建筑結構

第一章緒論本章教學目標1.了解各類結構的優缺點及應用范圍；

2.掌握作用的概念；

3.理解建筑結構的定義、組成、分類以及鋼筋與混凝土共同工作的原因。

4.了解建筑結構的發展與應用狀況。1.1建筑結構的概念及類型一、建筑結構的概念

建筑是供人們生產、生活和進行其他活動的房屋或場所。建筑是建筑物和構筑物的通稱。建筑物是指人們社會生活和生產的環境，如住宅、廠房；構筑物是指一般不直接進入其間進行生活和生產的空間。如煙囪、水塔等。各類建筑都離不開梁、板、墻、柱、基礎等構件，它們相互連接形成建筑的骨架。建筑中由若干構件連接而成的能承受作用的平面或空間體系稱為建筑結構，在不致混淆時可簡稱結構。這里所說的“作用”，是指能使結構或構件產生效應（內力、變形、裂縫等）的各種原因的總稱。作用可分為直接作用和間接作用。直接作用即習慣上所說的荷載，是指施加在結構上的集中力或分布力系，如結構自重、家具及人群荷載、風荷載等。間接作用是指引起結構外加變形或約束變形的原因，如地震、基礎沉降、溫度變化等。

二、建筑的類型1、混凝土結構混凝土結構是鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構和素混凝土結構的總稱。素混凝土結構是指由無筋或不配置受力鋼筋的混凝土制成的結構，在建筑工程中一般只用作基礎墊層或室外地坪。鋼筋混凝土結構是混凝土結構中應用最多的一種，也是應用最廣泛的建筑結構形式之一。它不但被廣泛應用于多層與高層住宅、賓館、寫字樓以及單層與多層工業廠房等工業與民用建筑中，而且水塔、煙囪、核反應堆等特種結構也多采用鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土結構之所以應用如此廣泛，主要是因為它具有如下優點：（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。。鋼筋混凝土也有一些缺點，主要是自重大，抗裂性能差，現澆結構模板用量大、工期長等等。但隨著科學技術的不斷發展，這些缺點可以逐漸克服。例如采用輕質、高強的混凝土，可克服自重大的缺點；采用預應力混凝土，可克服容易開裂的缺點；摻入纖維做成纖維混凝土可克服混凝土的脆性；采用預制構件，可減小模板用量，縮短工期。2、砌體結構由塊體（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件的結構稱為砌體結構。它是磚砌體結構、石砌體結構和砌塊砌體結構的統稱。砌體結構主要有以下優點：（1）取材方便，造價低廉。砌體結構所需用的原材料如粘土、砂子、天然石材等幾乎到處都有，因而比鋼筋混凝土結構更為經濟，并能節約水泥、鋼材和木材。砌塊砌體還可節約土地，使建筑向綠色建筑、環保建筑方向發展。（2）具有良好的耐火性及耐久性。一般情況下，砌體能耐受400℃的高溫。砌體耐腐蝕性能良好，完全能滿足預期的耐久年限要求。（3）具有良好的保溫、隔熱、隔音性能，節能效果好。（4）施工簡單，技術容易掌握和普及，也不需要特殊的設備。砌體結構的主要缺點是自重大，強度低，整體性差，砌筑勞動強度大。砌體結構在多層建筑中應用非常廣泛，特別是在多層民用建筑中，砌體結構占絕大多數。目前高層砌體結構也開始應用，最大建筑高度已達10余層。3.鋼結構鋼結構系指以鋼材為主制作的結構。鋼結構具有以下主要優點：（1）材料強度高，自重輕，塑性和韌性好，材質均勻；（2）便于工廠生產和機械化施工，便于拆卸，施工工期短；（3）具有優越的抗震性能；（4）無污染、可再生、節能、安全，符合建筑可持續發展的原則，可以說鋼結構的發展是21世紀建筑文明的體現。鋼結構易腐蝕，需經常油漆維護，故維護費用較高。鋼結構的耐火性差。