建筑結構選型 福建工程學院土木工程系 唐瑞霖 2009年 8月 1 6日 緒 論 結構對于建筑的意義 建筑結構選型的原則 建筑結構的組成與分類 結構如同建筑的骨骼，要承受各種力的作用，形成支撐體系，是建筑物賴以存在的物質基礎； 通過滿足技術要求來滿足建筑的使用功能； 形成特定的建筑造型； 結構科學的進步推動著建筑的發(fā)展，一部建筑史也是一部建筑結構發(fā)展史。 一、結構對于建筑的意義 建筑結構的定義 建筑結構 是形成一定空間及造型，并具有承受人為和自然界施加于建筑物的各種荷載作用，使建筑物得以安全使用的骨架，用來滿足人類的生產(chǎn)、生活需求以及對建筑物的美觀要求。 建筑結構 是在建筑中，由若干構件（如梁、板、柱等）連接而構成的能承受各種外界作用（如荷載、溫度變化、地基不均勻沉降等）的體系。 建筑結構與建筑設計的關系（一） 建筑結構是建筑三大構成要素中建筑技術的組成內(nèi)容，是保證房屋安全的重要手段。 建筑結構的型式是為了滿足建筑功能要求，為創(chuàng)造建筑的美而服務。 建筑結構與建筑設計是兩個既相互獨立又緊密聯(lián)系的專業(yè)工種。 建筑結構與建筑設計的關系（二） 建筑結構是解決支撐體系問題，處于服務地位，由注冊結構師完成。 建筑設計是解決功能、適用和美觀的問題，處于先行與主導地位，由注冊建筑師完成。 建筑設計必須和建筑結構有機結合起來，只有真正符合結構邏輯的建筑才具有真實的表現(xiàn)力和實際的可行性，富有建筑的個性。 二、建筑結構選型的原則 在建筑設計中，空間組合和建筑造型的主要環(huán)節(jié)是選擇最佳結構方案，即結構選型。結構選型應遵循以下原則： （ 1 對于有些公共建筑，其功能有視聽要求，如：體育館為保證較好的觀看視覺效果，比賽大廳內(nèi)不能設柱，必須采用大跨度結構；大型超市為滿足購物的需要，室內(nèi)空間具有流動性和 （ 2 對于建筑造型復雜、平面和立面特別不規(guī)則的建筑結構選型，要按實際需要在適當部位設置防震縫，形成較多有規(guī)則的結構單元。 （ 3 每種結構型式都有各自的特點和不足，有其各自的適用范圍，所以要結合建筑設計的具體情況進行結構選型。 （ 4 由于材料和施工技術的不同，其結構形式也不同。例如：砌體結構所用材料多為就地取材，施工簡單，適用于低層、多層建筑。當鋼材供應緊缺或鋼材加工、施工技術不完善時，不可大量采用鋼結構。 （ 5 當幾種結構形式都有可能滿足建筑設計條件時，經(jīng)濟條件就是決定因素，盡量采用能降低工程造價的結構形式。 三、建筑結構的組成與分類 建筑結構的組成主要包括各種構件： 柱 梁 板 桁架桿件 網(wǎng)架桿件 索 膜 建筑結構按材料分類 混凝土結構 砌體結構（磚、砌塊、石） 鋼結構 木結構 索和膜結構 組合結構 其它金屬結構（鋁合金、不銹鋼） 建筑結構按受力和構造特點分類 混合結構體系 多層和高層建筑結構 框架結構體系 剪力墻結構體系 平面結構體系：排架（桁架）、 單層大跨度建筑結構 門式剛架、拱 空間結構體系：薄殼、網(wǎng)架網(wǎng)殼、 懸索、索和膜 第一章 混合結構體系 混合結構 是指一個建筑物的承重體系中采用兩種或兩種以上的結構類型 混合結構一般指 磚混結構 ，即墻體、基礎等豎向承重構件采用磚砌體結構，樓蓋、屋蓋等水平承重構件采用裝配式或現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構 磚墻既是承重結構，又是圍護結構 砌體結構所用材料便于就地取材，施工較簡單，施工進度快，技術要求低，施工設備簡單 砌體結構剛度較大，強度低，整體性差，抗震性能差 綜合經(jīng)濟指標好，實際造價低廉 平面布置靈活性差，使用面積較小，建筑立面效果厚實 磚墻在防寒、隔熱、隔音、抗風雨侵襲和化學穩(wěn)定性等建筑物理性能方面較為優(yōu)越、物美價廉，但自重較大 適用于六層及以下的住宅、宿舍、辦公室、學校、醫(yī)院等民用建筑以及中小型工業(yè)建筑 第一節(jié) 優(yōu)缺點和應用范圍 