第一章建筑結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)

第一篇建筑結(jié)構(gòu)的概念知識(shí)目標(biāo)：

了解建筑結(jié)構(gòu)的基本概念了解混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其應(yīng)用熟悉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求熟悉混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性規(guī)定、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)理解結(jié)構(gòu)功能極限狀態(tài)的概念能力目標(biāo)：能夠根據(jù)建筑方案確定結(jié)構(gòu)的類型能夠根據(jù)建筑物的用途確定其安全等級(jí)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)。第一章建筑結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)的基本概念一、建筑與建筑結(jié)構(gòu)住宅、廠房、體育館等都可稱為建筑，是人們用各種建筑材料建造的一種供人居住和使用的空間物。建筑物應(yīng)該具有兩個(gè)方面的特質(zhì)：一是它的內(nèi)在特質(zhì)，即安全性、適用性和耐久性，也就是要求建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承受各種作用后不破壞、不失穩(wěn)，變形、裂縫不超過規(guī)定的限值，并且具有足夠的使用年限；二是它的外在特質(zhì)，即適用性（滿足既定的功能）和美學(xué)要求。前者取決于結(jié)構(gòu)，后者取決于建筑。在實(shí)際工程中，建筑與結(jié)構(gòu)的側(cè)重點(diǎn)和分工不同，建筑注重的是這一構(gòu)筑物的整體使用功能和美學(xué)效果，結(jié)構(gòu)則是為了滿足這一功能和效果而設(shè)的承重骨架。結(jié)構(gòu)是為建筑服務(wù)的，沒有建筑也就不可能有結(jié)構(gòu)；反之，沒有結(jié)構(gòu)的建筑只是空中樓閣。

（a）建筑（b）結(jié)構(gòu)圖1-2建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系◎建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系建筑中由梁、板、柱、墻、基礎(chǔ)等構(gòu)件連接而成的能承受“作用”的空間體系稱為建筑結(jié)構(gòu)，在不致混淆時(shí)可簡稱結(jié)構(gòu)。簡言之，結(jié)構(gòu)就是建筑中起骨架作用的部分（圖1-1）。圖1-1建筑結(jié)構(gòu)示意圖◎結(jié)構(gòu)的組成二、建筑結(jié)構(gòu)的分類

1.建筑結(jié)構(gòu)按承重結(jié)構(gòu)所用的材料不同分類木結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)砌體結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)素混凝土結(jié)構(gòu)（1）概念：混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)1.混凝土結(jié)構(gòu)（2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：

1）就地取材；2）耐久性好；3）整體性好；4）可模性好；5）耐火性好。主要缺點(diǎn)：

1）自重大；2）抗裂性能差；3）現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模板用量大；4）工期長等等。（1）概念由塊體（磚、石材、砌塊）和砂漿砌筑而成的墻、柱作為建筑物主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)稱為砌體結(jié)構(gòu)。

2.砌體結(jié)構(gòu)（2）特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)：

1）取材方便，造價(jià)低廉；2）具有良好的耐火性及耐久性；3）具有良好的保溫、隔熱、隔音性能，節(jié)能效果好；4）施工簡單，技術(shù)容易掌握和普及，也不需要特殊的設(shè)備。

主要缺點(diǎn)：自重大，強(qiáng)度低，整體性差，砌筑勞動(dòng)強(qiáng)度大。3.鋼結(jié)構(gòu)（1）概念以鋼材為主制作的結(jié)構(gòu)。圖1-4奧運(yùn)場館—鳥巢（2）特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：1）材料強(qiáng)度高，自重輕，塑性和韌性好，材質(zhì)均勻；2）便于工廠生產(chǎn)和機(jī)械化施工，便于拆卸，施工工期短；3）具有優(yōu)越的抗震性能；4）無污染、可再生、節(jié)能、安全，符合建筑可持續(xù)發(fā)展的原則，可以說鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展是21世紀(jì)建筑文明的體現(xiàn)。主要缺點(diǎn)：易腐蝕，需經(jīng)常油漆維護(hù)，故維護(hù)費(fèi)用較高；鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差，當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)將會(huì)發(fā)生較大變化；當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間崩潰，完全喪失承載能力。4.木結(jié)構(gòu)（1）概念指全部或大部分

用木材制作的結(jié)構(gòu)。

（2）特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)：易于就地取材，制作簡單。

主要缺點(diǎn)：易燃、易腐蝕、變形大，并且木材使用受到國家嚴(yán)格限制。

5.混合結(jié)構(gòu)（1）概念由兩種及兩種以上材料作為主要承重結(jié)構(gòu)的房屋稱為混合結(jié)構(gòu)。（2）特點(diǎn)不僅具有鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕、截面尺寸小、施工進(jìn)度快、抗震性能好的特點(diǎn)，還兼有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、防火性能好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。圖1-6上海環(huán)球金融中心2.根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力和構(gòu)造特點(diǎn)劃分（1）排架結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)的承重體系是屋面橫梁（屋架或屋面大梁）和柱及基礎(chǔ)，主要用于單層工業(yè)廠房。屋面橫梁與柱的頂端鉸接，柱的下端與基礎(chǔ)頂面固接（圖1-7）。圖1-7排架結(jié)構(gòu)（2）墻承重結(jié)構(gòu)以建筑物墻體作為支承水平構(gòu)件和承擔(dān)水平力的結(jié)構(gòu)體系，稱為墻承重結(jié)構(gòu)，如砌體一混凝土結(jié)構(gòu)（磚混結(jié)構(gòu)）、鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)等。

