第4章 建筑結(jié)構(gòu)

土木工程概論主編：劉宗仁第4章建筑結(jié)構(gòu)作者：張文福4.1.1建筑與建筑結(jié)構(gòu)一、建筑建筑是建筑物和構(gòu)筑物的總稱。日本名古屋穹頂法國(guó)埃菲爾鐵塔二、建筑結(jié)構(gòu) 建筑結(jié)構(gòu)就是用來保持建筑物的外部形態(tài)并形成內(nèi)部空間的承重骨架。三、建筑結(jié)構(gòu)的作用 1、形成內(nèi)部空間 2、形成外部形態(tài) 3、保證建筑物的安全。4.1.2作用在建筑結(jié)構(gòu)上的力與結(jié)構(gòu)效應(yīng)一、作用在建筑結(jié)構(gòu)上的力 作用在建筑結(jié)構(gòu)上的力可以分為直接作用和間接作用。a）直接作用b）間接作用 直接作用按其特點(diǎn)又可分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。 間接作用包括地震作用、溫度作用等。二、結(jié)構(gòu)效應(yīng) 外力在結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)效應(yīng)，包括靜力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng)兩種。4.1.3建筑結(jié)構(gòu)的五種基本特性 建筑結(jié)構(gòu)必須具備五種基本特性：它必須達(dá)到一種平衡狀態(tài)；必須穩(wěn)定；必須具有足夠的強(qiáng)度；必須具有足夠的剛度；必須具有足夠的延性。一、結(jié)構(gòu)的平衡要求 結(jié)構(gòu)必須是幾何不變體系，這是對(duì)結(jié)構(gòu)體系的最基本要求。 其次，要求結(jié)構(gòu)的支座不能失效。二、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度 是指結(jié)構(gòu)的承載能力，即結(jié)構(gòu)能夠抵御某種作用而不至于破壞的能力。三、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 是結(jié)構(gòu)維持自身穩(wěn)定狀態(tài)的能力。四、結(jié)構(gòu)的剛度 是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。五、結(jié)構(gòu)的延性 這是指結(jié)構(gòu)極限變形能力，即結(jié)構(gòu)的耗能能力，是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的重要指標(biāo)。4.1.4建筑安全性問題 必須在工程設(shè)計(jì)中重視建筑結(jié)構(gòu)的安全性問題，以確保建筑內(nèi)部的人員和設(shè)備不會(huì)因各種外界因素影響而遭到破壞。4.2建筑結(jié)構(gòu)的分類概要 按結(jié)構(gòu)的布置方式和受力特點(diǎn)分類，可分為平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)兩類；按結(jié)構(gòu)的整體作用來看，可分為抗水平力結(jié)構(gòu)和抗豎向力結(jié)構(gòu)；按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料分類，可分為砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)。4.2.1砌體結(jié)構(gòu) 由塊體和砂漿砌筑而成的整體材料統(tǒng)稱為砌體。以砌體承重為主的結(jié)構(gòu)稱為砌體結(jié)構(gòu)。 砌體結(jié)構(gòu)中所使用的材料主要有塊材和砂漿。塊材包括磚、砌塊、石材。 砂漿是由膠結(jié)料、細(xì)骨料、摻合料加水?dāng)嚢瓒傻幕旌喜牧稀Ｆ鲶w中常用的砂漿有水泥混合砂漿和水泥砂漿。4.2.2混凝土結(jié)構(gòu) 混凝土結(jié)構(gòu)通常需要在混凝土中配置適量鋼筋。這種搭配可使受壓區(qū)的混凝土和受拉區(qū)的鋼筋強(qiáng)度得到充分利用。4.2.3預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 在構(gòu)件在承受外荷載之前，對(duì)其受拉區(qū)預(yù)先施加壓應(yīng)力，形成了所謂的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。 工程中預(yù)應(yīng)力的施加方法有先張法和后張法。 先張法：就是在澆筑混凝土前，用機(jī)械張拉鋼筋，待混凝土硬化后，再放松鋼筋，從而對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力。 后張法：就是在澆筑混凝土并待其硬化后，對(duì)預(yù)留在構(gòu)件內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋用機(jī)械張拉，從而對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力，使構(gòu)件受拉邊預(yù)先產(chǎn)生壓應(yīng)力的方法。先張法構(gòu)件制作過程后張法構(gòu)件制作4.2.4鋼結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)是鋼材制成的工程結(jié)構(gòu)，由型鋼和鋼板等制成的梁、柱、板、拱、等構(gòu)件組成?！