建筑力学与结构选型第10章-建筑结构选型课件

第10章

建筑结构选型10.1结构选型的总体原则10.2结构分体系的概念10.3

空间结构体系10.4基础体系10.1结构选型的总体原则10.1.1结构总体系的设计概念

1.结构总体系的整体化——即在初设阶段，忽略具体的结构形式，而将建筑结构视为一个或几个主要实体结构，以确定它所承受的总荷载与所需的总体抵抗能力。1、这个形式要有足够的刚度，并将其固定在地面上；2、这个形式具有重量，且重量必须由地面来支撑；3、这个形式必须能抵抗水平方向的风荷载和（或）地震作用，必须具有抗倾覆的能力。结构总体系的要求：2、结构的竖向荷载估算恒载与活载都是竖向荷载，最终均将传至地面。总自重通常为恒载的主要组成部分。上部结构的重力荷载将以线状（墙）或点状（柱）的方式作用在基础上。恒载均匀分布时，建筑物的近似总重主要取决于楼面面积和结构类型，与建筑形式无关。当竖向荷载合力与支承反力合力之间存在偏心时，建筑形式对重力荷载的分布起决定作用3．结构上的水平荷载估算水平地震作用估算结构上的水平地震作用是由于地震地面运动下结构物的惯性作用而产生的，其大小和分布取决于沿建筑物高度的质量的分布、地震烈度、场地土条件和建筑物自身的动力特性等。图10.4水平地震作用沿高度分布(a)水平地震剪力分布；(b)水平地震作用力分布；(c)建筑结构剖面；(d)水平地震作用的合力风荷载估算风荷载的大小由场地风速、建筑物体型、建筑物高度及其立面形状、受风面积以及考虑风的动力效应的风振系数等决定，可用建筑物顶端的单位面积风荷载以及受风面积进行估算。风速沿建筑物高度增大，对于受风面形状规则的矩形高层建筑，风荷载分布可近似视为上大下小的阶梯踏步形分布。图10.12风荷载（左）及地震水平作用（右）产生的有关参数沿建筑物高度分布情况(a)长方形建筑物；(b)倒三角形建筑物；(c)正三角形建筑物在建筑物总体方案设计时，如果改变了受风面的形状，建筑物所受到的风荷载及其合力作用点就会发生相应变化；如果改变了建筑物重力荷载的分布特征，建筑物所受到的水平地震作用及其合力作用点也会发生相应变化。4.结构的整体抗倾覆能力水平作用力引起的倾覆竖向作用力提供抵抗倾覆的力矩。将造成倾覆的力矩称为倾覆力矩。抵抗倾覆的力矩称为抵抗力矩。竖向作用力引起的倾覆实际建筑结构的体型往往较复杂，但总是可以将其分解为若干简单的体型。估算总荷载时，可以先按简单体型进行分析，而后按照它们之间的结构关系加以组合。在建筑结构设计时，可以根据总体积不变（即总重力不变）的原则，选择几种不同的方案，分别估算各种方案的水平荷载及其倾覆力矩，作为判别方案优劣的一项依据。5、结构的总体刚度结构在传力过程中还需具备一定的刚度结构整体的抗弯刚度主要影响因素：结构体系平面形状在受力方向上的宽度——即结构体系上沿主要水平作用力方向的跨度等几何因素有关。材料的弹性模量

10.1.2构筑荷载路径和结构选型的基本原则建筑结构形式千差万别，结构使用过程中的荷载也并不确定；所有的荷载都应具有荷载路径；结构形式不唯一。荷载的有效快捷传递要求所构筑的荷载路径是连续的。结构的基本功能是传递荷载竖向荷载的传递路径是“自上而下”的。

