第三章 结构的基本体系1

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。结构总体系固然千姿百态，形形色色，但是仔细分析总是由基本水平分体系、基本竖向分体系以及基础体系三部分组成。基本水平分体系一般由板、梁、桁(网)架组成，如板—梁体系和桁(网)架体系。基本水平分体系也称楼(屋)盖体系，其作用为：(1)在竖向，承受楼面或屋面的竖向荷载，并把它传给竖向分体系；(2)在水平方向，起隔板和支承竖向构件的作用，并保持竖向构件的稳定。基本竖向分体系一般由柱、墙、筒体组成，如框架体系、墙体系和井筒体系等。其作用为：(1)在竖向，承受由水平体系传来的全部荷载，并把它传给基础体系；(2)在水平方向，抵抗水平作用力如风荷载、水平地震作用等，也把它们传给基础体系。基础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)把上述两类分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。结构水平分体系和竖向分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)。建筑物、建筑结构总体系、三个基本分体系、基本结构构件和构件受力状态之间的隶属关系，见下图。3.1板—梁体系3.1.1梁分类：按支承条件分：简支梁、悬(伸)臂梁、连续梁、交叉梁等；按空间几何形状分：水平直梁、斜梁、曲梁等；按材料分：钢筋混凝土梁、钢梁等。1)交叉梁常用的是等截面整体现浇的钢筋混凝土交叉梁，又分为：正交正放、正交斜放、三向交叉等几种。从上述的受力分析可以看出，短边方向的梁所承担的荷载要大于长边方向的梁所承担的荷载。板的内力也具有同样的结果。2)斜直梁——一般为楼梯梁梁的截面内力3)平面曲梁平面曲梁的内力除了弯矩、剪力以外，还有扭矩。l´lqα8/2maxqlM2/cosmaxqlV一般把b/t5~8的板称为薄板，板件剪切变形与弯曲变相比很微小，可以忽略不计。右图为板的各种支承情况。图3-8为板的实际支承情况。1)单向板与双向板从前面图可见若在交叉梁的某一根梁上施加一集中荷载，周围的梁都会协同受荷，因而双向3.1.2板交叉梁比单向梁的强度和刚度都大得多。将双向交叉梁做成零间距，就成为双向板。关于板在设计中的基本概念有：(1)单向板只在单方向受力，它和单跨梁、连续梁的受力概念相同；板的四边只有两相对的边是支承边时或者板的四边支承但边长比(长边长度／短边长度)≥2时才是单向板。(2)双向板指四边支承板、三边支承板或两相邻边支承的板，且当板的边长比2时,才称为双向板或按双向板计算。双向板的强度和刚度也肯定会比单向板大得多。下面列出5种板进行比较：2)四边支承与四角支承双向板上表说明板有以下规律性现象：(1)两相对边支承板不论简支还是固端均为单向板；四边支承板当时，也可近似按单向板设计(这时，)。(2)四边支承板都有MlM2，R2Rl，且f都很小的情况，说明其主要受力方向为短向，其刚度比单向简支板和四角支承板大得多。(3)四角支承板的受力和刚度情况都比四边支承板更为不利(M1角Ml边，M2角M2边，f角f边)，这在概念设计时应予以特别注意。而且：a.其主要受力方向是长向。b.支承点附近板带承受的弯矩大于跨中板带承受的弯矩(M01Ml，2/12ll211.0qlM22015.0qlMM02M2)，这两点正好与四边支承板相反。(4)四边支承板受竖向作用力后四角有上翘现象，在实际工程中必然在四角会引起约束负弯矩产生的内力。这在概念设计时也应予以注意。3)板的塑性铰线问题梁的塑性铰是在某一截面上产生；而板的塑性铰是在某一点上产生后沿某一条线的截面扩展形成塑性铰线，从而使板形成机构。3.1.3钢筋混凝土板-梁体系的构件截面尺寸估计3.1.4板梁体系楼盖结构形式表3-2和表3-3供方案设计和初步设计阶段估计构件截面尺寸时参考。有平板楼盖、密肋楼盖、交叉梁楼盖、次主梁楼盖、无梁楼盖等。由一系列只承受轴向拉力或压力的杆件连接而成的平面结构体系，结点均为铰接点，对整个桁架结构来说，可以受弯、受剪。由于是平面结构体系，平面外刚度很小，因此必须在平面外设置支撑，以形成空间结构、加强结构的空间整体刚度。