《结构概念和体系》课程简介

2025/1/91《结构概念和体系》

StructuralConceptsandSystems

课程简介本课程是工业大学土木工程学院为进行课程系列改革而开设的专业选修课(24学时)。也可作建筑学、房地产、道桥等专业的选修课。本科程突破了原有的课程体系，强调各课程之间的横向联系，特别注意从房屋的整体（而不是结构构件）来分析和理解结构体系，收到了较好的教学效果。2025/1/93

本课程在工业大学已讲授十多年了。教材也已更新三次，新版教材《结构概念和体系》

2009年7月已由高等教育出版社列为“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”和“新世纪土木工程系列教材”出版。教材附有配套的多媒体课件光盘，为学生提供了更多的工程实例和精美的彩色图片，也可供教师上课参考。

教材及多媒体课件2025/1/95

随着科学技术的发展，专业和学科间的分工越来越细，各专业和各课程间的横向联系常常被忽视。然而，一栋优秀的建筑必然是建筑、力学、结构、设备等各专业密切配合、创造性合作的成果。本课程从最基本的结构概念出发，强调建筑形式、结构类型和受力特点之间的密切关系，引导学生在设计中正确处理好建筑和结构体系的总体问题。课程内容围绕以下几个方面展开：一些重要的结构概念；建筑设计方案阶段要考虑的结构总体问题；结构水平体系和结构竖向体系的主要类型和特点;介绍国内、外著名建筑及建筑业的最新发展，剖析一些典型工程，使学生对结构体系有更深刻的理解。2025/1/96

本课程采用多媒体教学，深入浅出，图文并茂，内容丰富，有利于学生增加感性认识，扩大知识面。本课程的多媒体课件还提供了一些必要的英语专业词汇，以利于逐步提高专业英语阅读能力。

本课程2001年获工业大学优秀教学设计一等奖；

2003年获工业大学教学成果一等奖及黑龙江省高等学校教学成果二等奖；

2004年获工业大学优秀教学一等奖，并被评为工业大学的优秀课程。

2004年在青岛召开的《全国土木工程专业精品课程及精品教材建设工作研讨会》上我们曾对本课程作了简单介绍，受到兄弟院校的关注。一些专家认为《结构概念和体系》课突破了目前按学科分隔的课程体系，是土木工程专业课程体系改革的大胆创新和成功实践。也有人说：“这是一门培养总工程师的课程。”课程简介教学效果课程设置课程设置课程内容课程设置

随着科学技术的飞速发展专业和学科之间的分工越来越细专业之间和课程之间的联系常被忽视，学生的专业知识变得零碎了

有的学生虽能求解复杂的力学问题，却不会从最简单的工程结构中抽象出计算简图

平时往往重视构件的设计计算，而对结构体系的构成及其重要性认识不足

有的学生虽能设计高层建筑和大跨结构，但对最基本的结构概念理解不深这对科学技术的发展是非常必要的过细的分工有时也带来一些弊病课程设置本课程是一门理论与实际联系密切，多学科综合性的专业选修课

引导学生深入理解结构概念，学会从房屋总体（而不是结构构件）来分析和理解结构体系。通过介绍和分析各种常见的水平结构体系和竖向结构体系钢结构施工技术钢筋混凝土及砌体结构经济学等建筑设备力学房屋建筑学介绍国内外著名的建筑结构剖析典型的工程实例使学生开阔视野,提高专业素质目的在于对各门课程作横向连系分析典型工程例：

巴黎

艾菲尔铁塔

建于1889年，原是为纪念法国大革命胜利一百年及巴黎世博会而建的标志性建筑，高320m，是当时的世界第一高度，用钢9,000t。它不仅满足了标志性建筑及展览功能要求，并且由于其优美的造型而深受群众喜爱，已成为法国及巴黎的象征。从力学方面分析：铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁，对于高耸入云的铁塔来说，风荷载是其主要荷载，由于铁塔的总体外形与风荷载引起的弯矩图十分相似，因此充分利用了塔身材料的强度和刚度，受力非常合理；风荷载下的弯矩图M分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔

从建筑方面分析：现在，艾菲尔铁塔已成为巴黎和法国的象征。每年有六百多万旅游者登塔观光，旅游收入也十分可观。可见一栋优秀的建筑在社会、政治、经济和文化中所起的重大作用。分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔

从结构方面分析：塔底部斜框架结构合理，加大了跨度，使车流人流在塔下畅通无阻，更显铁塔的雄伟壮观。艾菲尔铁塔可谓建筑结构的完美统一。2025/1/914分析典型工程例:巴黎艾菲尔铁塔

课程设置更深刻地理解和体会一些重要的结构概念本课程的意义

了解作为建筑功能和形式因素的结构体系及其基本类型

了解和掌握建筑方案中空间形式和结构性能的相互关系学会从工程中抽象出计算简图学会用近似方法快速估算和比较各种设计方案

使得在房屋设计的方案阶段就能保证建筑设计与结构设计的基本协调。课程内容课程简介课程设置教学效果课程内容绪论

(Introduction)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)

第二章结构设计中的总体问题(TheGeneralProblemsinStructuralDesign)第三章结构的水平体系(TheHorizontalSystemsofStructure)第五章工程实例简介(IntroductionofEngineeringExamples)第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemsofStructure)目录(Outline)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)

2025/1/9181.1基本受力状态(TheBasicMechanicalStates)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)

1.1基本受力状态(TheBasicMechanicalStates)1.2材料对结构的影响(TheEffectsofMaterialonStructure)1.3关于构件尺度的概念(TheConceptsofMembers’Dimension)1.4构件受力后的变形(TheDeformationsofMemberafterLoading)1.5预应力的概念(TheConceptsofPre-stress)2025/1/919

强调拉、压、弯、剪、扭五种基本受力状态对材料的利用率，指出拉、压对材料的利用率最高，桁架、拱、网架、张拉索结构、膜结构等都是充分利用拉压的工程实例。课程内容：第一章一些重要的结构概念基本受力状态c)扭qb)弯剪τσa)拉压HHHH2025/1/920课程内容：第一章一些重要的结构概念材料对结构的影响

石板或素混凝土梁，由于其抗拉强度ft远小于抗压强度fc，即ft<<fc

，当拉应力超过抗拉强度时梁就开裂破坏，破坏由

ft引起。

木梁，由于天然木材有弯曲，切割成矩形木梁时木纹与梁轴不平行，而木材的横纹抗拉强度远小于顺纹抗拉强度，在主拉应力作用下，当主拉应力大于木材横纹抗拉强度

fttr

时，就发生斜向撕裂。

钢管受弯，钢材的拉压强度是相同的，即fy=f’y，但由于受压时可能引起较薄的管壁局部失稳，当压应力超过φfy’时受压区局部屈曲而早于受拉区破坏。a)砖石b)钢管c)木材（斜纹）2025/1/921

以在自重作用下的一根简支梁为例，说明按比例放大结构是很危险的。Lbh

结构尺度的影响课程内容：第一章一些重要的结构概念关于构件尺度的概念2025/1/922

现分别以下角标1和10代表原梁和放大10倍后的梁矩形截面梁

b10=10b1；

h10=10h1

；

L10=10L1自重线荷载

g10

=b10h10γ=100g1最大剪力

V10=g10

L10

/2

=1000V1最大弯矩

M10=g10L102

/8=10000M1截面抵抗矩

W10=bh2/6

=1000W1

钢筋混凝土梁抗弯、抗剪承载力由钢筋控制

[M10]

=As10

fy(

h010-0.5x10)

=1000[M1]由混凝土控制

[M10]

=b10

xb

fc

(

h010-0.5x

b10)

=1000[M1]最大抗剪力

[V10]max=0.25b10

h10=

100[V1]max

挠度跨中挠度

f10

=5g10

L104/（384EI10）=100f1课程内容：第一章一些重要的结构概念关于构件尺度的概念Lbh

可见，在结构设计中按比例放大结构是很危险的；截面高度的选择也必须考虑结构尺度的影响，对于跨度较大的梁截面应偏高一些。教材或规范上建议的梁的高跨比只在常用的跨度范围内才适用，超过这个范围就不对了。2025/1/923

