结构选型与方案设计课件

结构选型与方案设计水利与土木工程学院陈存恩2008.9

参考教材：建筑概念设计与选型，江见鲸，机械工业出版社建筑结构选型，陈眼云等，华南理工大学出版社建筑结构选型，张建荣，中国建筑工业出版社中大跨建筑结构体系及选型，虞季森，中国建筑工业出版社1精品课件结构选型与方案设计水利与土木工程学院1精品课件第一节建筑结构概论一、建筑与结构的关系 建筑是结构的外衣；结构是建筑的骨架二、建筑的结构分类1、地面以上的结构：

钢筋混凝土结构（包括预应力混凝土结构） 钢结构（包括轻型钢结构）

砌体结构（包括砖、石、砌块） 木结构 混合结构（包括砖与混凝土、钢与混凝土）

薄膜结构、悬索结构、索膜结构2精品课件第一节建筑结构概论一、建筑与结构的关系2精品课件

2、地面以下的结构（基础部分）

天然浅基础（独立基础、条形基础、十字交叉基础、筏型基础） 深基础（桩基础） 人工挖孔桩 机械钻、冲孔桩 预应力管桩（静压桩、锤击桩）桩筏基础（复合基础）地基处理：堆载，强夯，换填，土、碎石桩，搅拌桩 3精品课件 2、地面以下的结构（基础部分）3精品课件三、结构设计过程和原则

1、施工图设计过程 选定（假设）结构； 计算结构所受荷载； 计算结构所受内力和变形； 构件设计，满足强度和刚度要求； 构造设计； 绘制施工图 2、原则：安全、适用、经济、美观、耐久 3、结构设计的两种状态承载力极限状态和正常使用极限状态。4精品课件三、结构设计过程和原则4精品课件四、结构设计的依据

1、力学原理 2、设计与施工规范、规程 3、材料标准、产品目录、材料的检测报告 4、工程地质资料（报告） 5、建筑物使用要求（设计任务书）6、政府的批准建设文件5精品课件四、结构设计的依据5精品课件五、课程学习目的

宏观把握结构方案设计的内涵及原则，以便在今后的结构设计工作中掌握主动性，有目的地进行结构选型设计、方案比较和优化设计。六、本课程学习内容和要点

在对钢筋混凝土结构、钢结构设计方法以及基础工程设计已经熟悉的条件下，结合实际设计工程，从结构受力合理、材料运用合理的角度对多种结构体系以及结构方案布置进行比较，目的是在满足结构安全的前提下获得更好的经济效益和更好的适用性。