圖1-8剪力墻體系

圖1-9部分框支剪力墻體系（3）框架結(jié)構(gòu)由梁和柱為主要構(gòu)件組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)稱為框架結(jié)構(gòu)(圖1-10)，它是多層房屋的常用結(jié)構(gòu)形式。

圖1-10框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)在水平作用下表現(xiàn)出抗側(cè)移剛度小，水平位移大的特點(diǎn)，屬于柔性結(jié)構(gòu)，故隨著房屋層數(shù)的增加，水平作用逐漸增大，就將因側(cè)移過大而不能滿足使用要求，框架結(jié)構(gòu)的適用高度一般在15層以下。

（4）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)為了彌補(bǔ)框架結(jié)構(gòu)隨房屋層數(shù)增加，水平荷載迅速增大而側(cè)向剛度不足的缺點(diǎn)，可在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分鋼筋混凝土剪力墻，形成框架和剪力墻共同承受豎向和水平作用的體系，即框架—剪力墻結(jié)構(gòu)(圖1-12)，簡稱框—剪結(jié)構(gòu)。圖1-12框架-剪力墻結(jié)構(gòu)（5）筒體結(jié)構(gòu)由筒體為主組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。所謂筒體，是由若干片剪力墻圍合而成的封閉井筒式結(jié)構(gòu)，其受力類似于個(gè)固定于基礎(chǔ)上的筒形懸臂構(gòu)件。（a）框架核心筒結(jié)構(gòu)（b）筒中筒結(jié)構(gòu)（c）成束筒結(jié)構(gòu)圖1-13筒體結(jié)構(gòu)透視圖

（6）大跨結(jié)構(gòu)大跨結(jié)構(gòu)包括拱形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、空間薄壁結(jié)構(gòu)(如薄殼、折板等)、懸索結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)等，主要用于大跨度建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，如工業(yè)廠房、體育館、展覽館、禮堂、機(jī)修庫等。亞洲鋁業(yè)工業(yè)集團(tuán)擠壓車間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)索膜結(jié)構(gòu)課堂討論美國的“9.11”事件中，紐約世貿(mào)中心大樓倒塌的主要原因是什么？它對(duì)世界建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展會(huì)造成什么影響？能力訓(xùn)練參觀校園內(nèi)的建筑，然后統(tǒng)計(jì)哪些建筑屬于混凝土結(jié)構(gòu)，哪些建筑屬于砌體結(jié)構(gòu)，哪些建筑屬于鋼結(jié)構(gòu)，哪些建筑屬于木結(jié)構(gòu)。

第二節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

1.安全性2.適用性3.耐久性任何結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在正常情況下均應(yīng)滿足預(yù)定功能的要求，這些要求是：二、結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類。

1.承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到了最大承載能力，或產(chǎn)生了不適于繼續(xù)承載的過大變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)了下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：（1)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡；（2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因超過材料強(qiáng)度而破壞；（3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；（4)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定。超過承載能力極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的安全性就得不到保證，所以要嚴(yán)格控制出現(xiàn)承載能力極限狀態(tài)的概率。2.正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)是對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)了下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過了正常使用極限狀態(tài)：（1)影響正常使用(包括影響美觀)的變形；（2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞；（3)影響正常使用的振動(dòng)；（4)影響正常使用的其他特定狀態(tài)?？刂瞥霈F(xiàn)正常使用極限狀態(tài)的概率，就是為了保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的適用性與耐久性。三、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性規(guī)定表1-2結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本規(guī)定環(huán)境類別最大水灰比最小水泥用量（㎏/m3）混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于氯離子含量不大于（%）堿含量不大于（㎏/m3）一0.65225C201.0不限制二ab0.600.55250275C25C300.30.23.03.0三0.5300C300.13.0混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)的其他要求請(qǐng)查閱《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。表1-1混凝土結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境類別環(huán)境類別說明一室內(nèi)正常環(huán)境：無侵蝕性介質(zhì)、無高溫高濕影響、不與土層直接接觸的環(huán)境二a室內(nèi)潮濕環(huán)境：非嚴(yán)寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無侵蝕性得水或土直接接觸的環(huán)境b嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)得露天環(huán)境、與無侵蝕性得水或土壤直接接觸的環(huán)境三使用除冰鹽的環(huán)境：嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)冬季水位變動(dòng)的環(huán)境；濱海室外環(huán)境四海水環(huán)境五受人或自然的侵蝕性物質(zhì)影響得環(huán)境其中，使用環(huán)境類別按表1-1劃分。四、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)根據(jù)破壞后果的嚴(yán)重程度，建筑結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)安全等級(jí)。影劇院、體育館和高層建筑等重要的工業(yè)與民用建筑的安全等級(jí)為一級(jí)，大量的一般工業(yè)與民用建筑的安全等級(jí)為二級(jí)，次要建筑的安全等級(jí)為三級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來體現(xiàn)的，具體規(guī)定是：

(1)對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為100年及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不應(yīng)小于1.1；(2)對(duì)安全等級(jí)為二級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(3)對(duì)安全等級(jí)為三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限為5年及以下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)不應(yīng)小于0.9。

不應(yīng)小于1.0；

典型案例【案例】某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的一般房屋建筑，處于室內(nèi)正常使用環(huán)境，其框架