正确估计和判断构件受力后的变形曲线，对估算和分析结构内力十分重要。对一般杆件，若忽略N和V

的影响，则

M/EI=1/ρ=d2y

/

dx2

双铰拱受荷后拱跨中曲率变小，拱脚上部曲率变大。可见，此拱跨中承受正弯矩，两侧拱脚上部承受负弯矩。

双铰拱左半跨受荷后左半跨承受正弯矩，右半跨度承受负弯矩。

无铰拱在全跨及半跨均布荷载下的变形曲线（左）及弯矩图（右）。细心对比后就会对曲率与弯矩的对应关系有所理解。yMyMyMMyqqq

虽然在此例中弯矩M、曲率1/ρ的变化与变形y很相似，应当指出，对于曲线形杆件上式中弯矩M应与曲率增量(1/ρ-1/ρ0）相似，即与变形y

的二次导数相似，而不是与变形y

相似。M

/EI=1/ρ=d2y

/dx2

对于等截面构件曲率和弯矩成正比课程内容：第一章一些重要的结构概念构件受力后的变形2025/1/924

预应力的概念具有普遍意义。预应力只是一个力，而且是一个内力，内力不会是构件失稳。课程内容：第一章一些重要的结构概念预应力的概念+=2025/1/925

对一块薄板施加预应力会不会使薄板失稳呢?

当压杆有偶然偏心或偶然侧向力作用而弯曲后，附加的力矩可能使构件越来越弯曲，甚至导致破坏，这就是失稳。轴向力作用下的薄板或长细杆件有可能发生失稳。杆件截面中心杆件截面中心课程内容：第一章一些重要的结构概念预应力的概念

预应力是一个内力，当一块预应力薄板发生偶然弯曲后，预应力产生的附加力矩以及弯曲后的预应力筋对混凝土板的侧压力与偶然弯曲方向相反，将使构件变直。可见，预应力不但不会使压杆失稳，而且会使压杆更加稳定。这就不难理解为什么有时我们会对预制长柱、长桩施加预应力了。

当然，若预应力过大，也会把薄板压碎，但这不是稳定问题，而是承载力问题。2025/1/926课程内容：第一章一些重要的结构概念预应力的概念黄河小浪底工程预防山体滑坡的预应力锚杆2025/1/927关于预应力的概念（小结）预应力是加荷前预先施加给构件的应力；预应力仅仅只是一个力

(不一定要预应力钢筋)，例如,用手搬书时就没有预应力钢筋；预应力充分利用了材料的抗压强度和抗拉强度，可提高混凝土的抗裂性，但不会提高构件的承载力；预应力引起的构件反拱可以抵消恒载的挠度，但对可变荷载引起的变形，几乎没有影响；预应力在构件中是一个内力，它不会使构件失稳，反而可提高构件的稳定性。例如，可对预制桩施加预应力，以提高运输和打桩时桩的稳定性；预应力的概念具有普遍意义，例如：悬索结构、膜结构、充气结构等。课程内容：第一章一些重要的结构概念预应力的概念2025/1/928课程内容：第一章一些重要的结构概念圈梁和构造柱关于圈梁：

从房屋的总体来分析混合结构房屋圈梁的受力状态底圈梁顶圈梁2025/1/929课程内容：第一章一些重要的结构概念圈梁和构造柱

从这个例子中我们可以看出，圈梁不是梁，只是一个受拉杆件，真正起作用的是其中很少的一点配筋。圈梁的混凝土只是保证钢筋和砌体共同工作的媒体。当我们正确认识到圈梁是一个受拉杆件后，我们就不难理解为什么圈梁要成“圈”，圈梁和“圈”内混凝土楼板可形成刚性板块。圈梁不能随意弯折，圈梁的钢筋不能有“内折角”，必须锚固可靠等。2025/1/930课程内容：第一章一些重要的结构概念圈梁和构造柱

在混合结构的抗震构造中还广泛采用构造柱。构造柱和圈梁一样，截面小，配筋少，往往不被重视。然而，构造柱和圈梁从整体上把房屋紧紧地捆绑在一起，大大加强了房屋的整体性。

地震中，尽管房屋的局部可能有损伤，构造柱和圈梁可保证房屋整体不散架，不坍塌。从而有效地提高了房屋的抗震能力。不难看出，构造柱没有基础，也不是“柱”，在抗震中它主要起捆绑作用，也只是个拉杆。圈梁构造柱2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstituteofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.1概述(Introduction)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)课程内容：第二章结构设计中的总体问题2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2025/1/932物理学关于刚度的定义：刚度是产生单位“变形”所需要的“力”。这里所指的“变形”和“力”都是广义的，“变形”可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等；“力”可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。

