第4章 建筑结构

土木工程概论主编：刘宗仁第4章建筑结构作者：张文福4.1.1建筑与建筑结构一、建筑建筑是建筑物和构筑物的总称。日本名古屋穹顶法国埃菲尔铁塔二、建筑结构 建筑结构就是用来保持建筑物的外部形态并形成内部空间的承重骨架。三、建筑结构的作用 1、形成内部空间 2、形成外部形态 3、保证建筑物的安全。4.1.2作用在建筑结构上的力与结构效应一、作用在建筑结构上的力 作用在建筑结构上的力可以分为直接作用和间接作用。a）直接作用b）间接作用 直接作用按其特点又可分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。 间接作用包括地震作用、温度作用等。二、结构效应 外力在结构中所产生的内力和变形统称为结构效应，包括静力效应和动力效应两种。4.1.3建筑结构的五种基本特性 建筑结构必须具备五种基本特性：它必须达到一种平衡状态；必须稳定；必须具有足够的强度；必须具有足够的刚度；必须具有足够的延性。一、结构的平衡要求 结构必须是几何不变体系，这是对结构体系的最基本要求。 其次，要求结构的支座不能失效。二、结构的强度 是指结构的承载能力，即结构能够抵御某种作用而不至于破坏的能力。三、结构的稳定 是结构维持自身稳定状态的能力。四、结构的刚度 是结构抵抗变形的能力。五、结构的延性 这是指结构极限变形能力，即结构的耗能能力，是衡量结构抗震性能好坏的重要指标。4.1.4建筑安全性问题 必须在工程设计中重视建筑结构的安全性问题，以确保建筑内部的人员和设备不会因各种外界因素影响而遭到破坏。4.2建筑结构的分类概要 按结构的布置方式和受力特点分类，可分为平面结构与空间结构两类；按结构的整体作用来看，可分为抗水平力结构和抗竖向力结构；按结构构件的材料分类，可分为砌体结构、混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构、木结构、钢-混凝土组合结构和膜结构。4.2.1砌体结构 由块体和砂浆砌筑而成的整体材料统称为砌体。以砌体承重为主的结构称为砌体结构。 砌体结构中所使用的材料主要有块材和砂浆。块材包括砖、砌块、石材。 砂浆是由胶结料、细骨料、掺合料加水搅拌而成的混合材料。砌体中常用的砂浆有水泥混合砂浆和水泥砂浆。4.2.2混凝土结构 混凝土结构通常需要在混凝土中配置适量钢筋。这种搭配可使受压区的混凝土和受拉区的钢筋强度得到充分利用。4.2.3预应力混凝土结构 在构件在承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力，形成了所谓的预应力混凝土结构。 工程中预应力的施加方法有先张法和后张法。 先张法：就是在浇筑混凝土前，用机械张拉钢筋，待混凝土硬化后，再放松钢筋，从而对混凝土施加预应力。 后张法：就是在浇筑混凝土并待其硬化后，对预留在构件内的预应力筋用机械张拉，从而对混凝土施加预应力，使构件受拉边预先产生压应力的方法。先张法构件制作过程后张法构件制作4.2.4钢结构 钢结构是钢材制成的工程结构，由型钢和钢板等制成的梁、柱、板、拱、等构件组成。“鸟巢”－国家体育场国家大剧院一、钢结构的特点 钢材的优点是材质均匀，可靠性高；强度高，塑性和韧性好，利于抗震；便于机械化制造，安装方便，施工期限短，可尽快地发挥投资的经济效益；缺点是耐火性和耐锈蚀性差，维护费用较高。二、钢结构的连接 可分为焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接等。4.2.5木结构 木结构的优点是施工简便、工期短。 木结构的主要缺点是耐火性能差。木框架房屋木结构圆顶屋顶4.2.6钢-混凝土组合结构 钢-混凝土组合结构主要有钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构、钢-混凝土组合梁板结构等。一、钢骨混凝土结构 是指在钢骨周围配置钢筋并浇筑混凝土的结构。钢骨混凝土梁柱截面二、钢管混凝土结构 是指在钢管内填充混凝土的结构，一般钢管内部不再配置钢筋。钢管截面一般采用圆形，也可采用方形或矩形。陕西省延安王家坪大桥（桥长204.758m）三、钢-混凝土组合梁板 分为：钢-混凝土组合梁和压型钢板-混凝土组合板，两种组合构件也可复合使用。4.2.7膜结构 与传统结构相比，膜结构的优点是自重轻、建筑造型丰富、透光性好、自洁性好、易于施工。缺点是耐久性差、隔热性差等。4.3抗水平力结构 抗水平力结构是指以抵抗水平荷载为主的结构，主要包括高耸构筑物和高层建筑结构。4.3.1抗水平力结构的基本特征 在抗水平力结构设计中，水平荷载作用下的内力和位移是设计的控制指标。