傍B巢”－國(guó)家體育場(chǎng)國(guó)家大劇院一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 鋼材的優(yōu)點(diǎn)是材質(zhì)均勻，可靠性高；強(qiáng)度高，塑性和韌性好，利于抗震；便于機(jī)械化制造，安裝方便，施工期限短，可盡快地發(fā)揮投資的經(jīng)濟(jì)效益；缺點(diǎn)是耐火性和耐銹蝕性差，維護(hù)費(fèi)用較高。二、鋼結(jié)構(gòu)的連接 可分為焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接等。4.2.5木結(jié)構(gòu) 木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便、工期短。 木結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是耐火性能差。木框架房屋木結(jié)構(gòu)圓頂屋頂4.2.6鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu) 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)主要有鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合梁板結(jié)構(gòu)等。一、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu) 是指在鋼骨周圍配置鋼筋并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)。鋼骨混凝土梁柱截面二、鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 是指在鋼管內(nèi)填充混凝土的結(jié)構(gòu)，一般鋼管內(nèi)部不再配置鋼筋。鋼管截面一般采用圓形，也可采用方形或矩形。陜西省延安王家坪大橋（橋長(zhǎng)204.758m）三、鋼-混凝土組合梁板 分為：鋼-混凝土組合梁和壓型鋼板-混凝土組合板，兩種組合構(gòu)件也可復(fù)合使用。4.2.7膜結(jié)構(gòu) 與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是自重輕、建筑造型豐富、透光性好、自潔性好、易于施工。缺點(diǎn)是耐久性差、隔熱性差等。4.3抗水平力結(jié)構(gòu) 抗水平力結(jié)構(gòu)是指以抵抗水平荷載為主的結(jié)構(gòu)，主要包括高聳構(gòu)筑物和高層建筑結(jié)構(gòu)。4.3.1抗水平力結(jié)構(gòu)的基本特征 在抗水平力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平荷載作用下的內(nèi)力和位移是設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力或位移和高度關(guān)系4.3.2框架結(jié)構(gòu) 通過節(jié)點(diǎn)剛性連接的梁和柱，可抵抗豎向和水平荷載，稱其為框架結(jié)構(gòu)。4.3.3剪力墻結(jié)構(gòu) 利用混凝土墻來抵抗豎向和水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱其為剪力墻結(jié)構(gòu)。4.3.4框架－剪力墻（筒體）結(jié)構(gòu) 將框架和墻結(jié)構(gòu)加以組合則可形成一種共同抵抗豎向、水平荷載的新結(jié)構(gòu)體系，稱其為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。a)金茂大廈b)地王大廈c)石油雙塔大廈框架-核心筒結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例4.3.5框架－支撐結(jié)構(gòu) 如果將框架-剪力墻中墻置換為斜支撐，則稱為框架-支撐結(jié)構(gòu)。中心支撐類型偏心支撐類型4.3.6巨型結(jié)構(gòu)一、巨型框架結(jié)構(gòu) 巨型框架結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)框架按建筑樓層和建筑開間布置梁柱的做法，把結(jié)構(gòu)按主次兩級(jí)框架體系進(jìn)行布置。

新加坡華僑銀行香港匯豐銀行 二、巨型支撐筒結(jié)構(gòu) 巨型支撐筒結(jié)構(gòu)由巨型支撐筒、平面內(nèi)小框架及內(nèi)部框架所組成。其中巨型支撐筒為主結(jié)構(gòu)，具有很大的抗側(cè)剛度；平面內(nèi)小框架及內(nèi)部框架是次結(jié)構(gòu)，擔(dān)負(fù)著將樓層豎向荷載和局部水平荷載向主結(jié)構(gòu)傳遞的任務(wù)。香港中國(guó)銀行大廈漢考克大廈美國(guó)聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行CCTV大樓4.4抗豎向力結(jié)構(gòu) 抗豎向力結(jié)構(gòu)是指以抵抗豎向荷載為主的結(jié)構(gòu)，主要包括橋梁結(jié)構(gòu)和中大跨建筑結(jié)構(gòu)。4.4.1梁式結(jié)構(gòu) 梁式結(jié)構(gòu)是受彎為主的構(gòu)件。梁式結(jié)構(gòu)可以做成單跨、多跨或懸臂形式。