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-1-第一章绪论1.1建筑物中结构的概念及功能为了成功地想象和设计一个建筑或建筑物中的结构，必须首先弄清它的功能和它得以存在的原因。在这两个问题上，结构和建筑的作用是分不开的。结构永远是建筑物的基本部分。无论古代人为自己或家庭建造简单的掩蔽物，还是现代人建造可以容纳成百上千人在那里生产、贸易、娱乐的大空间，都必须用一定的材料，建造成具有足够抵抗能力的空间骨架，抵御自然界可能发生的各种作用力，为人类的需要服务。这种骨架就是结构。一、在土木工程中，结构的主要作用可分成四方面:1、形成人类活动的空间。这个作用可以由水平方向的结构构件：板(平板、曲面板)、梁(直梁、曲梁)、珩架、网架等组成。和竖直方向的结构构件：柱、墙、基础等组成。2、为人群和车辆提供通道。这个作用同样可以用以上那些构件组成的桥梁结构来获得。3、抵御自然界可能发生的各种作用力。4、构成为其它专门用途服务的空间。这个作用可以用排除废气的烟囱、储存液体的油罐以及水池等特殊结构来获得。二、建筑结构的类型有，1、以组成建筑结构的主要建筑材料划分:钢筋混凝土结构、钢结构、砌体(包括砖、砌块、石等)结构、木结构、塑料结构、薄膜充气结构等。2、以组成建筑结构的主体结构型式划分:砌体结构、框架结构、框剪结构、筒体结构、拱结构、网架结构、空间薄壁(包括折板)结构、钢索结构、舱体结构等。3、以组成建筑结构的体型划分:单层结构(多用于单层工业厂房、食堂等)、多层结构(一般2~9层)、高层结构(一般10层以上)、中大跨结构(跨度大约在40~50m以上)。三、建筑结构的功能1、具有良好的工作性能，为使用和美观需要服务结构所要解决的问题，首先表现为使骨架形成的空间能良好地服务于人类生活、生产的要求和人类对美观的需要。前者是物质的，后者是精神的。这是结构之所以存在的根本目的。不同的使用和美观需要，要求有不同的建筑空间，以及采用与建筑空间相适应的结构型式，而合理的结构型式又必须与建筑使用和美观需要统一起来。因此，具有良好的工作性能，为使用和美观需要服务是建筑结构的第一功能。2、具有抵抗力结构所要解决的问题，其次表现为结构要抵御自然界各种作用力(地心吸力、风力、地震力等)，因而需要有抵抗力的功能。这是结构之所以存在的根本原因。在正确施工和正常使用条件下，要使结构具有能抵抗各种作用力的承载能力而不致发生破坏，这是结构的承载力问题，除承载力问题外，结构还需要其它的一些抵抗功能。例如：结构在各种自然力作用下不致失稳，不致产生过大变形，具有耐久性，在偶然事件发生时结构仍能保持必须的整体稳定性等功能。-2-3、合理利用材料结构的承载力问题，实质上是组成结构构件的材料的强度问题；结构的变形问题，实质上是组成结构构件的材料的应变问题。4、连接构造问题、经济问题钢、木结构，零散的杆件组合成结构，应确保结构整体性、刚度。用最少的钱、最省的劳动力、最短的工期、最大限度地满足上述功能。1.2建筑结构和建筑的关系一、一幢建筑物就好比一个人：1．它的规划就像人生活的环境，是由规划师负责的；2．它的布局和艺术处理相应于人的体型、容貌、气质，是由建筑师负责的；3．它的结构(建筑结构)好比人的骨骼和寿命，是由结构工程师负责的；4．它的给排水、供热通风和电气等设施就如人的器官、神经，是由设备工程师负责的。这就像自然界完好地塑造人一样，在城市和地区规划基础上建造房屋，是建设单位、勘察单位、设计单位的各种设计工程师和施工单位全面协调合作的过程。