单位“力”作用下的“变形”称为柔度，引起单位“变形”所需的“力”称为刚度，柔度和刚度在数值上互为倒数。房屋刚度结构刚度截面刚度构件刚度课程内容：第二章结构设计中的总体问题结构的刚度和变形截面刚度2025/1/933

截面的拉压刚度EA

EA=N/(ΔN/L)=N/ε

截面的弯曲刚度EI

EI=M/(1/ρ)

截面的剪切刚度GA

GA=V/γ

课程内容：第二章结构设计中的总体问题截面刚度2025/1/934课程内容：第二章结构设计中的总体问题截面刚度

讨论一座小塔楼的几种结构方案，看如何提高刚度EI？设塔楼平面尺寸相同，边长均为5.2m，结构截面面积均为4m2。由四根1m见方柱组成，其截面刚度为四根柱截面刚度:

I1=4/12若将四根小柱合并为一根大柱，则刚度为:

I2=4I1

若将四根1m见方的柱“拍扁”，做成四片独立的墙，每一片为0.2m×5m:

I3=12.5I1

若将上述四片墙在墙角处连成整体，形成箱形截面:

I4=50I1

5.2250.25.25.23.221.61.6113.2115.2

尽管截面面积相同，合理改变截面形式，可以大大提高构件的截面刚度。这种截面放平了就是箱型截面梁，立起来就是筒体。2025/1/935课程内容：第二章结构设计中的总体问题

构件刚度

通常指构件(Member)在特定方向上引起单位变形所需的特定荷载

例1:承受集中荷载的悬臂柱,柱长比起截面尺寸要大很多，通常称为杆件。杆件的弯曲变形较大，相比之下剪切变形和轴向变形的影响小到可以忽略不计，所以只计弯曲变形。悬臂柱在柱顶水平力作用下的变形Δ=PL

3/3EI；在柱顶单位水平力作用下的位移δ=L

3/3EI

，称为柔度，则产生柱顶单位侧移所需的力1/δ=3EI/L

3

，称为该柱在柱顶水平力作用下的抗侧移刚度。

例2:承受均布荷载的简支梁，也是一个杆件，可只考虑弯曲变形，其跨中挠度Δ=5qL4/(384EI）；在单位均布荷载下的跨中挠度δ=5L4/（384EI），称为柔度。而产生单位跨中挠度所需施加的均布荷载1/δ=384EI/（5L4），称为简支梁在均布荷载作用下的刚度。其它支承条件、荷载情况下的变形在一般材料力学书上均可找到，大家可自行查阅参考。LEI11EIEILq(a)结构柔度(b)结构刚度2025/1/936地面运动方向结构刚度中心轴结构水平位移结构刚度中心地震力扭矩Fe引起的转角质量中心FeFF地震力F引起的偏心荷载平行移动

房屋扭转

在高层建筑结构中，结构抗侧移刚度不对称会使水平荷载与房屋抗侧移刚度的中心(简称刚度中心)偏心。e课程内容：第二章结构设计中的总体问题房屋刚度

设计中应设法避免或尽可能减小扭转变形。换句话说，应当设法使水平荷载的合力尽量接近或通过房屋的刚度中心。2025/1/937

房屋刚度是由许多组成房屋的结构构件(例如柱、框架、结构墙等)的刚度组合而成的，它们靠平面内刚度很大的楼盖(或屋盖)体系连系在一起，楼盖(或屋盖)像一个刚性盘体一样迫使与其相连的竖向结构协调变形，只产生平移和整体转动。

假如我们将房屋结构平移一个单位位移，则每一个柱、框架或结构墙都会产生反力，这些反力就是这些个别结构构件的抗侧移刚度。这些反力的合力即为房屋结构抗侧移的总刚度，此合力的作用点即为结构的刚度中心。

用这种办法，可以很快找到结构刚度中心，也可用来调整结构刚度中心的位置。若水平荷载合力通过结构刚度中心，房屋就不会产生扭转。课程内容：第二章结构设计中的总体问题房屋刚度合力3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)3.2结构水平体系的主要类型和特点

(

TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)课程内容：第三章结构的水平体系钢筋混凝土梁与各种水平结构的共性和特性比较

各种水平结构的共性就是都要承受弯矩和剪力，只是受力方式不同。

梁作为受弯构件虽然在材料强度利用上不是很好，但梁中隐含着上斜式平行弦桁架、下斜式平行弦桁架、带拉杆拱、悬索结构等多种结构受力状态，因此，梁的截面高度才可能更小。当跨度不很大时，为了充分利用层高，尽可能减小结构高度，梁还是一种很有效的结构形式。3.2结构水平体系的主要类型和特点