作为传递竖向荷载的结构，要求自上而下没有间断

水平荷载的传递路径也要求连续可将整个建筑视为相对于地面的悬臂结构，则该悬臂结构在传递水平荷载时不能发生间断竖向传力路径和侧向传力路径通常是相互关联的。传递水平风荷载与地震荷载的水平构件（楼板、屋盖、梁等）最终需要通过竖向的悬臂构件（墙体或柱）将荷载传至基础。构筑荷载路径即为每种荷载组合建立一条结构路径，荷载路径的几何形式即意味着结构的具体形式，即梁、柱、框架、桁架、索、拱或组合结构等。确定的荷载路径并不意味着确定的荷载路径的几何形式，因此，即使荷载路径确定，结构形式的选择仍是多种多样的。这正是结构选型的不确定性所在。结构选型通常遵循以下基本原则：适应建筑功能的要求：根据建筑物对客观空间环境的设计要求，大体确定建筑结构的尺度、规模和相互关系。尽可能降低结构构件的高度，选择与建筑物使用空间相适应的结构形式。如对于某些公共建筑，其功能有视听要求，如体育馆为保证有较好的观看视觉效果，比赛大厅内不能设柱，须采用大跨结构；大型超市为满足购物需求，室内空间应具有流动性和灵活性，因此，需采用平面布置灵活的结构。此外，结构选型还应注意结构的几何体型对建筑物采光照明、声学效果、屋面排水等的影响；满足建筑造型的需求：荷载路径的几何形式的改变虽然不会影响荷载的传递效果，但对建筑外观的影响却是深远的；而对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构，应尽可能在结构上形成规则单元，如CCTV大楼；考虑材料特性和施工技术条件：结构形式要适用于材料特性，如砌体结构多可以就地取材，抗压性好，对施工技术要求较低，适于底层、多层建筑；钢材轻质、抗拉性好，适于高层、大跨结构，但对施工技术及设备要求高；充分发挥结构自身优势合理造价：每种结构形式都有各自的优势和不足，有其使用范围，要结合建筑设计的具体情况进行选型；当有几种结构形式都可能满足建筑设计条件时，经济条件就成为决定性因素。经济因素不仅包括某个方案付诸实施的一次性建造费用，还包含结构全寿命的费用，如维护、加固、监测等。没有确定的荷载路径即使对应确定的荷载路径，也没有唯一的荷载路径几何形式，即结构形式荷载路径的几何形状的改变虽然不影响荷载的传递，但对结构和构件形式以及材料的选取却有着深刻的影响。10.2结构分体系的设计概念建筑空间可划分为若干个结构分体系每个分体系又可以是局部的整体结构根据几何特征分为：水平分体系竖向分体系10.2.1水平分体系结构的水平分体系是指结构总体系中由轴线或大尺寸方向为水平方向的构件和分体系部分。水平分体系在结构中的作用：在竖直方向——通过构件的弯曲来承受屋面和楼面的竖向荷载（主要是恒载和活载，一般为重力荷载），并将它们传递给竖向结构分体系；在水平方向——起隔板和支承竖向构件的作用，并维持竖向分体系的稳定。水平分体系一般由楼盖和屋盖组成，其基本构件有梁、板等，此外还有空间网架和网壳等。1.平板式分体系楼板屋面板支撑方式：简支、固定支撑锥形柱帽型平板式无柱帽型平板直接支撑在竖向立柱上，这要求平板本身具有较强的承载力尤其是柱支撑点上的局部抗剪能力世界上第一座无梁楼盖仓库（瑞士工程师R.Maillart设计)2.梁板分体系将平板的一部分厚度转化为梁，平板上的竖向荷载通过梁再传给柱，将平板与梁组成一个完整的体系梁和板协同工作原理板的受力状况受其支撑条件影响单向板挠度比双向板大(a)单向板肋梁楼盖；(b)双向板肋梁楼盖；(c)井字形楼盖；(d)密肋楼盖从整体概念上来分析水平分体系，可将水平分体系视为由竖向分体系支撑的大平板。当平板上的竖向荷载过大，板的弯曲承载力及抗剪能力不足以满足安全与使用功能要求时，可以增加板厚或增设不同的梁体系来增强板的强度，也可以通过格构化的方式以大幅度地增加板的厚度等方法来使板达到功能要求。水平结构分体系也可统一视为梁结构。板结构可理解为将高度为板厚t的梁密排组成的结构。由此大大提高了水平面内的抗弯强度，但减小了横向刚度。网架结构可视为格构化的厚板同一结构分体系中不同的结构形式是可以互相转化的，不是一成不变的。10.2.2竖向分体系结构的竖向分体系是指结构总体系中以竖向构件为主体而组成的分体系。它是使建筑物有足够的空间满足使用功能的必要保障。竖向分体系在结构中的作用：在竖直方向承受由水平分体系传来的全部荷载，并把它们传递至基础；在水平方向抵抗水平荷载的作用，如风荷载、水平地震作用等。相对于水平分体系，竖向分体系承受更为复杂的荷载作用。