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建筑结构选型,福建工程学院土木工程系 唐瑞霖 2009年 8月 1 6日,绪 论,结构对于建筑的意义 建筑结构选型的原则 建筑结构的组成与分类,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； 通过满足技术要求来满足建筑的使用功能； 形成特定的建筑造型； 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。,一、结构对于建筑的意义,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。,建筑结构与建筑设计的关系（一）,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。,建筑结构与建筑设计的关系（二）,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。,二、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。,三、建筑结构的组成与分类,建筑结构的组成主要包括各种构件：,柱 梁 板 桁架杆件 网架杆件 索 膜,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）,建筑结构按受力和构造特点分类,混合结构体系 多层和高层建筑结构 框架结构体系 剪力墙结构体系 平面结构体系：排架（桁架）、 单层大跨度建筑结构 门式刚架、拱 空间结构体系：薄壳、网架网壳、 悬索、索和膜,第一章 混合结构体系,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,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,第一节 优缺点和应用范围,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,第二节 混合结构房屋的墙体布置,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,纵横墙承重方案,受力特点：为了满足建筑使用上的功能要求和结构的合理性，将纵墙和横墙均布置为承重墙体，采用预制短向楼板或现浇钢筋混凝土楼板 优点：开间较横墙承重体系大 缺点：房间布置灵活性较纵墙承重体系差 适用：教学楼、办公楼、医院等建筑,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,与结构选型有关的构造要求,横墙间距小些，可使结构整体性和空间刚度较好，还可防止地基不均匀沉降引起的墙体开裂 纵墙宜贯通，可利于防止墙体开裂，且易于设置圈梁 梁跨度较大时，其支承处应加设壁柱 适当设置伸缩缝和沉降缝，可预防和减少墙体开裂 房屋平、立面布置规则，房屋质量分布和刚度变化均匀，限制房屋的高度、层高和高宽比，设置防震缝，选用配筋砌体，设置圈梁和构造柱，可提高砌体结构的抗震性能,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,第三节 混合结构房屋的楼盖布置,现浇楼盖（一）,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 58m 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,现浇楼盖（二）,不需做挠度验算的板、梁截面高度要求,在大中城市不能作为承重体系，但在围护结构和隔墙方面仍广泛使用 在农村和小城镇仍普遍使用，在抗震区使用应提高其抗震能力 随着墙体改革的推进，着重新型轻质高效砌体材料的发展 震害明显，倒塌破坏严重，在地震区倾向于限制使用,第四节 混合结构的现有地位和发展趋势,第二章 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,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,第一节 结构特点和优缺点,框架的主要受力构件包括梁和柱 梁、柱连接处一般为刚接连接，当为铰接连接时成为排架 