第8章建筑结构设计原理简介.

1建筑力学与结构2013.9主讲：蔡高明2第8章建筑结构设计原则简介8.1建筑与建筑结构的关系8.2建筑结构的功能要求和极限状态目录8.3结构上的荷载和荷载效应8.4结构极限状态设计表达式8.5耐久性规定8.6钢筋混凝土结构的材料8.1建筑和建筑结构2019/12/193建筑供人们生产、生活或从事其他活动的场所房屋、楼房、厂房等两个特质外在特质—美观内在特质—安全适用耐久工业建筑民用建筑工民建8.1.1建筑2019/12/194•工业建筑–轻工业厂房–重工业厂房民用建筑住宅商店医院学校……2019/12/1958.1.2建筑结构设计原则技术先进，经济合理，安全适用，确保质量建筑结构定义：房屋建筑中，由构件按一定的规律所组成的承受各种作用的几何不变体系。（即起骨架作用）结构组成：梁、板、柱、基础、桁架和网架等2019/12/196•建筑结构应满足的基本要求–平衡•相对于地面不动•结构机构–稳定•作为刚体不发生危险运动•不倾覆（倾斜）、不倒塌2019/12/197–承载能力•在预计荷载作用下安全可靠•一定的材料强度储备承载力不足的后果2019/12/198–适用•满足使用目的•不出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝，局部损坏2019/12/1998.1.3建筑结构的类型和特点1.按材料分类建筑结构材料分类钢筋混凝土结构砌体结构钢结构木结构混合结构2019/12/1910•钢筋混凝土结构（concretestructure）–优点•（1）可模性好。•（2）强度价格比相对较大。•（3）耐久性好。•（4）耐火性好。•（5）整体性好。•（6）便于就地取材。2019/12/1911–缺点•（1）自重大（2）施工相对复杂，建造工期长。•（3）现场浇筑时耗费模板多。（4）补强维修工作比较困难。（5）普通混凝土抗裂性能差。•（6）现场浇筑时受天气条件影响，不宜冬季和雨天施工。–钢筋和混凝土共同工作（1）黏结作用（2）线膨胀系数几乎相同（3）钢被混凝土包裹、保护双曲冷却塔2019/12/1912•砌体结构（masonrystructure）–结构细分•砖砌体•石砌体•砌块砌体–砌体结构的优点•取材方便，造价低廉•具有良好的耐火性和耐久性•保温、隔热、隔声，节能效果好•施工简单2019/12/1913–砌体结构的缺点•自重大•强度低•整体性差•砌筑劳动强度大配筋砌块砌体•配筋混凝土砌块剪力墙结构是具有强度高、延性好、抗震性能好的结构体系•可以修到18层，60m高。2019/12/1914•钢结构（steelstructure）–结构细分•普通钢结构•轻型钢结构–钢结构的优点•强度高，自重轻，塑性和韧性好•工厂化、机械化施工，工期短•抗震性能优•无污染、可再生、节能、安全2019/12/1915–钢结构的缺点•易腐蚀，维护费用高•耐火性能差温度达到250C时，材质会发生较大变化；达到500C时，强度下降，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。2019/12/1916•木结构（woodstructure）–木结构的应用情况•古建筑及修复•山区民居西安长乐门2019/12/1917•国外新型木结构2019/12/1918–木结构的优缺点•就地取材制作简单•易燃易腐变形较大木材受到国家严格限制，城市建设中木结构较少采用。古建筑重修都采用仿古建筑—钢筋混凝土，如黄鹤楼、滕王阁，还有“更上一层楼”。加拿大等国家欲在中国推销其装配式木结构。2019/12/1919•混合结构–混合的涵义•两种及两种以上材料为主制作的结构，称为混合结构。–混合结构类型•多层：砖混结构砖木结构•高层：钢—混凝土混合2019/12/19202.按结构受力性能分类建筑结构受力分类平面结构空间结构排架结构框架结构剪力墙结构筒体结构网格结构悬索结构膜结构管桁结构……2019/12/1921•平面结构–排架结构：排架的结构，排架是下面两排柱子，上面屋架，在这两排柱子上面的屋架之间放上一个板子形成个空间连续的结构。•承重体系：屋面横梁（屋架，大梁）柱和基础•应用范围：单层工业厂房2019/12/19222019/12/1923–框架结构：梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。采用结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。•组成：梁，柱，板•应用多层、高层工业与民用建筑2019/12/19242019/12/1925–剪力墙结构：是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构•结构形式：普通剪力墙结构，短肢剪力墙结构框架—剪力墙结构，部分框支剪力墙结构•应用：高层建筑2019/12/1926–筒体结构：将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。•结构形式：框架—核心筒结构筒中筒结构束筒结构•应用：高层、超高层建筑建于1998年2019/12/1927•空间结构承重构件布置成空间形状，三维受力（1）屋盖结构直接承受屋面荷载的结构（2）支撑结构直接承受和传递屋盖荷载：竖向支撑水平支撑（3）基础承受上部荷载传力至地基2019/12/1928–网架（网壳）结构•若干杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构•平者为网架结构，曲者为网壳结构2019/12/19292000年，四川大学体育馆异形网壳—叶片状：远看象飞鸟，近看象青蛙。六点支承。平面尺寸96m101.6m，双层厚度2.0m~3.5m，用钢量50kg/m2。2019/12/1930–悬索结构•跨越水平距离、形成大空间的主要受力结构部分，由一系列按一定规律布置的高强钢索及联系钢索之间的杆件组成。•作用：形成屋面、承担屋面荷载并将其传至支承结构四川省体育馆2019/12/1931–膜结构•柔软织物为材料——织物结构•空气或索、或刚性结构支承•膜面有一定张力•具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系1975，密歇根尤提亚克“银色穹顶”。间等八边形183m234.9m2019/12/1932沙特吉达航空港（1981）10组共210个锥体组成每锥平面45m45m总面积45万平方米2019/12/1933定义：一组不连续的受压构件与一套连续单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。