工程结构基础(第1章)

工程结构基础 给排水工程专业 建筑 建筑物 社会生活环境 构筑物 工程设施 绪论 1 工程结构概论 由若干构件连接而成的能承受荷载和其他间接作用的体系 叫做建筑结构 一 建筑结构模型的建立 二 结构荷载的计算 三 构件内力计算和构件选择 四 施工图纸绘制 1 1工程结构设计步骤 1 2 1板 定义 平面尺寸较大而厚度较小的受弯构件 通常水平放置 单向板 双向板 1 2基本构件 1 按截面形式分 矩形梁 T形梁 倒T形梁 L形梁 Z形梁 槽形梁 箱形梁 空腹梁 叠合梁等 1 2 2梁 钢梁形状 混凝土梁形状 2 按支承方式分 简支梁 连续梁 悬臂梁 1 2 3柱 定义 柱是工程结构中主要承受压力 有时也同时承受弯矩的竖向构件 钢筋混凝土柱 1 2 4拱 定义 为曲线结构 主要承受轴向压力 河北赵州桥 美国贝永桥 按建筑物层数分类 高层 多层 低层 自左向右 台北101大楼 芝加哥西尔斯大楼 吉隆坡双子星大楼 上海金茂大厦 香港国际金融中心 纽约帝国大厦 1 3建筑结构形式 单层装配式钢筋混凝土厂房 1 3 1单层建筑按使用目的可分为民用单层建筑和单层工业厂房 铝合金压型屋面板建筑 施工中的轻钢结构别墅和厂房 1 3 1单层建筑 大跨度结构是指跨度大于60m的建筑 它常用于展览馆 体育馆 飞机机库等 其结构体系有很多种 如网架结构 网壳结构 悬索结构 悬吊结构 索膜结构 充气结构 薄壳结构 应力蒙皮结构等 1 3 2大跨度建筑 1 3 3多层建筑 我国以8层为界限 低于8层者称为多层建筑 常用结构形式为混合结构 框架结构 混合结构指用不同的材料建造的房屋 通常墙体采用砖砌体 屋面和楼板采用钢筋混凝土结构 故亦称砖混结构 框架结构指由梁和柱刚性连接而成骨架的结构 多层混合结构 1 3 4高层与超高层建筑 摩天大楼诞生在芝加哥 成长在纽约 建筑师路易斯 沙利文曾说过 摩天大厦是经济力量合乎逻辑的结果 我国规定超过100m的为超高层 无疑 现代超高层建筑从一定意义上是城市现代化标志 台北101大厦 中国台湾101购物中心2004年建成 楼高508米 共101层 位于台北世贸中心旁 由建筑师李祖原设计 大楼造型如劲竹节节高升 象征生生不息的传统建筑内涵 马来西亚 佩重纳斯大厦 石油双塔 马来西亚吉隆坡双子星大厦为马来西亚国家石油公司所建 88层 高451 9米 整座大楼全部的外表材料是银色金属的 在阳光下格外耀眼 底层是吉隆坡城中城购物中心 芝加哥西尔斯大厦 美国芝加哥希尔斯大楼楼高443米 110层 建成于1974年 面积相当于78个足球场大小 为楼内100多个公司提供办公场所 金茂大厦 中国上海金茂大厦楼高420 5米 拥有88层楼 位于上海浦东新区陆家嘴金融贸易区黄金地段 由美国S O M公司设计 占地面积2 4万平方米 高420 5米 裙房有6层 地下室3层 总建筑面积29万平方米 深圳地王大厦 地王大厦69层 高到383 95米 是深圳的标志性建筑物 大厦为深圳第一高层建筑 纽约帝国大厦 美国纽约帝国大厦楼高381米 拥有102层 在这栋大楼取景的电影超过100部 每年吸引将近400万游客 以灯饰著名 依照不同节庆会点燃不一样的灯光 帝国大厦在上世纪20至30年代纽约摩天大楼狂飙的时代中 曾经一度夺下 天下第一高 的头衔 世界贸易中心大厦 1 2号大厦 高度417米 1973年建成 在9 11恐怖分子袭击事件中倒塌 高层建筑的主要结构形式 1 框架结构2 框架 剪力墙结构3 剪力墙结构4 框支剪力墙结构5 筒体结构 上海金茂大厦 1 框架结构 由梁和柱刚性连接而成骨架的结构 框架结构 北京长城饭店 2 框架 剪力墙结构 剪力墙即为一段钢筋混凝土墙体 因其抗剪能力很强 故得此名 框 剪结构 广州中天大厦 3 剪力墙结构 全部采用纵横布置的剪力墙组成 剪力墙不仅承受水平荷载 亦用来承受垂直荷载 剪力墙结构 广州白云宾馆 4 框支剪力墙结构 适用于上部为住宅楼或办公楼 而下部开设商店 需在其交界位置设置巨型的转换大梁 将上部剪力墙的力传至下部柱子上 框支剪力墙结构 北京兆龙饭店 5 筒体结构 筒体结构是由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系 适用于层数较多的高层建筑筒体在侧向风荷载的作用下 其受力类似刚性的箱型截面的悬臂梁 迎风面将受拉 而背风面将受压 筒式结构分类 框筒体系 筒中筒体系 桁架筒体系 成束筒体系等 1 框筒体系 指内芯由剪力墙构成 周边为框架结构 深圳华联大厦 2 筒中筒体系 当周边的框架柱布置较密时 可将周边框架视为外筒 而将内芯的剪力墙视为内筒 则构成筒中筒体系 广东国际大厦 3 桁架筒体系 在筒体结构中 增加斜撑来抵抗水平荷载 以进一步提高结构承受水平荷载的能力 增加体系的刚度 这种结构体系称为桁架筒体系 香港中银大厦 4 成束筒体系 成束筒体系是由多个筒体组成的筒体结构 最典型的成束筒体系的建筑应为美国芝加哥的西尔斯塔楼 1974 