(精品)第9章 结构设计.ppt

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1、房屋房屋建筑学建筑学第第九章九章 结构设计结构设计 (Structural Design)主要任务：主要任务：根据国家有关建筑方针政策和设计规范、标准，以建筑方案根据国家有关建筑方针政策和设计规范、标准，以建筑方案为设计条件进行为设计条件进行建筑承重体系的设计建筑承重体系的设计，主要任务是，主要任务是:结构选型；结构选型；结构布置；结构布置；结构受力分析；结构受力分析；结构构件设计。结构构件设计。由结构工程师来完成。由结构工程师来完成。结构体系结构体系承承 重重 结结 构构 类类 型型墙承重结构墙承重结构夯土墙建筑、砌体墙结构夯土墙建筑、砌体墙结构;、钢筋混凝土剪力钢筋混凝土剪力墙结构墙结构骨

2、架承重结构骨架承重结构木构架结构、框架结构、框架木构架结构、框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、板柱结构、钢框架结构板柱结构、钢框架结构大跨度结构大跨度结构拱结构、刚架结构、桁架结构、拱结构、刚架结构、桁架结构、排架结构排架结构骨架结构骨架结构网架结构、悬索结构、帐篷薄膜网架结构、悬索结构、帐篷薄膜结构、充气薄膜结构、折板结构、结构、充气薄膜结构、折板结构、薄壳结构薄壳结构空间结构空间结构筒体结构筒体结构筒中筒结构、成束筒结构结构、框筒结构筒中筒结构、成束筒结构结构、框筒结构 各种结构体系包含的承重结构类型各种结构体系包含的承重结构类型墙承重结构墙承重结构 墙体承重结构墙体承重结构按照墙体

3、施工方法和材料的按照墙体施工方法和材料的不同，可分为：不同，可分为：夯土墙、土坯墙夯土墙、土坯墙 石砌墙石砌墙 砖砌体墙砖砌体墙 混凝土砌块墙混凝土砌块墙 现浇钢筋混凝土墙等。现浇钢筋混凝土墙等。常用的墙体承重结构：常用的墙体承重结构：砖混结构砖混结构（砖墙，钢筋混凝土楼板）（砖墙，钢筋混凝土楼板）剪力墙结构剪力墙结构（钢筋混凝土墙）（钢筋混凝土墙）大板结构大板结构（钢筋混凝土墙板、复合墙板）（钢筋混凝土墙板、复合墙板）砖混结构砖混结构（砖墙，钢筋混凝土楼板）（砖墙，钢筋混凝土楼板）一、结构特征一、结构特征 1 结构材料：墙体-砖砌体 楼板现浇或预制钢筋混凝土板 2 力学特性：强度较低，自重大

4、，抗震性能较差；3 适用范围：房间开间、进深不大。在中小型民用建筑中应 用较为广泛。二、二、选型要点选型要点 1 房屋总高度和层数限值；2 房屋最大高宽比限值；3 抗震横墙最大间距限值；4 房屋局部尺寸限值；5 结构布置要点：优先采用横墙承重或纵横墙混合承重纵横墙宜均匀对称，平面对齐，竖向连续。按要求设变形缝。楼梯间不宜在尽端和转角。钢筋混凝土板的跨度一般为钢筋混凝土板的跨度一般为1.83.6m1.83.6m，预制钢筋混凝土板的跨度一般不超过预制钢筋混凝土板的跨度一般不超过4.2m4.2m三、墙体布置：三、墙体布置：1 横墙承重；2 纵墙承重；3 纵横墙混合承重；4 部分框架承重（底层或内部部

5、分为框架）底层框架承重的特征底层框架承重的特征1 总体布置：下部框架+上部砖混2 矛盾分析 1）功能-上静下动 2）空间-上小下大 3）结构-上刚下柔选型要点选型要点1 总体要求 1）总高度和层数限值 2）底层框架柱网选择2 抗震要求 1）抗震横墙最大间距限值 2）抗震墙布置3 转换层设置：板式转换、梁板式转换、箱体转换剪力墙结构剪力墙结构（钢筋混凝土墙）（钢筋混凝土墙）一、结构特征及适用范围一、结构特征及适用范围 剪力墙结构，是指其竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙所组成，这种结构侧侧向刚度大、位移小向刚度大、位移小，称为刚性结构体系。剪力墙通常为横向布置，间距小，约为36