當溫度達到250℃時，鋼結構的材質將會發生較大變化；當溫度達到500℃時，結構會瞬間崩潰，完全喪失承載能力。鋼結構的應用正日益增多，尤其是在高層建筑及大跨度結構（如屋架、網架、懸索等結構）中。4、木結構木結構是指全部或大部分用木材制作的結構。這種結構易于就地取材，制作簡單，但易燃、易腐蝕、變形大，并且木材使用受到國家嚴格限制，因此已很少采用。5、混合結構由兩種及兩種以上材料作為主要承重結構的房屋稱為混合結構?；旌辖Y構包含的內容較多。多層混合結構一般以砌體結構為豎向承重構件（如墻、柱等），而水平承重構件（如梁、板等）多采用鋼筋混凝土結構，有時采用鋼木結構。其中以磚砌體為豎向承重構件，鋼筋混凝土結構為水平承重構件的結構體系稱為磚混結構。高層混合結構一般是鋼-混凝土混合結構，即由鋼框架或型鋼混凝土框架與鋼筋混凝土筒體所組成的共同承受豎向和水平作用的結構。1.2建筑結構發展概況一、建筑結構發展的歷史砌體結構是最古老的結構形式。在我國，石結構已有5000多年歷史，在3000多年前的西周時期已開始生產和使用燒結磚，在秦、漢時期，磚瓦已廣泛應用于房屋結構。目前，高層砌體結構已開始應用，我國已建成12層的砌體結構房屋?，F代混凝土結構是隨著水泥和鋼鐵工業的發展而發展起來的，至今僅有約150年的歷史。1824年，英國泥瓦工約瑟夫﹒阿斯普?。↗oseph﹒Aspadin）發明了波蘭特水泥并獲得專利，隨后混凝土問世。1850年，法國人郎波特（L﹒Lambot）制成了鐵絲網水泥砂漿的小船。1861年，法國人莫尼埃（Joseph﹒Monier）獲得了制造鋼筋混凝土構件的專利。20世紀30年代預應力混凝土結構的出現，是混凝土結構發展的一次飛躍。它使混凝土結構的性能得以改善，應用范圍大大擴展。建筑結構雖然已經歷了漫長的發展過程，但至今仍生機勃勃，不斷發展。特別是近年來，在設計理論、材料、結構等方面都得到了迅猛發展。理論方面，目前有學者提出全過程可靠度理論，將可靠度理論應用到工程結構設計、施工與使用的全過程中，以保證結構的安全可靠。隨著模糊數學的發展，模糊可靠度的概念正在建立。隨著計算機的發展，工程結構計算正向精確化方向發展，結構的非線性分析是發展趨勢。隨著研究的不斷深入、統計資料的不斷積累，結構設計方法將會發展至全概率極限狀態設計方法。二、建筑結構發展趨勢1、建筑材料（1）混凝土結構的材料將向輕質、高強、新型、復合方向發展。（2）高強鋼筋快速發展。現在強度達400～600N/mm2的高強鋼筋已廣泛應用，今后將會出現強度超過1000N/mm2的鋼筋。（3）砌體結構材料向輕質高強的方向發展。途徑之一是發展空心磚。（4）鋼結構材料向高效能方向發展。除提高材料強度外，還應大力發展型鋼。如H型鋼可直接作梁和柱，采用高強螺栓連接，施工非常方便。作為一種新產品，壓型鋼板可直接作屋蓋，也可在上面澆上一層混凝土作樓蓋。作樓蓋時壓型鋼板既是樓板的抗拉鋼筋，又是模板。2、建筑結構（1）大跨度結構向空間鋼網架、懸索結構、薄殼結構方向發展。空間鋼網架最大跨度已超過100m；（2）高層砌體結構開始應用。為克服傳統體系砌體結構水平承載力低的缺點，一個途徑是使墻體只受垂直荷載，將所有的水平荷載由鋼筋混凝土內核芯筒承受，形成磚墻—筒體體系，另一個途徑就是對墻體施加預應力，形成預應力磚墻；（3）組合結構成為結構發展的方向，目前勁性鋼筋混凝土、鋼管混凝土、壓型鋼板疊合梁等組合結構已廣泛應用，在超高層建筑結構中還采用鋼框架與內核芯筒共同受力的組合體系，能充分利用材料優勢。1.3本課程的內容及學習要求本課程是建筑工程技術等專業的主干專業課。學習本課程，應注意以下幾方面：1、要理論聯系實際。2、要注意同力學課的聯系和區別。3、要注意培養自己綜合分析問題的能力。4、要重視各種構造措施。5、要注意學習有關標準、規范、規程。。本章小結

