第4章 建筑結構

土木工程概論主編：劉宗仁第4章建筑結構作者：張文福4.1.1建筑與建筑結構一、建筑建筑是建筑物和構筑物的總稱。日本名古屋穹頂法國埃菲爾鐵塔二、建筑結構 建筑結構就是用來保持建筑物的外部形態(tài)并形成內部空間的承重骨架。三、建筑結構的作用 1、形成內部空間 2、形成外部形態(tài) 3、保證建筑物的安全。4.1.2作用在建筑結構上的力與結構效應一、作用在建筑結構上的力 作用在建筑結構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、結構效應 外力在結構中所產(chǎn)生的內力和變形統(tǒng)稱為結構效應，包括靜力效應和動力效應兩種。4.1.3建筑結構的五種基本特性 建筑結構必須具備五種基本特性：它必須達到一種平衡狀態(tài)；必須穩(wěn)定；必須具有足夠的強度；必須具有足夠的剛度；必須具有足夠的延性。一、結構的平衡要求 結構必須是幾何不變體系，這是對結構體系的最基本要求。 其次，要求結構的支座不能失效。二、結構的強度 是指結構的承載能力，即結構能夠抵御某種作用而不至于破壞的能力。三、結構的穩(wěn)定 是結構維持自身穩(wěn)定狀態(tài)的能力。四、結構的剛度 是結構抵抗變形的能力。五、結構的延性 這是指結構極限變形能力，即結構的耗能能力，是衡量結構抗震性能好壞的重要指標。4.1.4建筑安全性問題 必須在工程設計中重視建筑結構的安全性問題，以確保建筑內部的人員和設備不會因各種外界因素影響而遭到破壞。4.2建筑結構的分類概要 按結構的布置方式和受力特點分類，可分為平面結構與空間結構兩類；按結構的整體作用來看，可分為抗水平力結構和抗豎向力結構；按結構構件的材料分類，可分為砌體結構、混凝土結構、預應力混凝土結構、鋼結構、木結構、鋼-混凝土組合結構和膜結構。4.2.1砌體結構 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構稱為砌體結構。 砌體結構中所使用的材料主要有塊材和砂漿。塊材包括磚、砌塊、石材。 砂漿是由膠結料、細骨料、摻合料加水攪拌而成的混合材料。砌體中常用的砂漿有水泥混合砂漿和水泥砂漿。4.2.2混凝土結構 混凝土結構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)的鋼筋強度得到充分利用。4.2.3預應力混凝土結構 在構件在承受外荷載之前，對其受拉區(qū)預先施加壓應力，形成了所謂的預應力混凝土結構。 工程中預應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，用機械張拉鋼筋，待混凝土硬化后，再放松鋼筋，從而對混凝土施加預應力。 后張法：就是在澆筑混凝土并待其硬化后，對預留在構件內的預應力筋用機械張拉，從而對混凝土施加預應力，使構件受拉邊預先產(chǎn)生壓應力的方法。先張法構件制作過程后張法構件制作4.2.4鋼結構 鋼結構是鋼材制成的工程結構，由型鋼和鋼板等制成的梁、柱、板、拱、等構件組成?！傍B巢”－國家體育場國家大劇院一、鋼結構的特點 鋼材的優(yōu)點是材質均勻，可靠性高；強度高，塑性和韌性好，利于抗震；便于機械化制造，安裝方便，施工期限短，可盡快地發(fā)揮投資的經(jīng)濟效益；缺點是耐火性和耐銹蝕性差，維護費用較高。二、鋼結構的連接 可分為焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接等。4.2.5木結構 木結構的優(yōu)點是施工簡便、工期短。 木結構的主要缺點是耐火性能差。木框架房屋木結構圓頂屋頂4.2.6鋼-混凝土組合結構 鋼-混凝土組合結構主要有鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土結構、鋼-混凝土組合梁板結構等。一、鋼骨混凝土結構 是指在鋼骨周圍配置鋼筋并澆筑混凝土的結構。鋼骨混凝土梁柱截面二、鋼管混凝土結構 是指在鋼管內填充混凝土的結構，一般鋼管內部不再配置鋼筋。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，兩種組合構件也可復合使用。4.2.7膜結構 與傳統(tǒng)結構相比，膜結構的優(yōu)點是自重輕、建筑造型豐富、透光性好、自潔性好、易于施工。缺點是耐久性差、隔熱性差等。4.3抗水平力結構 抗水平力結構是指以抵抗水平荷載為主的結構，主要包括高聳構筑物和高層建筑結構。4.3.1抗水平力結構的基本特征 在抗水平力結構設計中，水平荷載作用下的內力和位移是設計的控制指標。