6、m，因此平面布置不够灵活，仅适用于小开间的高层住宅、旅馆、办公楼等，这种结构从理论上讲可建造上百层的民用建筑，但从技术经济考虑，地地震震区区的的剪剪力力墙墙结结构构一一般般控控制制在在3535层层，总总高高110m110m以以内内，非地震区可适当放宽。由于使用需要，剪力墙结构的底部剪力墙改为框架，形成框支剪力墙结构，但这种结构的上部刚度与底部刚度相差悬殊，刚度突变，对地震区建筑是不利的。二、剪力墙的结构布置二、剪力墙的结构布置 在民用建筑中，一般是横横墙墙短短而而数数量量多多，纵纵墙墙长长而数量少而数量少，因此纵横向剪力墙布置应适应这一特点。三、剪力墙结构体系构成三、剪力墙结构体系构成 1）全

7、现浇墙 2）大型板材墙 3）内浇外砌墙 4）内浇外挂墙 5）框支剪力墙 6）框架-剪力墙结构现浇墙结构现浇墙结构一、一、建筑特征建筑特征 1 工具式模板现浇内墙和楼板 2 空间小，刚度大二、二、结构类型结构类型 1 内浇外砌 内墙现浇，外墙砌体 2 内浇外挂 内墙现浇，外墙挂板三、三、选型要点选型要点 1 内墙承重，均匀布置，避免刚度突变。2 外墙围护，加强连接，保证结构整体。3 3 构件受力状态构件受力状态 1）并联体的连杆内力 框 架：剪切型侧向变形。剪力墙：弯曲型侧向变形。并联体：弯剪型侧向变形。2）框架和抗震墙的内力 框 架剪力:连杆使框架水平剪力上下分布均匀。抗震墙弯矩：连杆减小抗震

8、墙底部弯矩。3）水平荷载和剪力分布规律 框架水平荷载上正下负，顶端受正向集中力。抗震墙水平荷载上小下大，顶端受反向集中力。框架和抗震墙顶端水平剪力均不为零。框架楼层剪力最大值在(0.3-0.6)H 之间。抗震墙顶端一段的水平剪力为负值。抗震墙承担 80%的水平荷载。4 4 抗震墙布置原则抗震墙布置原则 1）抗震墙的设置 沿结构平面主轴线方向布置 抗震墙的数量要适当 按照“分散 均匀 周边 对称”四准则布置 不宜布置单肢墙 2）抗震墙的平面布置 每个方向沿两条以上相距较远的轴线设置抗震墙 抗震墙的设置部位：a 竖向荷载较大处 b 平面形状变化或楼盖水平刚度剧变处 c 楼梯电梯间及楼板较大洞口两侧

9、 抗震墙应避开需要开大洞口的墙体位置 在独立结构单元端部，抗震墙距外墙60m时，起拱1/300 上弦加柱：按坡度变高平板网架杆件与节点平板网架杆件与节点平板网架杆件与节点平板网架杆件与节点4 4 网架的构造组成网架的构造组成悬索结构悬索结构 柔性的悬索在自然状态下不仅没有刚度，其形状也是不确定的。必须采用敷设重屋面或施加预应力等措施，才能赋予一定的形状，成为在外荷作用下具有必要刚度和形状稳定性的结构。因此也称其为张力结构。帐篷薄膜结构帐篷薄膜结构 张拉式膜（或索张拉式膜（或索-膜）结构自膜）结构自80年代以来在发达国家年代以来在发达国家获得极大发展。获得极大发展。这种体系与索网结构类似，张紧在

10、刚性或柔性边缘这种体系与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张拉建立预应力，并获得确定形状。拉建立预应力，并获得确定形状。膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从上世纪七十年代以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。充气薄膜结构充气薄膜结构 同属于张力结构体

11、系、在国外应用很广的膜结构或索-膜结构在我国则处于艰难起步阶段。除了设计理论储备和生产条件方面的原因外，缺少符合建筑要求的国产膜材是一个主要的制约因素。膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用，因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物，即涂敷聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯(PVC)的聚酯织物。折板结构折板结构 折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。折板结构通常用钢筋混凝土建造，也可用钢丝网水泥建造。折板结构由折板和横隔构件组成。在波长方向，折板犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板，折板的波峰和波谷处刚度最大，可视

