第六章建築結構與結構選型
第一節概述
一、建築結構的總概念
(一)建築結構的定義
建築物用來形成一定空間及造型，並具有抵禦人為和自然界施加於建築物的各種作用力，使建築物得以安全使用的骨架，即稱為結構。
(二)建築結構的組成
建築結構一般都是由以下結構構件組成的。
1.水平構件
用以承受豎向荷載的構件。一般有：
(1)板，包括平板、曲面板、斜板。
(2)梁，包括直樑、曲梁、斜樑。
(3)桁架、網架等。
2.豎向構件
用以支承水平構件或承擔水平荷載的構件。一般有：
(1)柱;
(2)牆體;
(3)框架。
3.墓礎
用以將建築物所承受的所有荷載傳至地基上。
(三)建築結構的型別
1.按組成建築結構的主要建築材料劃分
(1)鋼筋混凝土結構;
(2)砌體結構：磚砌體，石砌體，小型砌塊，大型砌塊、多孔磚砌體等;
(3)鋼結構;
(4)木結構;
(5)塑料結構;
(6)薄膜充氣結構。
2.按組成建築結構的主體結構型式劃分
(1)牆體結構，以牆體作為支承水平構件及承擔水平力的結構;
(2)框架結構;
(3)框架—剪力牆(抗震牆);
(4)筒體結構;
(5)桁架結構;
(6)拱型結構;
(7)網架結構;
(8)空間薄壁結構(包括薄殼、折板、幕式結構);
(9)鋼索結構(懸索結構);
(10)薄膜結構。
3.按組成建築結構的體型劃分
(1)單層結構(多用於單層廠房、食堂、影劇場、倉庫等);
(2)多層結構(2-6層);
(3)高層結構(一般為7層以上);
(4)大跨度結構(跨度在40—50m以上)。
此外尚可按建築結構的受力特點劃分為：平面結構體系與空間結構體系兩大類。
二、建築結構基本構件與結構設計
組成結構體系的單元體稱為基本構件。按受力特徵來劃分主要有以下三類：軸心受力陶件、偏心受力構件和受彎構件。
按其主要受力性質常常又劃分為：拉桿、壓桿和受彎構件。
(一)軸心受力構件
當構件所受外力的作用點與構件截面的形心重合時，則構件橫截面產生的應力為均勻分布，這種構件稱為軸心受力構件。可分為：
1.軸心受拉構件
構件所受的力，使構件橫斷面僅產生均勻拉應力時即為軸心受拉構件。常用於桁架的下弦桿及受拉斜腹杆。
σ1=f/bh
此構件的承載能力為σ1≤[σ]
式中 [σ]——材料的允許應力。
這種構件最能充分發揮材料的強度。
2.軸心受壓構件
外力以壓力的方式作用在構件的軸心處，使構件產生均勻壓應力時，即為軸心受壓構件。
其截面應力為：σ1=f/bh
但軸心受壓構件的實際承載力是由穩定性控制，穩定係數ψ≤1，故其承載力的表示式為：
σ2=f/ψbh≤[σ] (6-3)
這是因為受壓構件承載時，截面應力尚未達到材料的強度設計值前就會因彎折而失去承載能力，這種現象稱為喪失穩定性。上式中的ψ值即為按穩定考慮的承載力與強度承載力的比值，稱為穩定係數。
由此可見相同材料的拉桿與壓桿受同樣的荷載f作用時，拉桿所需的截面尺寸要比壓桿小。
拉桿所需截面為： a1=f/[σ]
壓桿所需截面為： a2=f/ψ[σ]
式中 [σ]——材料的強度設計值(即允許應力)。
ψ<1，故 a2> a1
ψ值與桿件的長細比λ有關，λ=l0/i;
式中 l0——桿件計算長度;
i——截面的迴轉半徑，i= ;