平面桁架可看成出工字形截面梁演变而来的：若将该梁截面中正应力较小的腹板挖去，组成由上下弦杆和斜腹杆连接的格构式结构，就是平面桁架。上下弦杆承受因弯曲引起的内压力和3.2桁架结构(屋架)3.2.1桁架结构的受力特点内拉力，相应于梁的翼缘；斜腹杆承受因剪切引起的斜拉力或斜压力，相应于梁的腹板。由于桁架的杆件都是全截面受力，材料强度得到充分利用，故桁架可比梁的跨度大得多(当跨度大于15m-18m时，常采用桁架)。桁架结构受力的特点如图：平面桁架优点是跨度大、用料省、制作安装方便；缺点有：(1)节间有斜杆，不利于通过管道和设置门窗洞口；(2)侧向刚度小．平面外稳定性差；(3)高度较大，体型笨重。按材料的不同，分为木屋架、钢-木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土屋架、钢筋混凝土-钢组合屋架等。按外型的不同，分为三角形屋架、梯形屋架、抛物线型屋架、折线型屋架、平行弦屋架等。3.2.2屋架结构的型式1)确定屋架型式的原则：(1)满足使用要求屋架外形应与屋面材料的排水要求相适应。(2)满足经济要求屋架外形应尽量和弯矩图接近，使上下弦杆内力沿跨度方向分布较均匀，腹杆受力较小；腹杆的布置宜使短杆受压，长杆受拉；荷载布置在节点上，减少弦杆局部受弯。(3)满足制造、安装和运输要求构造简单，杆件夹角30°～60°；杆件与节点数量少；分段制造，便于运输与安装。3.2.3屋架结构的选型和布置2)屋架结构的布置对于跨度以3m为模数的屋架，均有标准图集可查；屋架的间距一般为柱距，常见的有6m，也有7.5m、9m、12m等；屋架的支座为一般为铰支座，要考虑铰支座的转动要求。3)屋架结构的支撑屋架结构的支撑有：上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑、系杆等。其作用是：(1)保证屋盖的整体性，提高空间刚度；(2)避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生大的振动；(3)承担和传递水平荷载（如纵向和横向风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用等）；(4)保证结构安装时的稳定与方便。1)立体桁架2)刚接桁架3.2.4桁架结构的其他型式展览馆日本大分体育公园综合竞技场上海证券大厦连接两幢主楼的天桥桁架跨度63m，共支承着从17层至26层共8个楼层，采用了H型钢重型桁架。上海浦东国际机场由多根杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的高次超静定空间结构为网架结构。网架结构的优越性：1)空间工作，传力途径简捷。2)重量轻，经济指标好。3)刚度大，抗震性能好。4)施工安装简便。5)网架杆件和节点定3.3网架结构3.3.1网架结构的特点a网架b单层网壳c双层网壳型化、商品化生产。6)网架的平面布置灵活。发展迅速的原因还有：1)社会发展和工程建设的需要。2)标准化、工厂化生产。3)电子计算技术的应用。平板网架可分为交叉桁架体系和角锥体系两类。1)交叉桁架体系(1)两向正交正放网架上、下弦杆均组成方格，几何可变，需设水平支撑。3.3.2平板网架的结构型式与适用范围网架表示法两向正交正放适用：以正方形或接近方形的建筑平面且跨度较小，L≤60m。(2)两向正交斜放网架短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利角部产生拔力，常取无角部形式。适用：建筑平面为正方形、矩形、周边支承。(3)两向斜交斜放网架适用于两个方向网格尺寸不同的情形受力性两向正交斜放两向斜交斜放能欠佳，节点构造较复杂。(4)三向交叉网架三个方向的平面桁架相互交角60，比两向网架刚度大，适合大跨度。节间一般6m以上，常需再分式腹杆。适用：L60m的多边形、圆形、三角形、梯形平面。2)角锥体系网架(1)四角锥体网架a.正放四角锥体网架上、下弦杆等长，腹杆也等长，构造简单。三向交叉正放四角锥网架正放抽空四角锥网架b.斜放四角锥体网架特点：上弦杆短、下弦杆长，充分发挥材料强度。斜放四角锥网架星形四角锥网架棋盘形四角锥网架(2)三角锥体网架特点：刚度大，适用于各种建筑平面，上、下弦杆等长，腹杆等长，构造简单。