本章主要介紹了鋼筋的分類和力學性能；混凝土的強度和變形；塊體材料的分類及砌筑砂漿。建筑結構第2章建筑結構設計基本原理本章教學目標1.掌握荷載分類、荷載代表值的概念及種類；2.掌握結構的功能及其極限狀態的含義；3.熟悉確定永久荷載、可變荷載的代表值；4.了解概率極限狀態實用設計表達式2.1荷載一、荷載分類按隨時間的變異，結構上的荷載可分為以下三類：1.永久荷載永久荷載亦稱恒荷載，是指在結構使用期間，其值不隨時間變化，或者其變化與平均值相比可忽略不計的荷載，如結構自重、土壓力、預應力等。2.可變荷載可變荷載也稱為活荷載，是指在結構使用期間，其值隨時間變化，且其變化值與平均值相比不可忽略的荷載，如樓面活荷載、屋面活荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載等。3.偶然荷載在結構使用期間不一定出現，而一旦出現，其量值很大且持續時間很短的荷載稱為偶然荷載，如爆炸力、撞擊力等。此外，荷載按作用面大小可分為均布面荷載、集中荷載和線荷載；按荷載作用方向可分為垂直荷載和水平荷載。二、荷載代表值1.荷載標準值作用于結構上荷載的大小具有變異性。荷載標準值就是結構在設計基準期內具有一定概率的最大荷載值，它是荷載的基本代表值。這里所說的設計基準期，是為確定可變荷載代表值而選定的時間參數，一般取為50年。（1）永久荷載標準值永久荷載主要是結構自重及粉刷、裝修、固定設備的重量。由于結構或非承重構件的自重的變異性不大，一般以其平均值作為荷載標準值，即可按結構構件的設計尺寸和材料或結構構件單位體積（或面積）的自重標準值確定。對于自重變異性較大的材料，在設計中應根據其對結構有利或不利的情況，分別取其自重的下限值或上限值。（2）可變荷載標準值民用建筑樓面均布活荷載標準值及其組合值、頻偶值和永久值系數應按教材表2.2采用。2.可變荷載準永久值可變荷載在設計基準期內會隨時間而發生變化，并且不同可變荷載在結構上的變化情況不一樣。如住宅樓面活荷載，人群荷載的流動性較大，而家具荷載的流動性則相對較小。在設計基準期內經常達到或超過的那部份荷載值（總的持續時間不低于25年），稱為可變荷載準永久值。它對結構的影響類似于永久荷載。可變荷載準永久值可表示為ψqＱk，其中Ｑk為可變荷載標準值，ψq為可變荷載準永久值系數。

3.可變荷載組合值兩種或兩種以上可變荷載同時作用于結構上時，所有可變荷載同時達到其單獨出現時可能達到的最大值的概率極小，因此，除主導荷載（產生最大效應的荷載）仍可以其標準值為代表值外，其他伴隨荷載均應以小于標準值的荷載值為代表值，此即可變荷載組合值?？勺兒奢d組合值可表示為ψcＱk。其中ψc為可變荷載組合值系數。2.2建筑結構設計方法一、極限狀態1、結構的功能要求（1）結構的安全等級（2）

結構的設計使用年限（3）結構的功能要求建筑結構在規定的設計使用年限內應滿足安全性、適用性和耐久性三項功能要求。

安全性指結構在正常施工和正常使用的條件下，能承受可能出現的各種作用；在設計規定的偶然事件（如強烈地震、爆炸、車輛撞擊等）發生時和發生后，仍能保持必需的整體穩定性，即結構僅產生局部的損壞而不致發生連續倒塌。

適用性指結構在正常使用時具有良好的工作性能。例如，不會出現影響正常使用的過大變形或振動；不會產生使使用者感到不安的裂縫寬度等。

耐久性指結構在正常維護條件下具有足夠的耐久性能，即在正常維護條件下結構能夠正常使用到規定的設計使用年限。例如，結構材料不致出現影響功能的損壞，鋼筋混凝土構件的鋼筋不致因保護層過薄或裂縫過寬而銹蝕等。2.結構功能的極限狀態（1）承載能力極限狀態這種極限狀態對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形。承載能力極限狀態主要考慮關于結構安全性的功能。超過這一狀態，便不能滿足安全性的功能。當結構或結構構件出現下列狀態之一時，即認為超過了承載能力極限狀態：

1)結構構件或連接因材料強度不夠而破壞；

2)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）（圖2.1a）；

3)結構轉變為機動體系(圖2.1b)；

4)結構或結構構件喪失穩定（如柱子被壓曲等）(圖2.1c)。（2）正常使用極限狀態正常使用極限狀態對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規定限值。超過這一狀態，便不能滿足適用性或耐久性的功能。當結構或結構構件出現下列狀態之一時，即認為超過了正常使用極限狀態：

1)影響正常使用或外觀的變形；

2)影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；

3)影響正常使用的振動；影響正常使用的其他特定狀態等。雖然超過正常使用極限狀態的后果一般不如超過承載能力極限狀態那樣嚴重，但也不可忽視。例如過大的變形會造成房屋內粉刷層剝落，門窗變形，屋面積水等后果；水池和油罐等結構開裂會引起滲漏等等。3.結構的功能函數及有關概念（1）作用效應和結構抗力作用效應是指結構上的各種作用，在結構內產生的內力（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）和變形（如撓度、轉角、裂縫等）的總稱，用S表示。由直接作用產生的效應，通常稱為荷載效應。結構抗力是結構或構件承受作用效應的能力，如構件的承載力、剛度、抗裂度等，用R表示。結構抗力是結構內部固有的，其大小主要取決于材料性能、構件幾何參數及計算模式的精確性等。（2）結構的功能函數結構的工作性能可用下列結構功能函數Z來描述。為簡化起見，僅以荷載效應S和結構抗力R兩個基本變量來表達結構的功能函數，則有

二、實用設計表達式1.按承載能力極限狀態設計的實用表達式（1）實用表達式結構構件的承載力設計應采用