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建筑与结构的关系以及从接受力情况分类的建筑结构


一、结构对于建筑的意义

1. 结构如同建筑的骨骼,要承受各种力的作用,形成支撑体系,是建筑物赖以存在的物质基础;2.通过满足技术要求来满足建筑的使用功能;3.形成特定的建筑造型;4.结构科学的进步推动着建筑的发展,一部建筑史也是一部建筑结构发展史。

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二、建筑结构的定义

建筑结构是形成一定空间及造型,并具有承受人为和自然界施加于建筑物的各种荷载作用,使建筑物得以安全使用的骨架,用来满足人类的生产、生活需求以及对建筑物的美观要求。

建筑结构是在建筑中,由若干构件(如梁、板、柱等)连接而构成的能承受各种外界作用(如荷载、温度变化、地基不均匀沉降等)的体系。

 

三、建筑结构与建筑设计的关系

建筑结构是建筑三大构成要素中建筑技术的组成内容,是保证房屋安全的重要手段。

建筑结构的型式是为了满足建筑功能要求,为创造建筑的美而服务。

建筑结构与建筑设计是两个既相互独立又紧密联系的专业工种。

建筑结构是解决支撑体系问题,处于服务地位,由注册结构师完成。

建筑设计是解决功能、适用和美观的问题,处于先行与主导地位,由注册建筑师完成。

建筑设计必须和建筑结构有机结合起来,只有真正符合结构逻辑的建筑才具有真实的表现力和实际的可行性,富有建筑的个性.

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四、建筑结构选型的原则

在建筑设计中,空间组合和建筑造型的主要环节是选择最佳结构方案,即结构选型。结构选型应遵循以下原则:

1)适应建筑功能的要求

对于有些公共建筑,其功能有视听要求,如:体育馆为保证较好的观看视觉效果,比赛大厅内不能设柱,必须采用大跨度结构;大型超市为满足购物的需要,室内空间具有流动性和灵活性,所以应采用框架结构。

2)满足建筑造型的需要

对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构选型,要按实际需要在适当部位设置防震缝,形成较多有规则的结构单元。

3)充分发挥结构自身的优势

每种结构型式都有各自的特点和不足,有其各自的适用范围,所以要结合建筑设计的具体情况进行结构选型。

4)考虑材料和施工的条件

由于材料和施工技术的不同,其结构形式也不同。例如:砌体结构所用材料多为就地取材,施工简单,适用于低层、多层建筑。当钢材供应紧缺或钢材加工、施工技术不完善时,不可大量采用钢结构。

5)尽可能降低造价

当几种结构形式都有可能满足建筑设计条件时,经济条件就是决定因素,尽量采用能降低工程造价的结构形式。

五、建筑结构按材料分类

混凝土结构,砌体结构(砖、砌块、石),钢结构,木结构,索和膜结构,组合结构,其它金属结构(铝合金、不锈钢)

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六、建筑结构按受力和构造特点分类

多层和高层建筑结构 ( 框架结构体系.混合结构体系,剪力墙结构体系)

平面结构体系:排架(桁架)、门式刚架、拱

单层大跨度建筑结构  --

空间结构体系:薄壳、网架网壳、悬索、索和膜

混合结构是指一个建筑物的承重体系中采用两种或两种以上的结构类型

混合结构一般指砖混结构,即墙体、基础等竖向承重构件采用砖砌体结构,楼盖、屋盖等水平承重构件采用装配式或现浇钢筋混凝土结构

砖墙既是承重结构,又是围护结构

混合结构优缺点和应用范围:

砌体结构所用材料便于就地取材,施工较简单,施工进度快,技术要求低,施工设备简单

砌体结构刚度较大,强度低,整体性差,抗震性能差

综合经济指标好,实际造价低廉

平面布置灵活性差,使用面积较小,建筑立面效果厚实

砖墙在防寒、隔热、隔音、抗风雨侵袭和化学稳定性等建筑物理性能方面较为优越、物美价廉,但自重较大

适用于六层及以下的住宅、宿舍、办公室、学校、医院等民用建筑以及中小型工业建筑

 

