建筑结构概论2014

1第一讲：建筑结构概述一、建筑专业学生学习本课程的必要性1、建筑师素质要求人类从：天然洞穴→窑洞→草房→木房→石房→砖木→混合结构→钢筋砼→钢结构→对建筑师的要求越来越高。随着材料科学、计算机科学的不断发展，建筑物的高度、跨度越来越大，工程越来越复杂。建筑师的工作与其它学科的联系起来越密切，素质要求也越来越高。2、建筑师工作的重要性建筑设计决定了项目的外部造型、内部空间，决定了功能是否合理、投资是否经济。3、国家注册建筑师考试必要课目一级注册建筑师考试（4小时）《建筑结构》二级注册建筑师考试（3.5小时）《建筑结构与设备》二、参考教材《基本概念体系、建筑结构基础》郑琪《建筑力学与结构》天津大学王立雄《建筑结构》一级注册建筑师考试用书2三、建筑结构的基本概念1、什么是建筑结构？形成一定的内部空间和外部造型，能承受自身及外界施加于建筑物上的各种作用力，并使建筑物得以安全使用的骨架。2、建筑结构的组成建筑结构由若干构件组成：梁、柱、板、墙等等。一般可分为三类：水平构件：承受竖向荷载的构件，梁板、桁架、网架等；竖向构件：承受水平构件或水平荷载的构件，柱、墙；基础：上部建筑物与地基相联系，并把力传至地基中。3、建筑结构的作用①形成外部造型②形成内部空间③保证建筑物在各种荷载使用下能正常使用不被破坏4、建筑结构的分类①按组成建筑结构的主要构件用材划分：木结构、砖石结构、钢筋混凝土结构、钢结构等②按组成建筑结构的主要结构形式划分墙体、框架、框一剪、筒体、桁架、网架、空间薄壁、钢索、薄膜结构等等③按组成结构的体型划分3单层、多层、高层、大跨度④按结构受力特点划分平面结构体系、空间结构体系5、建筑结构的基本功能结构在规定的时间内（即设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用、正常维修）必须完成预定的功能，这些功能包括：①安全性：在正常施工和正常使用时，建筑结构能够承受可能出现的各种作用（荷载、温度、地基不均匀沉降等），并且能在设计规定的偶然事件（地震、海啸、爆炸等）发生时和发生后保持必需的结构整体稳定性。②适用性：在正常使用过程中，建筑结构应保持良好的工作性能：如足够的刚度。③耐久性：在正常维修条件下，在规定的使用年限内应能满足安全、适用性能的要求（如裂缝、沉降、锈蚀等）安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性；结构可靠性的概率度量称为结构的可靠度。可靠度：在规定的时间内和规定的条件下，结构完成预定功能的概率。四、建筑结构设计准则1、结构设计使用年限与安全等级4根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068--2001)规定的各项基本原则，应按下表采用。设计使用年限分类表1-1类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑、特别重要的建筑建筑结构的安全等级表1-2安全等级破环后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋2、结构设计的二个基本要求（1）功能要求安全性：在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。适用性：在正常使用时具有良好的工作性能。耐久性：在正常的维护下具有足够的耐久性能。5稳定性：在设计规定的偶然时件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性。（2）经济要求设计时应满足造价投资少、维修投资少、管理费用少等经济要求。3、两个极限状态设计准则结构是否可靠或失效，其分界点就是极限状态，超出这一极限，则结构就无法完成某一功能。（1）承载能力极限状态a.整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（倾覆）。b.结构构件或连接件因超过材料强度而破坏。c.结构变为机动体。d.