建筑物的结构设计-毕业外文文献翻译名师(完整版)资料

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建筑物的结构设计毕业外文文献翻译名师（完整版）资料(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）附录B建筑物的结构设计平面布局框架的平面布局依据所提供的空间的功能要求，以及房屋居住者的使用而定。其中建筑构思和整个房屋建造的经济问题将起控制作用。塑性设计的设计原则与容许应力法的设计原则相同。荷载体系的确定结构框架要确定的荷载体系与容许应力法选择的荷载体系相同。通常，某一地区建筑规范将会规定最小荷载。当没有地区建筑规范时，工程师通常选择几个可以借鉴的建筑规范。平面框架的荷载体系分布塑性设计与容许应力设计相同的另一控制条件是平面框架的付载体系分布。只要找到了所有荷载传给地面的某种途径，荷载体系的分布便可以分为如下几种：1）楼板的恒荷载和活荷载以均匀或集中的形式作用于每个排架上。2）均匀于托梁上的外墙恒荷载，在托梁与框架相交处，以集中荷载的形式作用于每个排架。3）在主梁高度处，外部横向风荷与地震荷载以集中荷载形式作用于每个排架。4）作用于某些无支撑排架的横向荷载可能通过楼板系统的横隔板作用分布于抗侧移排架上。无支撑排架承受的横向荷载的形式与抗侧移排架的横向荷载相叠加。当相似构件的刚度相差很大时，需谨慎地自行假定框架的荷载分布。例如，有许多无支撑排架及抗侧移排架组成的房屋，如果排架的刚度非对称分布，那么它的荷载形式将远非所假定的均布情况。结构设汁建筑物的结构设计是建筑物得到足够强度、刚度和韧性的一个过程。这里，”足够”的含义是个施加自然或人为的付载或运动时，在适用期内，建筑物可以为它的房书和居住者提供满意的服务。进行这种设计，要通过结构荷载分析来确定各种荷载或荷载组合在结构上所产生的效应。然后，把荷载效应与结构承载能力相比较，以便确定结构或构件的充足性。结构设计的初始部分足与设计组的其他成员(包括建筑师、规划师、机械师、电器及音响等方面的工程帅）合作的结果，以便形成结构体系的优化形式。对各方面的需求给予适当考虑，对于建筑物的结构性能至关紧要。结构设计工程师要确定川于荷载分析与构件强度分析(即适当的结构模型）的近似值标准。这个标准的变化取决于所设计的特定结构。通常只需作出最粗略的估算，这对工程费用几乎没有影响(如果有的话影响也不大）。随着建筑物规模和作刚的增加，或如果许多构件都相同的活，就要适当地、更详细地分析荷载和强度。因而，尽管人部分结构分析教材都强调复杂而详细的分析步骤，然而理解结构的近似值估算方法及其局限性，恰恰也同样重要。确定所要求的精确度常常是设计者所要做出的最重要的决定。初步结构设计的一个重要部分足选择结构体系，同时考虑它与建筑经济学的关系。要把材料、制作、安装所需要的成本与所用的时间、安装速度、贷款偿还计划以及结构使用期间的维修费用联系起来，以便选用最佳体系。弹性设计步骤设计经验表明，利用完全弹性的应力-应变关系的设计为确定结构体系的荷载效应应分布、构件和连接的强度分析提供了最简单的方法。基于这些假设而导出的线性方程的使用不仅简单，而且还能对不同加载条件进行独立分析并使用直接迭加形成荷载组合。遗憾的是，没有哪种材料能精确地以弹性方式变形，而且结构体系中构件的强度往往大大超过用弹性方法所预测的强度。这样，为了准确估价结构体系的性能，人们发现有必要改进设计假设。近年来，正式这些改进带来了许多附加的设计复杂性，受到设计同行们的诋毁，这类修正的例子有：连续构件：(如钢梁和混凝土板）的弯矩重新分布，钢构件的塑性强度、混凝土受弯构件的非线性几力分布以及在木结构中基于荷载持续I时间的容计应力修正。在设计中，累加逐个构件的附属付载，往往可得到在结构体系内用于确定构件效应的荷载分布。二维框架分析常用于复杂的结构体系，如多层建筑的抗弯框架用于抵抗侧向荷载。计算机的应用已经实现了相对复杂的建筑结构的三维框架弹性分析。重要的是，要考虑这些弹性分析的局限性，以便恰当地改变薄弱之处或在适当之处重新分布荷载效应。下部结构的类别和作用下部结构或基础通常是设置在地面以下，并将荷载传递给下面土壤或岩石的结构部分。所有土壤在受荷载作用时明显受到压缩，引起所支撑的建筑物沉降：在基础设计中有两个基本要求，一是结构物总的沉降要限制到尽量小的程度：二是要尽可能消除结构各部分的不均匀沉降：就建筑物被破坏的可能性而言，避免不均匀沉降，即避免同一建筑物内的沉降差值，比限制均匀的总沉降生为重要。为了限制上述沉降，(1）必须把建筑物的荷载传递到有足够强度的土层；(2）把荷载分布在该上层足够大的面积上，以减少支撑压力。如果建筑物下就近找不到合适的土层，必须采用深基础，例如桩或沉箱，以便把荷载传递到较深的坚实土层上，如果正好在建筑物的下面就有良好的土层，仅需要刚基础或其他手段来扩散荷载。这样的下部结构叫做扩展式基础，我们要讨论的正是这种基础。选择某个结构的基础体系要随结构的尺寸、重要性及用途、场地的地下状况、结构的设计以及基础体系的造价而定。这些因素互相关联，但往往有一种因素左右其选则。如果基础的底座打在岩石上，造价不高的基础就可以很容易的支撑荷载量很大的高楼。同一建筑物若建在粘土地基上，则需要桩支撑：如果建筑物在用途上需要建造深层地下室，或者深层地下室有好处，人们可能会发现建在板式基础上最省钱。如果建筑物在设计上有少数负荷显很大的支柱，而达到有足够承载能力的岩层且经济上也可行，用该种建筑物就可以使用打在岩石或硬岩层的钻孔墩，或者用钻入岩石的沉箱支承。如果建在软弱十质地区的低矮建筑物为很重要的结构，如博物馆或会议中心，它也可能需要深基础。然而，如果它是柔性钢框架库房结构，用底脚基础支承发生可容许的沉降可能是适当的。浅基础浅基础可定义为以位于建筑物底部正下方的土壤或岩石获得支承的基础，无论共建筑物有—层地下室，还是多层地下室，均如此。就浅基础而言，地下室或地平面以下基础的深度(D）对基础最小宽度(B）之比通常约小于1.0。底脚基础底脚基础通常分(1）支撑单根柱的独力基础，(2）支撑多根柱的组合基础，或者(3）支撑一面墙的条形基础。，它们常用钢筋混凝土灌筑，并按照规定尺寸建造，以便将柱荷载扩散到具有不会产生承压破坏或过分沉降的接触压力的下伏材料。当某种结构底脚基础的总面积约超过建筑物平面面积的50％时，从造价的角度看，考虑以底板基础或筏式基础代替底脚基础往往是有利的。底板基础底板基础覆盖建筑物的整个面积，而业在必要的情况下可延展超出建筑物墙壁的界限。它有好几个优点1．底板基础比一组独立的底脚基础刚度好，使基础面之下局部软弱土层在一定程度上得以桥接，从而减少均匀沉降。2．同底脚基础相比，底板基础支承面积的增加可减少均接触压力，从而减少位于基础下方材料的压缩有关的沉降。正是基础面以下的材料最易引起过市的建筑物不均匀沉降现象。3．地下室的挖掘可能会(或者可能被迫）挖山等于其建筑物重量的土方，因此建筑物的沉降量即为挖掘过程中材料起量的再压缩。但是对于深地下室下面底脚基础之下的土层。情况却不是这样。基础通常会产生超过挖掘材料平均重量的土壤接触压力。