七、混合结构房屋的墙体布置

横墙承重方案

纵墙承重方案

纵横墙承重方案

内框架承重方案

与结构选型有关的构造要求

 横墙承重方案 

受力特点:楼层荷载通过板、梁传至横墙,横墙作为主要的竖向承重构件,纵墙仅起围护、隔断、自承重及形成整体的作用

优点:横墙布置较密,房屋横向刚度大、整体刚度大,外纵墙立面处理较为方便、可开设较大的门窗洞口

缺点:横墙间距小,导致房间布置灵活性差

适用:宿舍、住宅等居住建筑

纵墙承重方案:

无梁纵墙承重:板→纵墙→基础

有梁纵墙承重:板→梁→纵墙→基础

受力特点:纵墙是主要承重墙,横墙设置主要为满足房屋刚度及整体性需要,横墙间距可以较大

优点:空间较大,平面布置灵活,墙体面积小

缺点:刚度较差,纵墙受集中力处需加厚或设墙垛,纵墙门窗洞口大小和位置受限

适用:需要大空间或隔墙布置灵活的房屋,如教学楼、办公楼、实验楼、医院、图书馆、食堂、仓库等

 

八、内框架承重方案

受力特点:外墙采用砖墙,内部采用钢筋混凝土梁、柱和预制板,由外部砖墙和内部框架共同组成承重体系

优点:内部空间大,梁的跨度较纵墙承重体系小

缺点:外部砖墙和内部钢筋混凝土柱差别较大,房屋不均匀沉降导致结构附加内力较大,整体刚度较差

适用:多层工业、商业和文教用房等建筑,或仅用于建筑的底层(门面),或底层框架结构、上部砖混结构

 

九、混合结构房屋的楼盖布置

装配式楼盖的优点:造价低,施工进度快

装配式楼盖的缺点:整体性差,抗震性差

现浇楼盖的优点:整体性好,抗震性好,布置灵活

现浇楼盖的缺点:造价高,施工工期长

装配整体式楼盖的特点:造价、工期介于上述两种之间,整体性和抗震性也介于上述两种之间

现浇楼盖:

分为两种:单向板肋梁楼盖;双向板肋梁楼盖

单向板和双向板的划分:长短边之比>3为单向板;长短边之比≤3为双向板

梁板的经济跨度:单向板  23m;双向板  35m;次梁  47m;主梁  5~8m

单向板肋梁楼盖荷载传递路线:板→次梁→主梁→柱(墙)→基础→地基

双向板肋梁楼盖荷载传递路线:板→梁→柱(墙)→基础→地基      

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十、框架结构体系

混合结构强度低,楼层较高时用料多、自重大,建筑有效面积随着楼层增加大大减少

本章讲述的框架结构主要是指钢筋混凝土框架结构,较之砖砌体结构,钢筋混凝土框架结构自重小、强度高,可以用于更多楼层的承重结构体系

一般用于不多于15层(不超过50米高度)的多层和高层房屋

框架结构体系结构特点和优缺点:

钢筋混凝土框架的梁柱节点多为刚节点,建筑物整体性好

因为刚节点的存在,梁跨中弯矩降低,从而可以跨越更大的跨度,空间布置更为灵活

在建筑上能够提供较大的空间,平面布置灵活,适用性强

抗侧刚度小、水平位移大,结构柔度较大

 

十一、框架结构按施工方法分类

全现浇框架:承重构件梁、柱、板均在现场绑扎、支模、浇筑、养护而成,整体性和抗震性较好,但现场工程量大、模板耗费多、工期长,在框架结构中使用最广泛

装配式框架:梁、柱、板均为预制,用于钢结构框架

半现浇式框架:梁、柱为现浇,板为预制,成本低,但整体性和抗震性差,应用较少

装配整体式框架:梁、柱为预制,梁柱节点处现浇

框架结构按承重方式分类:

