第一章建筑结构体系与选型

1第一章建筑结构体系与选型第一节概述人类社会在初期就出现了建筑物。人类的祖先为了生存不得不和自然界展开斗争，房屋建筑就是人类向自然界作斗争的产物。建筑结构(Buildingstructure)是房屋建筑的空间受力骨架体系，是建筑物得以存在的基础（图1．1）。建筑结构的功能●首先是骨架所形成的空间能良好地为人类生活与生产服务，并满足人类对美观的需求，为此须选择合理的结构型式。●其次是应合理选择结构的材料和受力体系，充分发挥所用材料的作用，使结构具有抵御自然界各种作用的能力，如结构自重、使用荷载、风荷载和地震作用等（图1．2）。此外，建筑结构必须适应当时当地的环境，并与施工方法有机结合，因为任何建筑工程都受到当时当地政治、经济、社会、文化、科技、法规等因素的制约，任何建筑结构都是靠图1．12合理的施工技术来实现的。因此，优秀的建筑结构应具有以下特点：（１）在应用上，要满足空间和功能的需求；（２）在安全上，要符合承载和耐久的需要；（３）在技术上，要体现科技和工程的新发展；（４）在造型上，要与建筑艺术融为一体；（５）在建造上，要合理用材并与施工实际相结合。本章的目的是使读者了解各种房屋建筑结构体系的基本类型及其组成，了解和掌握建筑方案设计中空间形式对结构性能的影响，更深入地理解和体会一些重要的结构概念，学会用近似方法快速估算和比较各种设计方案，使得在房屋设计的最初阶段就能保证建筑设计与结构设计的基本协调。一、结构体系的分类建筑结构是由许多结构构件组成的一个系统，其中主要的受力系统称为结构总体系。结构总体系虽然千变万化，但总是由水平结构体系、竖向结构体系以及基础结构体系三部分组成（教材图1．3）。●水平结构体系一般由板、梁、桁（网）架组成，如板一梁结构体系和桁（网）架体系。水平结构体系也称楼（屋）盖体系。其作用为：①在竖直方向，它通过构件的弯曲变形承受楼面或屋面的竖向荷载，并把它传递给竖向承重体系；②在水平方向，它起隔板作用，并保持竖向结构的稳定。●竖向结构体系一般由柱、墙、筒体组成，如框架体系、墙体系和井筒体系等。其作用为：①在竖直方向，承受水平结构体系传来的全部荷载，并把它们传给基础体系；②在水平方向，抵抗水平作用力，如风荷载、地震作用等，也把它们传给基础体系。●基础结构体系一般由独立基础、条形基础、交叉基础、片筏基础、箱形基础（一般图1．23为浅埋）以及桩、沉井（一般为深埋）组成。其作用为：①把上述两类结构体系传来的重力荷载全部传给地基；②承受地面以上的上部结构传来的水平作用力，并把它们传给地基；③限制整个结构的沉降，避免不允许的不均匀沉降和结构的滑移。结构水平体系和竖向体系之间的基本矛盾是，竖向结构构件之间的距离愈大，水平结构构件所需要的材料用量愈多。好的结构概念设计应该寻求到一个最开阔、最灵活的可利用空间，满足人们使用的功能和美观的需求，而为此所付出的材料和施工消耗最少，而且能适合本地区的自然条件（气候、地质、水文、地形等）。●建筑结构的类型划分有：1．以组成建筑结构的主要建筑材料划分：有钢筋混凝土结构、钢结构、砌体（包括砖、砌块、石等）结构、木结构、塑料结构、薄膜充气结构等。2．以组成建筑结构的主体结构型式划分：有墙体结构、框架结构、深梁结构、筒体结构、拱结构、网架结构、空间薄壁（包括折板）结构、钢索结构、舱体结构等，如教材图l．4所示。3．以组成建筑结构的体型划分:有单层结构（多用于单层工业厂房、食堂等）、多层结构（一般2～9层）、高层结构（一般10层以上）、大跨结构（跨度大约在40～50m）。二、影响建筑结构选型的因素结构选型是一个综合性的科学问题，不仅要考虑建筑上的使用功能，也要考虑结构上的安全合理，施工上的可能条件，还应注意结构效益和艺术上的造型美观。选择一个最佳的结构形式，往往需要进行多方面的调查研究，结合具体建设条件作出多种方案进行综合分析，才能作出最终的选定。结构选型时应考虑如下因素。