i——截面的慣性矩，矩形截面時：i= bh3 ， a=b*h
所以 i= = = h=0.289h
λ越大，ψ越小。則實際承載力越小。
一般提高壓桿承載力的措施為：
(1)選用有較大i值的截面，即面積分布盡量遠離中和軸;
(2)改變柱端固接條件或增設中間支承以改變桿件計算長度l0。
(二)偏心受力構件的分類
即分為偏心受拉和偏心受壓構件。
1.偏心受拉構件
(1)定義：構件承受的拉力作用點與構件的軸心偏離，使構件既受拉又受彎時，即為
偏心受拉構件(亦稱拉彎構件)。常見於屋架下弦有節間荷載時。
(2)構件的受力狀態。
截面產生的應力是由兩種應力疊加的，其邊沿應力公式為：
構件的承載能力應滿足σmax≤[σ]
式中 σmax——邊沿最大拉應力;
σmin——邊沿最小拉應力;
w——截面抵抗矩。
由上式可見，在受同樣的外拉力時，偏心受拉構件，其應力耍比軸心受拉構件增大許多，因此在結構設計中應盡量避免出現這種構件。
2.偏心受壓構件
(1)定義：構件承受的壓力作用點與構件的軸心偏離，使構件既受壓又受彎時即為偏心受壓構件(亦稱壓彎構件)。常見於屋架的上弦杆、框架結構柱、磚牆及磚垛等。
(2)構件的受力狀態
截面產生的邊沿應力公式為：
式中 σmax一——邊沿最大壓應力;
σmin——邊沿最小壓應力。
由上式可見，在受同樣的壓力f時，當作用點與截面軸心偏離時，截面內的壓應力增加甚多，而且當偏心距較大時截面內除壓應力外將產生一部分拉應力。
在實踐中尚有雙向偏心構件。
(三)受彎構件
1.定義
當一水平構件在跨間承受荷載，使其產生彎曲，構件將產生彎矩和剪力，截面內將產生彎曲應力和剪應力。這種構件即稱為受彎構件。這是結構設計中最常見的構件。
2.受彎構件的受力狀態
(1)簡支梁在不同荷載作用下的彎矩df及剪力y，見圖6-6。
(2)多跨連續梁在均布荷載作用下的彎矩和剪力，見圖6-7。
在跨度範圍內彎矩和剪力都是變化的。
(3)粱截面內的應力分布
1)彎曲應力(圖6-8)
σ= (6-6)
邊沿最大應力：
③截面的抗剪主要靠腹板(即粱的截面中部)。
(4)受彎構件的變形
受彎構件在荷載作用下要產生彎曲，於是將產生彎曲變形，使梁產生撓度。
1)梁的撓度跨中最大。
2)撓度的大小與正彎矩成正比。
3)跨度相同、荷載相同時，簡支梁的撓度比連續梁、二端固定或一端固定、一端簡支的樑要大。
4)撓度的大小與梁的ei成反比。
(5)受彎構件的設計要點
1)要滿足彎曲應力不超過材料的強度設計值。即最大彎矩處的最大彎曲應力必須小於強度設計值。
2)樑內最大剪力的斷面平均剪應力不超過材料抗剪的設計值。
3)梁的最大撓度值不得超過規範規定的數值。
(四)幾種基本構件的比較
上述幾種基本構件的合理應用，就能取得合理的結構設計。
1.軸心受拉構件是受力最好的構件
(1)最能充分發揮材料效能。因在外力作用下，沿構件全長及截面的內力及應力都是均勻分布;
(2)在承受相同的荷載下，與受壓和受彎構件相比所需的斷面最小;
(3)只有具有最多數量的軸拉構件和較少軸壓和受彎構件組成的結構體系才是最省材料和經濟合理的體系。
2.軸壓構件
承載力受穩定的影響，故應避免長桿受壓，設計時要特別注意側向穩定。
3.偏心受壓構件 .