(

TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)3.2结构水平体系的主要类型和特点

(

TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)课程内容：第三章结构的水平体系3.1钢筋混凝土梁的受力状态分析(MechanicalAnalysisofR.C.Beam)一、屋架、屋面板及支撑系统组成的水平结构体系(TheHorizontalStructuralsystemsCombinedbyTrusses、SlabsandBraces)二、装配式梁板组成的楼盖或屋盖(

FloorsorRoofsCombinedbyassemblybeamsandSlabs)三、装配整体式楼(屋)盖(Assembly-MonolithicConcreteFloors(Roofs))五、网架体系(LatticegridSystems)四、现浇钢筋混凝土楼(屋)盖(MonolithicReinforcedConcreteFloors(Roofs))3.2结构水平体系的主要类型和特点

(

TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)六、张拉索结构(Tension-CableStructures)八、拱结构(

ArchStructure)九、薄壳结构(ShellStructure)十一、结构转换层(TheHorizontalstructure－TransitionStory)十二、门式刚架(

PortalFrame)十、组合结构(CompositeStructure)七、膜结构

(MembraneStructure)3.2结构水平体系的主要类型和特点

(

TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)张拉索结构（Tension-CableStructure）

以高强钢丝、钢绞线为主要承重结构，是超大跨度结构的主要形式。张拉索结构按其拉索的布置也可分为多种形式：(一)斜拉索结构（DiagonalTension-CableStructure）

这种结构以斜拉索为水平结构提供中间支座。课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构上海杨浦大桥课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构上海杨浦大桥2025/1/945课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构苏通长江大桥－世界最长的斜拉索桥大桥从苏州跨过长江到南通，离长江出海口108km，桥长8,146km,2003年6月开工，已于2007年9月通车。大桥创四项世界记录：斜拉桥主跨1088m;大桥主塔高达300.4m;主桥最长斜拉索长达577m;基础桩径为3m,桩长131m，主塔承台118m×52m，用混凝土60,000m3。苏通长江大桥施工现场2025/1/946课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构2025/1/947课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构

(二)悬索结构

(SuspendedCableStructure)

以下垂的悬索为主要承重结构，荷载均悬挂在主索上。悬索结构的主索只承受拉力，其抗弯刚度为零，不能承受任何弯矩，所以悬索的形状会随着荷载的变化而改变。

当悬索自动把形状调整到沿悬索全长弯矩处处为零时，就达到平衡状态。根据力学原理可知，此时悬索的形状正好与简支梁的弯矩图形状一致。悬索结构是一种柔性结构，在活荷载作用下，悬索会变形。当活荷载与恒载相比很小时，这些变形也会很小，甚至小到可以忽略不计。美国旧金山（SanFrancisco）金门大桥（GoldenGateBridge）主跨1280m，主索直径910mm，悬索下垂122m1937年建成，曾保持27年世界记录课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构

全长3071m，桥面宽33.8m,按6车道高速公路设计，主跨跨度1385m，框架式钢筋混凝土塔柱高193m，桥下通航净高50m。每根主缆直径0.9m，由二万多根直径5.35mm的镀锌高强钢丝组成，两根主缆总重达17000t；主桥箱形截面钢梁（36.9m×3m）用钢达18000t。北锚碇采用大型深沉井基础，平面尺寸为69m×51m×58m，为世界第一大沉井；南锚碇为90000m3混凝土的重力锚。

特大跨悬索桥

世界排名第一：日本的明石海峡大桥，建成于1998年，主跨达1990m；

世界排名第二：丹麦的亨伯大桥，正在兴建中，主跨1624m；

世界排名第三：英国的亨伯尔（Hamber）桥，建成于1981年，主跨1410m；

世界排名第四：江阴长江公路大桥，建成于1999年，全长2888m，主跨1385m。课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构江阴长江公路大桥

(1999年10月通车)

在许多悬索结构中，美国明尼亚波利斯(Minneapolis)联邦储备银行大厦的结构设计很有特色。此银行为一座11层大楼，跨度达83.2

m，用悬索作为主要承重结构，悬索锚固在两侧的两个筒体结构上，筒体承受大楼的全部竖向荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力，整个大楼就悬挂在悬索和顶部大梁上。索的水平力将由柱顶大梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出，只要精心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。美国明尼亚波利斯(Minneapolis)联邦储备银行大厦筒体