全框架(纯框架):荷载全部由框架梁、柱承担,墙体仅起围护、隔断作用,受力性能良好

内框架(半框架):荷载由内部框架和外部墙体共同来承担,整体性和抗震性差,易发生地基不均匀沉降

底层框架混合结构:底层为框架结构或框架-剪力墙结构,上部为普通混合结构,整个结构上刚下柔,整体性和抗震性差

框架柱网布置:

柱网布置应满足建筑功能的要求:在民用建筑中,柱网布置应与建筑隔墙布置相协调,常将柱子设在纵横墙交错处

柱网布置应尽量简单、规则、整齐、间距适中、传力明确、受力合理:框架结构同时承受竖向荷载和水平荷载,并且在框架平面内承载能力较高

柱网布置应便于施工:设计时尽量减少构件规格,尽量使梁、板布置也简单、规则,施工方便可加快施工进度、降低工程造价

 

十二、震设防区框架结构体型与布置的要求

1、房屋的平、立面宜用简单体型

2、抗侧力结构的布置应尽可能使房屋的刚度中心与地震力合力作用线接近或重合

3、抗侧力结构的布置应尽可能使房屋各部分的刚度均匀,避免相差过分悬殊

4、在地震烈度较高的抗震设防区,楼、电梯间不宜布置在结构单元的两端和拐角处

5、应注意控制房屋的侧向变形和层间相对变形

6、各层楼板应尽量设置在同一标高处或错开很少,避免采用复式框架

7、房屋高低层不宜用牛腿相连,宜用防震缝隔开

8、柱子净高与截面长边之比宜大于4

 

十三、框架结构的变形与内力

在竖向荷载作用下,框架的变形与弯矩随着框架的层数增加没有显著的变化

在水平荷载作用下,框架的变形与弯矩随着框架的层数增加迅速加大

框架结构的层数达到一定程度时,水平荷载产生的内力远远超过竖向荷载产生的内力

水平荷载对设计其主要控制作用时,框架结构的优越性受到较大的限制

框架结构的适用层数、高宽比与适用高度:

框架结构在水平荷载作用下,属于柔性结构,其抗侧移刚度较小,房屋较高时其安全性和经济效益下降

框架结构适用层数:615层,10层左右最为经济

框架结构常用高宽比:57

场地类别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类,规则的现浇钢筋混凝土框架结构最大适用高度:60m(烈度6度),55m(烈度7度),45m(烈度8度),25m(烈度9度)

场地类别Ⅳ类或不规则结构的最大适用高度还应适当降低

 

十四、剪力墙结构体系

剪力墙结构较之框架结构,采用剪力墙来提供很大的抗剪强度和侧向刚度,从而提高整体结构的抗侧移刚度

剪力墙就是以承受水平荷载为主要目的而设置的现浇钢筋混凝土成片墙体,在钢结构建筑中也可采用钢板剪力墙

剪力墙结构体系主要包括以下三大类:框架-剪力墙(框剪)结构,(全)剪力墙结构,筒体结构

适用于10层以上的高层或超高层房屋

 

十五、框架-剪力墙结构

框架-剪力墙结构,简称框剪结构,是在框架结构的基础上增设一定数量的横向和纵向剪力墙所构成的双重受力体系

在整个体系中,框架仍占主体、以承担竖向荷载为主,剪力墙承担绝大部分的水平荷载,两者协同工作、扬长避短

建筑结构相当于基础上的悬臂梁,剪力墙使得该悬臂梁在此位置形成深梁,加强

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十六、框架-剪力墙结构变形特点

在水平荷载作用下,框架的变形总体来说属于剪切型,剪力墙的变形则属于弯曲型

楼面处刚度可视为无穷大,因此此处框架和剪力墙变形协调,框架-剪力墙的变形总体来说属于弯剪型

对于层间位移角,框架自上而下逐层增大、底层最大,而剪力墙相反、顶层最大,这样,框架-剪力墙结构下部是剪力墙制约框架变形,结构上部是框架制约剪力墙变形,从而整体结构各层的层间位移角较为均匀,减少了地震作用下非结构构件的破坏

 

十七、框架-剪力墙结构受力特点

在框架-剪力墙结构中,剪力墙布置的数量一般不太多、受荷面积有限,故框架承担大部分竖向荷载

剪力墙抗侧移刚度远大于框架,故剪力墙承担绝大部分水平荷载(一般在80%以上)