橫墻承重方案 縱墻承重方案 縱橫墻承重方案 內(nèi)框架承重方案 與結構選型有關的構造要求 第二節(jié) 混合結構房屋的墻體布置 橫墻承重方案 受力特點：樓層荷載通過板、梁傳至橫墻，橫墻作為主要的豎向承重構件，縱墻僅起圍護、隔斷、自承重及形成整體的作用 優(yōu)點：橫墻布置較密，房屋橫向剛度大、整體剛度大，外縱墻立面處理較為方便、可開設較大的門窗洞口 缺點：橫墻間距小，導致房間布置靈活性差 適用：宿舍、住宅等居住建筑 縱墻承重方案 無梁縱墻承重：板 縱墻 基礎 有梁縱墻承重：板 梁 縱墻 基礎 受力特點：縱墻是主要承重墻，橫墻設置主要為滿足房屋剛度及整體性需要，橫墻間距可以較大 優(yōu)點：空間較大，平面布置靈活，墻體面積小 缺點：剛度較差，縱墻受集中力處需加厚或設墻垛，縱墻門窗洞口大小和位置受限 適用：需要大空間或隔墻布置靈活的房屋，如教學樓、辦公樓、實驗樓、醫(yī)院、圖書館、食堂、倉庫等 縱橫墻承重方案 受力特點：為了滿足建筑使用上的功能要求和結構的合理性，將縱墻和橫墻均布置為承重墻體，采用預制短向樓板或現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板 優(yōu)點：開間較橫墻承重體系大 缺點：房間布置靈活性較縱墻承重體系差 適用：教學樓、辦公樓、醫(yī)院等建筑 內(nèi)框架承重方案 受力特點：外墻采用磚墻，內(nèi)部采用鋼筋混凝土梁、柱和預制板，由外部磚墻和內(nèi)部框架共同組成承重體系 優(yōu)點：內(nèi)部空間大，梁的跨度較縱墻承重體系小 缺點：外部磚墻和內(nèi)部鋼筋混凝土柱差別較大，房屋不均勻沉降導致結構附加內(nèi)力較大，整體剛度較差 適用：多層工業(yè)、商業(yè)和文教用房等建筑，或僅用于建筑的底層（門面），或底層框架結構、上部磚混結構 與結構選型有關的構造要求 橫墻間距小些，可使結構整體性和空間剛度較好，還可防止地基不均勻沉降引起的墻體開裂 縱墻宜貫通，可利于防止墻體開裂，且易于設置圈梁 梁跨度較大時，其支承處應加設壁柱 適當設置伸縮縫和沉降縫，可預防和減少墻體開裂 房屋平、立面布置規(guī)則，房屋質量分布和剛度變化均勻，限制房屋的高度、層高和高寬比，設置防震縫，選用配筋砌體，設置圈梁和構造柱，可提高砌體結構的抗震性能 裝配式樓蓋的優(yōu)點：造價低，施工進度快 裝配式樓蓋的缺點：整體性差，抗震性差 現(xiàn)澆樓蓋的優(yōu)點：整體性好，抗震性好，布置靈活 現(xiàn)澆樓蓋的缺點：造價高，施工工期長 裝配整體式樓蓋的特點：造價、工期介于上述兩種之間，整體性和抗震性也介于上述兩種之間 第三節(jié) 混合結構房屋的樓蓋布置 現(xiàn)澆樓蓋（一） 分為兩種：單向板肋梁樓蓋；雙向板肋梁樓蓋 單向板和雙向板的劃分：長短邊之比 3為單向板；長短邊之比 3為雙向板 梁板的經(jīng)濟跨度：單向板 2 3m；雙向板 3 5m；次梁 4 7m；主梁 58m 單向板肋梁樓蓋荷載傳遞路線：板 次梁 主梁 柱（墻） 基礎 地基 雙向板肋梁樓蓋荷載傳遞路線：板 梁 柱（墻） 基礎 地基 現(xiàn)澆樓蓋（二） 不需做撓度驗算的板、梁截面高度要求 在大中城市不能作為承重體系，但在圍護結構和隔墻方面仍廣泛使用 在農(nóng)村和小城鎮(zhèn)仍普遍使用，在抗震區(qū)使用應提高其抗震能力 隨著墻體改革的推進，著重新型輕質高效砌體材料的發(fā)展 震害明顯，倒塌破壞嚴重，在地震區(qū)傾向于限制使用 第四節(jié) 混合結構的現(xiàn)有地位和發(fā)展趨勢 第二章 框架結構體系 混合結構強度低，樓層較高時用料多、自重大，建筑有效面積隨著樓層增加大大減少 本章講述的框架結構主要是指鋼筋混凝土框架結構，較之磚砌體結構，鋼筋混凝土框架結構自重小、強度高，可以用于更多樓層的承重結構體系 一般用于不多于 15層（不超過 50米高度）的多層和高層房屋 鋼筋混凝土框架的梁柱節(jié)點多為剛節(jié)點，建筑物整體性好 