建筑结构基础知识

出版社科技分社建筑力学与结构1第一节建筑结构的概念及其经济合理性“建筑结构”一词经常被提起，但何谓建筑结构？你能给出一个清晰且完整的定义吗？结构既要经济又要合理，那么怎么做，才能达到此目地呢？出版社科技分社建筑力学与结构2结构是建筑物的重要空间骨架。空间骨架是由许多构件（如板、梁、墙、柱、杆、基础等）以各出版社科技分社建筑力学与结构3图5.1多层房屋结构的组成出版社科技分社建筑力学与结构4由不同的材料或不同的构件，以及不同的体型，可以组成不同的结构体系，如图5.2所示。结构必须抵抗自然界和人为的各种作用，因此，无论哪种出版社科技分社建筑力学与结构5图5.2结构体系框图出版社科技分社建筑力学与结构62建筑结构的形式是多种多样的，图5.3是房屋图5.3出版社科技分社建筑力学与结构73（1）空间功能建筑结构的首要功能是开辟合理的使用空间，所以有“空间骨架”之称。这是人类生活和生产的需要，也是结构存在的根本目的。（2）抵抗功能建筑结构的另一重复功能是抵抗各种作用力，所以它要形成“骨架”。这就要求结构具备应有的承载能力，并能正常使用且有耐出版社科技分社建筑力学与结构8结构的经济合理性是指其结构本身要科学合理，同时其造价和维持费用要符合经济性原则。为此将涉及到3个方面的问题：一是合理选取结构材料，二是恰当选择结构型式，三是充分考虑经济效果。出版社科技分社建筑力学与结构91选材，是指合理地选取结构的材料。它应根据结构受力情况的不同，发挥材料的长处，而避开材料的短处。2梁、刚架、拱、索是最基本的4种结构型式，如图5.5所示。它们有各自的跨度适用范围。出版社科技分社建筑力学与结构10图5.54(a)梁；(b)刚架；(c)拱；(d)索出版社科技分社建筑力学与结构113经济性以造价和维持费来衡量。我们追求的是出版社科技分社建筑力学与结构12第二节建筑结构的材料性能及选用结构的安全可靠要求用好料、多用料，而结构的经济性（即省钱）则要求用廉料、少用料。这显然是一对矛盾。解决这一矛盾的办法是：分析材料的性能，合理用材，材尽其用。出版社科技分社建筑力学与结构13一、材料的弹性、塑性和脆性什么是材料的弹性和塑性？这就需要把材料进行拉伸才能做出回答。先做一个小试验，如图5.7所示。图5.7橡皮筋和橡皮泥的拉伸示意图出版社科技分社建筑力学与结构14图5.8材料的拉伸图出版社科技分社建筑力学与结构15二、材料性能及选用建筑结构常用的材料有：砌体、木材、钢材、混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土等。这些材料的力学性能是有很大的差异性，因此，在建筑结构出版社科技分社建筑力学与结构161钢材是一种弹塑性材料。它的抗拉和抗压强度相近，与其他常用材料相比，钢材的强度最高，弹性模量最大，故钢材耐拉也耐压。图5.9钢板和型钢出版社科技分社建筑力学与结构17图5.10冷弯薄壁型钢出版社科技分社建筑力学与结构182混凝土是由骨料（如石子、砂）、水泥和水混合而成的人工材料。这是一种脆性材料，它的抗拉能力很弱，且受拉时极易产生裂缝，但抗压性能较出版社科技分社建筑力学与结构193钢筋混凝土是集脆性和弹塑性材料长处的结构材料。混凝土抗拉能力极弱，但抗压性能很强，而钢筋的优势是抗拉能力强，所以在混凝土中，配置适量的钢筋来承担拉力，只让混凝土承受压力。这两种材料的结合是取长补短，发挥各自优势的典范出版社科技分社建筑力学与结构20图5.11钢筋混凝土梁与素混凝土梁的比较（a）素混凝土梁;（b）钢筋混凝土梁出版社科技分社建筑力学与结构214这是一种在结构构件承受荷载之前，预先施加应力的技术。它的原理可以用一根橡皮筋把一些火柴盒绷紧的实验来模拟，如图5.12出版社科技分社建筑力学与结构22图5.12预应力原理的比拟出版社科技分社建筑力学与结构235凡是由天然材料（如石块等）或人工制品（如砖、混凝土砌块等）用粘性材料（如砂浆）砌筑起来的整体结构，都称为砌体。砌体所用的材料大多是脆性的，常用3种块材有砖、石块、混凝土砌块；常用的砂浆有水泥砂浆、混合砂浆、非水泥砂浆出版社科技分社建筑力学与结构24表5.1地面以下或防潮层以下的砌体潮湿出版社科技分社建筑力学与结构256木材是最古老的天然结构材料。