框架楼层剪力分布较为均匀,最大值不发生在结构底部,一般是在(0.30.6H之间

剪力墙顶端剪力为负值(与框架间产生内部集中力),而在结构下部的剪力很大

框架-剪力墙结构的适用范围:

框架-剪力墙结构属于半刚性结构体系,适用于1020层房屋,最高不宜超过25

较之框架结构,框架-剪力墙结构中剪力墙的设置在一定程度上影响了建筑平面的灵活布置,适用于办公楼、旅馆、公寓、住宅等建筑以及一些工业厂房

框架-剪力墙结构中剪力墙的布置可以较为灵活,可结合隔墙、山墙、电梯井、楼梯间等设置,减少对建筑使用功能上的妨碍

 

十八、框架-筒体结构

当框架-剪力墙结构中的剪力墙集中在一处并形成筒体时,称为框架-筒体结构

框架-筒体结构的筒体一般位于建筑物中央(也可见到位于一侧的),其框架一般位于筒体四周

框架-筒体结构与框架-剪力墙结构的受力和变形特点类似,但因为筒体的存在,其刚度、强度、抗扭性能都增强了,故可以建造高达3040层的建筑框架-筒体结构的剪力墙设置很集中,建筑平面布置可较为灵活,适用于公共建筑、办公楼和商业建筑等

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框架—筒体结构示意图

十九、剪力墙结构

房屋高度超过25层时,水平荷载的影响相当大,需要的剪力墙数量很大,需要采用全剪力墙结构

结构整体性更强,抗侧移刚度更大,侧向变形更小,抗震性能更好,用钢量较省,施工相对简便快捷

墙体较密,建筑平面布置和空间利用受到较大限制,且结构自重大、刚度大、地震反应大

适用于1040层的住宅、公寓和旅馆等

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二十、底层大空间剪力墙结构

住宅、公寓或旅馆等高层建筑中,往往底部13层作商店或停车场而需要大空间,可采用部分框支、部分落地的剪力墙结构,即底层大空间剪力墙结构

底层大空间剪力墙结构的底层采用部分框架,故其抗侧移刚度有所削弱,易产生刚度突变而引起较大震害

因为框支剪力墙刚度突变很大,在抗震设防区不允许单独使用,即不采用底层全部为框架的剪力墙结构

 

二十一、大底盘大空间剪力墙结构

底部楼层的商业用房往往扩大其面积,形成大面积裙房,裙房多采用框架结构,这种大空间裙房作为底盘、上部为一个或多个剪力墙塔楼的结构,称为大底盘大空间剪力墙结构,是高层商住楼的一种广泛应用的结构体系

 

二十二、筒体结构

将房屋的剪力墙集中到房屋的外部或内部组成一个竖向、悬臂的封闭箱体时,可以大大提高房屋的整体空间受力性能和抗侧移能力,这种封闭的箱体称为筒体

外部筒体和内部框架结合形成框筒结构,内筒和外筒结合(两者之间不再设柱)形成筒中筒结构

筒体结构的剪力墙设置较为集中,建筑平面布置可较为灵活,适用于超高层公共建筑和商业建筑

注意框筒结构与框架-筒体结构的区别

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二十三、多筒结构

多筒结构主要分为两类:一类是将多个筒体合并在一起形成成束筒,一类是在筒体之间用刚度很大的水平构件相互联系而形成巨型框架

成束筒的抗侧刚度比筒中筒更大,可以建造更高的建筑

巨型框架不是由普通梁柱组成,而是由筒体作柱子,用高度很大(一层或几层楼高)的水平构件作梁,巨型框架梁可以隔若干层设置一根,巨型框架柱和巨型框架梁之间的小框架只承受竖向荷载

成束筒和巨型框架结构均可建造100层以上的超高层建筑

 