结构内力或位移和高度关系4.3.2框架结构 通过节点刚性连接的梁和柱，可抵抗竖向和水平荷载，称其为框架结构。4.3.3剪力墙结构 利用混凝土墙来抵抗竖向和水平荷载的结构，称其为剪力墙结构。4.3.4框架－剪力墙（筒体）结构 将框架和墙结构加以组合则可形成一种共同抵抗竖向、水平荷载的新结构体系，称其为框架-剪力墙结构体系。a)金茂大厦b)地王大厦c)石油双塔大厦框架-核心筒结构的工程实例4.3.5框架－支撑结构 如果将框架-剪力墙中墙置换为斜支撑，则称为框架-支撑结构。中心支撑类型偏心支撑类型4.3.6巨型结构一、巨型框架结构 巨型框架结构打破了传统框架按建筑楼层和建筑开间布置梁柱的做法，把结构按主次两级框架体系进行布置。

新加坡华侨银行香港汇丰银行 二、巨型支撑筒结构 巨型支撑筒结构由巨型支撑筒、平面内小框架及内部框架所组成。其中巨型支撑筒为主结构，具有很大的抗侧刚度；平面内小框架及内部框架是次结构，担负着将楼层竖向荷载和局部水平荷载向主结构传递的任务。香港中国银行大厦汉考克大厦美国联邦储备银行CCTV大楼4.4抗竖向力结构 抗竖向力结构是指以抵抗竖向荷载为主的结构，主要包括桥梁结构和中大跨建筑结构。4.4.1梁式结构 梁式结构是受弯为主的构件。梁式结构可以做成单跨、多跨或悬臂形式。一、实体梁结构 实体梁结构按材料分类有木梁、钢梁、钢筋混凝土梁、钢—混凝土组合梁等。二、桁架结构 桁架结构是由拉杆或压杆组成的杆件系统的梁式结构。木梁的截面轧制型钢梁的截面薄腹梁三角形桁架梯形桁架平行弦桁架立体桁架4.4.2拱式结构 拱式结构是弧度向上的结构形式，造型美观。德国某建筑捷克斯洛伐克某游泳馆德国莱比锡新会展中心 拱式结构设计中的一个关键就是要合理地处理支座推力问题。三种常用的方法。即：落地拱是由基础直接承受拱推力；屋盖拱可以设计或利用边框架来承受推力；也可以在支座处设置拉杆以承受拱的推力。推力由基础直接承受推力由边框架承受推力由拉杆承受4.4.3索式结构一、实体索结构 实体索结构中的索以高强钢丝、钢铰线为主，悬索两端挂在稳固的支承结构上，可充分利用材料的抗拉承载力，具有受力合理，结构自重轻，跨度大等优点。二、劲性索结构 劲性索结构是以具有一定抗弯刚度的曲线型实腹截面或桁架来替代柔索的悬挂结构。单曲面单层悬索体系杜勒斯机场候机楼吉林滑冰馆劲性索与劲性索结构4.4.4板式结构 板式结构是在建筑结构中最常用的构件，在整体结构中的作用不仅是承受竖向荷载，将其有效地传递到竖向结构上，同时板式结构起着连接全部竖向结构，并保证其共同工作的作用。一、实心板与无梁楼盖 最常用的实心板是混凝土现浇实心板，它是一类实体板式结构。单向板与双向板的受力状态空心板和槽形板无梁楼盖二、梁式板 工程中常用的楼板多为梁式板，它也是实体板式结构。单向板肋梁楼板双向板肋梁楼板密肋楼板井字梁楼板奈尔维设计的新颖梁式板钢－混凝土组合楼板三、平板网架结构 实体板式结构由于受结构材料强度限制，不能跨越较大的跨度，如果把受力更合理，跨度更大的平面桁架相互垂直交叉，而形成一种新的空间杆件系统的结构形式。平板网架示例两向正交正放网架两向正交斜放网架三向网架

交叉桁架的主要形式上海体育馆屋盖网架首都体育馆屋盖网架（1967年）4.4.5壳式结构 壳式结构按曲面外形，主要有如下形式：球面壳、柱面壳、双曲扁壳、双曲抛物面壳、扭壳及其组合壳等。球面壳柱面壳双曲扁壳双曲抛物面壳简单曲面壳式结构一、混凝土薄壳结构 混凝土薄壳结构属于实体壳式结构，是由混凝土制作的曲面薄壁结构，由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成。麻省理工学院小礼堂纽约肯尼迪机场TWA候机楼二、网壳结构 网壳结构具有受力合理、可以跨越较大的跨度，节约钢材、建筑造型美观、施工简便等优点。 网壳结构也存在不足之处，属缺陷敏感性结构、对加工精度要求高，构造复杂，能耗较高。网壳结构一般用于体育馆、展览馆等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑。肋环型球面网壳施威德勒型球面网壳联方型球面网壳三向网格型球面网壳凯威特型球面网壳短程线型球面网壳单层球面网壳肋环型四角锥球面网壳联方型四角锥球面网壳联方型三角锥球面网壳双层球面网壳单向斜杆正交正放网格交叉斜杆正交正放网格联方网格三向网格单层柱面网壳正放四角锥柱面网壳三角锥柱面网壳双层柱面网壳4.4.6张拉膜式结构一、实体膜结构 膜结构就是一种新近发展起来的新