这种应力在基础下随着深度而减弱，会造成底脚基础正下方的土壤压缩(固结）而导致均匀沉降。4．如果建筑物的地下室需要用”压力平板”来承受向上的静水压力，有时建造比压力平板稍厚—些的底板基础要比建造以压力平板覆盖的独守基础更经济。压力平板必须在每个柱或其他贯穿位胃设计阻水片，结果造成施工的困难(阻水片并非总是安装的很妥当），因此长出现渗漏现象。深基础深基础的作用是将建筑荷载从被认为(无论原因如何）不能令人满意的一层材料传到下面能令人满意的承重层。当基础深度(D）对最小宽度(B）之比约超过2又1／2～5时，该基础被视为深基础：对于人多数深基础来说，这个比值实际超过10。同一般认识相反的是：尽管建在深基础上的建筑物的沉降量几乎总可以预定比建在浅基础上的同样的建筑物小，但还是会沉降的。深地基包括川多种多样方法安装的墩、沉箱和桩，它们之间无法区分得很清楚(且无必要分清）例如：钻孔沉箱与钻孔墩通常没有区别，往往钻孔沉箱或墩与英国人所谓的钻孔机只是在直径上有微小的差别。墩墩大多立在有支撑的、人工挖掘或机械挖掘的延伸至浅承重层的小基坑里面。在芝加哥和其他一些地方已经使用了很深的人工挖掘墩。然而，它们需要人们操作时十分细心，并且需要有良好的地下条例：，从承重层到地下室的某个水平面，墩只有一个不变的横断面。柱支撑在墩上。在良好的条件下，在承重层上墩的底部加宽一些或使其成上-窄下宽形都是可行的。墩的深度(D）对宽度(B）之比通常在2又1／2-5之间：及平面尺寸为4英尺X4英尺的墩时常建立在地下室之下深度为10～20英尺(3—6米）的地方。可是，就人—工挖掘墩而言，D对B之比可达10或10以上。墩用来将结构荷载从接近地面的一层不合适的承重材料传到下面有足够承载能力的地层。和具他基础体系比较，人工挖掘墩的造价会很高，因为需要有支撑的挖掘和控制地下水。在浇注混凝土时，模板和支撑物通常被留在地下。美国的大部分地区不常使用人上挖掘墩，而用钻孔墩或沉箱取而代之。影响混凝土基础设计的因素在一般建筑物中，墙或柱上的荷载竖直地传递给基础，并由基础下面向上的土的压力所支承。如果荷载对称于支撑面积，支承压力可假设为均匀分布。人家知道仅仅是近似的：埋置在粗颗粒土中的基础中心处较大，并向周边渐减。因为粗颗粒中个别颗粒多少可以滑动，使接近周边的受荷土能稍稍向着土应力低的方向移动。与此相反，在粘土中，靠近基础周边处的压力比基础中心处高。因为在粘性土中，荷载在基础周边引起抗剪切力，从而增加向上的土压力。人们习惯于不考虑这些不均匀性，因为(1）它们的数量值难以确定，而且由于土质不同变化很大：(2）不均匀性对基础内弯矩和剪力数值的影响较小。在压缩性土上，基础应中心加载，以避免由于基础一边的支承压力比另—边大得多而产生倾斜。这意味着单独基础应与柱相对，墙基应与墙对中，而复式基础的基底形心应与柱荷载和力重合。偏心荷载的基础可用于较密实的十层和岩石之上由此可见，只有当土层良好，且基础是按柱荷载和约束力矩设计时，才能考虑单独基础约束柱的转动。即使在这种情况下，也不能认为基础是完全嵌固的，除非基础位于岩石之上。精确地确定应力，特别是对单柱式基础来说，引：非切实可行，因为相当大的块体朝四个方向伸出柱外。在均匀向上的压力作用下，基底变成碗形，这将使精确的应力分析大为复杂化。因此，目前这种基础的设计方法，几乎完全基于两项广泛的试验研究结果，这两项试验都是在伊利诺斯大学完成的。这些实验现已被最新估价，特别足以剪切和斜拉方而的更新的强度理论观点，进行了重新评价。恒载恒裁定义为固定的、不可移动的、永久性的荷载。它可分为两类：(1）结构自重，(2）附加的恒载。结构自重包括所有主梁、次梁、柱、墙、支撑及任何其它结构构件。典刑的混凝土框架体系比钢框架体系重。从风力倾覆的角度考虑，这是有利的，但是从基础及抗震角度考虑这是不利的。附加的恒载包括隔墙、顶棚、悬挂的设备或电器的荷载(如喷淋设备、灯等），特殊的楼板填充饰面、立面重量及除结构自重以外的其它荷载。很多建筑规范规定楼板上的隔墙荷载必须考虑有相当于20psf(1kN／平方米）的裕量，除非根据隔墙布置及重量计算证明较小的荷载裕量是适宜的。活载活载实际上是非永久荷载，它随楼面的用图不同而不同。例如，很多建筑规范规定典犁办公室的最小设计活载为50psf(2·4kN／平方米）。初步设计中应当考虑在已知的专门使用区上增加活载，如大厅、餐馆、机械设备室、冷却塔、花草种植区、计算机房及人流集中的地方。在初步设计阶段，用于储存或大量堆放重物荷载的指定区域是未知的，所以必须在最后设计中考虑，必要时经常在施工：过程中或以后考虑。屋顶活荷载是整个重力荷载中的很小—部分。它包括：应试当考虑堆积的雪荷载，例如在女儿墙、屋顶房屋、贴墙的斜屋顶收缩处以及相邻结构的竖直面处。按照适当的建筑规范，在初步设计阶段，应当允许活荷载折减。风载在非强震区，风载对高层建筑设计影响最大。因此，简短概括确定风力的常用方法。初步设计中的风载是根据所使用的建筑规范规定的风压计算出来的。大部分建筑规范认为，作用于整体结构的风压与作用于结构立面或框架结构上的次要墙的风压不同。由于局部阵风效应及最小结构阻尼特性，后者值较大。—般作用于整体结构上的风荷载沿建筑物的高度逐步增加，离地越高，风压越大。所取的风荷载是垂直于建筑物竖直表面的，同时也要考虑侧向风荷载的效应。对于某些结构支承体系的布置，侧向风荷载比垂直风荷载更有威胁。常用的结构体系若已测出荷载量达数千万磅重，那么在高层建筑设计中就没有多少可以进行极其复杂的构思余地了。确实，较好的高层建筑普遍具有构思简单、表现清晰的特点。这并不是，新奇的高层说没有进行宏观构思的余地。实际上，正是因为有了这种宏观的构思，新奇的高层建筑体系才得以发展。可能更重要的是：几年以前才出现的新概念在今天的技术中已经变得平常了。如果忽略一些与建筑材料密切相关的概念不谈，高层建筑里最为常用的结构体系便可分为如下几类：]．抗弯矩框架。2．支撑框架，包括偏心支撑框架。3．剪力墙，包括钢板剪刀墙，4．筒式框架。5．筒中筒结构6．核心交互结构。7．框格体系或束筒体系。特别是由于最近趋向于更复杂的建筑形式，同时也需要增加刚度以抵抗风力和地震力，人多数高层建筑都具有由框架、支撑构架、剪力墙和相关体系相结合而构成的体系：而且，就较高的建筑物而言，大多数都是由交互式构{十组成三维阵列。将这些构件结合起来的方法正足尚层建筑设计方法的本质。其结合方式需要在考虑环境、功能和费用后再发展，以便提供促使建筑发展达到新高度的有效结构。这并不是说富于想象力的结构设计就能够创造出伟大的建筑。正相反，有许多例优美的建筑仅得到结构工程师适当的支持就被创造出来，然而，如果没有天赋甚厚的建筑师的创造力和指导，那么，得以发展的就只能是好的结构，并非是伟大的建筑。无论如何，要想创造出高层建筑真正非凡的设计，两者都需要最好的。高层建筑展望及建筑结构区域规划对高层建筑物的密度和对自然采光设计可能引起道德问题将产生影响。能源的有限性将继续成为建筑设计面临的独特挑战。新老建筑的结合将会给我们的城市带来人情味。要设计建造出经济实用，以人为本的建筑物，将会是业主和概念设计师在20世纪80年代面临的挑战。1980年欲斯柯摩尔、奥英斯和米瑞尔（SOM）设计的莱弗公寓获得了美国建筑师协会授予的25年奖”以奖励具有深远意义的优秀建筑设计”。