建筑结构汇总

建筑结构土木学院林旭健第一章结构及结构类型一、结构概念1.结构的定义每一建筑物或构筑物，都具有用一定材料建造的、能够抵御自然界各种作用力的空间骨架——结构。2.建筑与结构的关系结构是建筑物赖以存在的物质基础，建筑不能脱离结构而存在，任何建筑构思都必须通过结构来实现。因此，建筑设计一开始，就要考虑结构方案，既要满足建筑使用的要求，又要顾及材料的选用和结构的实施。建筑设计与结构设计的关系：1）合作——解决矛盾设计、建造建筑物，是建筑师、结构工程师、设备工程师、施工工程师共同合作的多边复杂过程。在这相当长的过程中，会出现各种各样的矛盾，至少要求能够共同协商、解决矛盾。2）结合——相互了解如果建筑师缺乏必要结构知识，就缺乏与结构工程师共同研究的基础，就会导致片面的构思、方案，无法将工程付诸实现，或造成损失。反之，掌握结构基本原理，熟悉结构体系，则可能产生符合现代建筑科技的新思想、新方法，与结构工程师的合作就成为一种和谐的结合。3）融合建筑平面和体型是所采用结构型式的反映，结构型式的选择为建筑平面和体型设计效果服务，二者密切对应，作品趋于完美。4）统一完美的建筑物既是好建筑、又是好结构，建筑物内部的建筑设计单元、结构构件、设备部件、施工技术等统一成为有机的整体。3.结构所要解决（所涉及）的问题1）具有良好的工作性能，满足使用和美观的需要——结构存在的根本目的。2）具有抵御自然界各种作用力的功能（承载力、变形、稳定、耐久性）——结构存在的根本原因。3）充分发挥所用材料的性能——材料是结构存在的根本条件。4）其他问题连接构造：保证结构整体性、刚性，反映施工可行性、结构合理性。经济问题：由结构的功利特性所决定。需要经过多方案的分析比较，选择相对经济、合理的结构型式。二、结构构件类型1.梁主要荷载垂直于纵轴，以受弯矩、剪力为主。2.板主要荷载垂直于板面，以受弯矩为主。3.柱主要荷载平行于纵轴，以受轴向拉、压力和弯矩为主。4.承重墙主要荷载平行于板面，以受拉、压力和弯矩为主。5.挡土墙主要荷载垂直于板面，以受弯矩、剪力为主。6.索线形柔性构件，荷载通过吊索传递到支承构件。7.杆以受轴向拉、压力为主。8.拱曲（折）线形构件，荷载主要作用在纵轴平面内，以受压、弯、剪为主。9.壳曲面形构件，以受压为主，由于传力好，厚度可极小。10.膜薄膜材料制成，只能承受拉力。三、结构体系与型式1.墙体结构（承重墙结构）墙体不仅起围护作用，更是承受竖向和水平荷载的主要构件。2.框架结构以框架作为建筑物的竖向、水平承重结构。3.框架—墙结构4.筒体结构承重墙围成封闭筒体。框架—筒结构框筒结构筒中筒结构成束筒巨形框架5.错列桁架结构整层高的桁架横跨两外柱之间的空间，桁架沿建筑物高度交替错列。6.网架结构由杆件按一定的网格形式，通过节点连接而成的空间结构。轻质、高强、大跨（大刚度）、抗震。由平面桁架组成的网架（两向正交正放网架）由四角锥体组成的网架（斜放四角锥网架）7.拱结构8.壳体结构由薄壳和边缘构件（梁、拱、桁架）组成，承载力高、刚度大，无需中间支柱。9.空间折板结构薄壁结构，受力较好、刚度较大，施工（支模）较薄壳简单。10.索结构（悬挂式结构）结构类型以主要建筑材料划分：钢、混凝土、砌体、木、塑料、薄膜充气结构等（一）钢结构用各种钢材连接而成。——通常由型钢、钢板、钢管等制成钢梁、钢柱、钢桁架等构件，各构件采用焊接、栓接、铆钉连接。优点：①材料性能良好可靠：质地均匀，强度高，塑性、韧性良好；②轻质高强：强度高，截面小、重量轻，运输架设方便；③易连接：可焊，制作工艺简单④制作构件工业化程度高，运输方便，可重复使用。缺点：①耐腐蚀性差；②耐火差；③构件长细比大，受压容易失稳；④造价高。（二）混凝土结构1.素混凝土结构：抗拉强度很低，一般只用于以受压为主的结构构件。2.钢筋混凝土结构：“钢筋混凝土”：由钢材、混凝土二种物理力学性能不同的材料有机结合而成。钢筋、混凝土共同工作的基础：①良好粘结力；②温度线膨胀系数相近；③防锈防火。钢筋混凝土结构优点：①合理利用材料性能；②节约钢材；③就地取材；④耐久；⑤耐火；⑥刚度大；⑦可塑性。