它的材料性质因受力状况不同，而有塑性和脆性之分。当木材顺纹受压时，它的变形较大，表现为塑性；而在受拉出版社科技分社建筑力学与结构26出版社科技分社建筑力学与结构27第三节钢筋与混凝土在目前的建筑结构工程中，用量最多、用途最广的当属钢筋与混凝土。在《建筑材料》中，大家已经对这两种材料的力学性能有所了解。现在所要介绍的是钢筋和混凝土的强度指标以及在结构中如何选用等内容。出版社科技分社建筑力学与结构28一、钢筋1）钢筋强度的标准值图5.15各级钢筋的应力—应变曲线出版社科技分社建筑力学与结构29出版社科技分社建筑力学与结构30出版社科技分社建筑力学与结构312）钢筋强度的设计值在建筑结构构件按承载能力极限状态设计时，出版社科技分社建筑力学与结构32出版社科技分社建筑力学与结构334①钢筋混凝土结构或预应力钢筋混凝土结构中②预应力钢筋混凝土结构中所用的钢丝按外形分为4种：光面钢丝，刻痕钢丝，螺旋肋钢丝，钢绞线，其中钢绞线有3股和7股之分。③在混凝土结构中，还可以使用其他钢筋。出版社科技分社建筑力学与结构34图5.16冷扎扭钢筋外形出版社科技分社建筑力学与结构35出版社科技分社建筑力学与结构365建筑结构所采用的钢筋形式可分为柔性钢筋和图5.17出版社科技分社建筑力学与结构376建筑结构对钢筋的要求简单地说，就是强度要强度高——可以保证结构的承载力，且节约钢塑性好——钢筋在拉断前有足够的变形能力，使构件在即将破坏之前，能给人以预告信号，而且出版社科技分社建筑力学与结构38混凝土的强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度3种。第一种是用来确定混凝土强度等级的标准，而后两种是计算指标。1）立方体抗压强度fcu,k2）轴心抗压强度（fck,fc）3）轴心抗拉强度（ftk,ft出版社科技分社建筑力学与结构39图5.18混凝土立方体抗压器出版社科技分社建筑力学与结构40图5.19棱柱体轴心抗压强度出版社科技分社建筑力学与结构41出版社科技分社建筑力学与结构424（1）混凝土弹性模量Ec大家已经知道，弹性模量是反映弹性材料应力和应变之间关系的一个重要物理量，即E=σ/ε=常数。某种材料的弹性模量高，表明它的应变相对较小。由此可见，弹性模量反映了材料受力后的相对变形性质。出版社科技分社建筑力学与结构43出版社科技分社建筑力学与结构44（2）混凝土的收缩混凝土在空气中凝结过程中，体积减小的现象称为收缩。（3）混凝土的徐变混凝土在长期不变荷载作用下，应变随时间继续增长的现象，称为混凝土的徐变。出版社科技分社建筑力学与结构455钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于表5.10出版社科技分社建筑力学与结构46出版社科技分社建筑力学与结构471钢筋和混凝土是两种性质差异很大的材料,它们之所以能够有效地共同工作，一般是建立在下述（1）粘结（2）温度线膨胀系数相近（3）防锈出版社科技分社建筑力学与结构482钢筋与混凝土能够共同工作的基础，主要是靠两者之间存在较强的粘结力来保证。粘结力包括：①水泥的胶结作用使钢筋和混凝土接触表面上出版社科技分社建筑力学与结构49②混凝土凝固后将钢筋裹紧而产生的摩擦力。③钢筋表面凹凸不平（指肋纹钢筋、月牙钢筋、螺纹钢筋等）或光面钢筋的弯钩与混凝土之间的出版社科技分社建筑力学与结构50图5.20钢筋拉拔试验出版社科技分社建筑力学与结构51图5.21(a)加弯钩；(b)弯折；(c)焊短角钢；(d)焊短钢筋出版社科技分社建筑力学与结构52第四节建筑结构设计方法简介结构的坚固并安全，还能够正常使用，这是众望所归的。因此，需要在设计时，充分考虑到结构的各项功能要求，并由此建立科学的设计方法。那么，结构功能要求有哪些？其设计原理和设计方法是什么？出版社科技分社建筑力学与结构531)结构的功能要求（1）规定的时间它是指我国《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068—2001）（简称《统一标准》）中规定的结构设计使用年限，其分类可见表5.11。