为利于结构受力合理，框架结构一般要求框架梁宜连通，框架柱在纵横两个方向上应与框架梁连接，梁、柱中心线宜重合，框架柱宜纵横对齐、上下对中 为了使用功能或建筑造型的要求，框架结构可采用抽梁、抽柱、内收、外挑、斜梁、斜柱等形式,第二节 框架的组成与分类,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,结构布置是否合理，对结构的安全性、实用性以及造价影响很大 确定合理的结构布置，需要充分考虑建筑的功能、造型、荷载、高度、施工条件等 框架结构布置主要包括柱网布置和梁格布置，并满足抗震的要求,第三节 框架的结构布置、柱网尺寸 以及构件截面尺寸,一、框架结构布置方案,根据承重框架布置方向的不同，分为以下三种布置方案： 1、主要承重框架横向布置 横向的梁为主梁，纵向的梁为连系梁。用于长宽比较大的房屋，可以有效提高其横向的抗侧力强度和刚度。此种布置在结构上较为合理，在建筑上利于立面处理和室内采光。,矩形截面柱的长边为沿着房屋横向,2、主要承重框架纵向布置 纵向的梁为主梁，横向的梁为连系梁。横向连系梁截面高度较小，便于纵向管道通过而不影响净高。此种布置房屋横向刚度很差，只用于低层非抗震设防区的厂房。,矩形截面柱的长边为沿着房屋纵向,3、主要承重框架纵横双向布置 纵横向的梁均为主梁。用于长宽比较小或抗震设防区的房屋，可使其纵横两个方向均具有足够的强度和刚度。此种布置适用性强、应用广泛。,矩形截面柱的长边为沿着柱弯矩较大的方向,二、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,1、多层厂房的柱网尺寸,柱距：一般可采用6m 跨度：按柱网形式分为以下两种 （1）内廊式 常用 6.02.46.0（m） 或 6.93.06.9（m） （2）等跨式 常用 6m、7.5m、9m、12m （从经济角度考虑不宜超过 9m，最常用为 6m）,2、多层民用房屋的柱网尺寸,柱距：3.36m （旅馆常为 68m，即两个客房的开间之和 ） 跨度：612m （从经济角度考虑不宜超过 9m） 造型复杂或特殊用途的建筑物，以及高层建筑，需要从实际情况和工程经验出发确定柱网布置,三、框架构件截面尺寸的初步估算,钢筋混凝土框架结构的承载能力取决于梁、柱的强度，其刚度亦与梁、柱的刚度直接相关，因此框架梁、柱截面尺寸的初步选择要考虑强度和刚度的需要： 1、框架梁截面尺寸,框架梁：截面高度 h（ ）跨长，且 h400mm,连系梁，次梁：截面高度 h（ ）跨长,截面宽度 b（ ）h，且 b200mm,截面宽度 b（ ）h，且 b200mm,2、框架柱截面尺寸,柱截面长边hc不宜小于300mm，圆柱截面直径不宜小于350mm 柱净高与hc之比宜大于4，在抗震设防区应不小于3 矩形柱截面长边与短边之比不宜大于3 框架柱截面面积可按 Ac（1.2 1.4）N / fc 进行初步估算 柱子所受轴力 N 18×楼面负载面积×其上楼层数（角柱可取22）,四、抗震设防区框架结构体型与布置的要求,抗震设计对房屋体型与结构布置有以下要求： 1、房屋的平、立面宜用简单体型,在水平荷载作用下，体型突变处受力较为复杂，若无法避免则应局部加强 立面上有局部突变和刚度突变时应考虑鞭梢效应的影响 屋顶突出结构（如女儿墙、建筑造型、水箱、电梯间、烟囱等）的震害较为严重 为避免和减轻震害，屋顶突出结构可采用刚度渐变（突出部分逐步收小）的形式以及抗震性良好的材料和结构,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,房屋刚度中心与地震力合力作用线相距较远时，结构扭转变形较大，不利于抗震 非结构构件（如填充墙、门窗、设备管道等）的震害可予以适当关注,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,在地震力作用下，刚度相差过分悬殊的两部分结构之间会出现相互作用力，使得结构受力更为复杂 如无法避免，可采用防震缝隔开刚度相差过分悬殊的两部分结构,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,在地震力作用下，结构单元两端和拐角处地震效应大、受力复杂 各层楼板在楼、电梯间处都要中断，易发生震害 如无法避免，应采用加强措施,5、应注意控制房屋的侧向变形和层间相对变形,可防止竖向荷载引起的附加弯矩的加剧 