建筑结构及选型

建筑结构体系及选型绪论一、为什么要学习建筑结构体系及选型1.建筑结构选型是作为一个建筑师必须具备的基本能力（1）建筑设计方案阶段建筑师必须考虑的问题（2）注册建筑师必考的内容之一（3）认真贯彻国家建筑方针：“安全、适用、美观、经济”应具备的基本功能2.建筑结构的合适与否直接决定建筑方案可行性及实施性实例：图书馆3.建筑结构选型是建筑力学、建筑结构应用的直接体现，同时也体现过建筑师的基本素质。第一小节二、如何学好建筑结构选型1.要有一定的建筑力学知识（1）要掌握建筑构件及建筑结构受力的基本类型轴向力（轴力）拉力压力剪力（横向力）扭矩（力偶）平行构建横切面弯矩（力偶）垂直于构建横截面内力（2）要掌握构建的基本变形构建的基本变形有四种：拉压变形剪切变形扭转变形弯曲变形变形类型（3）要学会把复杂变形分解成简单变形2.要有一定的建筑结构知识（1）建筑结构的分类①按材料分类刚性结构砖、石结构、砖混结构、砼结构特点：主要由脆性材料组成，脆性材料是主要承力材料。范围：以竖向受力荷载为主，小跨度，低层及多层建筑、基础大坝等块体结构柔性结构：主要以弹性材料作为主要承力材料，如：钢筋砼结构、钢结构、网架结构、悬索结构②接受力特性分类：1.梁板结构2.框架结构3.排架结构4.剪力墙结构5.框架剪力墙结构6.简体结构7.网架结构8.拱结构9.壳结构10.悬索结构11.膜结构(2)各结构类型的应用范围略（后面章节具体论述）3.要有一定建筑材料知识脆性材料：砖、瓦、砂、石、砼特点：耐压、不耐拉、抗剪能力差弹性材料：钢材特点：抗压、抗拉能力相当，抗剪能力较差三、建筑结构选型对建筑学专业的学生的要求①主要是定性了解，不要求作定量计算②要了解选型的原则③要掌握各个结构体系的适用范围第二小节建筑结构形式的影响因素及其与建筑的关系(一)影响因素1.建筑材料2.建筑技术3.社会需求(二)与建筑的关系1.影响建筑的风格2.影响和发展了建筑艺术3.扩大了建筑物的应用范围第三小节结构的艺术表现力：这一节主要介绍建筑结构非建筑结构功能。一、结构本身富含美学的表现力，是构成建筑艺术形象的重要因素。1.等强梁的结构美2.拱劵结构的结构美3.薄壳结构的结构美拱劵、斗拱、悬挑等，要善于把结构的形式美与建筑空间艺术美有机的结合，创造出建筑的内在美最速水线大屋顶（游泳馆）最速滑线方程f(z)=e^x+e^yz双曲面方程二、结构的美学表现力需要建筑师艺术再创造第四小节-建筑结构选型的原则总原则：安全、适用、美观、经济具体有以下几个方面：一、选择能充分发展材料性能的结构形式（1）根据力学原理选择合理结构形式，使结构处于无弯矩状态，已达到受力合理，节约材料的目的。A.梁矩形工字型直线桁架折线桁架B.拱（轴心受压）两端周定拱两端铰支拱三铰拱C.悬索：主要承拉构件（轴心受拉构件）D.薄壳结构：轴向受力（2）合理调整结构弯矩峰值，使结构受力合理。二、合理的选用结构材料（1）充分利用结构材料的长处（2）提倡结构形的优选组合（3）采用轻质较强的结构材料三、要充分考虑建筑功能要求（住宅、商业、教育、体育、宗教、宫殿）四、要控制合理的造价Page13上篇：平板结构体系引言：平板结构和非平板结构：1.平板结构：是以受弯为主的结构构件：梁、板、楼梯、柱、墙等。2.非平板结构（曲面结构）以轴向受力为主结构类型如：拱、薄壳、悬索结构等。该结构能充分发挥结构性能。第一章一般平板结构本章主要介绍建筑结构水平分系统中的一般平板结构。即最常见，量大面广的结构类型：即梁、板、楼梯，结构悬挑及工例实例。1.1板式结构1.板的定义(l1·l2)》l32.平板结构包含的内容：楼梯、屋盖板，以受弯为主墙板，楼梯段，阳台板等。3.板的分类（1）接受力特征分类单向板：l2l12按短跨传力双向板：l2/l1≤2双向传力（2）按支座的形式分类A.四边固定B.三边固定，一边简支。C.两邻固定，两邻边简支。D.两对边固定，两对边简支。E.一边固定，一边简支，其它两边自由。F.两邻边固定，两邻边自由。G.一边固定，三边自由。H.三边简支，一边自由。4.