（一）结合建筑物的使用功能要求做好结构选型任何建筑物都具有对客观空间环境的要求，根据这些要求可以大体确定建筑物的尺度、规模与相互关系。①首先，结构选型时应注意尽可能降低结构构件的高度，选择与建筑物使用空间相适应的结构形式。例如：钢桁架构造高度约为跨度的1/8～1/12，平板网架结构的构造高度仅为跨度的1/20～1/25，选择适当，可使室内空间得到较充分的利用。②其次，建筑物的使用要求应与结构的合理几何体型相结合。例如：某散装盐库在结构选型中比较了两种方案，4方案Ⅰ为钢筋混凝土排架结构（图1．5a），方案Ⅱ为拱结构（图1．5b）。方案Ⅰ的主要缺点是3/5的建筑空间不能充分利用，而方案Ⅱ采用落地拱，由于选择了合适的矢高和外形，使建筑空间得到了比较充分的利用。③此外，结构选型时还应注意结构的几何体型对声学效果的影响、对采光照明的影响以及对屋面排水的影响。（二）建筑结构型式对建筑风格和建筑艺术的影响建筑结构型式对建筑风格和建筑艺术的影响极为明显。教材图1．6为三幢使用功能相同的食堂建筑，它们都具有较大跨度的室内空间，但由于结构型式的不同，便产生了完全不同的建筑风格和形成了完全不同的立面效果。（三）建筑结构材料及其它因素对结构选型的影响比较梁式结构和轴心受力结构的受力状态：梁的截面应力分布极不均匀，除边缘纤维达到最大许用应力外，大部分材料的应力远远低于许用应力，即材料强度并未充分利用，而轴心受力状态因截面应力分布均匀更能充分利用材料强度。为节约材料可把梁截面中和轴附近的材料减少到最低程度，从而形成了工字形截面构件，它比矩形截面构件获得了更大的抗弯惯性矩。设想再进一步把梁腹部的材料挖去，就由梁式结构转化为了平面桁架结构。由于桁架的各杆件均为轴向受力，可以认为桁架结构比梁式结构更能充分利用材料强度。若将桁架的外形与简支梁的弯矩图图形相吻合，则桁架内各弦杆内力将保持一致而腹杆内力接近零，这样就最大限度地节约了材料。图1．7为结构形式由简支梁到桁架的变化过程。影响建筑结构形式的因素还包括建筑施工的生产技术水平以及经济指标等。衡量结构方案经济性的手段是进行综合经济分析。所谓综合经济分析就是要从以下几个方面综合考虑问题：（１）不但要考虑某个结构方案付诸实施时的一次投资费用，还要考虑其全寿命期费用。（２）除了以货币指标核算结构的建造成本外，还要从节省材料消耗和节约劳动力等各项指标来衡量。此外从人类长远利益考虑，还要特别考虑资源的节约。（a）排架结构（b）拱结构图1．5两种结构方案比较（a）（b）（c）（d）图1．7由简支梁发展成为桁架5（３）在结构方案比较时还应综合考虑一次性初始投资和建设速度的关系，以便较快地回收投资资金，获得较好的经济效益。第二节混合结构体系混合结构体系又称砖混结构，是指房屋的墙、柱和基础等竖向承重构件采用砌体结构，而屋盖、楼盖等水平承重构件则采用钢筋混凝土结构（或钢结构、木结构）所组成的房屋承重结构体系。墙体是混合结构房屋中的主要竖向承重结构，也是围护结构。混合结构广泛用于层数不多的多层建筑。一、混合结构的优点和应用范围混合结构是我国有史以来使用时间最长、应用最普遍的结构体系。在多层建筑结构体系中，多层砖房约占85%，它广泛应用于住宅、学校、办公楼、医院等建筑。（１）混合结构的主要优缺点：●主要优点①主要承重结构（墙体）是用砖砌，取材方便；②造价低廉、施工简单，有很好的经济指标；③保温隔热效果较好。●主要缺点①由于砖砌体强度较低，故利用砖墙承重时，房屋层数受到限制；②由于抗震性能较差，它在地震区使用限制更加严格。③混合结构墙体主要靠手工砌筑，工程进度慢。④砖材料取土可能破坏农田耕地，且消耗大量能源。因此，砖混结构在未来发展中将会逐步受到限制。（２）应用范围：①非抗震区：10～12层以下；②抗震区：6～7层以下。二、混合结构房屋的墙体布置应根据建筑功能要求选择合理的承重体系。按墙体承重体系，其布置大体可分为以下几种方案：1．横墙承重方案由横墙直接承受屋盖、楼盖传来的竖向荷载的结构布置方案称横墙承重方案，外纵墙主要起围护作用（见图1．