6精品课件五、课程学习目的6精品课件第二节结构选型设计的总体问题一、选型设计的各阶段1、结构体系选择2、结构方案选择3、结构构件尺寸初步确定二、综合考虑的因素1、建筑物使用功能和建筑方案2、外部作用（荷载）3、地质条件（包括地下水）4、施工手段7精品课件第二节结构选型设计的总体问题一、选型设计的各阶段7精品课三、选型设计考虑的原则1、尽量满足建筑设计所提的要求2、要考虑施工队伍的技术水平及施工的方便性3、运用新技术要慎重，要考虑自身有无足够的能力完成该工程，还要取得业主的认可后方可实施4、要考虑结构造价的合理性、经济性5、最后，作为设计公司，工程设计实际上是商业行为，还要考虑自身的得和失。8精品课件三、选型设计考虑的原则8精品课件第三节钢筋混凝土楼盖结构方案设计楼盖类型选择1、单向板肋梁楼盖（主次梁楼盖）传力路线明确，设计较容易，适用于双向柱网尺寸不一样的情况。板厚一般较薄。两方向梁高不同，美观程度略差，多用于工业建筑或室内空间有墙分隔的情况。2、双向板肋梁楼盖（主次梁或交叉梁） 传力合理，造价较低，有效利用室内净高。适用于双向柱网尺寸大致相同的情况，尤其交叉梁体系，外形美观，是常用的结构形式。板钢筋一般不能充分利用。9精品课件第三节钢筋混凝土楼盖结构方案设计楼盖类型选择9精品课件3、密肋梁楼盖 另一方向梁尺寸大，主要用于增加单方向室内净高。制作时费模板，应用不多。4、无梁楼盖 有效增加室内净高，板厚度较大，配筋多，不经济，多用于荷重较大的情况，例如多层厂房、上有覆土的地下车库等底板、顶板。抗震性能差，地震区限制使用板柱结构。5、预应力混凝土梁板结构单、双向预应力钢筋混凝土梁，能增加室内净高。预应力混凝土无梁板，能有效增加室内净高。10精品课件3、密肋梁楼盖10精品课件11精品课件11精品课件二.各种楼盖的常用尺度和布置1、单向板肋梁楼盖板厚度h:100～160mm，常用100～120mm，180mm以上要配双层钢筋，慎用。从经济的角度考虑，板厚度尽量薄，为板跨度L的1/30～1/45。次梁：梁支承在主梁上，通常是连续梁形式，仅承受竖向力作用。梁高h常取梁跨度L的1/15～1/12。h/b约2～3.5。主梁：梁两端支承在框架柱或墙上的是主梁，大空间时，为连续梁形式。除受有竖向力外，还受有地震作用力、风的作用力。梁高h常取梁跨度L的1/12～1/10。h/b约2.5～5。下面是主次梁楼盖结构的几种布置方式，要点是：增加净高、传力路线短、受力合理。12精品课件二.各种楼盖的常用尺度和布置12精品课件13精品课件13精品课件14精品课件14精品课件2。双向板肋梁楼盖板厚度h:100～160mm，常用100～120mm，180mm以上要配双层钢筋，慎用。从经济的角度考虑，板厚度尽量薄，为板跨度L的1/40～1/45。双向板肋梁楼盖体系通常采用交叉梁体系，梁高h一般取全梁跨度L的1/16～1/12，比主次梁体系主梁的高度小，原因是力向两个方向传递了。h/b尺寸同前述。搁置在柱上的交叉梁同时是框架梁，受力类似单向板体系的主梁，尽管梁高相同，但梁宽可以不同，或者通过增加配筋，以适应其不同。下图是双向板主次梁楼盖体系15精品课件2。双向板肋梁楼盖15精品课件16精品课件16精品课件17精品课件17精品课件3。密肋梁楼盖 常用的尺度是肋间距1m左右，板厚度40mm～100mm，小肋梁高可取板跨度L的1/25左右，可看出尺度间于板厚度和次梁梁高之间的尺寸。 密肋梁楼盖还有双向密肋形式，如图：4。无梁楼盖5。空心楼盖（新型结构形式）18精品课件3。密肋梁楼盖18精品课件北京大钟寺市场批发厅——双向预应力密肋板体系.19精品课件北京大钟寺市场批发厅——双向预应力密肋板体系.19精品课件20精品课件20精品课件三.梁板结构的构造和经济要求1、梁梁、板砼强度等级宜相同，不高于柱强度主次梁交叉点处在主梁设吊筋主梁高度一般不少于次梁高度从经济考虑，抗裂所需钢筋不应大于强度所需钢筋从经济考虑，梁宽度不应大于梁高度梁理想的经济含钢率约在1%~1.5%左右外墙梁高度应与窗口高度相适应悬挑梁高度与简支梁相比，高度大一倍梁宽与梁高的比值约在1.5~4之间，梁高时取大值21精品课件三.梁板结构的构造和经济要求21精品课件2、板板不宜太厚，一般不超过160mm，超过180mm则要设双层钢筋，更不经济；板不宜太小，否则由于最小厚度限制，不经济板不宜太大，否则自重作用下配筋也很大；从经济考虑，板钢筋宜用高强度，如Ⅲ级钢筋；若由裂缝控制，则用Ⅰ级钢筋经济；若板尺寸不是很大，板上可以直接承受集中荷载或线荷载，这种方式经常用于多、高层住宅的小房间（厨房、卫生间等）的布置；板厚通常由板跨度和板面活荷载决定，工业厂房板厚不宜少于120mm。22精品课件2、板22精品课件3、材料要求

尽量使用强度等级高的材料，好处：减轻自重，有利于抗震；有利于减少基础费用增加内部空间降低造价23精品课件3、材料要求23精品课件第四节多、高层建筑结构体系与布置一、概述