结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定。e.地基丧失承载能力而破坏（失稳）。（2）正常使用极限状态a.影响正常使用或出现明显的难以接受的变形。b.影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）。c.影响正常使用的振动（如楼顶的振幅过大而影响使用）。d.影响正常使用的其它特定状态，如基础不均匀沉降过大。(3)、结构极限状态的设计表达式6①承载力极限状态设计表达式RSV.（V：重要性系数；S：荷载组合设计值；R：抗力设计值）②正常使用极限状态表达式CS（C结构或构件达到正常使用要求的规定限值）7第二讲静力学基础一、力和力系的概念1、力的概念力是物体之间的相互作用。任何物体都受到力的作用，在力的作用下，物体可能会产生两种效应：一是使物体的运动状态发生变化（外效应），二是使物体产生变形（内效应）。要完整地描述一个力，必须讲明力的三要素:力的大小、方向、作用点。力是矢量，表示为F。2、使用力与反作用力力总是成对出现的，作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。（作用在不同物体上）3、力系的概念在现实环境中的物体，往往受到的力不止一个。将物体受到的多个力总称为力系。4、力的合成与分解（研究作用效果角度）由于力是矢量，力的合成与分解应符合矢量的运算法则。A、力的合成213FFF8B、力的分解如下图，1F：可分解为321FFF54FF如上图所示，同样的1F可以分解为：yxFFFFF321力F向X轴和Y轴的投影，是力的分解中最常用的。5、二力平衡条件：大小相等、方向相反、作用在同一直线上，同一物体上。（与作用力与反作用力的区别）6、支座反力物体放在支座上，物体会对支座产生作用力。同时，支座也给物体一个反作用力。在实际的建筑中，结构的支座形式是多种多样的，下面介绍三种常见的支座形式及其支座反力。（1）活动铰支座（滚轴支座）9与活动铰支座相连的构件不但可以在水平方向移动还可以绕铰转动。所以，在荷载作用下，活动铰支座只能提供垂直方向的支座反力。图(a)所示（2）固定铰支座与固定铰支座连接的构件不能在水平方向移动，也不可以在垂直方向移动，只能绕铰转动。所以，在荷载作用下，固定铰支座可以提供垂直方向和水平方向的支座反力。图（b）所示(3)固定端支座与固定端支座连接的构件既不能在水平方向和垂直方向移动，也不能转动。所以，在荷载作用下，固定端支座可以提供垂直方向和水平方向的支座反力，以及构件抵抗转动的力矩M。图（c）所示7、画受力图10工程结构中，构件都是非自由体，与周边构件相互联系在一起构成整体。要对某一构件进行受力分析，往往需要解除限制该物体的全部约束，单独画出隔离体，然后进行受力分析，并画出受力图，进行解题。二、力矩1、力矩的概念用扳手转动螺帽，与两个因素有关，力F的大小，力的作用线与支点O的垂直距离l。把力与力臂的乘积称为力矩，记作：lFM习惯上使物体产生逆时针转动（或转动趋势）为正，反之为负。2、合力矩结论：平面内合力对某一点之矩等于其分力对同一点之11矩的代数和。3、力矩的平衡作用在同一平面内的各力，对支点或转轴之矩的代数和应为零。（生活中例子：杆枰原理）三、力偶1、概念作用在同一物体上两个大小相等、方向相反、且不共线的平行力叫做力偶。（例如：双手拧笔套，双手握方向盘等等）力偶对物体产生转动效应。lFM2、力偶与力矩的异同相同点：对物体都产生转动效应。量纲相同：[力的单位]×[长度的单位]区别：力矩为一个对某一点的矩，只要某一点改变了，力臂就不同，力矩大小就不同。力偶为一对平行力产生的，在作用平面内对物体的转动效应不会改变。总力偶：nnmMMMM11n1112四、力的平移与作用效应先体会一下生活中的例子：用手推门，用扳手拧螺帽等等。如下图所示，力的作用点从A移至B，其对物体的作用效应是不同的。力平移后等于加上一个力偶，则作用效应保持不变。五、平面力系的平衡方程000AyxMFF六、解题步骤1、画脱离体图、并在图中标上所有的力。