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《结构概念和体系》StructuralConceptsandSystems课程简介主讲:计学闰2010年8月10日哈尔滨工业大学土木工程学院SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology本课程是哈尔滨工业大学土木工程学院为进行课程系列改革而开设的专业选修课(24学时)。也可作建筑学、房地产、道桥等专业的选修课。本科程突破了原有的课程体系,强调各课程之间的横向联系,特别注意从房屋的整体(而不是结构构件)来分析和理解结构体系,收到了较好的教学效果。2020/1/13本课程在哈尔滨工业大学已讲授十多年了。教材也已更新三次,新版教材《结构概念和体系》2009年7月已由高等教育出版社列为“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”和“新世纪土木工程系列教材”出版。教材附有配套的多媒体课件光盘,为学生提供了更多的工程实例和精美的彩色图片,也可供教师上课参考。教材及多媒体课件随着科学技术的发展,专业和学科间的分工越来越细,各专业和各课程间的横向联系常常被忽视。然而,一栋优秀的建筑必然是建筑、力学、结构、设备等各专业密切配合、创造性合作的成果。本课程从最基本的结构概念出发,强调建筑形式、结构类型和受力特点之间的密切关系,引导学生在设计中正确处理好建筑和结构体系的总体问题。课程内容围绕以下几个方面展开:一些重要的结构概念;建筑设计方案阶段要考虑的结构总体问题;结构水平体系和结构竖向体系的主要类型和特点;介绍国内、外著名建筑及建筑业的最新发展,剖析一些典型工程,使学生对结构体系有更深刻的理解。本课程采用多媒体教学,深入浅出,图文并茂,内容丰富,有利于学生增加感性认识,扩大知识面。本课程的多媒体课件还提供了一些必要的英语专业词汇,以利于逐步提高专业英语阅读能力。本课程2001年获哈尔滨工业大学优秀教学设计一等奖;2003年获哈尔滨工业大学教学成果一等奖及黑龙江省高等学校教学成果二等奖;2004年获哈尔滨工业大学优秀教学一等奖,并被评为哈尔滨工业大学的优秀课程。2004年在青岛召开的《全国土木工程专业精品课程及精品教材建设工作研讨会》上我们曾对本课程作了简单介绍,受到兄弟院校的关注。一些专家认为《结构概念和体系》课突破了目前按学科分隔的课程体系,是土木工程专业课程体系改革的大胆创新和成功实践。也有人说:“这是一门培养总工程师的课程。”课程简介教学效果课程设置课程设置课程内容课程设置随着科学技术的飞速发展专业和学科之间的分工越来越细专业之间和课程之间的联系常被忽视,学生的专业知识变得零碎了有的学生虽能求解复杂的力学问题,却不会从最简单的工程结构中抽象出计算简图平时往往重视构件的设计计算,而对结构体系的构成及其重要性认识不足有的学生虽能设计高层建筑和大跨结构,但对最基本的结构概念理解不深这对科学技术的发展是非常必要的过细的分工有时也带来一些弊病课程设置本课程是一门理论与实际联系密切,多学科综合性的专业选修课引导学生深入理解结构概念,学会从房屋总体(而不是结构构件)来分析和理解结构体系。通过介绍和分析各种常见的水平结构体系和竖向结构体系钢结构施工技术钢筋混凝土及砌体结构经济学等建筑设备力学房屋建筑学介绍国内外著名的建筑结构剖析典型的工程实例使学生开阔视野,提高专业素质目的在于对各门课程作横向连系分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔建于1889年,原是为纪念法国大革命胜利一百年及巴黎世博会而建的标志性建筑,高320m,是当时的世界第一高度,用钢9,000t。它不仅满足了标志性建筑及展览功能要求,并且由于其优美的造型而深受群众喜爱,已成为法国及巴黎的象征。从力学方面分析:铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁,对于高耸入云的铁塔来说,风荷载是其主要荷载,由于铁塔的总体外形与风荷载引起的弯矩图十分相似,因此充分利用了塔身材料的强度和刚度,受力非常合理;风荷载下的弯矩图M分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔从建筑方面分析:现在,艾菲尔铁塔已成为巴黎和法国的象征。