第4章总体系方案分析

第4章

房屋结构总体系的方案分析

第1节把空间组成的部件作为主要结构分体系一、概述：1、用整体方法计算基本空间组成方案的结构，将会大大地有助于实现有创造性设想的设计。2、按阶段进行设计是很重要的，这可以使设计者集中解决空间形式方案中较为基本的结构问题，而不至于过早地纠缠在一些细节问题上。3、整体方法要求重视利用大空间分隔部件、围护结构的以及各种设备单元的部件来作为基本结构分体系的可能性;4、应该着眼于把外墙、内墙、屋盖、楼盖等部件的使用功能确定为既是空间分隔的部件，又是结构分体系。二、总体系方案分析实例战争纪念馆

东西向悬挑10.5米，南北向悬挑8.7米建筑的空间分区向四边悬挑中间为天井，四边为展厅。基本结构体系划分总结构体系方案要求四个独立的箱形结构悬臂支承于四个抗剪支柱上基本分体系分析三、主要空间单元的总体特性启示

——结构分体系设计方案1、从整体看，折形屋面可设计成折板分体系折板结构刚度大，省材料。主要空间单元的总体特性启示

——结构分体系设计方案2、按整体设计时，由腹板和翼缘组成的墙的刚度比矩形增大很多。主要空间单元的总体特性启示

——结构分体系设计方案3、一个大的设在中央的竖向通道可以设计成核心筒结构分体系。主要空间单元的总体特性启示

——结构分体系设计方案4、把最上面的过道设计成两个细长筒的连系梁，成为剪力墙和巨型框架的组合体。第2节总体系分析的整体与局部问题1、结构设计的层次：方案设计，初步设计，具体设计。2、在结构的方案设计阶段主要考虑结构的整体性能和主要的分体系作用。3、在结构的初步设计阶段考虑局部的设计问题。4、结构的设计即分层次，也相互影响和交叉。5、折板体系的整体与局部问题（1）整体问题：屋面采用折板体系。（2）局部问题：折板的初步设计问题。方案A：大矢高方案B:小矢高（3）方案A：大矢高分析：横向具有拱的作用；板厚可较薄；有推力，应设拉杆，或设边梁起抗推作用。方案A：大矢高分析：顶板，侧板局部受弯，有梁的作用。方案A：大矢高分析：纵向具有梁的作用，矢高为梁的高度，整体刚度大，弯曲变形小，所需边梁小。方案B:小矢高分析：横向具有梁的作用；跨度大，板应加厚；有推力，应设拉杆，或设边梁起抗推作用。侧板局部受弯小。方案B小矢高分析：

:纵向具有梁的作用，矢高为梁的高度，整体刚度较小，弯曲变形大，所需边梁大。第3节单层开敞空间建筑实例一幢开敞空间的单层建筑，平面尺寸为30.5X61m,坡屋顶。通过方案分析确定由建筑抵抗恒载、活荷载和风荷载的总要求。为了确定抗力的整体要求，可以假定围护墙面为刚性连接的板。结构的整体性是由一系列的刚架形成的，每榀刚架由两侧的柱和两根带坡度的屋面大梁所组成。形成门架型结构基本体系，承受屋顶的荷载，并把荷载传给基础。