课程内容：第三章结构的水平体系张拉索结构课程内容：第三章结构的水平体系悬索结构屋面北京朝阳体育馆（外景）2025/1/952课程内容：第三章结构的水平体系拱结构拱2025/1/953课程内容：第三章结构的水平体系拱结构拱上承式拱下承式拱中承式拱加拿大温哥华室内体育场——膜结构课程内容：第三章结构的水平体系膜结构2025/1/955课程内容：第三章结构的水平体系薄壳结构球壳双曲扁壳双曲扁壳V形折板课程内容：第三章结构的水平体系组合结构体系英东游泳馆

从内部看，横向人字形平面钢桁架外形与两跨连续梁的弯矩图相似，有效地减小了桁架中的弯矩。4.2关于“框架作用”的推理（DiscussiononFrameAction）4.4提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的有效措施（SomeEffectiveWaystoImprovetheCarryingCapacityandStiffnessofHigh-riseBuildingStructure）4.1框架作用(FrameAction)

4.5未来超高层建筑结构

(High-riseBuildingStructureinFuture)课程内容：第四章结构的竖向体系4.3结构竖向体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsoftheVerticalStructuralSystem)2025/1/958课程内容：第四章结构的竖向体系房屋高度对结构的影响房屋高度对结构的影响：图中顶端侧移Δ与h4成正比。可见高层建筑设计的难点是刚度问题，要设法提高房屋结构的刚度。(c)(d)VM(e)hNqi(b)(a)2025/1/959芝加哥（Chicago）湖点大厦（Lakepointtower）

抗侧移刚度不足，风荷载作用下下层层间位移过大，造成许多玻璃幕墙破碎。可见，高层建筑既要考虑顶点侧移，还要考虑层间位移。课程内容：第四章结构的竖向体系2025/1/960课程内容：第四章结构的竖向体系框架作用H/2hHHEIM反弯点Va)独立柱b)排架c)框架柱顶水平力作用下独立柱、排架和框架比较dHHEI=∞EI=∞dH/2H/2h/2h/2hH/2H/2MHh/2Hh/2完全框架作用2025/1/961课程内容：第四章结构的竖向体系

框架作用的推理

框架作用的概念具有普遍意义。例如右图,将框架转90o，利用“框架作用”提高悬挑结构的刚度。楼面结构水平悬挑构件楼面结构水平悬挑构件转90o的框架2025/1/962课程内容：第四章结构的竖向体系框架作用的推理HhH/2H/2V增加内柱的影响EI=∞h/2h/2H/mH/mm-柱数2025/1/963

从图b)可以看出，横梁与立柱铰接时对框架的变形没有任何约束，两根立柱的变形曲线与独立柱的变形曲线完全相同。若横梁与立柱刚接，见图c)，情况就完全不同了，为简化分析，这里以“完全框架作用”为例，设n为层数，即横梁总数。显然立柱剪力没有变，仍为H/2，但此时立柱可以看成是由2n段长为h/2n的小柱组成，其框架顶端侧移Δn为2n根悬臂柱侧移的总和。即：Mn=(H/2)×h/(2n)=M1/(2n)

Δn

=2n×(H/2)×(h/2n)3/3ECIC

=(1/4n2)×Δ1课程内容：第四章结构的竖向体系

框架作用的推理

请注意，这里Δn与层数(或横梁数)n的平方成反比，可见增加刚性横梁可大大减小框架侧移，尤其当n

很大时，效果就尤为明显。这样，我们就不难理解金门大桥高高的立柱上为什么要设置多道刚性横梁了。在高层建筑结构中，多层框架的作用也类似。沿房屋短方向布置框架，承重的框架横梁截面要比连系梁大，可以有效提高“框架作用”，增强房屋沿短方向的抗侧移刚度。所以设计人员一般都沿房屋的短方向布置主框架。HHhHEI=∞反弯点反弯点a)单层框架b)加铰接横梁c)加刚接横梁增加横梁的影响课程内容：第四章结构的竖向体系框架作用的推理