8）。●横墙承重方案特点：（１）横墙是主要承重墙，图1．8横墙承重方案6纵墙主要起围护、隔断和将横墙连成整体的作用。（２）与纵墙承重方案相比，横墙承重方案房屋的横向刚度大、整体性好，对抵抗风荷载、地震作用和调整地基不均匀沉降均更为有利。●横墙承重体系适用于房间开间尺寸较规则的住宅、宿舍、旅馆等。2．纵墙承重方案由纵墙直接承受屋盖和楼盖竖向荷载的结构布置方案称纵墙承重方案（见图1．9）。●纵墙承重方案楼面荷载（竖向）传递路线为：板→梁（或屋面梁）→纵墙→基础→地基。●纵墙承重方案特点：（１）、纵墙是主要承重墙，横墙主要是为了满足房屋使用功能以及空间刚度和整体性要求而布置的，横墙的间距可以较大，以使室内形成较大空间，有利于使用上的灵活布置。（２）、相对于横墙承重体系来说，纵向承重体系中屋盖、楼盖的用料较多，墙体用料较少，因横墙数量少，房屋的横向刚度较差。●纵墙承重体系适用于使用上要求有较大开间的房屋。3．纵横墙承重方案根据房间的开间和进深要求，有时需要纵横墙同时承重，即为纵横墙承重方案。这种方案的横墙布置随房间的开间需要而定，横墙间距比纵墙承重方案的小，所以房屋的横向刚度比纵墙承重方案有所提高（见图1．10）。●其楼面荷载（竖向）传递路线为：●纵横墙承重方案特点：房屋的平面布置比横墙承重时灵活；房屋的整体性和空间刚度比纵墙承重时更好。4．内框架承重方案内框架承重体系是在房屋内部设置钢筋混凝土柱，与楼面梁及承重墙（一般为房屋的外墙）组成（图1．11）。结构布置是楼板铺设在梁上，梁端支承在外墙，梁中间支承在柱上。图1．9纵墙承重方案图1．10纵横墙承重方案7●当承重梁沿房屋的横向布置时，其竖向荷载的传递路线为：●内框架承重体系的特点为：（１）由于内纵墙由钢筋混凝土框架代替，仅设置横墙以保证建筑物的空间刚度；同时，由于增设柱后不增加梁的跨度，使得楼盖和屋盖的结构高度较小，因此在使用上可以取得较大的室内空间和净高，材料用量较少，结构也较经济。（２）由于竖向承重构件材料性质的不同，外墙和内柱容易产生不同的压缩变形，基础也容易产生不均匀沉降。因此，如果设计处理不当，墙、柱之间容易产生不均匀的竖向变形，使构件(主要是梁和柱）产生较大的附加内力。另外，由于墙和柱采用的材料不同，也会对施工增加一定的复杂性。（３）由于横墙较少，房屋的空间刚度较小，使得建筑物的抗震能力较差。●内框架承重体系适用于旅馆、商店和多层工业建筑。5．底部框架承重体系房屋有时由于底部需设置大空间，在底部则可用钢筋混凝土框架结构同时取代内外承重墙，成为底部框架承重方案，如图1．12所示。●框架与上部结构之间的楼层为结构转换层，其竖向荷载的传递路线为：“上部几层梁板荷载→内外墙体→结构转化层钢筋混凝土梁→柱→基础→地基”●底部框架体系的特点是：（１）、墙和柱都是主要承重构件。以柱代替内外墙体，在使用上可以取得较大的使用空间。（２）、由于底部结构形式的变化，房屋底层空旷。横墙间距较大，其抗侧刚度发生了（a）（b）图1．11内框架承重方案图1．12底部框架承重体系8明显的变化，成为上部刚度较大，底部刚度较小的上刚下柔多层房屋，房屋结构沿竖向抗侧刚度在底层和第二层之间发生突变，对抗震不利。因此《建筑结构抗震规范》对房屋上、下层抗侧移刚度的比值做了规定。●底部框架承重体系适用于底层为商店、展览厅、食堂而上面各层为宿舍、办公室等的房屋。混合结构不同承重体系的房屋，墙体布置各有特点，材料用量和结构空间刚度也有较大差别。至于某个具体工程应当采用哪种体系，首先要满足建筑物的使用要求和考虑建筑设计特色，然后从地基、抗震、材料、施工和造价等因素上进行综合比较，力求做到结构安全可靠、技术先进和经济合理。第三节单层刚架结构体系凡是梁、柱之间为刚性连接的结构，统称为刚架。当梁与柱之间为铰接的单层结构，一般称为排架。多层多跨的刚架结构则常称为框架，单层刚架也称为门式刚架。门式刚架外形有水平横梁式和折线横梁式两种，它的选择主要服从建筑排水和建筑造型的考虑。单层