横向水平力由刚架承受。纵向水平力通过屋面支撑由柱间支撑传给基础。屋面支撑加大了屋盖的纵向刚度。整体作用力的简单分析

屋面的总竖向荷载：W=1400千磅基础的竖向压力为：700千磅按拱的作用近似分析基础的水平推力。总最大弯矩M总推力F风荷载产生的反力分析

总的风荷载由各刚架承担，不考虑山墙的作用。1527180909027总的风荷载180千磅，作用点高15英尺。两基础的总反力各为90千磅。风荷载产生的倾覆力矩为M=180×15倾覆力矩产生的基础拉、压力为M/L=27竖向荷载和风荷载下的总反力分析纵向水平荷载下的整体分析山墙承担风荷载：作用在山墙上的一半左右（上部）的风荷载由檩条传给屋面剪刀撑，屋面剪刀撑再将它传给柱间支撑，最后传给纵向基础。山墙上的另一半（下部）荷载直接传给横向基础。刚架为平面结构，只有设置屋面支撑和柱间支撑后才成为空间结构，才能承担平面外（纵向）荷载。进一步分析（初步设计）各刚架承担的荷载和内力分析；刚架的截面尺寸确定；基本构造要求：刚架的刚性铰要求；山墙与屋面的传力连接要求；屋面的传力要求（支撑）；刚架的整体性要求（支撑）等。第4节12层办公楼一幢12层办公楼的标准层平面、立面以及楼板截面。建筑物的两边各有9根柱，中央有一个(6.lmX12.2m)的电梯和管道井筒。恒载和活荷载，主要是通过柱传到下层。方案1核心筒是一个筒体结构，在纵横两个方向都能抵抗由风或地震引起的侧向力，18根外柱承受大部分竖向荷载，但不能承受侧向力。方案2在纵、横两个方向，柱和梁刚性连接形成框架。纵向水平力由两榀外框架承受，每榀框架包括7根中间柱和12道水平梁，即每层有一道梁。横向水平力由9榀框架承担，每榀框架由两根外柱和各层大梁组成。由框架承担全部荷载（竖向、水平）方案3：混合承担水平力。方案分析竖向荷载的传递：可以用荷载面积法估算作用在建筑物各个竖向构件上的竖向荷载。这个方法是把楼盖或屋盖的面积分成区域，各个区域分别属于某个竖向承重构件。水平荷载的传递：水平力是通过楼板传递的。这种水平隔板能加大柱的刚度，并把柱和核心筒连系起来。隔板把侧向力传给核心筒，但也可以传给框架，或者同时传给核心筒和框架。无论哪种情况，楼盖在平面内必须大体是刚性的，才能起到刚性隔板的作用，才能使竖向构件共同工作。方案分析假定屋面或楼面的恒载是120磅/英尺2(5.75kN/m2)。筒体承担的荷载面积为60×40英尺2，12层。筒体承担的总楼面荷载值估算为3456千磅。井筒墙的恒载是100磅/英尺2(4.79kN/m2)。总面积为：高×周长，重为100×144×120＝1728千磅。筒体承担的总竖向荷载约：5170千磅1个柱承担的楼面荷载：20×30×120×12＝864千磅方案分析水平风荷载是30磅/英尺2（1.44kN/m2)。总的风荷载160×144×30＝690千磅。倾覆力矩为690×72＝49680千磅英尺。对于1方案，由倾覆力矩产生的偏心距e=49680/5170＝9.6英尺，已到筒的边缘，不稳定。竖向压力偏心基础设计wMeB方案分析方案2，由倾覆力矩产生的总柱的附加拉、压力N=49680/60=828磅。每个柱的附加拉、压力＝828/9＝92磅。92/864＝10％，附加轴力只相当与10％的柱轴力。第2个方案好于第1个方案。第3个方案将更好。第5节15层公寓的巨型结构15层公寓工程是由一排很大的建筑物组成的。上面几层楼板是连通的，第10层和第5层向里缩进形成倒台阶形。每个建筑单元在顶部5层的平面尺寸是90英尺X160英尺仅由4个电梯和设备的井筒支承全部竖向荷载，筒与筒之间的净距在两个方向均为70英尺。方案分析的假定这个方案要求3个很刚的(巨型)结构楼层A,B和C，把井筒刚性连接在一起，并支承它们上面5层按一般做法的较薄的楼板。由筒和楼层结构A、B和C共同作用形成刚性框架体系，以承担地震作用。方案分析时，可以忽略开洞对筒的影响。还忽略中间各层较薄楼板的框架作用。假设每个建筑单元（90英尺宽，130英尺平均长，15层高)的全部恒载已经算出是15600千磅(69400KN),全部活荷载是3140千磅(13970kN)。分析这个体系抵抗地震力的可行性1.假定总地震剪力FEQ为总恒载的6％，0.06×15600＝940千磅，一个框架承担470千磅。假定FEQ作用在200英尺的3/4高度位置，即150英尺。倾覆力矩为470×150＝70500千磅英尺。地震产生的附加轴力2.抵抗力臂为70英尺+10英尺＝80英尺，井筒的附加轴力为70500/80＝8803.由于每个筒上的恒载是15600千磅/4=3900千磅，880/3900＝22％，较小。筒的地震弯矩值4.每个筒底部所受到的地震剪力是940/4＝235千磅。一个筒的弯矩估算值为235×30/2＝3525千磅英尺。分析结果5.由这个力矩所产生的偏心距e＝3525千磅·英尺/3900千磅＝0.9英尺，与筒的10英尺的边长相比较小。6.竖向荷载下的压力，在恒载(3900千磅)和活荷载(3140/4＝800千磅)共同作用下，如果筒是12英寸(30.5cm)厚的钢筋混凝土墙，A=5184英寸2墙的平均压应力，4700/5184=0.9千磅/英寸2（6300KN/m2)(6.3Mpa)假定采用C40砼，fc=19.5Mpa,6.3/19.5=0.32轴