将整个建筑物视为一个实体大柱或简单的筒体式竖向分体系1．框架式竖向分体系将单个大柱分成若干小柱，并用水平分体系中的基本单元——梁——将它们刚结成梁柱组合体系即构成框架体系纯框架结构中，墙体仅起分割和围合的作用，不承担荷载，但可以传递一部分水平荷载纯框架结构的优点：建筑平面布置灵活；因采用非承重外墙，可使立面设计灵活多变；采用轻质隔墙或外墙，可大大降低结构自重，节省材料。框架结构的主要缺点：框架结构的侧向变形大，尤其是底部空间变形较大该缺点限制了框架结构的使用高度。在地震区，易引起非结构构件如隔墙、预制楼板等的破坏。但通过合理设计，纯框架结构也可以具备良好的延性以利抗震，即所谓的延性框架，基本设计原则是“强柱弱梁”，梁设计为“强剪弱弯”。纯框架结构可预制装配也可整体现浇。一般采用框架梁柱整体现浇，楼板预制装配。抗震区应优先采用现浇框架。我国纯框架结构一般做到15~20层，国外严格按延性设计施工，采用轻质隔断，可做到30层。2、墙式竖向分体系将多个独立柱密排，即可得到墙体系。墙体系起维护和分割空间的作用，同时，还可以成为承受竖向和水平荷载的主要承重体系。剪力墙体系是多高层建筑中常用的一种竖向分体系，尤其在抗震要求较高的地区。墙的几何特征与板相似，其承载机制类似于高度较大的深梁墙体主要承受沿墙体平面的荷载，可视为扁平的大梁墙体平面尺寸远大于厚度方向的尺寸，故可以很好地抵抗作用于墙平面内的竖向和水平荷载，而对垂直于墙体平面的水平荷载则抵抗力较弱抵抗任意方向水平荷载的需要合理的墙体布置剪力墙布置原则：应避免某一个方向上抗剪或抗扭刚度过小，应尽量使抗剪中心接近建筑物风荷载或水平地震作用产生的侧向荷载中心，否则结构会在水平荷载作用下产生水平扭转。剪力墙成对布置，使结构具有抗扭的能力。底部框支剪力墙体系：部分剪力墙落地，而部分剪力墙在底部改为框架，可在底层或底部若干层形成平面灵活的大空间底层往往是结构抗震的薄弱环节3、筒体式竖向结构分体系(a)实腹筒；(b)框筒；(c)桁架筒；(d)筒中筒将墙板围合成相对封闭的环就构成筒体结构，相当于竖向放置的悬臂箱型梁，除需承受自重及其它竖向荷载外，还要承受来自不同方向的水平荷载作用，且刚度在各方向应一致。影响筒体结构特性的重要参数是其高宽比。当筒体的高宽比小于3时，它主要表现为抗剪；当高宽比大于5时，以抗弯为主；高宽比大于7时，则单筒结构就过分柔软，侧向位移将过大，可采用连系梁将两个或两个以上的筒体连接起来，以满足整体抗弯刚度的需要。结构的竖向分体系不仅要考虑竖向承载问题，还要考虑水平荷载作用时的侧向刚度问题。与水平分体系一样，各种类型的竖向分体系之间是可以相互转化与合并的。这种转化与组合，可创造出多种实用的竖向分体系。曲线形体系是对结构形状敏感的体系。为选择恒载效应的最佳状态，曲线形结构应该有与其固有压力线（即横截面轴压力迹线，合理拱轴线就是拱在给定荷载下的压力线）相接近的形状，这样可使得曲线构件的截面上无弯矩或弯矩很小，体系中只有轴力且所需材料用量最少。曲线形结构的受力效率很高。10.3拱和悬索结构体系曲线形结构的不足在于：建筑高度空间的利用率不如平直体系高，施工技术较复杂。为便于实际使用，可在原曲线形结构体系上附加一个平面体系。拱结构的外形多为抛物线、圆弧或折线。拱在外荷载和支承点水平推力和竖向反力作用下，本身拱肋上基本处于受压或较小的偏心受压状态。若采用合理的拱轴线形式，则整个拱将直接承压，而无弯矩和剪力拱是一种特殊的分体系，与其他水平、竖向分体系相比，拱结构具有较明显的水平、竖向分体系共同特性，即拱本身就是一个完整的传力体系。1、拱结构体系拱结构的受力机制与拱的形状密切相关，即拱结构的跨度和矢高是拱的主要控制尺寸。拱结构的矢高与建筑物的外形、使用要求、屋面结构处理以及结构内力计算等因素有关。矢跨比f/l愈大，拱脚的推力越小，拱的内压力也越小；矢跨比f/l愈小，拱内压力越大，所需的水平推力也越大。一般屋盖结构可取矢跨比为1/7-1/5，且不应小于1/10。拱结构的截面形状与梁类似。钢结构和木结构拱可采用格构形式，钢筋混凝土拱一般采用实体形式，截面有矩形、工字型、箱型等。大跨屋盖和桥梁中常采用箱型截面。拱身一般可采用等截面，无铰拱一般采用在拱脚处增大截面的变截面形式以抵抗拱脚处的剪力。提供水平推力的方式：2、悬索结构体系——利用抗拉材料特性悬索结构的稳定性不会产生压曲失稳，整体的跨高比可达到10左右。须保持结构自身一定的刚度，以避免在风荷载和局部荷载作用下的过大柔性变形。