基本特征：1）全张力状态。2）预应力提供刚度索膜组合结构膜结构的更高层次—索穹顶结构2019/12/1934–管桁结构薄壁钢管形成的桁架式结构，与普通桁架的区别在于节点，普通桁架需要节点板，管桁是相贯节点、直接焊接。•C-C型主管与支管均为圆管•R-R型主管与支管均为矩形或方形•R-C型主管为矩形，支管为圆形8.2建筑结构的功能要求和极限状态8.2.1建筑结构的功能要求建筑结构的基本要求是：以最经济的手段使结构在正常施工和使用的条件下，在预定的使用期内满足下列预定功能的要求：◆安全性正常使用和施工时能承受各种可能施加于它的各种作用如，荷载、温度变化、支座沉陷引起的内力。且在地震、爆炸、撞击等偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必要的整体稳定性，即建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。◆适用性在正常使用时具有良好的工作性能。不发生影响使用的变形和裂缝。如应具有足够的刚度，以避免变形过大而影响正常使用。◆耐久性在正常使用和维护下，在规定的时间内（一般为50年）、规定的条件下，完成预定功能的能力。如在规定使用期间内，钢筋不致因保护层过薄或裂缝过大而发生锈蚀等。安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。结构能满足功能的要求，称为结构可靠或有效。反之，称为结构不可靠或失效。8.2.2结构的极限状态◆极限状态结构的极限状态就是结构或构件的一部分超过某一特定状态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。超过这一界限，结构或其构件就不能满足设计规定的该功能要求，而进入失效状态。极限状态是区分结构工作状态的可靠或失效的标志。极限状态可分为两类：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对应于结构或结构构件达到最大的承载能力或不适于继续承载的变形。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：◆地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)。◆结构构件或连接因为超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载；◆结构丧失承载能力转变为几何可变体系；◆结构或构件丧失稳定；◆整个结构或结构的一部分，作为刚体失去平衡(如倾覆等)；这一极限状态关系到结构全部或部分破坏或倒塌，会导致人员伤亡或严重经济损失。因此对所有结构和构件都必须按承载力极限状态进行计算，并保证具有足够的可靠度。(2)正常使用极限状态正常使用极限状态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态：◆影响正常使用或外观的变形；◆影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝)；◆影响正常使用的振动；◆影响正常使用的其它特定状态。按正常使用极限状态设计时，应验算结构构件的变形、抗裂度或裂缝宽度、地基变形、房屋侧移等。超过正常使用极限状态，会使结构或构件不能正常工作，使结构的耐久性受影响。结构设计时，通常先按照承载能力极限状态进行计算，然后根据使用上的要求进行正常使用极限状态验算，如抗裂验算、裂缝宽度验算、变形验算等。8.3结构上的作用与作用效应8.3.1结构上的作用与荷载◆结构上的作用指作用于结构上的荷载及引起结构外加变形和约束变形的原因。分为直接作用和间接作用。①直接作用以力的形式直接施加于结构上，如自重等。②间接作用以变形形式施加于结构上，如地震振动、地基不均匀沉降、混凝土的收缩、徐变、温度变化等，用（Q）表示。◆荷载的分类和荷载效应《建筑结构荷载规范》（GB50068—2010）（以下简称为《荷载规范》）将结构上的荷载作如下分类：（1）按作用时间的变异分类：◆永久荷载在结构使用期间，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略不计的荷载，如结构自重、土压力、预应力等，永久荷载也称为恒载。◆可变荷载在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载，如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、风荷载、雪荷载及工业厂房中的吊车荷载等，可变荷载也称为活载。◆偶然荷载在结构使用期间不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短的荷载，如爆炸力、撞击力等。（2）按空间位置变异分类：◆固定荷载在结构空间位置上具有固定分布的荷载，如结构构件的自重、固定设备重等。◆自由荷载在结构空间位置上的一定范围内可以任意分布的荷载，如起重机荷载、人群荷载等。8.3.2荷载的代表值结构设计时，根据各种极限状态的设计要求所采用的不同的荷载数值称为荷载代表值。对于永久荷载以标准值作为代表值；对可变荷载根据不同的设计要求采用不同的代表值，如标准值、组合值、频遇值、准永久值。（1）荷载标准值所谓荷载标准值，是指结构在设计基准期(50年)内，正常情况下可能出现的最大荷载值，它是结构设计时采用的荷载基本代表值。而其他的代表值都可由标准值乘以相应的系数后得出，通常要求荷载标准值应具有95%的保证率。即：大于标准值的荷载出现的可能性只有5%，而小于标准值的荷载出现的可能性有95%。(2)可变荷载组合值当结构承受两种或两种以上可变荷载时，由于所有可变荷载同时达到各自最大值的可能性极小，因此除主导的可变荷载外，其它伴随的可变荷载均应乘以一个小于1的组合系数（ψc）作为可变荷载的组合值。8.3.3荷载效应作用在结构上的各种荷载使结构产生内力、变形和裂缝等，统称荷载效应，用S表示。荷载效应根据结构上的荷载由力学计算求得。如一根受均布荷载作用的简支梁，支座处剪力为V＝ql/2，跨中弯矩M＝ql2/8，则V和M就是荷载效应。8.3.4结构抗力设计值•结构或构件抵抗作用的能力称为抗力，用R表示，抗力包括承载能力和抗变形能力等。结构的抗力取决于材料的性能（强度、变形）、构件截面的几