缺点：①结构自重大②抗裂性差③费工、费摸板，工期长3.预应力混凝土结构：承受外荷载之前，在结构中施加预应力。——通常在外荷载作用下的受拉区域预加压力，以部分或全部抵消外荷载引起的拉应力。（三）砌体结构以砂浆将砖、石等块材粘结、砌筑而成的结构。优点：①节约钢材、木材、水泥等建材，易就地取材、造价低；②施工简便。缺点：①强度低，抗裂、抗震性能差；②结构体积大；③手工砌筑，工作量大。第二章钢筋和混凝土的力学性能§2-1钢筋一、钢筋种类○按含量分：碳素钢、低合金钢○按生产工艺、加工方式分：热轧钢筋、冷拉、热处理钢筋、冷拔钢丝二、钢筋强度与变形（一）热轧钢筋：用低碳钢或普通低合金钢热轧而成1.强度等级、品种强度等级：Ⅰ级：HPB235级Ⅱ级：HRB335级Ⅲ级：HRB400级，纵筋优先考虑余热处理Ⅲ级：RRB400级表面形状：光圆钢筋、变形钢筋2.单向拉伸应力—应变曲线○力学性能四大指标：1）屈服点：一般取为设计强度的依据。2）抗拉强度：高于屈服强度的应力值，作为结构构件的安全储备。3）伸长率：①使结构构件在破坏之前经历较大塑性变形，具明显预兆；②使超静定结构产生塑性内力重分布，应力分布趋于均匀，充分利用材料强度。4）冷弯性能：综合指标，有效揭示缺陷，判断塑性变形能力。——反映钢筋对内部组织的不均匀性、内应力及残存杂质的敏感程度和冷加工脆化倾向。3.焊接性能（可焊性）衡量依据：接头强度、变形性能是否易达母材水准，是否易于避免焊缝及周围热影响区范围内钢材脆化及出现焊接裂纹等。钢材中碳、锰、硅等元素含量高，可焊性差。对不同可焊性钢材，宜采用适合的焊接方法和焊接工艺。（二）钢筋的冷加工1.冷拉：在常温下，将钢筋拉伸到强化阶段的某一应力水平，然后卸载。○特点：①冷拉只提高抗拉屈服强度，不提高抗压屈服强度，且塑性有所降低；②≥450oC以后，随温度增加，冷拉后提高的屈服强度有所降低，应先焊接、后冷拉；③Ⅰ级钢为光圆钢筋，粘结差，不能利用冷拉后强度。2.冷拔：将钢筋拉过比其直径小的硬质合金模，使受侧压力，截面积减小，长度增加。随引拔拉力和横向挤压力增加，钢筋强度提高，延伸率急剧下降。○特点：①冷拔后硬化，钢筋无明显流幅；②抗拉、抗压屈服强度提高，塑性降低。（三）热处理钢筋生产工艺：调质热处理；高频感应热处理；余热处理○特点：①强度高，有一定塑性，但无明显屈服点、屈服台阶；②对锈蚀很敏感，保管、使用应遵专门规定。三、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求1.屈强比太大，欠可靠；太小，强度储备大，但钢材利用率低。2.塑性伸长率；冷弯性能(无裂纹、鳞落、断裂)。3.可焊性焊后无裂纹及过大变形，接头强度、变形性能良好。4.耐火性5.与混凝土粘结良好思考题：1.钢筋级别，及对应的符号、强度值等。2.钢筋拉伸应力—应变曲线，力学性能指标。3.钢筋冷加工后力学性能有何变化？4.钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求。§2-2混凝土一、混凝土的强度（一）抗压强度1.立方体抗压强度fcu（N/mm2）标准值fcu，k确定：标准方法制作、养护（温度20±3oC，相对湿度≥90%），边长150mm的立方体试块，龄期28天，标准试验方法测试，具有95%保证率的抗压强度。2.轴心抗压强度fc（N/mm2）棱柱体尺寸：150*150*300（450）《混凝土结构设计规范》：fck=0.88α1α2fcu，k其中α1=0.76（≤C50）-0.82（C80）；α2=1.00（≤C40）-0.87（C80）为高强混凝土脆性折减系数；0.88考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异。（二）抗拉强度轴心抗拉强度：直接轴心受拉试验、劈拉试验ftk=0.88*α2*0.395fcu，k0.55（1-1.645δ）0.45其中δ为变异系数。（三）复合受力强度1.双轴受力压-压：强度有限提高拉-压：强度降低拉-拉：基本同单轴抗拉强度2.