一、實(shí)體梁結(jié)構(gòu) 實(shí)體梁結(jié)構(gòu)按材料分類有木梁、鋼梁、鋼筋混凝土梁、鋼—混凝土組合梁等。二、桁架結(jié)構(gòu) 桁架結(jié)構(gòu)是由拉桿或壓桿組成的桿件系統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)。木梁的截面軋制型鋼梁的截面薄腹梁三角形桁架梯形桁架平行弦桁架立體桁架4.4.2拱式結(jié)構(gòu) 拱式結(jié)構(gòu)是弧度向上的結(jié)構(gòu)形式，造型美觀。德國(guó)某建筑捷克斯洛伐克某游泳館德國(guó)萊比錫新會(huì)展中心 拱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵就是要合理地處理支座推力問題。三種常用的方法。即：落地拱是由基礎(chǔ)直接承受拱推力；屋蓋拱可以設(shè)計(jì)或利用邊框架來承受推力；也可以在支座處設(shè)置拉桿以承受拱的推力。推力由基礎(chǔ)直接承受推力由邊框架承受推力由拉桿承受4.4.3索式結(jié)構(gòu)一、實(shí)體索結(jié)構(gòu) 實(shí)體索結(jié)構(gòu)中的索以高強(qiáng)鋼絲、鋼鉸線為主，懸索兩端掛在穩(wěn)固的支承結(jié)構(gòu)上，可充分利用材料的抗拉承載力，具有受力合理，結(jié)構(gòu)自重輕，跨度大等優(yōu)點(diǎn)。二、勁性索結(jié)構(gòu) 勁性索結(jié)構(gòu)是以具有一定抗彎剛度的曲線型實(shí)腹截面或桁架來替代柔索的懸掛結(jié)構(gòu)。單曲面單層懸索體系杜勒斯機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓吉林滑冰館勁性索與勁性索結(jié)構(gòu)4.4.4板式結(jié)構(gòu) 板式結(jié)構(gòu)是在建筑結(jié)構(gòu)中最常用的構(gòu)件，在整體結(jié)構(gòu)中的作用不僅是承受豎向荷載，將其有效地傳遞到豎向結(jié)構(gòu)上，同時(shí)板式結(jié)構(gòu)起著連接全部豎向結(jié)構(gòu)，并保證其共同工作的作用。一、實(shí)心板與無梁樓蓋 最常用的實(shí)心板是混凝土現(xiàn)澆實(shí)心板，它是一類實(shí)體板式結(jié)構(gòu)。單向板與雙向板的受力狀態(tài)空心板和槽形板無梁樓蓋二、梁式板 工程中常用的樓板多為梁式板，它也是實(shí)體板式結(jié)構(gòu)。單向板肋梁樓板雙向板肋梁樓板密肋樓板井字梁樓板奈爾維設(shè)計(jì)的新穎梁式板鋼－混凝土組合樓板三、平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 實(shí)體板式結(jié)構(gòu)由于受結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度限制，不能跨越較大的跨度，如果把受力更合理，跨度更大的平面桁架相互垂直交叉，而形成一種新的空間桿件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。平板網(wǎng)架示例兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交斜放網(wǎng)架三向網(wǎng)架

交叉桁架的主要形式上海體育館屋蓋網(wǎng)架首都體育館屋蓋網(wǎng)架（1967年）4.4.5殼式結(jié)構(gòu) 殼式結(jié)構(gòu)按曲面外形，主要有如下形式：球面殼、柱面殼、雙曲扁殼、雙曲拋物面殼、扭殼及其組合殼等。球面殼柱面殼雙曲扁殼雙曲拋物面殼簡(jiǎn)單曲面殼式結(jié)構(gòu)一、混凝土薄殼結(jié)構(gòu) 混凝土薄殼結(jié)構(gòu)屬于實(shí)體殼式結(jié)構(gòu)，是由混凝土制作的曲面薄壁結(jié)構(gòu)，由曲面形板與邊緣構(gòu)件（梁、拱或桁架）組成。麻省理工學(xué)院小禮堂紐約肯尼迪機(jī)場(chǎng)TWA候機(jī)樓二、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有受力合理、可以跨越較大的跨度，節(jié)約鋼材、建筑造型美觀、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)也存在不足之處，屬缺陷敏感性結(jié)構(gòu)、對(duì)加工精度要求高，構(gòu)造復(fù)雜，能耗較高。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般用于體育館、展覽館等大空間的民用建筑，也可用于工業(yè)建筑。肋環(huán)型球面網(wǎng)殼施威德勒型球面網(wǎng)殼聯(lián)方型球面網(wǎng)殼三向網(wǎng)格型球面網(wǎng)殼凱威特型球面網(wǎng)殼短程線型球面網(wǎng)殼單層球面網(wǎng)殼肋環(huán)型四角錐球面網(wǎng)殼聯(lián)方型四角錐球面網(wǎng)殼聯(lián)方型三角錐球面網(wǎng)殼雙層球面網(wǎng)殼單向斜桿正交正放網(wǎng)格交叉斜桿正交正放網(wǎng)格聯(lián)方網(wǎng)格三向網(wǎng)格單層柱面網(wǎng)殼正放四角錐柱面網(wǎng)殼三角錐柱面網(wǎng)殼雙層柱面網(wǎng)殼4.4.6張拉膜式結(jié)構(gòu)一、實(shí)體膜結(jié)構(gòu) 膜結(jié)構(gòu)就是一種新近發(fā)展起來的新