第4章-建筑结构计算简图课件

第一节荷载的分类与传递结构上的荷载从何而来？有哪些类型和形式？不同的荷载其性质有何差异？又怎样计算它们？它们在结构中是如何传递的？如此等等，面对这些问题，一是不可回避；二是在结构受力分析和设计时，荷载的确定是前提。1一、荷载的分类在结构上所施加力并让结构来承担的就是荷载。比如结构自身所固有的重量，即重力，就称为重力荷载；吹到结构上的风力就称为风荷载；飘落在屋顶上雪的重量就是雪荷载。如此等等，这说明力和荷载是本质相同的两种不同的称谓。2作用在结构上的荷载，可谓是种类繁多，形式多样。例如，结构自重、水压力、土压力、风荷载、雪荷载、地震荷载以及人群重量等。这些荷载，有的比较恒定，有的灵活多变。比如，结构的自重和风荷载两者的差异性就很大,自重大致恒定不变，而风荷载却时有时无，有大有小。因此，有必要对荷载进行分类描述。3建筑工程中常遇到的荷载，根据其不同特征，主要有以下分类：1)按荷载分布情况分——集中荷载和分布荷载2)按荷载作用时间分——永久荷载和可变荷载3)按荷载作用性质分——静力荷载和动力荷载4(1)集中荷载当荷载的作用范围很小，此时可以认为荷载全部集中作用在一点上，即称之为集中荷载或集中力。集中荷载的单位一般用N或kN。5图4.1吊车梁上的荷载6图4.2主梁上的荷载72)分布荷载顾名思义，分布荷载是指力在构件内部或表面上连续分布和作用。分布荷载的大小用分布集度来表示，意为力的连续分布的密集程度。分布荷载可分为以下3种：①体分布荷载②面分布荷载③线分布荷载8图4.3板上的面荷载图4.4梁上的线荷载9图4.5挡土墙的受力分析10(1)永久荷载(恒载)这类荷载具有三定性：作用时间长久，位置固定，数值不变，故又称为恒载。例如，结构自身的重力荷载(自重)，以及建筑构造层(楼面、顶棚、装饰面层等)的重力荷载，均属于永久荷载。图4.9(a)是建筑物承受荷载示意图，图4.9(b)是结构荷载简图。其中标①者为构件自重，梁的自重为均布荷载，而柱的自重为集中荷载。11图4.9施加在建筑物上的荷载12图4.10楼面活荷载13(2)可变荷载(活载)这类荷载经常变化，具有三变性：作用时间短暂、位置不定(在一定范围内可以随意变动，任意分布)，数值可变(数值随时间变化，时有时无，时大时小、有时成群密集，有时无影无踪)。故又称为活载。14静力荷载是逐渐增加的荷载，简称静载。其大小和位置变化，不会引起显著的结构振动；反之，若荷载作用在结构上会引起显著的结构振动，则称之为动力荷载，简称动载。结构的自重及其他恒载，是典型的静力荷载；而动力设备(如吊车)所产生的荷载以及地震荷载等，则是动力荷载。15二、荷载的传递路径结构的主要功能之一就是能够抵抗并传递荷载。而结构又是由许多构件联结而成，因此，讨论作用在结构上的荷载是如何沿构件传递的(即荷载传递的路径)，是很有必要的。因为承受荷载的构件是重要的承重构件，是破坏不得的。161)竖向荷载传递先举一个简单例子。图4.14(a)为一根梁两端搁在墙上，这一结构是由梁和墙这两种构件联结而成。图4.14竖向荷载传递举例17再举一稍微复杂的例子，如图4.15(a)所示。这是由墙支撑的两层梁的情况，而且上部结构都搁置在一根大跨梁之上。设上梁所加的两荷载皆为P1，自重为P2；上层的两边墙体的自重均为P3；中梁所加的两荷载都是P4，自重为P5；下层两边墙体的自重均为P6；最底部的大跨梁的自重为P7，并假设结构和荷载都是对称的。18图4.15竖向荷载传递分析19图4.16荷载与结构的关系202)水平荷载传递作用在建筑结构上的不仅有竖向荷载，还有水平荷载，比如风荷载就是最常见的水平荷载。如何识别水平荷载的传递路径呢？下面举一例加以说明。21如图4.17(a)所示的标志牌，该结构由上下两根横梁、中间3根加劲杆、左右两根立柱所组成。当标志牌受到风荷载作用时，请分析水平荷载的传递路径。22图4.17水平荷载传递路径分析23更重要的是，竖向荷载和水平荷载对结构的影响是完全不一样的。首先，从荷载的传递路径来看，竖向荷载传递是从上到下，简单明了；而水平荷载传递就显得“拐弯抹角”。其次，如果把建筑物视为竖立的悬臂梁，如图4.18所示。24图4.18竖向荷载和水平荷载作用下的结构变形示意图(a)重力荷载；(b)水平均布荷载；(c)水平倒三角形荷载25第二节建筑结构的计算简图