三角锥网架抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架(3)六角锥体网架杆件多、结点构造复杂，仅在有特殊要求时采用。网架结构按支承情况分为：四点支承、多点支承、周边支承、多边支承、边点支承等。1)点支承的设置原则通过正弯矩和挠度减小，使整个网架的内力趋于均匀。对于单跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/3(图a)；对于多跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/4(图b)。3.3.3网架结构的支承方式和选型点支承的柱帽形式2)网架选型(1)周边支承的矩形平面形状长短边之比1.5时：斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架，正放抽空四角锥网架。对于中(30m60m)小(30m)跨度，亦可选星形四角锥网架，蜂窝形三角锥网架。长短边之比1.5时：宜选正放类网架----两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架。(2)点支承的矩形平面形状两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架。(3)圆形，多边形平面形状宜选三向网架，三角锥网架，抽空三角锥网架。(4)两边或三边支承的矩形平面形状自由边作处理后可按周边支承情形考虑。自由边的两种处理方法：a.整个网架高度加大，自由边杆件截面增大b.自由边局部增加网架层数(形成反梁)。注：L2是以米计的网架短向跨度；跨度小于18米时网格数可适当减少。自由边反梁3.3.4网架结构主要几何尺寸钢筋混凝土屋面体系钢檩条屋面体系网架形式网格数跨高比网格数跨高比两向正交正放，正放四角锥正放抽空四角锥(24)+0.2L2两向正交斜放，棋盘形四角锥斜放四角锥，星形四角锥(68)+0.08L21014(68)+0.07L2(1317)+0.03L21)杆件有角钢和钢管2)结点3.3.5网架结构杆件截面与结点3)支座结点图3-44为柱、排架、框架、墙、筒体等结构体系的抗侧移刚度情况。可见筒体结构在抗侧移方面具有独特的优越性。1)按材料分：钢筋混凝土、钢、钢-混凝土组合三种。2)按结构型式分：框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-桁架、3.4结构竖向体系3.4.1结构竖向体系的结构特性3.4.2高层建筑结构体系的分类框架-筒体、筒体(框筒、筒中筒、成束筒)。表3-4为各类结构体系与内部建筑空间的关系。1)高层建筑结构设计的主要特点(1)水平荷载起控制作用(2)侧向位移必须限制(3)轴向变形在侧移中占重要份额2)非地震区高层建筑结构体系3.4.3高层建筑结构体系选型与建筑设计的关系(1)风荷载起控制作用(2)层间位移和顶点位移必须限制(3)风振的不适感要加以控制结构顶点最大加速度不宜大于：公寓建筑：0.15m/s2(约0.015g)公共建筑：0.25m/s2(约0.025g)(4)非地震区高层建筑结构体系选型的基本原则a.体型上要有利与抗风或进行专门的试验。b.结构均匀对称以减少扭转效应。c.钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高度d.为满足风振加速度控制要求，应控制高宽比e.为减少风荷载的影响，可在某层和某几层做成通透。3)地震区高层建筑结构体系(1)建筑重要性分类根据建筑使用功能的重要性，按其受地震破坏时产生的后果，将建筑分为四类：甲类建筑——应属于重大建筑工程和遭遇地震破坏时可能发生严重次生灾害的建筑(如产生放射性物质的污染、大爆炸等)；乙类建筑——应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，如城市生命线工程建筑和地震时救灾需要的建筑等；丙类建筑——甲、乙、丁类以外的一般建筑，如大量的一般工业与民用建筑等；丁类建筑——属于抗震次要建筑，如遇地震破坏，不易造成人员伤亡和较