因為剛節(jié)點的存在，梁跨中彎矩降低，從而可以跨越更大的跨度，空間布置更為靈活 在建筑上能夠提供較大的空間，平面布置靈活，適用性強 抗側剛度小、水平位移大，結構柔度較大 第一節(jié) 結構特點和優(yōu)缺點 框架的主要受力構件包括梁和柱 梁、柱連接處一般為剛接連接，當為鉸接連接時成為排架 為利于結構受力合理，框架結構一般要求框架梁宜連通，框架柱在縱橫兩個方向上應與框架梁連接，梁、柱中心線宜重合，框架柱宜縱橫對齊、上下對中 為了使用功能或建筑造型的要求，框架結構可采用抽梁、抽柱、內(nèi)收、外挑、斜梁、斜柱等形式 第二節(jié) 框架的組成與分類 框架結構按施工方法分類 全現(xiàn)澆框架：承重構件梁、柱、板均在現(xiàn)場綁扎、支模、澆筑、養(yǎng)護而成，整體性和抗震性較好，但現(xiàn)場工程量大、模板耗費多、工期長，在框架結構中使用最廣泛 裝配式框架：梁、柱、板均為預制，用于鋼結構框架 半現(xiàn)澆式框架：梁、柱為現(xiàn)澆，板為預制，成本低，但整體性和抗震性差，應用較少 裝配整體式框架：梁、柱為預制，梁柱節(jié)點處現(xiàn)澆 框架結構按承重方式分類 全框架（純框架）：荷載全部由框架梁、柱承擔，墻體僅起圍護、隔斷作用，受力性能良好 內(nèi)框架（半框架）：荷載由內(nèi)部框架和外部墻體共同來承擔，整體性和抗震性差，易發(fā)生地基不均勻沉降 底層框架混合結構：底層為框架結構或框架 -剪力墻結構，上部為普通混合結構，整個結構上剛下柔，整體性和抗震性差 結構布置是否合理，對結構的安全性、實用性以及造價影響很大 確定合理的結構布置，需要充分考慮建筑的功能、造型、荷載、高度、施工條件等 框架結構布置主要包括柱網(wǎng)布置和梁格布置，并滿足抗震的要求 第三節(jié) 框架的結構布置、柱網(wǎng)尺寸 以及構件截面尺寸 一、框架結構布置方案 根據(jù)承重框架布置方向的不同，分為以下三種布置方案： 1、主要承重框架橫向布置 橫向的梁為主梁，縱向的梁為連系梁。用于長寬比較大的房屋，可以有效提高其橫向的抗側力強度和剛度。此種布置在 矩形截面柱的長邊為沿著房屋橫向 2、主要承重框架縱向布置 縱向的梁為主梁，橫向的梁為連系梁。橫向連系梁截面高度較小，便于縱向管道通過而不影響凈高。此種布置房屋橫向剛度很差，只用于低層非抗震設防區(qū)的廠房。 矩形截面柱的長邊為沿著房屋縱向 3、主要承重框架縱橫雙向布置 縱橫向的梁均為主梁。用于長寬比較小或抗震設防區(qū)的房屋，可使其縱橫兩個方向均具有足夠的強度和剛度。此種布置適用性強、應用廣泛。 矩形截面柱的長邊為沿著柱彎矩較大的方向 二、框架柱網(wǎng)布置 柱網(wǎng)布置應滿足建筑功能的要求：在民用建筑中，柱網(wǎng)布置應與建筑隔墻布置相協(xié)調，常將柱子設在縱橫墻交錯處 柱網(wǎng)布置應盡量簡單、規(guī)則、整齊、間距適中、傳力明確、受力合理：框架結構同時承受豎向荷載和水平荷載，并且在框架平面內(nèi)承載能力較高 柱網(wǎng)布置應便于施工：設計時盡量減少構件規(guī)格，盡量使梁、板布置也簡單、規(guī)則，施工方便可加快施工進度、降低工程造價 1、多層廠房的柱網(wǎng)尺寸 柱距：一般可采用 6m 跨度：按柱網(wǎng)形式分為以下兩種 （ 1）內(nèi)廊式 常用 6.0 2.4 6.0（ m） 或 6.9 3.0 6.9（ m） （ 2）等跨式 常用 6m、 7.5m、 9m、 12m （從經(jīng)濟角度考慮不宜超過 9m，最常用為 6m） 2、多層民用房屋的柱網(wǎng)尺寸 柱距： 3.3 6m （旅館常為 6 8m，即兩個客房的開間之和 ） 跨度： 6 12m （從經(jīng)濟角度考慮不宜超過 9m） 造型復雜或特殊用途的建筑物，以及高層建筑，需要從實際情況和工程經(jīng)驗出發(fā)確定柱網(wǎng)布置 三、框架構件截面尺寸的初步估算 鋼筋混凝土框架結構的承載能力取決于梁、柱的強度，其剛度亦與梁、柱的剛度直接相關，因此框架梁、柱截面尺寸的初步選擇要考慮強度和剛度的需要： 