2、按第五条列出平衡方程3解方程13第三讲静力平衡解题实例一、求支座反力1、如图所示（简支梁）（例子）05208020BBARRRKNRKNRBA5.125.72、如图所示（悬壁梁）08205020BBARRRKNRKNRBA3212所求AR为负，表明与所假设方向相反3、均布荷载07102552501052BBARRRKNRKNRBA19114二、平面结构求解15第四讲平面结构的几何组成一、基本概念1、刚片：几何形状不变的平面体。2、链杆：两端铰接于其它刚片上的杆件。3、单铰、复铰：单铰指连接两个刚片的铰。复铰指连接两个以上刚片的铰。4、自由度：确定体系位置所需要的独立坐标(参数)的数目。一点在平面内有x、y方向两个自由度。一个物体：在平面内有x、y、Q三个自由度。5、约束：减少体系自由度的装置称为约束。6、几何可变体：在不考虑材料应变的条件下,结构整体体系位置或形状可以改变。7、几何不变体：结构整体体系位置或形状不能改变。8、静定结构:几何不变体的自由度与约束数相等，则称之为静定结构。9、多余约束：几何不变体增加一个约束，体系的自由度并不因此而减少，则称此约束力为多余约束。10、超静定结构：存在多余约束的几何不变体。二、几何构造分析16我们需要的建筑结构必须是几何不变体,如何分析结构是否为几何不变还是几何可变体？1、介绍三种连接方式杆接、铰接、刚接。（参照三种支座形式）2、几何不变的三个基本规律①二元体规则：一个点与一个刚体的连接（三个铰不在一条直线上）②两刚片之间用一个铰和一根链杆相连，且三个铰不在一条直线上。两刚片用三根不交于同一点的链杆相连。③三个刚片之间相互铰接。3、瞬变体系与常变体系瞬变体系：17常变体系：4、利用几何不变基本单元来分析结构是否为几何不变体系（1）两种常用的方法：A、扩大刚片法①从基础出发进行装配②从刚体内部出发进行组合装配B、减少刚片法例图a：例图b：（2）综合分析图c：18图d：再看几个图：19第五讲构件的内力与内力图一、基本概念1、变形体与刚体变形体：材料（构件）在外力作用下都会产生变形——变形体。刚体：工程中为了研究方便，常常对一些在一定荷载作用下变形很小的变形体理想化成不产生变形的物体。将这种在外力作用下不产生任何变形的物体称为刚体。它是一种理想模型，工程中并不存在。2、两个基本假设为了研究方便，在材料力学中对变形体作了两个重要的基本假设。①
均匀连续假设：变形体在其整个体积内毫无空隙地均匀地充满了物体。②各向同性假设：假设材料在各个方向具有相同的力学性能，如钢材、塑料、玻璃、混凝土等。木材、竹子等具存明显的各向异性性质3、内力杆件在外力作用下（温度沉降使用）产生变形，从而在20杆件内部各部分之间就产生相互作用力，这种由外力引起的内部的相互作用力称之为内力。截面中一般情况下有三种内力：拉（压）应力、剪应力、弯矩。][],[mMAF，][AV4、变形与应变变形：杆件在外力作用下，几何形状和尺寸要发生改变，这种改变量就叫变形。变形大小用位移和应变这两个量来描述。位移：是指位置改变量的大小，分为线位移与角位移，是个绝对量，如杆件受外力作用后，伸长了，就是位移。应变：是单位长度或角度中产生的位移，指变形程度的大小，是个相对数。如：杆件总长为，位移为，则：线应变，[实际上就是单位长度中的位移量]5、常见变形的基本形式拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转五种6、截面法（内力求法）弯矩剪力轴力21二、轴向拉伸和压缩非常普通的受力形式，杆、钢索、屋架、构件、桁架、网架等杆件。1、轴力、与轴力图轴力FN应力][SFSN2、应力与应变E（虎克定律）三、剪切与扭转1、剪切杆件受一对垂直于杆轴方向的，大小相等、方向相反，作用线相距很近的外力作用产生的变形——剪切。][SV2、扭转杆件在垂直于杆轴线的两个平面内作用一对大小相等、方向相反的力偶——产生扭转变形。扭转内力就是扭矩em22四、弯曲当杆件受到垂直于杆轴的外力作用，杆轴将由直线变为曲线，这种变形就叫弯曲。梁的变形就是典型的弯曲变形。悬臂梁、简支梁、外伸架、框架梁等等。1、剪力与弯矩截面法求之先求FbRAFaRB