板厚度的确定板的厚度主要决定于板的跨度，同时要考虑荷载及支撑情况。具体估算见表1：板的类型高跨比（h/l）最小厚度要求（mm）简支板1／30~1／3560多跨连续板1／35~1／4060悬壁板1／10~1／1260无梁楼板1／25~1／30150钢筋砼板截面尺寸估算参考值1.2、梁板式结构：与板式结构相比，梁板式结构受力合理，更节省材料，但静空受到限制。1.21：1）简支梁：（独立梁）（1）静定梁：支座约力差，利用沉降。（2）梁截面尺寸，是由跨中弯矩决定，跨度越大，梁高越大，为了经济，跨度不宜过大。（3）对于跨度很大，宜采用箱形结构。（4）施工：多采用予制。2）连续梁：（1）超静定梁：刚度，抵抗变形能力强。与简支梁相比，弯矩小，挠度小，布置灵活，可做成主次梁结构，也可做成井字梁结构。总跨度可比简支梁大。（2）连续梁最大弯矩在支座处，梁最高截面在支座处，跨中挠度较小，便于利用空间，如加腋。（3）弹性较好，可产生内力重分布，提高抗破坏性能，节约材料；（4）不适宜应用于地基承载力不均匀的地段。3）多跨简支梁：如檩条，大桥的桥梁等。1.22：1）折线形梁：楼梯板式楼梯2）曲线式梁：旋转楼梯，曲线外挑阳台内力由：弯矩M剪力Q扭矩T1.23、梁的截面尺寸确定：钢筋混凝土梁的截面尺寸估算参考值梁的类型高跨比（h/l）主次梁楼盖主梁1／14~1／8次梁1／18~1／12井字梁楼盖1／15~1／10独立梁1／14~1／8悬挑梁1／6~1／51.3、结构的悬挑：悬挑结构目前应用越来越多，它可以提供优美的造型，开阔的空间，良好的视野。另一方面，其受力特点比较独特，易破坏，可以特别论述按特别论述。1.3.1、悬挑梁的受力特点：特点1：产生的内力大，变形大。特点2：存在倾覆的可能。1.3.2、结构的抗倾覆验算及措施：1）抗倾覆验算：N·e/P·d≥1.52）措施：（1）拉力平衡（2）压力平衡（3）用压力支撑平衡（4）用支撑和拉力相结合平衡（5）用基础平衡（6）用自重平衡1.4、悬挑结构在建筑中的应用：中央电视台MOMA公寓小结：1、掌握受力特点及应用范围；2、掌握各构件尺寸选择数据。第二章桁架与屋架2.1、桁架与屋架的概念：1）、桁架与屋架是杆件结构体系，整体相当于梁的作用，承受弯矩，而每一个杆件则是承受轴力。2）、桁架与屋架适用于跨度大于18M的大跨度。3）、桁架可以平面桁架，也可以是空间桁架，可以是直线型也可以是折线及曲线型。4）、桁架可以是钢筋混凝土，钢材，木材。2.2、屋架的形式与受力特点：2.2.1、屋架的受力特点：1）、整体的受力构件，内力有弯矩和剪力。弯矩中间大，两端小，剪力中间小，两端大，而每一个杆件均为轴力。2）弦杆内力：M=±N·R弦杆的内力是轴力。上压，下拉，大小相等方向相反形成的力矩，即弯矩。弦杆的主要作用是平衡弯矩。3）腹杆内力：Y=±V。腹杆主要承受的剪力变形，主要是平衡剪力。4）、不用形式屋架内力的分析比较（内力分布与外形的关系）M=±N·h（1）当M为定值时，h越大，N越小（2）当N为定值时，h随M的变化而变化2.3、屋架形式的选择和设计要求：2.3.1.1）屋架选型的影响因素：（1）使用要求（2）跨度（3）荷载大小2）屋架矢高的确定：主要由结构的刚度条件确定，就是一句最大挠度的数值，通过高跨比来确定。2.3.2、屋架的设计要求：主要由三项内容：1）跨度：三角屋架：L≤18m梯形屋架18L≤36m（钢筋砼屋架）L36m再大跨度最好应用钢屋架。抛物线屋架：应用范围同上折线形型：特点，受力合理，经济指标好。平行屋架：多用钢屋架，多用于荷载大，有悬挂式吊车。（托架）无斜腹杆屋架：跨度：18L≤36m热加工车间，下沉式天窗。2）高跨比：1/10~1/4坡度1/2~1/5三角形：1/10~1/4坡度1/5~1/2梯形屋架：1/8~1/6（跨中）1/12~1/10（端部）3）屋架构件的宽度：宽度——由上弦宽度确定，压杆稳定性要求，构造要求。