1、结构体系 体系主要由以下几种： 框架、框架—剪力墙、剪力墙、框架—筒体、筒体等。 多层与高层在结构体系上有本质的不同，多层基本上全是框架体系，而高层基本上全是剪力墙体系或框架—剪力墙体系。这几种体系的不同在于框架体系的梁柱构件既承受竖向力，同时也承受水平力，而框架剪力墙体系中，梁柱构件主要承受竖向力，水平力主要由剪力墙承受。24精品课件第四节多、高层建筑结构体系与布置一、概述24精品课件

剪力墙体系和筒体均应用于较高的高层建筑，尤其是筒体，侧向刚度极大，更是在超高层建筑中广泛应用。2、确定建筑结构方案的四大原则

其一：传力路线要明确 其二：强度、刚度协调匹配 其三：结构的稳定性（倾覆、滑移）其四：充分利用材料和构件的优点25精品课件 剪力墙体系和筒体均应用于较高的高层建筑，尤其是筒体，侧向二、多层框架结构

1、框架结构受力特点框架是由梁和柱刚性连接的骨架结构。从四大原则来分析，它不是一种受力很优秀的结构形式。梁未能充分利用混凝土优良的抗压性能，而成为一个抗弯构件。这拘束了它不能做很大的跨度。 但是，不能为了受力合理而不顾使用功能，因此，梁板结构又成为最常用的结构形式。 另外。框架结构本身较柔软，即其本身的刚度较低，在风或水平地震作用下侧移比较大，所以它不能做得很高。一般较经济的高度在10层左右。 26精品课件二、多层框架结构 1、框架结构受力特点26精品课件2、实例分析某城市中心的一个影剧院27精品课件2、实例分析某城市中心的一个影剧院27精品课件拟建总平面图28精品课件拟建总平面图28精品课件29精品课件29精品课件30精品课件30精品课件31精品课件31精品课件3、常用柱网尺寸、构件截面尺寸及材料强度柱网尺寸由使用功能、层高和建筑物总长总宽确定。层高决定框架梁的最大高度；柱网尺寸宜均匀。柱构件尺寸由柱网尺寸、楼面荷载和结构总高度决定。梁板构件尺寸基本按钢筋混凝土楼盖结构确定。材料强度由建筑物层数和建筑规模确定。一般混凝土C25-C40，梁和柱纵向受力钢筋Ⅱ-Ⅲ级，箍筋和板钢筋Ⅰ-Ⅲ级。其余注意事项：a.基础形式与上部结构匹配；b.地震设防烈度(抗震等级，轴压比)；c.施工条件（如是否商品混凝土、市场上钢筋级别等）；d.有无防火分区；e.梁高与建筑、空调、水电工种的匹配；32精品课件3、常用柱网尺寸、构件截面尺寸及材料强度32精品课件4、工程实例----沙步商业广场结构介绍一层地下室，上部5层框架结构楼面活荷载：3.5kn/m2柱网8.6×10.0M层高（M）：5.3，5.2，4.0，4.0，4.0，5.3柱截面(mm)：600×600-800×800梁截面(mm)：框架梁350×800，300×900,次梁250×600板厚：100mm混凝土强度等级：地下室和首层柱，C30其余层及梁、板，C2533精品课件4、工程实例----沙步商业广场结构介绍33精品课件三、高层结构

1、结构在高层建筑的重要性和特殊性高层建筑的主要矛盾是其刚度要求，即它做得越高，受到的水平荷载越大，设计有效的结构抵抗外部水平作用使其不至于变形过大，成为高层建筑结构设计的关键，为此，建筑设计师在方案设计方面也要服从结构工程师。换句话来说，做高层就是做它的结构。2、结构规范对于结构体系的规定体系与建筑物功能、总高度及抗震设防烈度相关。例如，7°烈度设防，框架不能超过55m，落地剪力墙和框架-剪力墙结构不能超过120m。有高宽比的要求，例如，7°烈度设防剪力墙最大为6。结构方案应当规则，在平面和沿建筑物高度尽量减少凹凸。34精品课件三、高层结构34精品课件高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。内力或位移=f(H4)M=f(H2)N=f(H)