防止填充墙的装修材料的破坏 避免相邻房屋结构的相互碰撞 减轻摇晃的感觉,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,同一楼层的楼板错开较多时，不利于抗震 复式框架存在楼板多处中断的情况，框架柱刚度差别较大，易引起震害,7、房屋高低层不宜用牛腿相连，宜用防震缝隔开,房屋高低层连接处刚度相差悬殊，地震效应较大，牛腿连接处将产生很大的应力集中，震害严重,8、柱子净高与截面长边之比宜大于4,柱子净高与截面长边之比小于4时，在地震作用下，柱子通常发生剪切破坏，属于脆性破坏，应予以避免 设备层较低或柱子半高处连有梁时，可能出现短柱,房屋的抗震设计对于其安全性至关重要，需要在进行建筑方案设计时就考虑到抗震设计 震害调查和工程经验表明，为了达到既安全又经济合理的要求，多高层框架结构的房屋高度有一定的适用范围 框架结构的适用高度包含房屋的适用层数与高宽比两个方面，与结构布置、地震烈度、场地类别等有关,第四节 框架结构的适用层数与高宽比,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、和类，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） 场地类别类或不规则结构的最大适用高度还应适当降低,第三章 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,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，加强了侧向刚度,第一节 各类剪力墙结构的性能、 特点与适用范围,一、框架-剪力墙结构,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,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（0.30.6）H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层 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,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,二、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,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,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,三、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,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,各种结构体系的适用层数（括号内为可建层数）,砖混结构：5层以下（10） 低层建筑，竖向荷载为主 框架结构：15层以下 (20) 多高层建筑，水平荷载渐主 框剪：1020层（25） 框架-筒体结构：1040层（50） 剪力墙结构：1030层（40） 高层建筑，水平荷载为主 框筒结构：4050层（55） 筒中筒结构：40 60层（75）,截面布置对刚度的影响,设一方形小塔楼，边长5.2m，结构截面4m2 方案一：由4根1m见方小柱组成，布置在建筑四角 其截面刚度为4根小柱截面刚度之和（I14×1×13/124/12m4） 方案二：若将4根小柱合并为一根大柱，布置在建筑中央 其截面刚度为方案一的4倍（I22×23/124×4/12m4） 方案三：若将4根小柱“拍扁”为四片0.2×5m的独立墙体，布置在建筑四边 其截面刚度为方案一的12.5倍（I32×0.2×53/1212.5×4/12m4） 方案四：若将方案三的四片独立墙体在墙角处连成整体，形成箱形截面 其截面刚度为方案一的50倍（I4(5.244.84) /1250×4/12m4）,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,第二节 