4）特点：2.4、平面桁架的空间支撑与空间桁架：2.4.1、平面桁架的空间支撑：1）平面桁架空间支撑的作用：（1）保证屋架平面外的空间刚度和整体稳定A、施工阶段：纵向支杆，檩条及垂直支撑，B、使用阶段：屋盖支撑系统，及屋盖结构自身共同完成，檩条，大型屋面板。（2）屋架支撑的布置：A、常用支撑的种类上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑，下弦纵向水平支撑，纵向垂直支撑，纵向水平支杆。B、设置原则：总的原则：上弦横向水平支撑，下弦横向水平支撑，纵向垂直支撑。无山墙承重，设在第一开间。有山墙承重，设在第二开间。有伸缩缝设在伸缩缝两侧的第一开间，当建筑物长度大于40m，应加设一道上述支撑。具体设置方法：第三章刚架结构与排架结构3.1、刚架结构与排架结构的概念：1、结构特点：（1）相同点：都由直杆组成，都为单层结构；（2）不同点：结点不同：前者为刚结点，后者为铰结点。2、受力特点的异同：刚架：跨中弯矩小，内力分析较均匀，M峰值小。（1）垂直荷载作用排架：M峰值大。刚架：柱的M峰值小。（2）水平荷载作用（主要对柱的影响）排架：柱的Mmax大。3.2、刚架结构与排架结构的种类及受力特点：3.2.1、刚架结构种类及受力特点：1、种类：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。组成多跨刚架。2、受力特性。门式刚架的结构特点与适用范围横梁与柱子的连接为刚接与铰接相比，刚架下横梁的跨中弯矩得以减少，故能适用于更大的跨度杆件少，制作方便，结构内部空间大，便于利用广泛应用于工业厂房（吊车起重量不能太大）、体育馆、仓库、礼堂、食堂等建筑门式刚架从材料上来看，可采用钢筋混凝土结构或钢结构门式刚架的类型与构造从结构上来分类可分为：无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架等三种无铰刚架属于超静定结构，结构刚度大，但柱底弯矩较大（基础造价大），且地基不均匀沉降会导致附加内力，应用很少。三铰刚架属于静定结构，柱底无弯矩，且不会产生附加内力，但刚度较差，适用于小跨度和地基较差的情况两铰刚架与三铰刚架的情况较为接近，钢结构常用该形式门式刚架的外形选择主要考虑建筑排水和建筑造型的需要主要分为：单跨，双跨，多跨，带毗屋，带挑檐等形式门式刚架钢结构体系主要包括：•主结构——刚架，吊车梁•次结构——檩条，墙架柱（抗风柱），墙梁•支撑结构——屋盖支撑，柱间支撑，系杆•围护结构——屋面系统（屋面板、采光板、通风器等），墙面系统（墙板、门窗）3.2.2、排架结构的种类及受力特点：1.排架结构简介排架结构一般由预制的钢筋混凝土屋架、吊车梁、柱、基础等组成，多用于单层工业厂房。工业厂房与民用房屋相比，基建投资多，占地面积大，常受生产工艺条件的制约。排架结构传力明确，构造简单，有利于实现设计标准化、构件生产工业化以及施工机械化，提高建筑工业化水平。2.排架结构的类型柱头与屋架铰接，柱脚与基础刚接根据生产工艺与使用要求，排架可做成单跨和多跨，亦可做成等高、不等高和锯齿形等跨度可达30m，高度可达30m以上，吊车吨位可达150t以上3.排架结构的组成•单层厂房排架结构通常由屋面板、屋架、吊车梁、排架柱、抗风柱、基础梁、基础等构件组成。•上述构件分别组成屋盖结构、横向平面排架、纵向连系体系、围护结构等•（1）屋架结构：分为有檩体系与无檩体系，有檩体系由小型屋面板、檩条、屋架及屋盖支撑组成，无檩体系由大型屋面板、屋架及屋盖支撑组成，前者用于小型厂房，后者用于大、中型厂房。•（2）横向平面排架：由屋架、横向柱列及基础等组成，是厂房基本承重结构•（3）纵向连系体系：由纵向柱列、连系梁、吊车梁、柱间支撑及基础等组成，主要传递纵向水平力。•（4）围护结构：由纵墙、横墙（山墙）、抗风柱及基础梁等组成，主要承受墙体自重和其上的风荷载3.3、刚架结构与排架结构的构件形式：1、刚架构件形式：变截面：有工字形截：2、排架：主要是排架柱：3.4、刚架结构与排架结构的空间刚度。1、特点：结构整体刚度低。2、提高整体刚度的方法：（1）屋盖部分增加水平支撑，垂直支