这响奖每年授予一座房龄在25~35年之间的建筑物。用刘易斯.芒福德的话来说莱弗公寓是”第一座集现代材料、现代施工、现代功能与现代设计方案为一体的办公楼”。在当时，这样大胆的构思只有像设计师戈登.邦沙福特和业主—莱弗兄弟公司当时的总裁查尔斯.卢克曼那样富于幻想的人才能创造出来了。而且，这项工程包含了几个”第一”：（1）它是第一座全封闭的玻璃大厦；（2）它是SOM三人合作设计的第一栋办公楼；（3）它是公园大街第一座一层楼不设零售商场的办公楼。今天，经过众多外观相似而柱网变化的设计，我们已难以对建筑物进行归类，这也许是高层建筑设计的缩影。除了最近竣工的几栋低层楼房似乎比较怡人外，在我们的许多城市中，多数高层建筑物看上去就像图表上的柱标，好似一块块单调而又笨拙的巨石。难道这就是高层建筑设计行业的终点吗？也许不是。有迹象表明其发展是非常令人鼓舞的。建筑师和业主最近已开始公开讨论设计问题。也许我们正处在一个新时代的开端，20世纪80年代也许会产生一些像邦沙福特和卢克曼那样的幻想家。要是如此，他们会面临什么样的限制或挑战呢？区域规划很显然，城市可以限制高层建筑的密度，也就是减少每平方英里高层建筑的数量。1980年，”堵塞网”这个术语第一次在纽约市公开使用。它的出现在公众心中引起恐慌。这个词指的是城市中四面八方的街区同时出现的交通停滞不动的现象，堵塞甚至一直延伸到隧道里和高架桥上。奇怪的是，这种事情竟然发生在纽约燃料短缺、油价高涨的年份。很显然，要想避免类似情况的出现，就必须大幅度地降低人口、降低活动场所油价车辆的密度。区域规划也许是唯一长远的解决方法。城市居民由于收到高层建筑的遮挡而见不到阳光，因此，阳光规划将越来越受欢迎。无论高层建筑设计得如何节能，它同时有可能剥夺居住者和邻居享受阳光的权力。20世纪80年代享受阳光的权力会成为一个十分有趣的道德问题，这个问题会彻底改变城市的建筑布局。混合用途的分区规划在20世纪70年代还只是一种在经济上可行的抉择，在20世纪80年代将会得到普及，特别是将混合功能分区规划与阳光分区规划相结合，让所有的住户都享受到阳光。整修改造伊莫利.罗斯和桑斯两人合作设计的纽约王宫酒店是对麦迪逊大街上翻修后的古建筑维拉德公寓的补充和增色。这是一个如何对待可抢救的古建筑精品的突出实例。20世纪80年代对中西建筑物的重复利用将是人情味和温馨回到建筑物的途径。无论出于什么原因，如果我们必须继续使用玻璃和铝材进行那种呆板的方式设计的话，我们会发现新老建筑的结合将成为未来富有人情味建筑设计的大趋势。概念设计有些建筑杂志认为位于旧金山的美洲银行办公大楼对于该城市来说规模过大，位于波士顿的约翰.汉考克中心不仅与该城市的规模不成比例，而且与其特点不符，对于世界各地主要高层建筑物的类似评论还有不少。这类评论提出了有关设计程序，和谁是重点项目设计的决策者，以及上世纪80年代的建筑设计应由谁来决策等基本问题。未来的幻想家，即建筑师和业主会回到更富人情味的设计吗？在今后的几年里社会学家和心理学家会发挥他们的重要作用使这些幻想家相信一种截然不同的、合乎人体尺寸的新型建筑设计早该付诸实践吗？如果这些问题的突出解决有其合理性的话，那么六七十年代被我们视为”最杰出的”建筑设计师到了八九十年代就变成最差的吗？他们在大学”建筑史”这门课程中应该了解到”建筑常常反映了文明社会的成功与失败”，他们会学到这有益的一课并对此作出反应吗？也许只有时间才会作出回答。建筑物与人类有着密切的关系，它能为人们在其中工作和生活提供必要的空间。根据其功能不同，建筑物主要有两大类：工业建筑和民用建筑。工业建筑有各种工厂或制造厂，而民用建筑指的是那些人们用以居住、工作、教育或其他社会活动的场所。工业建筑的建造与民用建筑相同，但两者在所选用的材料、结构形式和体系方面是有差别的。就工程的实质而言，建筑结构可定义为：以保持形状和稳定为目的的各个基本构件的组合体。其基本目的是抵抗作用在建筑物上的各种荷载并把它传到地基上。从建筑学的角度来讲，建筑结构并非仅仅如此。它与建筑风格是不可分割的，在不同程度上是一种建筑风格的体现。如能巧妙地设计建筑结构，则可建立或加强建筑空间与建筑平面之间的格调与节奏。它在直观上可以是显性的或是隐性的。它能产生和谐体或对照体。他可能既局限又开放。不幸的是，在一些情况下，它不能被忽视。它是实际存在的。结构设计还必须与建筑风格相吻合。物理学和数学的原理及工具为区分在结构上的合理和不合理的形式提供了依据。艺术家有时可以不必考虑科学就能画出图形，但建筑师却不行。在建筑结构中至少应包括三项内容：稳定性，强度和刚度，经济性。在上述三项要求中，首先是稳定性。它在保持建筑物形状上是必不可少的。一座不稳定的建筑结构意味着有不平衡的力或失去平衡状态，并且由此导致结构整体或构件产生加速度。强度的要求意味着所选择的结构材料足以承受由荷载产生的应力并且结构形状必须适当。实际上，通常都提供一个安全系数以便在预计的荷载作用下，使所选用材料的应力不会接近破坏应力。被称为刚度的材料的特性，需与强度要求一起考虑。刚度不同于强度，因为它涉及荷载作用下结构应变的大小和变形的程度。它具有很高强度，但刚度较低的材料，在外力作用下会因变形过大而失去其使用价值。建筑结构的经济性指的不仅仅是所用材料的费用。建筑经济是一个复杂的问题，其中包括原材料、制作、安装和维修等。必须考虑设计和施工中人工费及能源消耗的费用。施工的速度和资金成本（利息）也是需要考虑的因素。对大多数设计情况，不能仅仅考虑一种建筑材料，经常存在一些有竞争性的其他选择，而具体应选择哪种并不明显。除了这三种最基本要求之外，其他几种因素也值得重视。首先，结构或结构体系必须和建筑物的功能相吻合而不应该与建筑形式相矛盾。例如，线形功能要求线形结构，所以若把保龄球场的顶部盖成圆形是不合适的。同样剧院必须是大跨度、中间没有障碍的结构，而高档饭店也许不是这样。简而言之，结构形式必须与所围护的功能相适应。第二，结构必须防火。很显然，至少一直到内部人员安全撤离为止，结构体系必须能保持完整。建筑规范详细规定了建筑物的某些构件抵抗热量而且不倒塌的时间。用于那些构件的结构材料自身必须具有防火性或者用耐火材料加以适当保护。所规定的防火等级将取决于一系列因素，它包括建筑空间的占有量和使用情况、建筑物的尺寸及建筑物的位置。第三，结构应与建筑物的循环系统很好地结合。它不应与给排水管道、通风系统或人的活动空间相矛盾（这是最重要的）。很显然，各种建筑系统在设计时必须相互协调。对任何单个系统的设计，可以有顺序地一步一步地进行，而对所有系统的设计则采用并行方式来完成。从空间上来讲，在一座建筑物中所有的构件之间都是相互依存的。第四，结构在心理上及外观上必须给人一种安全感。在风载作用下晃动剧烈的高层框架虽然没有危害，但仍然不适宜居住。弹性太大的轻质楼盖系统可能给居住者很不舒适的感觉。没有窗棂的巨大玻璃窗户尽管是相当安全的，但对居住在楼房里的人来说，特别是当他站在临街40层高楼的大玻璃窗前时，总会感到极不安全。有时建筑师必须有意采取积极措施来增加建筑结构外表的强度和坚固性。外观的安全性也许比真实表达建筑结构更重要，因为没有受过训练的人是不能分清真实的和感觉中的安全性的。