剪力墙的形状和布置原则,一、剪力墙的形状,二、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,1、总则,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,2、全剪力墙体系,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,3、框-剪体系,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/30且120mm；无边框，三、四级抗震等级时厚度墙体净高/25且160mm，一、二级抗震等级时厚度墙体净高/20且200mm 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,第三节 剪力墙的主要构造要求,一、剪力墙的材料、厚度和配筋,二、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,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,第四节 变形缝,一、变形缝的设置,二、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,第四章 高层建筑结构的 其它设计方法,选择有效的建筑形式以控制侧移 多高层建筑地下室设置与基础类型 转换层在多高层建筑中的应用 高层建筑的防火,高层建筑的设计中，水平荷载起控制作用，如何有效的控制建筑物的侧移随着其高度的增加而愈发重要 除了第三章讲述的采用不同的结构形式来控制侧移外，亦可以通过选择有效的建筑形式（建筑物外形）来既合理又经济的控制侧移 平面为矩形的棱柱体建筑对侧移较为敏感，可采用对侧向力不甚敏感的建筑形式来提高建筑物的抗侧移刚度,第一节 选择有效的建筑形式以控制侧移,一、外柱倾斜的建筑形式,外柱倾斜设置，建筑物成为截锥体，其抗侧移刚度大大增加，侧移可减少1050,二、上窄下宽的建筑形式,将外部框架做成上窄下宽，也可减小侧移,三、圆形或类圆形建筑形式,圆形、类圆形结构受力较为合理，且其受风面小、风压值相对棱柱体建筑小得多,四、三角形建筑形式,平面为三角形的棱柱体建筑也是较为有效的形式,五、新月形建筑形式,新月形建筑类似竖向的悬臂壳体，其弯月般的外形可以象壳体一样工作，能有效地增强本身的抗侧移刚度,结语,合理的选用有效的建筑物外形，可以配合有效的结构形式，进一步提高结构的抗侧移刚度，使建筑物向更高发展，建筑设计方案也可更为灵活、新颖,第二节 多高层地下室设置与基础类型,一、多高层地下室设置,充当停车场，放置附属用房，节约地上建筑面积 充当人防工事、防灾应急避难场所 公共建筑、商业建筑的地下室与地铁站等公共交通连接 提高建筑物嵌固能力，增加结构抗倾覆能力 提高结构整体刚度，改善抗震性能 减轻地基压力，提高建筑物层数,二、多高层基础类型,地面以上的结构称为上部结构，地面以下的结构称为下部结构或地下结构、亦即基础 基础是建筑物的根基，是结构设计的重要组成部分，承担着将上部结构荷载传至地基的作用，是上部结构安全、适用的根本保障 基础类型的选择对整体结构的影响很大，需要考虑多种因素并根据各类型的适用情况合理取用,单独基础：用于地基条件较好（承载力高、土层均匀）的多层框架结构，亦称独立基础 条形基础：用于上部荷载较大或地基较为软弱的多层框架结构，以提高基础的承载能力、刚度和整体性，减少基础的不均匀沉降 十字交叉基础：用于采用条形基础不能满足强度和刚度要求时，可进一步增加基础底面积并提高基础刚度,1、单独基础、条形基础和十字交叉基础,当地基持力层略深或土层分布不均匀时，亦可采用刚性墙单独基础（以刚性墙连接各单独基础）或刚性墙条形基础 上述几种基础类型因为底面积均较小，地基所能提供的承载能力较低，一般应用于层数较少的多层工业厂房和民用建筑中 条形基础在地基条件较好时最多可用于69层的建筑物,片笩基础：适用于建筑物层数较多或地基很软弱时，整个结构下大面积的笩片与地基接触，可传递很大的上部荷载 片笩基础的刚度在地基极软弱且不甚均匀时，常难以满足要求，尤其是上部结构对基础不均匀变形敏感时更是如此 箱形基础：适用于上部结构高度很大或地基极软弱时，由顶板、底板和内外壁组成非常刚强的箱体，具有较上述各类基础大得多的刚度和整体性 