每年有六百多万旅游者登塔观光,旅游收入也十分可观。可见一栋优秀的建筑在社会、政治、经济和文化中所起的重大作用。分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔从结构方面分析:塔底部斜框架结构合理,加大了跨度,使车流人流在塔下畅通无阻,更显铁塔的雄伟壮观。艾菲尔铁塔可谓建筑结构的完美统一。分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔课程设置更深刻地理解和体会一些重要的结构概念本课程的意义了解作为建筑功能和形式因素的结构体系及其基本类型了解和掌握建筑方案中空间形式和结构性能的相互关系学会从工程中抽象出计算简图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方案阶段就能保证建筑设计与结构设计的基本协调。课程内容课程简介课程设置教学效果课程内容绪论(Introduction)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)第二章结构设计中的总体问题(TheGeneralProblemsinStructuralDesign)第三章结构的水平体系(TheHorizontalSystemsofStructure)第五章工程实例简介(IntroductionofEngineeringExamples)第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemsofStructure)目录(Outline)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)2020/1/1181.1基本受力状态(TheBasicMechanicalStates)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)1.1基本受力状态(TheBasicMechanicalStates)1.2材料对结构的影响(TheEffectsofMaterialonStructure)1.3关于构件尺度的概念(TheConceptsofMembers’Dimension)1.4构件受力后的变形(TheDeformationsofMemberafterLoading)1.5预应力的概念(TheConceptsofPre-stress)2020/1/119强调拉、压、弯、剪、扭五种基本受力状态对材料的利用率,指出拉、压对材料的利用率最高,桁架、拱、网架、张拉索结构、膜结构等都是充分利用拉压的工程实例。课程内容:第一章一些重要的结构概念基本受力状态c)扭TMTMqb)弯剪τσa)拉压HHHH2020/1/120课程内容:第一章一些重要的结构概念材料对结构的影响石板或素混凝土梁,由于其抗拉强度ft远小于抗压强度fc,即ftfc,当拉应力超过抗拉强度时梁就开裂破坏,破坏由ft引起。木梁,由于天然木材有弯曲,切割成矩形木梁时木纹与梁轴不平行,而木材的横纹抗拉强度远小于顺纹抗拉强度,在主拉应力作用下,当主拉应力大于木材横纹抗拉强度fttr时,就发生斜向撕裂。钢管受弯,钢材的拉压强度是相同的,即fy=f’y,但由于受压时可能引起较薄的管壁局部失稳,当压应力超过φfy’时受压区局部屈曲而早于受拉区破坏。a)砖石b)钢管c)木材(斜纹)2020/1/121以在自重作用下的一根简支梁为例,说明按比例放大结构是很危险的。Lbh结构尺度的影响课程内容:第一章一些重要的结构概念关于构件尺度的概念2020/1/122现分别以下角标1和10代表原梁和放大10倍后的梁矩形截面梁b10=10b1;h10=10h1;L10=10L1自重线荷载g10=b10h10γ=100g1最大剪力V10=g10L10/2=1000V1最大弯矩M10=g10L102/8=10000M1截面抵抗矩W10=bh2/6=1000W1钢筋混凝土梁抗弯、抗剪承载力由钢筋控制[M10]=As10fy(h010-0.5x10)=1000[M1]由混凝土控制[M10]=b10xbfc(h010-0.5xb10)=1000[M1]最大抗剪力[V10]max=0.25b10h10=100[V1]max挠度跨中挠度f10=5g10L104/(384EI10)=100f1课程内容:第一章一些重要的结构概念关于构件尺度的概念Lbh可见,在结构设计中按比例放大结构是很危险的;截面高度的选择也必须考虑结构尺度的影响,对于跨度较大的梁截面应偏高一些。