12、为连续板的各支点，折板结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄，省材料，省模板，可预制装配，构造简单。折板结构可用来建造大跨度屋顶，也可用作外墙。薄壳结构薄壳结构 自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。一、结构特征、优缺点和适用范围一、结构特征、优缺点和适用范围 薄壳结构是用混凝土、塑料等刚性材料以各种曲面形式构成的薄壳结构，呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，而弯矩和扭距很小，所以混凝土强度能得到充分的利用。

13、由于是空间结构，强度和刚度都非常好。薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一。而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一。所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑屋顶。但大多数薄壳结构的形式较复杂，多采用现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载,这些缺点在一定程度上影响了它的推广使用。各种空间结构类型中，钢筋混凝土薄壁结构在各种空间结构类型中，钢筋混凝土薄壁结构在50年年代后期及代后期及60年代前期在我国有所发展，当时建造过一年代前期在我国有所发展，当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳，在理些中等跨度的球面壳、柱面壳、

14、双曲扁壳和扭壳，在理论研究方面还投入过许多力量，制定了相应的设计规程。论研究方面还投入过许多力量，制定了相应的设计规程。但这种结构类型日前应用较少，主要原因可能是施但这种结构类型日前应用较少，主要原因可能是施工比较费时费事。工比较费时费事。二、薄壳结构的形式二、薄壳结构的形式 薄壳结构形式很多，常用的有筒壳、圆顶壳、双曲扁薄壳结构形式很多，常用的有筒壳、圆顶壳、双曲扁壳、鞍形壳等四种。壳、鞍形壳等四种。筒壳由壳面、边梁、横隔构件三部分组成，为单曲面薄壳，形状较简单，便于施工，是最常用的薄壳形式。圆顶壳由壳面和支承环两部分组成具有很好的空间工作性能，很薄的圆顶可以覆盖很大的空间，可用于大型公共建

15、筑，如天文馆、展览馆、体育馆、会堂等各种建筑。双曲扁壳由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成，它受力合理，厚度薄，可覆盖较大的空间，较经济，适用于工业与民用建筑的各种大厅或车间。双曲抛物面壳由壳面和边缘构件组成，外形特征犹如一组抛物线倒悬在两根拱起的抛物线之间，形如马鞍，故又称鞍形壳。倒悬方向的曲面如同受拉的索网，向上拱起的曲面如同拱结构，拉压相互作用，提高了壳体的稳定性和刚度，使壳面可以做得很薄。球面壳球面壳球面壳球面壳 1）组成：壳面、支承环 2）几何尺寸 跨度：可达100米，多用60米以下 失高：f(1/81/4)跨度 壳板厚：现浇式40 装配式30双曲抛物面壳双曲抛物面壳 1）组成：壳面

16、、边缘构件 2）几何尺寸 跨度：单块柱网可达30 x30米 失高：f(1/51/8)短边长度 壳板厚：跨度3060米时，板厚50100 3）边缘构件：桁架、密柱边梁、刚性墙自由曲面壳自由曲面壳 1）自由山丘型 2）低压薄膜型 3）悬挂布型筒体结构筒体结构一、一、结构特征和适用范围结构特征和适用范围 筒体结构是指由一个或几个筒体作为竖向结构，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，形成一个空间构架的高层房屋结构体系。筒体结构比单片框架或剪力墙的空间刚度大的多，在水平荷载作用下，整个筒体就像一根粗壮的拔地而起的悬臂梁把水平力传至地面。筒体结构不仅能承受竖向荷载，而且能承受很大的水平荷载。另外，筒体结构所构成的内部空间较大，建筑平面布局灵活。筒体结构适用于超高层建筑，尤其在地震区更能显示其优越性。二、筒体结构的类型二、筒体结构的类型 筒体的基本形式有实腹筒和框筒。用钢筋混凝土剪力墙围成的筒体称为实腹筒，或者叫做墙式筒体；由布置在房屋四周的密排柱与高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体称为框架式筒体，或者叫做空腹式筒体。不同功能和体量的建筑采用不同的结构不同功能和体量的建筑采用不同的结构形式来表现建筑的形式美。形式来表现建筑的形式美。