结构的计算简图有三大要素：一是结构上的荷载，二是约束(如支座、结点等)的简化，三是计算长度的确定。其实，在此之前所遇到的都是已经简化了的结构计算简图，并以此计算结构的约束反力和内力。然而，我们不能只知其然，而不知其所以然。因此，对建筑结构如何简化的问题还有必要作进一步研究。26一、结构的简化先以一个最简单的例子来说明选取计算简图的方法和原则。如图4.19(a)所示的一根搁置在砖墙上的钢筋混凝土梁，其上受有均布荷载q的作用，梁的净跨为ln，在墙内的支承长度为a。现在要分析的是：如何将梁简化为图4.19(b)这样一个计算简图？27图4.19梁的计算简图281)支座的简化所选用的支座简图必须与支座的实际构造和变形特点相吻合。在建筑结构中，支座的实际构造形式很多，但在计算简图中常用的有3种：固定铰支座、可动铰支座、固定端支座。现在就以这3种支座的简化举例说明如下。29图4.20柱与基础联结30图4.21拱脚与基础联结31如图4.22所示的钢网架及桁架支座，由于构造上的差别，其支座可分别简化为固定铰支座和可动铰支座。图4.22(a)，(b)两图为柱与支座之间加一弧形钢板，并用螺栓联结。图4.22(a)可简化为固定铰支座，而图4.22(b)图可简化为可动铰支座。32图4.22弧形承压支座33如图4.23的屋架端部与柱或墙联结的构造。图4.23(a)的木屋架通过预埋在柱子或墙内的螺栓与柱或墙相连接；而图4.23(b)的钢筋混凝土屋架，其端部与柱顶都有事先预埋的钢板，吊装就位后，把钢板焊在一起。两图中的屋架与柱都不能发生相对位移，但仍然有可能发生微小的相对转动，故常把这种结点简化为铰结点。34图4.23屋架与柱(墙)联结——铰结点35如图4.24(a)所示为现浇钢筋混凝土框架顶层结点的构造。因梁与柱在结点处，是用混凝土现浇成整体，且配置适量钢筋，截面能传递弯矩，故在结点处，梁与柱既不能相对移动又不能相对转动，此时便把该结点简化为刚结点，如图4.24(b)所示。36图4.24现浇钢筋混凝土框架的梁与柱联结——刚结点373)构件的简化构件的截面宽度或厚度通常比其长度要小得多，在求截面内力时，其实与截面形状和尺寸并无关系。既然如此，在计算简图中，构件则可用其轴线来代替，并把构件统称为杆件。杆件之间的联结需用结点表示，杆长用结点间的距离表示，而荷载的作用点也移至轴线上。38如图4.25(a)所示，厂房中的屋架在竖向荷载作用下为一受弯构件，可用一水平杆件替代，柱的上下两段截面尺寸不同，截面形心的连线不是一条直线，故用粗细不一的杆件代替。根据梁与柱结点构造情况，一般梁与柱联结可视为铰结，故该结构简化为(b)图的排架。39图4.25厂房的排架40图4.26门式刚架的计算简图414)结构体系的简化大多数的结构实际上都是空间结构，各个构件相互连接成为一个空间整体，以便抵抗各个方向可能出现的荷载。为使计算方便，可设法把空间结构分解为平面结构，这种简化称之为结构体系的平面简化。42如图4.27(a)所示为单层厂房结构，它是一个较为复杂的空间结构，怎样简化为图4.27(b)所示的平面排架呢？图4.27空间结构分解成平面结构43如图4.28(a)所示为一多跨多层房屋框架结构的平面布置图。梁和柱实际上组成了一个空间刚架，但在设计时则按平面刚架计算。44图4.28框架结构的平面计算简图455)荷载的简化实际作用在结构上的荷载，在计算简图中，需要把它们简化为作用在杆件上的线荷载、集中荷载或力偶。这已经在本节开始时讨论过，故不再重复。46图4.29楼面的梁板结构图47二、结构的分类结构的力学分析是以代表实际结构的计算简图为对象，故这里所谓结构的分类，就是指计算简图的分门别类。1)杆件结构杆件结构通常可以分为下列几类：(1)梁(2)拱(3)桁(网)架(4)刚架48图4.30单跨与多跨连续梁图4.31拱与曲梁49图4.33桁(网)架图4.34刚架502)薄壁结构如图4.35所示，薄壁结构是厚度远小于长、宽、高等尺度的一种结构。当它为一平板状的构件时，就是平板，如图4.35(a)所示；当它由若干块薄板所围成，则构成折板结构，如图4.35(b)所示；当它具有曲面外形时，则称为薄壳结构，如图4.35(c)，(d)所示。51图4.35薄壁结构(a)平板；