悬索结构在房屋建筑中的应用——索网式屋盖悬索结构的的关键是边缘支撑方式，一般用钢量大于索网部分，施工也较复杂。边缘构件一般可采用钢筋混凝土梁、环梁、拱等，必须具有一定的刚度以有效承担索网的内拉力，边缘构件的支承构件一般为柱、支架或基础。双曲双层悬索体系

设置承重索和稳定索，承重索承担屋盖重力荷载

稳定索上施加预应力，以提高屋面的自重和刚性增加重力荷载以提高索的稳定性10.3空间结构体系如果荷载传递的方式为向四周传递而非单一的线性路径，对应的结构即为空间结构。空间结构包括网架、壳体、穹顶以及其他空间曲面形式及其组合。10.3.1壳结构体系壳结构体系是拱结构向空间的延展，是拱轴线旋转产生的曲面结构。又称薄壳，具有厚度远小于另外两个方向尺寸的显著特点。a球面b椭圆抛物面c柱筒面d双曲抛物面e菱形平面f组合平面壳的受力特点：与拱类似，内力以压力为主，沿厚度方向的弯矩可以忽略。壳体结构的基本组成单元：壳面和边缘支承构件。边缘构件是壳的边界和支座，为壳面提供明确的受力边界条件。壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重和围护的双重结构作用，从而节约结构材料。壳体结构是由拱和环箍构件组成的组合体系

拱内弯矩的大小决定了环箍力的大小

拱的弧线越接近理想拱轴线，环箍力就越小

理想的双曲拱壳的壳面既能起到连续的拱肋的作用，又能起到周边环梁的作用，环梁既能受压又能受拉。悬索、拱、壳体这类曲线和曲面形式的结构均为对形状敏感的结构。这类结构自身抵抗弯矩的能力差，仅当其具有接近压力线或索链线的形状时才能发挥结构的优势。这类结构的整体承载力和变形主要由曲线或曲面的形状来控制，而不是由构件截面的高度或厚度来控制。悉尼歌剧院为钢筋混凝土结构，外部造型与内部功能无直接联系。三角形壳瓣是以Y形、T形的钢筋混凝土肋骨拼结而成。由于结构计算复杂和施工困难，工期长达17年，造价超过预算的十几倍。10.3.2空间网架结构体系网架是由许多短直杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的网状结构。可视为格构化的板，即将板的厚度加大并进行格构化处理，就形成了网架结构。网架结构是高次超静定的空间结构体系，网架与壳体的结合，可使其造型更趋轻巧、美观和多变，宜于建造大跨度建筑的屋盖。平板式单层网架网架结构按外形可分为平板网架和壳形网架平板式双层或多层的网架壳形网架有单层、双层、单曲等各种形状。将平板网架弯曲就形成了壳形网架，即格构化的壳体短程线球形网壳-加拿大摩纳哥特里尔世界博览会美国馆筒壳其他空间结构形式折板结构巴黎联合