結構內力或位移和高度關系4.3.2框架結構 通過節(jié)點剛性連接的梁和柱，可抵抗豎向和水平荷載，稱其為框架結構。4.3.3剪力墻結構 利用混凝土墻來抵抗豎向和水平荷載的結構，稱其為剪力墻結構。4.3.4框架－剪力墻（筒體）結構 將框架和墻結構加以組合則可形成一種共同抵抗豎向、水平荷載的新結構體系，稱其為框架-剪力墻結構體系。a)金茂大廈b)地王大廈c)石油雙塔大廈框架-核心筒結構的工程實例4.3.5框架－支撐結構 如果將框架-剪力墻中墻置換為斜支撐，則稱為框架-支撐結構。中心支撐類型偏心支撐類型4.3.6巨型結構一、巨型框架結構 巨型框架結構打破了傳統(tǒng)框架按建筑樓層和建筑開間布置梁柱的做法，把結構按主次兩級框架體系進行布置。

新加坡華僑銀行香港匯豐銀行 二、巨型支撐筒結構 巨型支撐筒結構由巨型支撐筒、平面內小框架及內部框架所組成。其中巨型支撐筒為主結構，具有很大的抗側剛度；平面內小框架及內部框架是次結構，擔負著將樓層豎向荷載和局部水平荷載向主結構傳遞的任務。香港中國銀行大廈漢考克大廈美國聯(lián)邦儲備銀行CCTV大樓4.4抗豎向力結構 抗豎向力結構是指以抵抗豎向荷載為主的結構，主要包括橋梁結構和中大跨建筑結構。4.4.1梁式結構 梁式結構是受彎為主的構件。梁式結構可以做成單跨、多跨或懸臂形式。一、實體梁結構 實體梁結構按材料分類有木梁、鋼梁、鋼筋混凝土梁、鋼—混凝土組合梁等。二、桁架結構 桁架結構是由拉桿或壓桿組成的桿件系統(tǒng)的梁式結構。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拱式結構 拱式結構是弧度向上的結構形式，造型美觀。德國某建筑捷克斯洛伐克某游泳館德國萊比錫新會展中心 拱式結構設計中的一個關鍵就是要合理地處理支座推力問題。三種常用的方法。即：落地拱是由基礎直接承受拱推力；屋蓋拱可以設計或利用邊框架來承受推力；也可以在支座處設置拉桿以承受拱的推力。推力由基礎直接承受推力由邊框架承受推力由拉桿承受4.4.3索式結構一、實體索結構 實體索結構中的索以高強鋼絲、鋼鉸線為主，懸索兩端掛在穩(wěn)固的支承結構上，可充分利用材料的抗拉承載力，具有受力合理，結構自重輕，跨度大等優(yōu)點。二、勁性索結構 勁性索結構是以具有一定抗彎剛度的曲線型實腹截面或桁架來替代柔索的懸掛結構。單曲面單層懸索體系杜勒斯機場候機樓吉林滑冰館勁性索與勁性索結構4.4.4板式結構 板式結構是在建筑結構中最常用的構件，在整體結構中的作用不僅是承受豎向荷載，將其有效地傳遞到豎向結構上，同時板式結構起著連接全部豎向結構，并保證其共同工作的作用。一、實心板與無梁樓蓋 最常用的實心板是混凝土現(xiàn)澆實心板，它是一類實體板式結構。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，它也是實體板式結構。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計的新穎梁式板鋼－混凝土組合樓板三、平板網(wǎng)架結構 實體板式結構由于受結構材料強度限制，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)的結構形式。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殼式結構 殼式結構按曲面外形，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單曲面殼式結構一、混凝土薄殼結構 混凝土薄殼結構屬于實體殼式結構，是由混凝土制作的曲面薄壁結構，由曲面形板與邊緣構件（梁、拱或桁架）組成。麻省理工學院小禮堂紐約肯尼迪機場TWA候機樓二、網(wǎng)殼結構 網(wǎng)殼結構具有受力合理、可以跨越較大的跨度，節(jié)約鋼材、建筑造型美觀、施工簡便等優(yōu)點。 網(wǎng)殼結構也存在不足之處，屬缺陷敏感性結構、對加工精度要求高，構造復雜，能耗較高。網(wǎng)殼結構一般用于體育館、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張拉膜式結構一、實體膜結構 膜結構就是一種新近發(fā)展起來的新