（2）正常的条件（3出版社科技分社建筑力学与结构54出版社科技分社建筑力学与结构552）结构的极限状态既然结构的极限状态是结构由可靠向失效转化的临界状态，那么常见的失效现象有哪些呢？（1①破坏②失稳③发生过大变形④发生过宽的裂缝⑤结构变成几何可变体系⑥倾覆⑦地基的变形过大出版社科技分社建筑力学与结构56图5.22出版社科技分社建筑力学与结构57图5.23结构失稳出版社科技分社建筑力学与结构58图5.24出版社科技分社建筑力学与结构59（2）极限状态方程如果能够把结构所处的极限状态，用一数学方法来表示，这就可以得到结构的极限状态方程。结构或构件安全可靠的基本条件应该是：Z=R－S≥0（5.1）出版社科技分社建筑力学与结构60S既然是荷载效应，那么就需要先计算出荷载之值。在第4章中，大家已经熟悉了各种荷载的分类，也了解到荷载是多样的，有的还是可变的。建筑结构设计有承载能力极限状态和正常使用极限状态这两种设计方法。前者，一般是以结构内力超过其承载能力为依据；后者，一般是以结构的变形、裂缝、振动参数超过设计允许的限值为依据。出版社科技分社建筑力学与结构611对于结构构件的自重，因其值变化不大，一般以其平均值作为自重的标准值。即可按构件尺寸与材料或结构构件单位体积的自重（或单位面积的自重）平均值确定。本书所列的材料和构件自重，可见表5.12，更详细的情况可查《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）的附录A，以下将该规范简称为《荷载规范》出版社科技分社建筑力学与结构62出版社科技分社建筑力学与结构63出版社科技分社建筑力学与结构64出版社科技分社建筑力学与结构65出版社科技分社建筑力学与结构66出版社科技分社建筑力学与结构67（3在《荷载规范》中的附表D.4，可查得全国各城市的雪压和风压。现摘录我国4个直辖市和两个地区的基本雪压和风压，见表5.15出版社科技分社建筑力学与结构68表5.15全国一些城市的50出版社科技分社建筑力学与结构693可变荷载的组合值、频遇值、准永久值都是由可变荷载标准值分别乘以相应的系数（组合值系数ψc、频遇值系数ψf、准永久值系数ψq）而得出。即：出版社科技分社建筑力学与结构70三、极限状态设计表达式1由式（5.1）知道，结构或构件安全可靠的基本条件是：R－S≥0或S≤R。当设计结构或构件的承载能力时，S是内力，R是相应的抗力。当然要因此承载能力极限状态设计表达式为：出版社科技分社建筑力学与结构712若设永久荷载和可变荷载的设计值分别为g和Q，则有g=γｃgk，Q=γQQk，而由荷载设计值g和Q所产生的弯矩也是设计值，分别设为Mg和MQ，故有：出版社科技分社建筑力学与结构723此题中，荷载效应的组合就是弯矩的叠加，其组合设计值为：出版社科技分社建筑力学与结构731由地壳中岩层发生断裂或错动，以及火山爆发、溶洞塌陷等原因导致地面发生程度不同的振动，这种现象就称为地震。第五节建筑结构抗震知识出版社科技分社建筑力学与结构74图5.37地震名词及示意图出版社科技分社建筑力学与结构752（1）地震的震级地震的震级是衡量一次地震大小的等级。它表示一次地震释放能量的多少，一次地震只有一个震级。地震的震级用符号M表示。M=lgA（5.5出版社科技分社建筑力学与结构76（2）地震烈度地震烈度是指某一地区和建筑物遭受一次地震影响的强烈程度。地震烈度不仅与震级的大小有关，而且与震源深度、震中距、地质条件等因素有关。出版社科技分社建筑力学与结构77出版社科技分社建筑力学与结构78出版社科技分社建筑力学与结构79出版社科技分社建筑力学与结构80出版社科技分社建筑力学与结构81出版社科技分社建筑力学与结构823地震造成的破坏可归纳为地表的破坏、建筑结图5.39地震引发的山体滑坡出版社科技分社建筑力学与结构83二、抗震设防目标1抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采