在此基础上如果加大梁和柱的截面尺寸，则剩下可供开窗洞的尺寸就越来越小，最后洞口为零时，就成了一片实墙。在结构设计中，把这种抵抗侧力的钢筋混凝土墙称为结构墙。可见，结构墙和多层多跨框架之间并没有明确的界线。

增设内柱或横梁都可以有效提高框架的抗侧移刚度。若同时增设内柱和横梁，实际上就形成了多层多跨框架结构。2025/1/965课程内容：第四章结构的竖向体系结构墙的简化计算(a)整体墙

其工作状态就象一片悬臂深梁；若在结构墙上开一些小洞，则其工作状态仍是结构墙，只在洞口局部有一些应力集中现象。(b)整体小开口墙洞口开大2025/1/966课程内容：第四章结构的竖向体系结构墙的简化计算（c）联肢墙(d)组合整体墙(e)壁式框架

当梁柱都较宽，节点处形成一个刚性区域时，设计中应考虑刚域的影响。洞口开大再开大再开大剪力墙-框架的相互转化刚域铰

合理的假设既可简化计算，又尽可能减小误差。2025/1/967一、混合结构房屋的竖向体系

(VerticalStructuralSystemofMixedStructure)二、排架体系(BentFrameSystem)四、结构墙体系

(ShearWallSystem)五、框架-结构墙体系

(Frame－ShearWallSystem)

三、框架体系(FrameSystem)

课程内容：第四章结构的竖向体系结构竖向体系的主要类型和特点2025/1/968六、筒体

(Tube)七、巨型框架体系(GiantFrameSystem)九、蒙皮结构体系

(ShinPlateStructure)十、其他组合体系

(OtherMixedStructuralSystems)八、巨型桁架体系(GiantTrussSystem)课程内容：第四章结构的竖向体系结构竖向体系的主要类型和特点：课程内容：第四章结构的竖向体系结构竖向体系的主要类型和特点筒体及其组合巨型桁架体系课程内容：第四章结构的竖向体系结构竖向体系的主要类型和特点巨型框架体系700001800007800吊杆格构柱香港汇丰银行悬挂体系早期的悬挂结构课程内容：第四章结构的竖向体系结构竖向体系的主要类型和特点2025/1/972蒙皮结构

1983年建成的美国匹次堡市梅隆银行大厦是蒙皮结构的一次大胆尝试。大厦高222m，地面以上54

层。蒙皮结构承担大厦全部水平荷载，内部框架只承担局部重力荷载。蒙皮钢板厚度：38层以下为8mm，38层以上为6

mm。课程内容：第四章结构的竖向体系结构竖向体系的主要类型和特点2025/1/973利用合理的体形适当加强结构受力最大部位设置刚性横梁（或桁架）把竖向荷载集中在主要的承重构件上利用合理的体形课程内容：第四章结构的竖向体系

提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的其他有效措施

其他有效措施2025/1/974课程内容：第四章结构的竖向体系

提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的其他有效措施结构平面形状对刚度的影响2025/1/975课程内容：第四章结构的竖向体系

提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的其他有效措施立面和竖向构件布置的影响2025/1/976课程内容：第四章结构的竖向体系

提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的其他有效措施适当加强结构受力最大部位：1．根据内力大小，改变构件截面尺寸及承载力;2.在框架-结构墙体系中采用带边框的剪力墙；为剪力墙设置翼墙；把纵横向结构墙结合在一起；3．适当加强房屋的角柱。用边框(柱)和翼墙加强剪力墙2025/1/977内筒外框架体系的荷载传递课程内容：第四章结构的竖向体系

提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的其他有效措施把竖向荷载集中在主要的承重构件上传给框架的竖向荷载传给筒体的竖向荷载WHVRVL2025/1/978课程内容：第四章结构的竖向体系

提高高层结构体系整体承载力和抗侧移能力的其他有效措施筒体上设置刚性横梁（桁架）上海锦江饭店竖向剖面A-A竖向剖面B-B水平桁架水平桁架刚性横梁在筒体结构中的作用VV刚性横梁普通横梁2025/1/979课程内容：第四章结构的竖向体系未来超高层建筑结构

从毛竹的联想！

人们已建成象原纽约世界贸易中心和西尔斯大厦这样的超高层建筑。如果我们把这样的大楼看成一根根“巨型杆件”，那么，利用框架作用、框筒、巨型框架、巨型桁架的概念，在基本不增大“巨型杆件”弯矩的条件下，不难设计出更高更大的未来超高层建筑。如果再考虑到利用结构体形等提高结构承载力和刚度的其他措施，还可把房屋建造得更高。

