建筑结构选型(总)

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 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 （ 2 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 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 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 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 2 3m；双向板 3 5m；次梁 4 7m；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 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 6.0 2.4 6.0（ m） 或 6.9 3.0 6.9（ m） （ 2）等跨式 常用 6m、 7.5m、 9m、 12m （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： 3.3 6m （旅馆常为 6 8m，即两个客房的开间之和 ） 跨度： 6 12m （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 81121 连系梁，次梁：截面高度 h（ ）跨长 121181 截面宽度 b（ ） h，且 b200mm 2131 截面宽度 b（ ） h，且 b200mm 21312、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： 6 15层， 10层左右最为经济 框架结构常用高宽比