建筑设计师需要理解荷载作用下实际结构的性能。在结构定性和定量分析两方面有丰富经验的设计师拥有直觉或感受结构性能的能力。关于力、应力、变形在不同的材料和形状的结构中是如何建立起来的相关知识，对于发展上述判断力是至关重要的。结构分析是确定在给定荷载下结构中产生的力和变形，以便使结构设计得合理或检查现有结构的安全状况。在结构设计中，必须先从结构的概念开始拟定一种结构形式，然后再进行分析。这样做能确定构件的尺寸以及所需要的钢筋，以便a）承受设计荷载而不出现损坏或过大变形（在正常使用或工作状态）；b）防止结构在荷载未达到规定的超载以前倒塌（安全性或极限状况）。由于通常在使用荷载作用下，结构处于弹性状态，因此以弹性状态假定为基础的结构理论使用于正常使用状态。通常只有当危险截面的材料远远超过弹性范围之后，才可能发生结构倒塌，因而建立在材料非弹性状态基础上的极限强度理论是合理确定结构安全性，防止倒塌所必须的，不过弹性理论可用来确定延性结构强度的安全近似值（塑性下限逼近法），在钢筋混凝土设计中习惯采用这种方法。基于这种原因，在本章中仅采用结构的弹性理论。严格地讲，所有结构都是三维构件的组合体，对其进行精确分析，即使在理想状态下也是棘手的工作，而在实际工程条件下，更是难以想象。基于这种原因，分析人员工作的一个重要部分是将实际结构和荷载状态简化成一个易于合理分析的模型。这样，框架结构体系可分解成平板和楼板梁，楼板梁又通过框架传递给立柱支承的大梁，立柱再将荷载传递到基础上。由于传统的结构分析分析不能分析平板的作用，所以经常理想化为平面框架体系模型，逐一加以分析。现代的矩阵—计算机法可以分析整个体系从而革新了结构分析，这样可对荷载作用下结构的性能作出更可靠的预测。实际荷载状态也是很难确定和很难客观表达的，为了进行分析，必须进行简化。例如，桥梁结构上的交通荷载主要是动荷载而且是随机的，通常理想化成静态行驶的标准卡车或分布荷载，以用来模拟实际产生的最不利的荷载状态。类似的还有，连续梁有时简化为简支梁，刚性节点简化为铰接点，忽略填充墙，把剪力墙视为梁；在决定如何建立个结构模型使之既比较客观又适度简单时，分析人员必须记住每一个理想化假设都将使求得的解更加不可靠。分析得越客观，产生的信心就越大，而所取的安全系数（或忽略的因素）可能就越小。这样，除非规范条款控制，工程师必须估算出结构精确分析所需追加的费用与由此节省的结构中费用比值，是否合算。结构分析最重要的用途是作为结构设计中的工具。按此定义，它通常是反复试算过程中的一个环节，在这种方法中，首先，在假定的恒载下对假定的结构体系进行分析，然后根据分析结果设计各构件。这个阶段称为初步设计，由于此时的设计常常会变化，通常采用粗略的快速分析方法就足够了。在此阶段，估计结构的成本，修正荷载及构件特性，并对设计进行检查以便改进。至此，将所作的更改纳入到结构中，再进行更精细的分析，并修改构件设计。这一过程反复进行直至收敛，收敛的速度取决于设计者的能力。很清楚，为了达到设计目的，需要从”迅速而粗略”到”精确”的各种分析方法。因而，有那里的分析人员必须掌握严密的分析方法，必须能够通过适当的假设条件进行简化分析，必须了解可利用的标准设计和分析手段一级建筑规范中允许的简化方法。同时，现代的分析人员必须精确结构矩阵分析的基本原理及其在数字计算机中的应用并且会应用现有的分析程序及有关软件。附录CStructuraldesignofabuildingDimensionalLayoutDimensionallayoutofframeisbasedonfunctionalrequirementsofprovidingspaceandservicesforoccupantsofthebuilding.Architecturalconsiderationsandtheeconomyofthetotalbuildinginstallationwillcontrol.Philosophy'isthesameforplasticdesignasitisforallow-ablestressdesign.AssignmentofLoadSystemsLoadsystemstobeassignedtostructuralframewillbethesameloadsystemsassignedforanallowablestressdesign.Usuallyaregionalbuildingcodewilldefinetheminimumloadstobeconsidered.Intheabsenceofaregionalbuildingcode.theengineerwillusuallyelecttofollowoneofavailablerecommenduniformbuildingcodes.DistributionofLoadSystemstoPlaneFrameAnotherconditionhandledthesameforplasticdesignasitisforallowablestressdesignisthedistributionofloadsystemstotheplaneframe.Aslongassomepathisprovidedforallloadstobetransmittedtotheground,loadsystemsaybedistributedasfollows:l）Floordeadandliveloaddistributedthroughfloorsystemstoeachbentasuniformlydistributedorasconcentratedloads.2）Exteriorwalldeadloadsdistributedtoeachbentasconcentratedloadsonthebentatconnectionpointsofspandrelbeams.3）Lateralloadsofwindandearthquakedistributedconcentratedloadsatconnectionpointsofspandrelbeams.eachbent4）Lateralloadsappliedatcertain"unbraced"bentsmaybedistributedtosway-resistingbentsthroughdiaphragmactionofthefloorsystem..Thelateralloadsassignedtothe"unbraced"bentsareaddedtothelateralloadsonthesway-resistingbentsasconcentratedloads.Somecautionmustbeexercisedinassumingloadstobedistributedtotheframearbitrarilyincaseswherestiffnessesvaryconsiderablybetweensimilarmembers.Forinstance,buildingswithsomeunbracedandsomesway