱，其中三鉸拱是静定的，后几种都是超静定的三铰拱无铰拱带拉杆的双铰拱双铰拱26单层建筑单层建筑单层建筑按使用目的分为民用单层建筑和单层工业厂房。一.民用单层建筑民用单层建筑一般采用砖混结构，即墙体采用砖墙，屋面板采用钢筋混凝土板。多用于单层住宅、公共建筑、别墅等。27二.单层工业厂房单层工业厂房一般采用钢筋混凝土或钢柱，屋盖采用钢屋架或钢筋混凝土屋架。按结构形式分为排架结构和刚架结构。排架结构指柱与基础为刚接，屋架与柱顶的连接为铰接，刚架结构也称框架结构，即梁或屋架与柱的连接为刚性连接。28三.目前出现的新型单层厂房建筑1.轻型钢结构建筑柱子和梁均采用变截面H型钢，柱梁的连接节点作成刚接；因其施工方便、周期短、跨度大、用钢量经济，已在单层厂房、仓库、冷库、候机厅、体育馆等建筑中广泛应用。292.拱形彩板屋顶建筑用拱形彩色热镀锌钢板作为屋面，自重轻，工期短，造价低，彩板之间用专用机具咬合缝，不漏水，已在很多工程中采用。30万神庙外观万神庙内景31抬梁式木构架32天坛祈年殿外观内部33天坛祈年殿天坛的主体建筑是祈年殿，每年皇帝都在这里举行祭天仪式，祈祷风调雨顺、五谷丰登。祈年殿呈圆形，直径32米，高38米，是三重檐亭式圆殿，宝顶鎏金，碧蓝琉璃瓦盖顶；殿内九龙藻井极其精致，富丽堂皇，光彩夺目。大殿结构十分独特，不用大梁和长檩，檐顶以柱和枋桷承重，中央的四根立柱高19.2米，代表一年中的四季，外围两排各有12根柱子，分别代表十二月和十二时辰。大殿建于高6米的三层汉白玉石台上，使大殿产生出高耸云端的巍峨气势。34英国伦敦水晶宫35英国伦敦水晶宫水晶宫因展现了园艺师约瑟夫．帕克斯顿（JosephPaxton）的天赋，这位设计者便受封为骑士。约瑟夫．帕克斯顿曾经率领花园园丁试验以玻璃与钢铁建造巨大温室的可能性，也因此见识到这些建材的强度与耐久力，他以这项技术知识申请世界博览会的建筑计画并且创造出惊人的结果。建筑物计画者们，曾试图找寻强韧、耐久、形式又简单的建筑物和并希望伴随著快速的建造进度，约瑟夫．帕克斯顿在这一点使博览会的筹办人如愿以偿，从1850年8月至隔年5月，这栋建筑使用了面积九十万平方英尺、相当于八万四千平方公尺的玻璃（或是八个半的标准足球场地），由伯明翰一玻璃供应商ChanceBrothers提供，这家公司是当时唯一拥有可提供如此庞大需求的工厂，却仍然必须从法国聘请劳工协助，以赶上展期的建筑进度。而另一个主要建材是铁，包括铁柱三千三百根，铁梁两千三百条，占地面积七万四千平方公尺，宽度与长度分别约为408英尺、1851英尺（相当于125公尺、564公尺），高三层楼。36大跨度建筑大跨度结构的结构体系有很多种，如网架结构、索结构、薄壳结构、充气结构、应力膜皮结构、混凝土拱形桁架等，常用于展览馆、体育馆、飞机机库等。一.网架结构网架结构为大跨度结构中最常见的结构形式之一，因其为空间结构，故一般称为空间网架。其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。常见的有平面桁架、四角锥体和三角形锥体组成，节点形式分为焊接钢板节点和焊接空心球节点两种。37网架结构38二.索结构索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，是土木工程中结构形式互通互用的典型范例。39三.薄壳结构薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。圆形圆顶结构是轴对称结构，在轴对称荷载作用下，将只产生两种力：径向力和环向力。径向力为沿经线方向的力，因其要平衡垂直向下荷载，所以必定为压力。环向力为沿纬线方向的力。圆形屋顶在垂直荷载作用下，上部的圆顶部分将受压收缩，其直径将变小，而下部靠近近支承部分直径将增大，即上部将产生环向压力，而下部将产生环向拉力，中间将有一截面，为环向压力向环向拉力转变的交界线，该处的环向力为0