西尔斯塔楼 1 3 5特种结构 特种结构是指具有特种用途的工程结构 包括高耸结构 海洋工程结构 管道结构和容器结构等 水池 水塔 筒仓 按受力体系分类 混合结构 即砖混结构 墙体承重 排架结构 主要由屋架 柱 基础组成 柱段铰接 框架结构 主要 竖向 受力体系由梁和柱组成 剪力墙结构 主要 竖向 受力体系由墙组成 框架 剪力墙结构 混合形式 筒体结构 四周封闭的墙形成筒 其他 如塔式结构 桅式结构 悬索 悬吊结构 壳体结构 网架结构等 建筑结构 应用最广泛 按材料分类 主要以混凝土材料 并根据需要配置钢筋 预应力筋 钢骨 钢管等 作为主要承重材料的结构 均可称为混凝土结构 ConcreteStructure 2混凝土结构的一般概念和特点 素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 钢骨混凝土结构 钢管混凝土结构 FRP筋混凝土 钢 混凝土混合结构 纤维混凝土 素混凝土结构 PlainConcrete Foundation Masonrywall 钢筋混凝土结构 ReinforcedConcreteStructure Reinforcement Stirrup Support 预应力混凝土结构 Pre stressedConcreteStructure Pre stressrebar Concrete Hollowtube Pre stressedconcretehollowfloor 钢骨混凝土结构 SteelReinforcedConcrete EncasedConcrete Steel Reinforcement Stirrup SteelreinforcedConcretecolumn 钢管混凝土结构 ConcreteFilledTube Steeltube Concrete Concretefilledtubecolumn FRP混凝土 FiberReinforcedPolymer Plastic Concrete 钢 混凝土组合 混合 结构 CompositeStructureorHybridStructure 混凝土 Concrete 抗压强度高 而抗拉强度却很低 一般抗拉强度只有抗压强度的1 8 1 20 破坏时具有明显的脆性性质 Brittle 因此 素混凝土构件在实际工程的应用很有限 主要用于以受压为主的基础 柱墩和一些非承重结构 基本材料性能BasicMaterialsProperties Pcr 9 7kN fc 13 4N mm2ft 1 54N mm2 ft sc ft 素混凝土梁受力性能 Pu Pcr 破坏时跨中截面受压边缘的压应力与抗拉强度相近 远未达到混凝土的抗压强度 破坏表现为脆性断裂 无明显预兆 钢材 Steel 抗拉和抗压强度都很高 具有屈服现象 破坏时表现出较好的延性Ductile 但细长的钢筋受压时极易压曲 仅能作为受拉构件 而纯钢构件的承载力也往往取决于钢材的压曲 材料强度一般得不到充分地发挥 Advantage 将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起 可以取长补短 充分利用材料的性能 Pcr 9 7kN fc 13 4N mm2ft 1 54N mm2fy 335N mm2 ft sc ft 钢筋混凝土梁 Pu 52 5kN fy 配置钢筋后 RC梁的承载力比素混凝土梁大大提高 钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用 且破坏过程有明显预兆 Py 50 0kN fc Pcr 9 7kN fc 13 4N mm2ft 1 54N mm2fy 335N mm2 ft sc ft 钢筋混凝土梁 Pu 52 5kN fy Py 50 0kN fc 但从开裂荷载到屈服荷载 在很长的过程带裂缝工作 通常裂缝宽度很小 不致影响正常使用 但裂缝导致梁的刚度显著降低 使得钢筋混凝土梁不能应用于大跨度结构 如何解决 钢筋混凝土 ReinforcedConcrete 除在构件的受拉区配筋外 还有许多其他配筋方式 可以在构件的受压区配置钢筋协助混凝土承受压力 在复杂应力区域 如梁在受剪区段 受扭构件 节点区 剪力墙等 可以配置箍筋或纵横交错的钢筋 当构件受力很大时 可以直接配置钢骨 还可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度 甚至直接采用钢管 采用纤维 钢纤维 玻璃纤维等 与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土 其抗拉强度可以达到提高 因此 两种 或两种以上 材料的有机组合 可充分发挥各自的长处 创造出多种形式的复合材料 适应各种不同受力的要求 取得很好的综合经济效益 常见配筋方式 钢筋与混凝土共同工作的条件钢筋 材 和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同 