在相同截面下，因受偏心彎矩的影響，其承載力將隨偏心距的加大而大為減小。而且也要考慮側向穩定的影響。
4.受彎構件
(1)構件內的內力不均勻分布，因此不能充分發揮材料的作用。
(2)還存在變形能否滿足要求的問題，有時雖已滿足強度要求，變形不能滿足時，則應按變形要求增大構件斷而尺寸。
習題：1，按基本構件的主要受力性質劃分為：拉桿、壓桿和()
a 受彎構件; b 偏心受壓構件; c軸心受拉構件; d偏心受拉構件
2，建築結構的組成不包括：()
a 水平構件; b 豎向構件; c 基礎; d 地基
3，提高壓桿的承載力可()
a 選用較大截面迴轉半徑的截面;b 選用較小截面迴轉半徑的截面;
c 選用較大長細比的桿件;d 選用較大計算長度的桿件;
4，軸心受拉構件內力及應力()
a 分布不均;b 分布均勻;c有時均勻，有時不均;d 不確定
第二節多層建築結構體系
9層及9層以下為多層建築，10層及10層以上或高度超過28m為高層建築。
一、多層砌體結構
(一)概述
(1)混合結構房屋是指同一房屋結構體系中，採用兩種或兩種以上不同材料組成的承重結構體系。
(2)磚砌體結構是指由鋼筋混凝土樓(屋)蓋和磚牆承重的結構體系(亦稱磚混結構)。
(3)砌體結構一般是指採用鋼筋混凝土樓(屋)蓋和用磚或其他塊體(如混凝土砌塊)砌築的承重牆組成的結構體系。
(4)過去曾有過用木樓(屋)蓋與磚牆承重組成的結構體系，稱為磚木結構。目前已很少採用。
(二)砌體結構的優缺點和應用範圍
1.主要優點
(1)主要承重結構(承重牆)是用磚(或其他塊體)砌築而成的，這種材料任何地區都有，便於就地取材。常用的牆體材料有：1)燒結普通磚：
黏土磚、煤矸石磚、頁岩磚、煤矸石頁岩磚;2)燒結多孔磚：黏土多孔磚(p型、m型)、煤矸石多孔磚、頁岩多孔磚;3)蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚;4)混凝土小型空心砌塊。
(2)牆體既是圍護和分隔的需要，又可作為承重結構，一舉兩得。
(3)多層房屋的縱橫牆體布置一般很容易達到剛性方案的構造要求，故砌體結構的剛度較大。
(4)施工比較簡單，進度快，技術要求低，施工裝置簡單。
2.主要缺點
(1)砌體強度比混凝土強度低得多，故建造房屋的層數有限，一般不超過7層。
(2)砌體是脆性材料，抗壓能力尚可;抗拉、抗剪強度都很低，因此抗震效能較差。
(3)多層砌體房屋一般宜採用剛性方案，故其橫牆間距受到限制，因此不可能獲得較大的空間，故一般只能用於住宅、普通辦公樓、學校、小型醫院等民用建築以及中小型工業建築。
(三)磚砌體房屋的牆體布置方案
1.橫牆承重方案
樓層的荷載通過板梁傳至橫牆，橫牆作為主要承重豎向構件，縱牆僅起圍護、分隔、自承重及形成接體作用。
優點：橫牆較密，房屋橫向剛度較大，整體剛度好。外縱牆不是承重牆立面處理比較方便，可以開設較大的門窗洞口。抗震效能較好。
二級註冊建築師《建築結構》知識點
1.對稱結構在正對稱荷載作用下,其內力 位移 是正對稱的 對稱結構在反對稱荷載作用下,其內力 位移 是反對稱的 2.梁內力的規定軸力通常以拉力為正 壓力為負 軸力圖必須標正負號剪力以使截面所在的隔離體有順時針轉動趨勢為正 逆時針為負 剪力圖必須標正負號 3.梁的截面高度愈大，抗彎截面係數就愈大，梁的...
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