二十四、剪力墙的形状

剪力墙的形状与建筑物的平面布置和对水平荷载的反应有关,即从建筑分隔和受力角度来考虑

剪力墙的形状决定了其截面的抗弯惯性矩的大小

剪力墙的基本形状可分为开口截面和封闭截面两大类

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二十五、剪力墙结构布置原则

房屋平、立面布置简单对称,利于布置剪力墙和整体刚度

合理远离房屋重心,降低房屋重心,可提高抗扭刚度

抗侧力结构刚度中心接近水平荷载合力作用线,减轻扭转

上下位置对齐,贯通全高,避免刚度突变

增加剪力墙承担的竖向荷载,使其受力合理

 

二十六、全剪力墙体系

对于板式建筑,剪力墙布置宜均衡

横向剪力墙的间距不宜太密,一般不小于6 ~ 8m

纵向剪力墙一般设为二道、二道半、三道或四道

建筑平面形状任意时,受力复杂处应加密剪力墙

 

二十七、框-剪体系

布置数量兼顾结构和经济,太少则抗侧力不足,太多浪费

为保证楼板水平刚度,剪力墙间距不宜过大(4B

宜设在靠近建筑物两端处、楼电梯间和平面刚度变化处,若能纵横相连可增大整体刚度

抗震设防区纵、横向均布置剪力墙

横向剪力墙宜布置在房屋近端而非尽端,若布置在尽端增加基础难度(剪力墙嵌固较差),布置在中部不利于抗扭

纵向剪力墙宜布置在中部,若布置在端部会使房屋变形受约束而产生温度应力和收缩应力

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框剪结构变形特点

 

二十八、剪力墙的材料、厚度和配筋

采用现浇钢筋混凝土,混凝土强度等级不应低于C20

有边框(嵌于梁柱间),厚度≥墙体净高/30120mm;无边框,三、四级抗震等级时厚度≥墙体净高/25160mm,一、二级抗震等级时厚度≥墙体净高/20200mm

厚度200mm应双层配筋,厚度<200mm可单层配筋,山墙及第一道内隔墙、楼电梯间墙、内纵墙均应双层配筋

 

二十九、剪力墙的开洞

剪力墙的洞口沿竖向成列布置时,根据洞口的分布和大小,可分为实体剪力墙、整体小开口剪力墙、联肢剪力墙,多联单独剪力墙、框支剪力墙等

剪力墙不开洞比开洞好,少开洞比多开洞好,开小洞比开大洞好,单排洞比多排洞好,洞口靠中比洞口靠边好

 

三十、变形缝的设置

变形缝包括伸缩缝、沉降缝和防震缝

伸缩缝和防震缝仅需断开基础以上的房屋上部结构

沉降缝需要将房屋连同基础一起断开

宜两缝合一或三缝合一

尽量不设变形缝,可通过设计方案的调整或构造措施避免

设置变形缝后,被分开的几部分房屋在结构上完全独立

 

三十一、变形缝的宽度

变形缝宽度的确定原则:当结构产生伸缩变形、不均匀沉降或地震变形时,房屋各独立单元间不发生相互碰撞

防震缝的宽度宜符合表中规定,并不小于7cm

伸缩缝、沉降缝的宽度一般不小于5cm,且随房屋高度增加而加大

防震缝兼作沉降缝时,应考虑地基不均匀沉降引起的附加变形,其宽度宜适当加大

防震缝兼作伸缩缝时,应符合防震缝宽度的要求

 

三十二、转换层的基本特点

“鸡腿柱”大梁与支承柱连接处应力高度集中,需要特殊的抗震构造设计

竖向荷载成为转换层(大梁)设计的控制因素

转换层(大梁)跨度很大,其挠度需要严格控制

转换层尺度很大,浪费了一定的建筑空间,且其自重大、材料耗费多、造价高昂

连续施工强度大,施工过程复杂,技术要求高

 

三十三、转换层结构的设置原则

1、底层要求大空间

转换层结构跨越底层建筑平面两端,将上部荷载集中于数个支承点处,亦称桥式结构

转换层中部支承于一个强劲的筒体上,四面向外悬挑

转换层(大梁)可以采用多种结构形式

2、任意层上要求敞开空间或改变柱网


白小姐四肖三肖期期中