它们可以结合在一起共同工作 是因为 钢筋与混凝土之间存在良好的粘结力 在荷载作用下 保证两种材料变形协调 共同受力 钢材与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数 钢材为1 2 10 5 混凝土为 1 0 1 5 10 5 因此当温度变化时 两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏 3 混凝土对钢筋具有保护层作用 混凝土结构的优点 材料利用合理 钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥 结构承载力与刚度比例合适 基本无局部稳定问题 单位应力价格低 对于一般工程结构 经济指标优于钢结构 可模性好 混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸 适用于各种形状复杂的结构 如空间薄壳 箱形结构等 耐久性和耐火性较好 维护费用低 钢筋有混凝土的保护层 不易产生锈蚀 而混凝土的强度随时间而增长 混凝土是不良热导体 30mm厚混凝土保护层可耐火2小时 使钢筋不致因升温过快而丧失强度 现浇混凝土结构的整体性好 且通过合适的配筋 可获得较好的延性 适用于抗震 抗爆结构 同时防振性和防辐射性能较好 适用于防护结构 刚度大 阻尼大 有利于结构的变形控制 易于就地取材 混凝土所用的大量砂 石 易于就地取材 近年来 已有利用工业废料来制造人工骨料 或作为水泥的外加成分 改善混凝土的性能 混凝土结构的缺点 自重大 不适用于大跨 高层结构 轻质 高强和预应力 抗裂性差 普通RC结构 在正常使用阶段往往带裂缝工作 环境较差 露天 沿海 化学侵蚀 时会影响耐久性 也限制了普通RC用于大跨结构 高强钢筋无法应用 预应力混凝土 承载力有限 在重载结构和高层建筑底部结构 构件尺寸太大 减小使用空间 高强 钢骨 钢管混凝土 施工复杂 工序多 支模 绑钢筋 浇筑 养护 工期长 施工受季节 天气的影响较大 混凝土结构一旦破坏 其修复 加固 补强比较困难 钢模 飞模 滑模等 泵送 早强 商品 高性能 免振自密实混凝土等 混凝土结构加固技术不断得到发展 如最近研究开发的采用碳纤维布加固混凝土结构技术 快速简便 3混凝土结构的发展简况及其应用 1824年英国人阿斯普丁 J Aspdin 发明硅酸盐水泥 1849年法国人朗波 L Lambot 制造了第一只钢筋混凝土小船 1872年在纽约建造第一所钢筋混凝土房屋 混凝土结构的开始应用于土木工程距今仅150多年 与砖石结构 钢木结构相比 混凝土结构的历史并不长 但发展非常迅速 目前混凝土结构已成为大量土木工程结构中最主要的结构 而且高性能混凝土和新型混凝土结构形式还在不断发展 第一阶段 Thefirststage 从钢筋混凝土的发明至本世纪初钢筋和混凝土的强度都比较低主要用于建造中小型楼板 梁 柱 拱和基础等构件 计算理论 结构内力和构件截面计算均套用弹性理论 Elastictheory 采用容许应力设计方法 Allowablestressdesignmethod 混凝土结构的发展 混凝土结构的发展 第二阶段 Thesecondstage 从本世纪20年代到第二次世界大战前后混凝土和钢筋强度的不断提高1928年法国杰出的土木工程师E Freyssnet发明了预应力混凝土 使得混凝土结构可以用来建造大跨度计算理论 前苏联著名的混凝土结构专家格沃兹捷夫 开始考虑混凝土塑性性能的破损阶段设计法 Failurestagedesignmethod 50年代又提出更为合理的极限状态设计法 limitstatedesignmethod 奠定了现代钢筋混凝土结构的基本计算理论 第三阶段 Thethirdstage 二战以后到现在随着建设速度加快 对材料性能和施工技术提出更高要求 出现装配式钢筋混凝土结构 泵送商品混凝土等工业化生产技术 高强混凝土和高强钢筋的发展 计算机的采用和先进施工机械设备的发明 建造了一大批超高层建筑 大跨度桥梁 特长跨海隧道 高耸结构等大型工程 成为现代土木工程的标志 设计计算理论 发展了以概率理论为基础的极限状态设计法 基础理论问题大都得到解决 而新型混凝土材料及其复合结构形式的出现又不断提出新的课题 并不断促进混凝土结构的发展 混凝土结构的发展 是原理课 应突出原理和概念 基本构件由不同材料组成 在了解共性特点的同时 应注意由于组成材料不同而导致的计算方法的不同 强调不同材料构件的计算原理和方法 涉及内容多 系统性差 公式多 公式的条件多 简化 近似和经验处理多 4课程特点 钢筋混凝土结构基本构件和基本理论 混凝土结构设计 截面的基本受力形态有 正截面受弯 斜截面受剪 扭曲截面受扭 基本构件的受力往往是基本受力形态的复合 问题的复杂性 问题的综合性 问题不是单一的 解答是不唯一的 受力性能 材料的力学性能 两种材料的配比 两种材