箱形基础普遍用于高层建筑的下部结构，作为地下室,2、片笩基础和箱形基础,桩基础：用于上部荷载很大且地基软弱，或持力层很深，或持力层不均匀时，可配合其它形式基础联合使用 桩基通过桩的表面摩擦力和桩头的支承力将上部荷载传递至地基 根据荷载传递方式的不同，桩可分为摩擦桩和支承桩 摩擦桩：主要通过桩的表面摩擦力来传递荷载，适用于持力层较深时 支承桩：主要通过桩头的支承力来传递荷载，适用于持力层较浅时,3、桩基础,根据施工方法的不同，桩又可分为预制桩和灌注桩 预制桩：将桩预制好再通过打桩机打入地基，用钢量很大 灌注桩：通过现场机械钻孔或打入钢管成孔，再现场浇筑混凝土而成桩，用钢量较少,选择基础形式需要考虑以下几个因素：,上部结构的层数和荷载情况。层数越多，荷载越大，对基础强度和刚度的要求就越高 上部结构的结构形式和结构体系。上部结构对地基不均匀变形越敏感，对基础刚度的要求就越高 地基条件。如土层分布、各土层性能、地下水位情况等 经济合理，施工便利。建筑物高度越大，基础工程在整个工程造价中所占的比例就越高,现代建筑的尺度越来越大，对建筑空间多层次、多功能的要求也越来越高，综合性很强的建筑物越来越多 转换层结构可以较好地满足上述建筑功能上的要求 转换层属于水平结构，用来改变下方楼层柱网的布置，或过渡上下层剪力墙的布置，以获得特别的楼层柱网创造大空间并将上部荷载传递到下面较少的结构构件上 转化层（大梁）结构特殊，可达数个楼层高,第三节 转换层在多高层建筑中的应用,一、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,二、转换层结构的设置原则,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,1、底层要求大空间,2、任意层上要求敞开空间或改变柱网,高层建筑具有建筑高度高、建筑面积大、功能综合性高、人员集中等特点，故其防火问题特别突出 高层建筑一旦发生火灾，情况错综复杂，扑救难度大，极易引发群死群伤 一些高层建筑存在先天设计缺陷、消防布局不合理，或者缺乏有效消防管理和设施维护 防火设计属于建筑方案中的重要环节,第四节 高层建筑的防火,一、结构防火,火灾隐患：热工设备，电气设备 火灾荷载：建筑物中的可燃物数量,1、火灾的因素,2、火灾控制,阻止火灾蔓延到相邻建筑物：规定建筑物间距，或者设置外部防火墙 阻止火灾在建筑物内部蔓延：设置防火分区，或者设置自动消防系统,消防车抵达建筑物的通道需要一定的宽度和高度以及足够的承载能力 建筑物内应多设消防队员接近起火中心的各种安全通道 应有规定尺寸和容量的消防栓为灭火供水,3、消防通道,4、救护工作,安全疏散通道是火灾时保障人身安全的首要条件 安全疏散通道应尽可能不受气体和烟雾的影响 高层民用建筑，特别是酒店、宾馆、卡拉OK厅、商场等人员密集场所均设有火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统和防排烟系统，发生火灾时，上述系统均应能联动动作，自动报火警，自动开启灭火系统和排烟系统,5、结构防火方式,结构防火分为被动防火和主动防火两种方式 被动防火措施：（1）在火灾中保持建筑结构稳定的措施；（2）在水平和垂直两个方向上把建筑物划分为可控制火灾的若干区段；（3）布置安全疏散通道 主动防火措施：（1）火灾自动报警装置，如烟火探测器；（2）自动灭火装置，如喷水器,二、防火措施的范围,结构防火的目的：人身保护，以及防止建筑物本身和毗邻财产的物质损失,1、结构防火的目的,2、人身保护（一级防火）,人身的保护与抢救是防火设计的首要问题 采取预防措施的内容和范围不能以经济尺度来衡量，而应由一系列对人身的潜在危害来决定 人身伤害可能性很小时，可减少相应保护措施,3、财产保护（二级防火）,为防止物质损失，应采取措施阻止火灾蔓延，并防止建筑物倒塌 高层建筑投资规模大，我国社会经济还不甚发达，在设计中既要考虑到消防的安全性，又要考虑到投资的合理性 可以通过合理的防火设计，有效地安排消防设施的数量和位置，在保证安全可靠的同时达到经济合理，尽量节省消防设施的投资，并方便其日常管理与维护,4、防火有效时间,结构防火的措施只须在一个有限的范围内或一个有限的时间内保持有效 如：（1）安全疏散通道应在建筑物内所有人员来得及撤离前保持安全通行；（2）防火墙和重要的承重构件应在规定时间内保持稳定 “完全防火”并不是防火的目的，过高的防火规定会造成费用大增和浪费,5、防火程度与范围的标准,结构防火的要求及其防火措施的范围，取决于众多因素 一般准则为：无可燃物则无须保护，无人则无须人身保护 如：（1）指定时间内建筑物内的人数；（2）建筑物内人员的活动能力；（3）火灾荷载的要求；（4）建筑物的面积和布置；（5）建筑物的高度，是否超过标准消防梯的到达高度；（6）消防队到达时间,第五章 门式刚架,平面结构体系：门式刚架，薄腹梁，桁架，拱结构 门式刚架的结构特点与适用范围 门式刚架的类型与构造,横梁与柱子的连接为刚接 与铰接相比，刚接下横梁的跨中弯矩得以减少，故能适用于更大的跨度 杆件少，制作方便，结构内部空间大，便于利用 广泛应用于工业厂房（吊车起重量不能太大）、体育馆、仓库、礼堂、食堂等建筑 门式刚架从材料上来看，可采用钢筋混凝土结构或钢结构,第一节 门式刚架的结构特点与适用范围,从结构上来分类可分为：无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架等三种 无铰刚架属于超静定结构，结构刚度大，但柱底弯矩较大（基础造价大），且地基不均匀沉降会导致附加内力，应用很少 三铰刚架属于静定结构，柱底无弯矩，且不会产生附加内力，但刚度较差，适用于小跨度和地基较差的情况 两铰刚架与三铰刚架的情况较为接近，钢结构常用该形式,第二节 门式刚架的类型与构造,门式刚架的外形选择主要考虑建筑排水和建筑造型的需要 主要分为：单跨，双跨，多跨，带毗屋，带挑檐等形式,门式刚架钢结构体系主要包括： 主结构 刚架，吊车梁 次结构 檩条，墙架柱（抗风柱），墙梁 支撑结构 屋盖支撑，柱间支撑，系杆 围护结构 屋面系统（屋面板、采光板、通风器等），墙面系统（墙板、门窗）,第六章 薄腹梁结构,薄腹梁属于受弯构件，是用于屋盖的梁 为了跨越较大的跨度，基于减轻自重的考虑，截面采用工字形或T形，从外观上看梁腹很薄，故称“薄腹梁” 优点：制作、构造、设计、施工等简便，侧向刚度较大 缺点：自重较大，适用跨度较小 梁的高度可随着梁轴方向逐渐变化，以节省材料和更经济,薄腹梁的设计尺寸由施工条件、钢筋布置、构造要求以及刚度等因素决定 屋面坡度：1/81/12 梁端部高度一般不小于60cm 梁截面高度主要由刚度控制 梁腹板宽度一般为610cm 上翼缘宽度：取决于屋面板的支承稳定，可取2540 下翼缘宽度：取决于钢筋布置，可取2030,薄腹梁的设计要点和大致尺寸,第七章 桁架结构,桁架的结构特点与优点 桁架外形与内力的关系 屋架形式与材料的关系 屋架基本尺寸及其适用范围 屋架结构的选型 排架结构简介,薄腹梁无法满足跨度继续增大的情况，从梁结构的应力分布出发，将材料布在应力较大的地方，可达到节省材料和减少自重的目的 桁架结构从梁式结构发展而来，其实质是利用截面的几何特性，在截面面积不变的情况下增大其惯性矩和抵抗矩 桁架结构杆件主要承受轴向力，可以较为充分地利用材料的强度，也因此较之受弯构件（梁）受力更为合理,第一节 桁架的结构特点与优点,桁架结构的优点主要有： 较之梁式结构可适用于更大的跨度 可用钢筋混凝土、钢、木等多种材料制造 由杆件组成，型式多样化，选型范围较广 施工方便，可整体吊装，亦可高空拼装,桁架是由杆件组成的平面格构体系，其节点可视为铰接连接，荷载一般作用于节点上 平行弦桁架的杆件内力不均匀，弦杆的内力两端小而跨中大，腹杆的内力两端大跨中小 三角形桁架的杆件内力亦不均匀，弦杆的内力两端大而跨中小，腹杆的内力两端小跨中大 拱形桁架的杆件内力较为均匀，其外形与简支梁弯矩图相似，受力较为合理，结构形式较为理想，故经济性较好,第二节 桁架外形与内力的关系,当屋面板宽度与上弦节间长度不等时，或吊顶梁间距下弦与下弦节间长度不等时，上、下弦将产生节间荷载，上、下弦杆将由承受轴向力转变为承受轴向力和弯矩，材料的强度将得不到充分利用，材料用量会增加 桁架节间的划分应考虑屋面板、檩条、吊顶梁等的布置要求，尽量使荷载作用在节点上 钢屋架常采用再分式来减少上弦的节间长度，以使屋面荷载直接作用在上弦节点上,用于房屋上的桁架称为屋架 屋架形式根据材料的不同，可分为木屋架、钢屋架、钢-木组合屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土屋架、预应力混凝土屋架、钢筋混凝土-钢组合屋架等 屋架形式根据外形的不同，可分为三角形屋架、梯形屋架、拱形（折线