-resistingbentsmightshareloadinamannerquitedifferentfromtheuniformdistributionassumedifthestiffnessesofthebentsarearrangedunsymmetrically.Sincedesigninagivenmaterialmustconformtothelocalcode.andsuchcodesusually'requiredesigninaccordancewitha"Standard"asdevelopedbyarecognizednationalorganization,suchastheAmericanConcreteInstitute.TheAmericanInstituteofSteelConstruction.ortheNationalForestPorestAssociation.thedesignphilosophymustbeassetforthintheStandardSomeofcodes(specifications.)adoptedbylocalorstateordinanceprovidealternativephilosophiesofdesign,suchastheworkingstressmethodusingserviceloadsorthestrengthdesignmethodusingfactoredloads.Thesedesignphilosophiesaregivendifferentnamesbythenationalorganizations:however,theygenerallymaybedividedintothosetwocategories.StructuralDesignThestructuraldesignofabuildingistheprocessbywhichadequatestrength,rigidity,andtoughnessareobtained.Inthiscase"adequate"impliesthatthestructurethroughoutitsusablelifewillprovidesatisfactoryservicetoitsownersandoccupantswhennaturalormanmadeloadsormotionsareimposedonit.Inordertoperformthisdesign,theeffectsthatvariousloadsorcombinationofloadsproduceonthestructurearedeterminedbystructuralloadanalysisTheseloadeffectsarethencomparedtothecapabilityofthestructuresothattheadequacyofthestructureoritscomponentscanassessed.Theinitialpartofstructuraldesignisacollaborativeeffortwiththeothermembersofthedesignteam(architect.planner,andthemechanical,electrical.andacousticalengineers）todeveloptheoptimumformofthestructuralsystem..Dueconsiderationtotheseotherrequirementsisessentialtothestructuralperformanceofthebuilding.Thestructuraldesignengineerdeterminesthelevelofapproximation(i.e..theappropriatestructural"model"）tobeusedintheloadanalysisandalsointhememberstrengthanalysis.Thislevelvariesdependingontheparticularstructurebeingdesigned.Frequently.thecrudestapproximationsareallthatareneededwithlittle,ifany.effectontheoverallcostoftheproject.Asthebuildingincreasesinsizeandimportance,orifmembersarerepetitive,itbecomesappropriatetoanalyzebothloadsandstrengthinmoredetail.Thuswhilemoststructuralanalysistextbooksemphasizethecomplexanddetailedanalyticalprocedures,ilisjustasimportanttounderstandthemethodsandlimitationsofapproximations.Thedeterminationoftheprecisionrequiredtomake.Animportantpartofpreliminarystructuraldesignistheselectionofthestructuralsystemwithconsiderationgiventobeitsrelationshiptoconstructioneconomics.Material.fabrication,anderectioncostsneedtobecorrelatedwiththecostrelatedtothetimeandspeedoferection,loanrepaymentschedules.andthemaintenancecostduringthelif~ofthestructuresothattheoptimumsystemcanbechosen.ElasticDesignProceduresDesignexperiencehasshownthatdesignassumptionsusingacompletelyelasticstressstrainrelationshipprovidethesimplestmeansofdeterminingthedistributionofloadeffectsonthestructuralsystemandforanalyzingthestrengthofmembersandconnections.Useofthelinearequationsresultingfromtheseassumptionsnotonlyissimplebutitalsopermitstheindependentanalysisofdifferentloadingconditionswithdirectsuperpositionforloadcombinations.Unfortunatelynomaterialdeformspreciselyinanelasticmannerandthestrengthsofthemembersinthestructuralsystemareoftensignificantlyinexcessofthosethatwouldbepredictedbyelasticmethods.Thusithasbeenfoundthatinordertocloselyassesstheperformanceofthestructuralsystem,.modificationstothedesigncomplexitiesdecriedb3thedesignprofessionsinrecentyears.Examplesofsomeofthesemodificationsareredistributionofmomentsincontinuousmember(suchassteelbeamsandconcreteslabs）.plasticstrengthofsteelmembers,nonlinearcompressionstressdistributioninconcreteflexuralmembers,andallowablestressmodificationsbasedonloaddurationinwoodmembers.Indesign,thedistributionofloadstodeterminetheireffectonmemberswithinthestructuralsystemisusuallyperformedonamember-by-memberbasisusingthesummationofloadstributarytothememberunderdesignconsideration.Whenthestructuralsystembecomescomplex,suchaswhenmoment-resistingframesareusedtoresistlateralloadsinmultistorybuildings.elastictwo-dimensionalframeanalysesareoftenused.Theadventofthecomputerhasmadepracticalthree-dimensionalelasticanalysesofstructuralframesofbuildingsofmodestcomplexity.Itisimportanttoconsiderthelimitationoftheseelasticanalysessothatchangescanbemadetoeithercorrectweaknessesortoredistributeloadeffectswhereappropriate.TypesandFunctionofSubstructuresThesubstructure,orfoundation,isthatpartofastructurewhichisusuallyplacedbelowthesurfaceofthegroundandwhichtransmitstheloadtotheunderlyingsoilorrock.Allsoilscompressnoticeablywhenloadedandcausethesupportedstructuretosettle.Thetwoessentialrequirementsinthedesignor'foundationsarethatthetotalsettlementoftilestructureshallbelimitedtoatolerablysmallamountandthatdifferentialsettlementofthevariouspartsofthestructureshallbeeliminatedasnearlyaspossible.Withrespecttopossiblestructuraldamage,theeliminationofdifferentialsettlement,i.e..differentamountsofsettlementwithinthesamestructure,isevenmoreimportantthanlimitationsonuniformoverallsettlement.Tolimitsettlementsasindicated,itisnecessary'(I)totransmittheloadofthestructuretoasoilstratumofsufficientstrengthand(2)tospreadtheloadoverasufficientlylargeareaofthatstratumtominimizebearingpressure.Ifadequatesoilisnotfoundimmediatelybelowthestructure,itbecomesnecessarytousedeepfoundationssuchaspilesorcaissonstotransmittheloadtodeeper,firmerlayers.Ifsatisfactorysoildirectlyunderliesthestructure,itismerelynecessarytospreadtheload.byfootingsorothermeas.Suchsubstructuresareknownasspreadfoundations,anditismainlythistypewhichwillbediscussed.Thefoundationsystemsselectedforaparticularstructuredependonthesize.importanceanduseofthestructure,thesubsurfaceconditionsatthesize.thedesignofthestructure,andthecostofthefoundationsystems.Thesefactorsareinterrelate,butoftenonewilldominatethechoice.Atallbuildingwithheavyloadscanreadilybesupportedoninexpensivefootingfoundationsiftheybearonrock.Thesamebuildingconstructedatasizeunderlainbyclaymayrequirepilesupportiftheclayissoft:itmaybefoundedmosteconomicallyonamatiftheuseofthebuildingnecessitatestheconstructionofdeepbasementsorifdeepbasementsarefoundadvantageous.Itmaybesupportedbydrilledpiersbearingonrockorahardstratumorbycaissonsdrilledintorockifthebuildingisdesignedwithssmallnumberofhighlyloadedmaincolumnsandcompetentrockiswithineconomicalreach.Alowbuildingfoundedinanareaofweaksoilsmayrequireadeepfoundationifitisanimportantstructure,suchasamuseumoraconventioncenter.However.ifitisaflexiblesteelframewarehousestructure,itmaybeappropriatetosupportitfootingsandtoallowtolerablesettlementtooccur.Abriefdescriptionofthefoundationsystemscommonlyconsideredassupportforbuildingisprovidedintheremainderofthissection.Someofthefactorsthatinfluencetheselectionofeachsystemarediscussed.ShallowFoundations Shallowfoundationsmaybedefinedasfoundationsthatobtaintheirsupportonsoilorrock.justbelowthebottomofthestructure,evenifthestructurehasoneormorebasements.NormallytheratioofthedepthDofthefoundationbelowbasementorgradetotheleastwidthBthefoundationislessthanabout1.0forshallowfoundations.FootingFoundationsFootingsarenormally(I）individualfoundationscarryingacolumn.(2）combinedfoundationscarryingmorethanonecolumn,or(3）stripfootingscarryingawall.Theyareusuallyconstructedofreinforcedconcreteandaresizedtodistributethecolumnloadstotheunderlyingmaterialsatcontactpressuresthatwillnotproducebearingfailureorexcessivesettlement.Whenthetotalareaoffootingfoundationsforaparticularstructureexceedsabout50%oftheplanareaofthebuilding,itisoftenadvantageous,fromacostviewpoint,toconsidersubstitutingamatorraftfoundationforthefootings.MatFoundationsAmatfoundationcoverstheentireplanareaofthebuildingandmay,ifnecessary,extendbeyondthelimitsofthewallsofthebuilding.Ithasseveraladvantages.1.Amatisstifferthanaseriesofthemat.ascomparedtofootings,reducestheaveragecontactpressure,therebyreducingthesettlementsassociatedwiththecompressionofmaterialsjustbelowfoundationlevel.Itisthematerialjustbelowfoundationlevelthatismos1likel3toproduceintolerabledifferentialbuildingdisplacements.2.Theincreasedbearingareaofthemat.ascomparedtofootings,reducestheaveragecontactpressure,therebyreducingthesettlementsassociatedwiththecompressionofmaterialsjustbelowfoundationlevel.Itisthematerialjustbelowfoundationslevelthatismost!ikel3toproduceintolerabledifferentialbuildingdisplacements.3.Theexcavationforbasementsmayremove(ormaybemadetoremove）aweightofsoilequaltotheweightofthebuilding,therebylimitingbuildingsettlementtotherecompressionofmaterialthatheavedduringtheexcavationprocess.Thisisnottruebeneathafootingfoundationestabcontactpressureexceedingtheaverageweightoftheexcavatedmaterial.Thisstress.Whichattenuateswithdepthbelowthefoundation,willcausecompression(consolidation）ofthesoildirectlybeneaththefootingsresultingindifferentialsettlements.4.Ifa"pressureslab"isrequiredinthebasementofabuildingtoresistupwardhydrostaticpressure,itissometimemoreeconomicaltoconstructamatofslightlygreaterthicknessthanthepressureslabthanitistoconstructindividualfootingscoveredbyapressureslab.Thepressureslabmustbedesignedwithwaterslopsateverycolumnorotherpenetrations,resultinginconstructiondifficulties(waterstopsarenotalwaysinstalledproperly）and.frequently,leakage.DeepFoundationsThefunctionofadeepfoundationistocarry,~buildingastratumofmaterialdeemedunsatisfactory(forwhateverreason）toasatisfactorybearingstratum.AfoundationisconsideredtobedeepwhentheratioofitsdepthDtoitsleastwidthBexceedsabout2.5to5:typically.thisratioactuallyexceeds10formostdeepfoundations.Contrarytopopularbelief,structuresondeepfoundationswillsettle,althoughthemagnitudeofthesettlementcanalmostalmostbeexpectedtobesmallerthanthatofthe~mestructurefoundedonashallowfoundation.Deepfoundationsincludepiers,caissons,andpilesinstalledinavarietyofways.andwithoutacleardistinctionpossible(ornecessary）amongthem.Forexample,thereisnormallynodifferencebetweenadrilledcaissonandadrilledpierand.mostoften,onlyamodestdifferenceindiameterbetweenadrilledcaissonorpier.andwhattheBritishcallaboredpile.PiersMostoftenpiersareinstalledinsmall,braced,hand-dugormachine-excavatedexcavationsextendingtoashallowbearingstratum.Verydeep.hand-dugpiershavebeeninstalledinChicagoandelsewhere.However.theyrequiregreatcareandfavorablesubsurfaceconditions.Piershaveaconstantcross-sectionfromthebearingstratumtosomelevelwithinthebasementofastructurewhereacolumnwillbearonthepier.Underfavorableconditions,somewideningorbellingof'thebottomofthepieratthebearingstratumispossible.TheratioofdepthDtowidthBforpiersgenerallyrangesbetween2.5and5；thatis,apier4X4ft(1.2X1.2m）inplandimensionswillfrequentlybefoundedatdepthsofl0-20ft(3-6m）belowbasementlevel.However.theratioD/Bforhand-dugpierscanI0ormore.Piersareusedtocarrystructuralloadsbeneathanear-surfacelayerofunsuitablebearingmaterialtoanearbycompetentstratum.Thecostofhand-dugpiersrelativetootherfoundationsystemsmaybehighbecauseoftheneedforabracedexcavationandcontrolofground-water.Thesheetingandbracingiscommonlyleftinplacewhenconcreteisplaced.Hand-dugpiersareusedinfrequentlyinmostoftheUnitedstates:drilledpiersorcaissonsareusedintheirplace.FactorsAffectingtheDesignofconcretefootingsInordinal'constructionstheloadonawallorcolumnistransmittedthesoilonwhichitrests.Iftheloadissymmetricalwithrespecttothebearingarea.thebearingpressureisassumedtobeuniformlydislributed.Itisknowthatthisisonlyapproximatelytrue.Underfootingsrestingoncoarse-grainedsoilsthepressureislargeratthecenterofthefootinganddecreasestowardtheperimeter.Thisissobecausetheindividualgrainsinsuchsoilsaresomewhatmobile,sothatthesoillocatedclosetotheperimetercanshiftveryslightlyoutwardinthedirectionoflowersoilstresses.Incontrast,inclaysoilspressuresarehigherneartheedgethanatthecenterofthefooting,sinceinsuchsoilstheloadproducesashearresistancearoundtheperimeterwhichaddstotheupwardpressure.Itiscustomarytodisregardthesenonuniformities(1）becausetheirnumericalamountisuncertainandhighlyvariable,dependingontypeofsoil,and(2）becausetheirinfluenceonthemagnitudesofbendingmomentsandshearingforcesinthefootingisrelativelysmall.Oncompressiblesoilsfootingsshouldbeloadedconcentricallytoavoidtilting,whichwillresultifbearingpressuresaresignificantlylargerunderonesideofthefootingthanundertheoppos