平面法向应力与剪应力组合3.三向受力三压：强度较大增长三拉：小等于单轴抗拉强度不等号：降低抗压强度二、混凝土的变形（一）混凝土在荷载作用下的变形1.短期一次加载受力前：存在干缩裂缝；OA段：弹性变形，稳定裂缝产生；AB段：弹塑性阶段，稳定裂缝发展；BC段：非稳定裂缝发展贯通，达σmax，内部粘结破坏。2.重复荷载作用混凝土疲劳强度fcf：σfcf：应力—应变曲线：环状——闭合——直线（与原点切线大体平行），塑性变形不再增长，混凝土弹性工作，重复循环加载数百万次不致破坏。σfcf：应力—应变曲线：凸向σ轴——直线——凸向ε轴，变形不断增加，很快破坏。3.荷载长期作用长期不变荷载作用下，混凝土变形随时间增长——徐变。影响徐变因素：①压应力大小②龄期③混凝土配合比：水泥量大、水灰比大，密实性差、徐变大；骨料坚硬，徐变小④养护条件、构件尺寸及配筋、使用条件等（二）与荷载无关的体积变形1.收缩与膨胀混凝土不能自由收缩时，产生内部拉应力，导致收缩裂缝，影响构件耐久性、疲劳强度，预应力损失，不利结构；膨胀远小于收缩变形，一般对结构有利。收缩主要原因：①体积凝缩；②干缩（干燥失水）2.温度、湿度变形已经结硬的混凝土，在正常使用过程中，热胀冷缩、湿胀干缩。三、弹性模量和变形模量1.混凝土受压（1）弹性模量——原点切线模量Ec=tgα0=σc/εela（2）变形模量——割线模量Ec’=tgα1=σc/εc=ν’Ecν’=εela/εc为反映混凝土弹塑性性能指标的弹性系数2.混凝土受拉（1）弹性模量Ect=Ec（2）变形模量Ect’=νt’Ecνt’为混凝土受拉时的弹性系数：σ=ft时，νt’取0.5。思考题：1.混凝土立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、复合受力强度。2.混凝土单轴受压应力—应变曲线。3.混凝土在重复荷载下的变形性能。4.混凝土徐变。5.混凝土受压弹性模量、变形模量。§2-3钢筋和混凝土的共同工作一、共同工作的基本条件1.足够的粘结强度，承担界面上的剪应力。2.材料本身所固有的大致相同的温度线膨胀系数（钢筋1.2*10-5/oC，混凝土1.0*10-5/oC-1.5*10-5/oC）。3.混凝土具弱碱性、防钢筋锈蚀，隔热防火。二、钢筋、混凝土之间的粘结1.粘结应力：钢筋、混凝土接触面上沿钢筋纵向的剪应力。粘结强度：界面上所能承担的最大粘结应力，由拔出试验确定。2.粘结力的组成1）化学胶着力；2）混凝土握裹钢筋产生的摩擦力；3）钢筋表面纹路与混凝土咬合的机械咬合力。3.粘结强度影响因素1）混凝土强度等级和组成成分混凝土强度等级高，粘结强度高（但其增长速度随强度等级提高而减缓）；过多水泥用量，导致粘结强度退化；同样水灰比下，存在最优含砂率、水泥砂浆含量。2）钢筋表面形状变形钢筋肋纹与混凝土咬合（比光圆钢筋粘结强度高约60%-80%）。3）钢筋受力状况钢筋受拉，横向收缩、与混凝土分离，降低粘结强度；钢筋受压，横向膨胀、增大摩擦，提高粘结强度。钢筋锚固区横向受压，增大摩阻力，提高粘结。4）钢筋周围混凝土的厚度钢筋受拉、受压时，表面纹路挤压周围混凝土、使混凝土沿钢筋环向受拉。5）浇混凝土时钢筋的位置顶部水平钢筋，与混凝土的粘结强度小于竖位、底部钢筋。三、钢筋的锚固通过在钢筋一定长度上粘结应力的积累，或某种构造措施，将钢筋“锚固”在混凝土中，保证钢筋、混凝土共同工作，正常、充分发挥作用。1.钢筋的锚固长度（基本锚固长度la）为保证钢筋在某个截面充分发挥作用，必须使钢筋伸出此截面一定长度，以通过这段长度内的粘结力将钢筋可靠锚固。伸入支座，“锚固长度”；不伸入支座，“传递长度”。2.钢筋的弯钩绑扎骨架、绑扎网中的Ⅰ级钢筋（光面，粘结锚固性能差），一般应设弯钩。弯钩作为额外的锚固措施，不计入锚固长度。四、钢筋的绑扎搭接接头（搭接长度ll）相同或不同直径的钢筋接长：钢筋将所承拉、压力通过粘结力逐步传给混凝土，再由混凝土经粘结力逐步传给与之搭接的钢筋。因此，粘结强度是决定搭接长度的重要因素。搭接原则：接头应设在