结构内力、位移与高度H的关系H35精品课件高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。内3、高层建筑结构设计控制指标及要点（高规及广东省补充规定）各种结构体系的最大适用高度和高宽比（A级/B级）平面布置原则----与A/B级有关，B级允许高度大，但是在平面布置时对扭转位移比要求更严。竖向布置原则----与上面类似。变形缝的宽度与结构高度有关，结构越高，缝越宽。层间位移角限制通常是控制指标。结构的抗震等级确定----与A/B级有关，B级要求更严。体型不规则的划分----规则，不规则Ⅰ类，不规则Ⅱ，特别不规则，严重不规则。对剪力墙截面的要求：不宜太长或太短，墙厚度一般不小于200mm和层高的(1/20，1/16)。另外，按抗震等级的不同，剪力墙配筋不同，还要设置构造边缘构件或约束边缘构件。36精品课件3、高层建筑结构设计控制指标及要点（高规及广东省补充规定）34、工程实例----广东省韶关市三江紫园工程介绍总建筑面积约80000m2,由红线内2层地下室、2栋18层和4栋28层住宅组成。建筑总高度约98ｍ地下室层高3.8m，架空层6.0m，其余层高3.1m，顶层复式。地震设防烈度6°。基本风压(0.45/0.35)kn/m2。结构体系为剪力墙体系，墙柱混凝土强度等级最高C40，用于28层的下面2层及架空层、地下室2层，其余全部C30。剪力墙厚度：架空层及以下300mm，其余250或200mm。楼板厚度：普通房间100mm，大房间120/140mm，楼顶最薄120mm。设计控制指标：扭转位移比不大于1.5；层间侧移角不大于1/1000。属于扭转不规则Ⅱ类----一般不规则。剪力墙配筋：基本上构造配筋，剪力墙采用构造边缘构件。37精品课件4、工程实例----广东省韶关市三江紫园工程介绍37精品课件第五节轻钢结构选型及方案设计一、轻钢结构应用范围1、物流仓库2、工业厂房3、集贸市场二、轻钢结构的形式1、单跨双坡/多跨双坡2、柱与轻钢屋面结构刚结/铰接3、柱与基础刚结/铰接4、屋面主结构为钢梁/圆钢管桁架/方钢管桁架5、屋面主结构是空间受力/平面受力6、柱材料用钢/钢筋混凝土7、屋面和墙面材料用压型钢板/夹芯板/太空板38精品课件第五节轻钢结构选型及方案设计一、轻钢结构应用范围38精品三、体系选择和方案设计内容1、确定屋盖结构体系2、确定柱网尺寸和变形缝的位置3、确定各结构部分的连接方式4、确定使用的材料及强度等级5、确定结构构件的截面形式和初始尺寸四、结构体系选择和方案设计原则1、满足使用功能考虑：柱网尺寸、檐口高度、防火分区。2、满足经济性的要求考虑：柱网尺寸、外部荷载（主要是风）、基础形式。3、满足材料采购的方便和施工的可行性39精品课件三、体系选择和方案设计内容39精品课件例如：确定柱网尺寸时要考虑建筑物的总长度和总宽度，以使各跨尺寸均匀，并决定采用空间受力还是平面受力体系；确定柱网尺寸时要考虑建筑物的防火分区，以使防火墙位于结构轴线位置；确定柱网尺寸时要考虑檩条的经济跨度在8～9m之间；确定柱网尺寸时要考虑基础的费用和水平传力路线长度对结构造价的影响；确定柱网尺寸时要考虑结构体系，桁架跨度可以较大，而钢梁跨度太大则不经济；以上只是举柱网尺寸确定的例子，实际上，结构方案设计的各个方面均是多个因素综合考虑确定的。在结构方案设计上，没有对错之分，只有好坏之差。40精品课件例如：40精品课件五、轻钢结构实例----广州经济技术开发区峰光摩托车厂C1、C3号厂房结构介绍1、C1号厂房平面尺寸120×150m2，3跨柱网横向40m，纵向10m。檐口10.2m采用Q345钢梁,截面H850×200×6×8～H1640×250×8×12柱采用钢筋混凝土，截面500×700，强度C25，下端刚结，上端铰接。檩条采用C250×75×20×2.5，Q2352、C3号厂房建筑面积40×202m2，单跨柱网纵向8m，檐口11.33m,采用Q235方钢管桁架,跨中矢高2.87M柱做法同C1厂房檩条采用C200×70×20×2.0，Q23541精品课件五、轻钢结构实例----广州经济技术开发区峰光摩托车厂C1、作业：调查一栋建筑物具体要求如下：了解该建筑物的总体情况，如建设年代、使用功能、总高层高、结构体系、结构柱网布置、构件尺寸、使用材料等。尽量找出一些不足，写出初步的调研报告，并写出进一步详细调研的提纲。所涉及的范围不要局限于课程所讲内容，例如建筑形式与结构体系的匹配、建筑本身的缺点、施工的问题、工程投资的经济性等等，都可以写。资料收集应以现场观察得到的第一手资料为主，网上查找的资料作为补充。原则上每个人应当选择不同的建筑物，以避免抄袭之嫌。调研提纲返还同学后，再进一步完善，形成第二次作业。42精品课件作业：调查一栋建筑物42精品课件第六节基础的方案设计问题一、基础在结构中的重要性1、基础若出事，破坏是灾难性的，而且很难加固。2、地质情况很复杂，变化多，很难用统一的方法解决。3、解决基础承受上部荷载的方案很多，效果和经济性差异很大。二、常用的基础形式（广东省）1、桩基础预应力高强混凝土管桩（静压、锤击）壁厚——80mm～120mm；强度——C80