教材或规范上建议的梁的高跨比只在常用的跨度范围内才适用,超过这个范围就不对了。2020/1/123正确估计和判断构件受力后的变形曲线,对估算和分析结构内力十分重要。对一般杆件,若忽略N和V的影响,则M/EI=1/ρ=d2y/dx2双铰拱受荷后拱跨中曲率变小,拱脚上部曲率变大。可见,此拱跨中承受正弯矩,两侧拱脚上部承受负弯矩。双铰拱左半跨受荷后左半跨承受正弯矩,右半跨度承受负弯矩。无铰拱在全跨及半跨均布荷载下的变形曲线(左)及弯矩图(右)。细心对比后就会对曲率与弯矩的对应关系有所理解。yMyMyMMyqqq虽然在此例中弯矩M、曲率1/ρ的变化与变形y很相似,应当指出,对于曲线形杆件上式中弯矩M应与曲率增量(1/ρ-1/ρ0)相似,即与变形y的二次导数相似,而不是与变形y相似。M/EI=1/ρ=d2y/dx2对于等截面构件曲率和弯矩成正比课程内容:第一章一些重要的结构概念构件受力后的变形2020/1/124预应力的概念具有普遍意义。预应力只是一个力,而且是一个内力,内力不会是构件失稳。课程内容:第一章一些重要的结构概念预应力的概念+=2020/1/125对一块薄板施加预应力会不会使薄板失稳呢?当压杆有偶然偏心或偶然侧向力作用而弯曲后,附加的力矩可能使构件越来越弯曲,甚至导致破坏,这就是失稳。轴向力作用下的薄板或长细杆件有可能发生失稳。杆件截面中心杆件截面中心课程内容:第一章一些重要的结构概念预应力的概念预应力是一个内力,当一块预应力薄板发生偶然弯曲后,预应力产生的附加力矩以及弯曲后的预应力筋对混凝土板的侧压力与偶然弯曲方向相反,将使构件变直。可见,预应力不但不会使压杆失稳,而且会使压杆更加稳定。这就不难理解为什么有时我们会对预制长柱、长桩施加预应力了。当然,若预应力过大,也会把薄板压碎,但这不是稳定问题,而是承载力问题。2020/1/126课程内容:第一章一些重要的结构概念预应力的概念黄河小浪底工程预防山体滑坡的预应力锚杆2020/1/127关于预应力的概念(小结)•预应力是加荷前预先施加给构件的应力;•预应力仅仅只是一个力(不一定要预应力钢筋),例如,用手搬书时就没有预应力钢筋;•预应力充分利用了材料的抗压强度和抗拉强度,可提高混凝土的抗裂性,但不会提高构件的承载力;•预应力引起的构件反拱可以抵消恒载的挠度,但对可变荷载引起的变形,几乎没有影响;•预应力在构件中是一个内力,它不会使构件失稳,反而可提高构件的稳定性。例如,可对预制桩施加预应力,以提高运输和打桩时桩的稳定性;•预应力的概念具有普遍意义,例如:悬索结构、膜结构、充气结构等。课程内容:第一章一些重要的结构概念预应力的概念2020/1/128课程内容:第一章一些重要的结构概念圈梁和构造柱关于圈梁:从房屋的总体来分析混合结构房屋圈梁的受力状态底圈梁顶圈梁2020/1/129课程内容:第一章一些重要的结构概念圈梁和构造柱从这个例子中我们可以看出,圈梁不是梁,只是一个受拉杆件,真正起作用的是其中很少的一点配筋。圈梁的混凝土只是保证钢筋和砌体共同工作的媒体。当我们正确认识到圈梁是一个受拉杆件后,我们就不难理解为什么圈梁要成“圈”,圈梁和“圈”内混凝土楼板可形成刚性板块。圈梁不能随意弯折,圈梁的钢筋不能有“内折角”,必须锚固可靠等。2020/1/130课程内容:第一章一些重要的结构概念圈梁和构造柱在混合结构的抗震构造中还广泛采用构造柱。构造柱和圈梁一样,截面小,配筋少,往往不被重视。然而,构造柱和圈梁从整体上把房屋紧紧地捆绑在一起,大大加强了房屋的整体性。地震中,尽管房屋的局部可能有损伤,构造柱和圈梁可保证房屋整体不散架,不坍塌。从而有效地提高了房屋的抗震能力。不难看出,构造柱没有基础
本文标题:建筑结构课程简介
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