在介绍超高层建筑的同时我们也利用“9.11”事件，及时反思建造超高层建筑的利和弊，以及防灾减灾问题5.1概述及国内建筑业的发展简介5.3从上海浦东建设看中国建筑业的最新成就5.2国外建筑业的发展简介课程内容：第五章工程实例简介5.1概述及国内建筑业的发展简介2025/1/982课程内容：第五章工程实例简介中国建筑业的发展简介2025/1/983课程内容：第五章工程实例简介中国建筑业的发展简介2025/1/984课程内容：第五章工程实例简介杭州湾大桥

杭州湾大桥位于我国改革开放最具活力、经济最发达的长江三角洲地区,从嘉兴直通宁波。大桥总预算达人民币160亿。其中桥长36km（约118亿），是目前世界上最长的跨海大桥；北岸连接线29.1km（约17亿）；南岸连接线55.3km（约34亿）。大桥桥宽33m，为双向六车道，设计车速100km/h，设计使用寿命100年以上。

为什么要建成曲线形桥呢?2025/1/985课程内容：第五章工程实例简介上海长江隧桥

2025/1/986课程内容：第五章工程实例简介上海长江隧桥大桥主塔施工

上海长江隧道工程是一项科技含量高、施工工艺要求高和施工风险高的“三高”工程，盾构一次掘进距离7.5km和盾构直径达15.43m均为目前世界之最，隧道最大水下埋深达55m。

2008年9月5日上海长江隧道提前实现双线贯通。2009年10月,上海长江大桥工程也建成通车。至此，上海长江隧桥工程全线竣工。

盾构2025/1/987

建设中的港珠澳大桥是一座连接香港、珠海和澳门的巨大桥梁，港珠澳大桥对促进香港、澳门和珠江三角洲西岸地区经济发展具有重要的战略意义。大桥总投资将达人民币730亿元。港珠澳大桥主体工程已于2009年12月动工，将于2015至2016年完成。

港珠澳大桥示意图课程内容：第五章工程实例简介港珠澳大桥主航道：每天有约4000艘船舶要通过，30万吨级巨型船舶也可自由通航工程包括三个项目：一是海中桥隧工程；二是香港、珠海和澳门的人工岛口岸；三是香港、珠海、澳门三个城市的配套连接线。隧道用180米长的预制混凝土沉管连接而成，沉管每节排水量约为8万吨，沉放时拖运到指定位置下沉、就位、连接。海底隧道最深处离海面约40m。行驶在大桥上的车辆从人工岛进入海底，穿过海底隧道，又从另一个人工岛钻出重新驶上大桥。人工岛人工岛2025/1/988

大桥的建成将对珠江三角洲地区的很多方面产生影响，例如，从香港到珠海的公路交通将从三、四小时缩短到几十分钟。大桥的主航道位置将采用隧道形式，并将修建两个人工岛提供桥隧转换设施，确保不影响前往广州和深圳港口主航道的通行来往。港珠澳大桥全长49.968Km。其中“海中隧桥”长约35.578Km，其长度与杭州湾跨海大桥相近，将成为世界最长的跨海隧桥。课程内容：第五章工程实例简介港珠澳大桥海中隧道人工岛2025/1/989

据报道，国家已计划投资1400亿建造琼州海峡大桥，有关专家正在就桥位选址的两个方案进行比较选择，争取2012年开工，2020年建成通车。课程内容：第五章工程实例简介琼州海峡跨海大桥

桥多了，路通了，经济才能更快、更好地发展。2025/1/990国家体育场--鸟巢方案（长340m，宽290m）课程内容：第五章工程实例简介中国建筑业的发展简介2025/1/991

国家游泳中心--水的立方方案

平面185m×185m，高35m课程内容：第五章工程实例简介中国建筑业的发展简介2025/1/992

当今世界最高的独立建筑——阿联酋迪拜塔于2004年动工，经历了金融危机挫折，几度停工、复工，2010年1月终于峻工。

迪拜塔有160层，高度达828m，建筑面积500,000m2，用了330,000m3混凝土和31,400t钢材，耗资达15亿美元。大楼可容纳12,000人，设有1,044间住宅，49层办公室和一家豪华酒店,以及相应娱乐设施。在