适用于淤泥、粘土、细砂等承载力极低的地基。管径（mm）Φ300Φ400Φ500Φ600承载力特征值（KN)60012001800270043精品课件第六节基础的方案设计问题一、基础在结构中的重要性管径（m钻、冲孔灌注桩

适用于需要穿过较厚的粗砂、卵石层以获得更高承载力或溶岩地区，或需要极高的单桩承载力情况。管径（mm）Φ600Φ800Φ1200Φ1800承载力特征值（KN)200040001200030000人工挖孔桩——适用于桩长度小于10M的情况。2、天然基础独立柱基条基础筏板基础箱型基础44精品课件钻、冲孔灌注桩管径（mm）Φ600Φ800Φ1200Φ1803、复合基础桩筏基础受力特点和设计要点：墙较密，很难仅墙下布桩，需要整个场地全部布桩。桩和筏板共同受力，筏板下土承力约(10—30)/%。有可能要考虑软弱下卧层的承载力验算广泛应用于广东地区的高层建筑中，筏板同时兼做地下室底板。软件PKPM可以进行全部计算和绘图，包括桩顶受力、筏板沉降变形、筏板配筋。桩距应大于3倍桩径，一般取3.5-4.5倍，否则场地土易隆起。布桩时宜梅花形布置，即等腰三角形。45精品课件3、复合基础45精品课件三、工程实例1、桩筏基础—韶关三江紫园高层住宅工程工程特点和地质特点：地下水位在-4.8M，地基土基本上是砂土和圆砾，透水性极强；因此，基础（地下室）埋深不能超过太深，否则施工成本将大幅上升。圆砾埋深约7M，厚约7M，下部是溶洞夹软弱土。基础方案设计：若为安全，可以用钻孔桩，穿过溶洞，落到基岩；若上部圆砾层可用为持力层，则可以用预应力管桩，大幅度节约造价，且缩短工期。但是要验算软弱下卧层的承载力。最后采用后者，桩径Φ500，桩距3.5倍，不考虑筏板下土的承载力。46精品课件三、工程实例46精品课件2、桩基础—沙步商业广场工程工程特点和地质特点5层框架结构，柱网尺寸8.6×10.0M；公共建筑，层高较大、活荷载较大(3.5KN/M2)；地下水位-1.8M；基岩深约-8.0M，以上是松散的砂质粘土和淤泥。基础方案设计选用桩基础形式，地下室尽管底板厚度300mm，但是不考虑筏板作用，因为直接做筏板板底土质承载力不够，而做桩筏又因为竖向荷载比较小，无此必要。地下室底板受荷为板面活载、自重和板底的水浮力。桩基础采用Φ500高强预应力混凝土管桩，承台之间设地梁。47精品课件2、桩基础—沙步商业广场工程47精品课件第七节结构形式与建筑形式的统一一、工程实例（1）—清华大学综合体育馆建筑面积12600m2，5000观众，固定座位2645，2001年竣工。建筑形式需要大跨度，需要体现力量，而拱结构恰可同时满足二者要求。48