1、框架梁截面尺寸 框架梁：截面高度 h（ ）跨長，且 h400mm 81121 連系梁，次梁：截面高度 h（ ）跨長 121181 截面寬度 b（ ） h，且 b200mm 2131 截面寬度 b（ ） h，且 b200mm 21312、框架柱截面尺寸 柱截面長邊 hc不宜小于 300mm，圓柱截面直徑不宜小于350mm 柱凈高與 hc之比宜大于 4，在抗震設防區(qū)應不小于 3 矩形柱截面長邊與短邊之比不宜大于 3 框架柱截面面積可按 Ac（ 1.2 1.4） N / fc 進行初步估算 柱子所受軸力 N 18 樓面負載面積 其上樓層數(shù)（角柱可取 22） 四、抗震設防區(qū)框架結構體型與布置的要求 抗震設計對房屋體型與結構布置有以下要求： 1、房屋的平、立面宜用簡單體型 在水平荷載作用下，體型突變處受力較為復雜，若無法避免則應局部加強 立面上有局部突變和剛度突變時應考慮鞭梢效應的影響 屋頂突出結構（如女兒墻、建筑造型、水箱、電梯間、煙囪等）的震害較為嚴重 為避免和減輕震害，屋頂突出結構可采用剛度漸變（突出部分逐步收小）的形式以及抗震性良好的材料和結構 2、抗側力結構的布置應盡可能使房屋的剛度中心與地震力合力作用線接近或重合 房屋剛度中心與地震力合力作用線相距較遠時，結構扭轉變形較大，不利于抗震 非結構構件（如填充墻、門窗、設備管道等）的震害可予以適當關注 3、抗側力結構的布置應盡可能使房屋各部分的剛度均勻，避免相差過分懸殊 在地震力作用下，剛度相差過分懸殊的兩部分結構之間會出現(xiàn)相互作用力，使得結構受力更為復雜 如無法避免，可采用防震縫隔開剛度相差過分懸殊的兩部分結構 4、在地震烈度較高的抗震設防區(qū)，樓、電梯間不宜布置在結構單元的兩端和拐角處 在地震力作用下，結構單元兩端和拐角處地震效應大、受力復雜 各層樓板在樓、電梯間處都要中斷，易發(fā)生震害 如無法避免，應采用加強措施 5、應注意控制房屋的側向變形和層間相對變形 可防止豎向荷載引起的附加彎矩的加劇 防止填充墻的裝修材料的破壞 避免相鄰房屋結構的相互碰撞 減輕搖晃的感覺 6、各層樓板應盡量設置在同一標高處或錯開很少，避免采用復式框架 同一樓層的樓板錯開較多時，不利于抗震 復式框架存在樓板多處中斷的情況，框架柱剛度差別較大，易引起震害 7、房屋高低層不宜用牛腿相連，宜用防震縫隔開 房屋高低層連接處剛度相差懸殊，地震效應較大，牛腿連接處將產(chǎn)生很大的應力集中，震害嚴重 8、柱子凈高與截面長邊之比宜大于 4 柱子凈高與截面長邊之比小于 4時，在地震作用下，柱子通常發(fā)生剪切破壞，屬于脆性破壞，應予以避免 設備層較低或柱子半高處連有梁時，可能出現(xiàn)短柱 房屋的抗震設計對于其安全性至關重要，需要在進行建筑方案設計時就考慮到抗震設計 震害調查和工程經(jīng)驗表明，為了達到既安全又經(jīng)濟合理的要求，多高層框架結構的房屋高度有一定的適用范圍 框架結構的適用高度包含房屋的適用層數(shù)與高寬比兩個方面，與結構布置、地震烈度、場地類別等有關 第四節(jié) 框架結構的適用層數(shù)與高寬比 框架結構的變形與內(nèi)力 在豎向荷載作用下，框架的變形與彎矩隨著框架的層數(shù)增加沒有顯著的變化 在水平荷載作用下，框架的變形與彎矩隨著框架的層數(shù)增加迅速加大 框架結構的層數(shù)達到一定程度時，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力遠遠超過豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力 水平荷載對設計其主要控制作用時，框架結構的優(yōu)越性受到較大的限制 框架結構的適用層數(shù)、高寬比與適用高度 框架結構在水平荷載作用下，屬于柔性結構，其抗側移剛度較小，房屋較高時其安全性和經(jīng)濟效益下降 框架結構適用層數(shù)： 6 15層， 10層左右最為經(jīng)濟 框架結構常用高寬比