建筑设计（选型、平、立、剖）时：（1）首先应该选择经济合理的结构方案（包括结构型式、体系、布置、施工方案）。（2）一个成功的建筑师必然具备有建筑结构的基础理论和基本知识为前提，“有了一定的技术知识，才能理解技术造型”。才能设计出人们对房屋的基本要求，（实用、美观、经济）例如：位于法国巴黎的埃菲尔铁塔，1887年使建，1889年建成，是19世纪世界上最高的钢结构建筑，至今仍是举世闻名的伟大工程。此塔的主持建造人工程师古斯塔夫.埃菲尔（GustaveEiffel），在设计和建造中，不但他所运用的力学、结构学和美学的概念和思路是巧妙的、协调的、统一的，而且他所做的实际工作是大量的、细致的、精确的，在整个制作和安装工程中没有出过一起事故。澳大利亚悉尼歌剧院，始建于1957年，原方案由丹麦建筑师爱德松设计，由于地处海峡，强大的风荷载作用于壳体开口所在的一面，产生巨大的倾覆力矩，并使壳体受拉。这显然是选错了结构型式，在加上壳形各异，既不利于现浇，也不利于预制。进而造成施工工艺的严重失误。所以1963年不得不决定修改设计，改用预制的预应力三角拱。其拱身为很大的箱形截面，施工时，在75米直径的圆球面上割划出大小不同的三角瓣，作为十个壳体的曲面，以统一其曲率半径，获得统一的拱肋曲线，便于预制。该工程前后施工长达17年之久，最后于1963年造成。造价超出预算造价的14陪以上，最后的结构方案也是为了凑合已定艺术造型而迫不得才采用的办法。此例说明，作为一个建筑师，只有了解力学与结构原理、建筑材料和施工技术，才能选择经济合理的结构型式，并以此为前提，来体现建筑艺术，方能创作出理想的建筑设计。二、以上提出了建筑、结构的四个层次的关系:(1)首先是合作(遇到矛盾，合作解决)，(2)其次是结合(我了解你，你了解我)，(3)第三是融合(我中有你，你中有我)，(4)最高级是统一(即是好建筑，又是好结构)。设计人员要做到统一，必须既是一个好建筑师，又是一个好结构工程师。当然不可能每个人都做到这一点，但却是努力的方向。在工程实践中，设计人员必须做到相互结合。可以肯定地说，一个好的建筑物的落成，必定是建筑师和结构工程师乃至设备工程-3-师，施工工程师和谐结合的产物。三、建筑设计人员要接受结构教育对一个建筑设计人员说，接受有关建筑结构方面的教育不是可有可无的事。结构修养是一个建筑师必须具备的素质，是衡量建筑师业务和学术水平的尺度之一，也必然是影响建筑师今后成就的一个重要因素。具备结构修养是对建筑设计人员进行结构知识教育的结果。结构教育体现在以下三方面:1·进行正确处理建筑结构问题的思想教育，围绕建筑与结构合作·结合、融合、统一的基本思想，在用科学的方法解决建筑物设计中建筑和结构的技术问题，对建筑物的可靠性、耐久性、经济性和对人民生命财产高度负责的精神等方面进行深入持久的教育。2·进行与建筑结构有关的理论知识教育，静力学、动力学、建筑材料、工程结构、土力学及地基基础及施工技术方面的必要的基本理论知识教育。3、进行解决建筑结构问题的方法教育。四、建筑结构课程的任务和学习方法建筑结构课涉及多门课程，理论和实践性较强，学习中要抓住重点，理论要联系实际，多想、多看、多问。学习重点：1、基本构件：要学会基本构件的受力状态和受力性能。2、学会结构布置，结构选型。-4-1.3建筑结构的特点与应用一、钢结构1、建筑用钢建筑业常用的钢材类型有：线材（钢筋、钢丝、钢铰线）板材（薄、厚、压型钢板）型材（热、冷加工成型的薄壁型钢）管材（无缝、有缝）钢结构是用线材、板材、型材、管材，通过焊接、铆接、螺栓连接等方式组合成各种形式的截面，制造成各种钢结构。是主要的建筑结构之一。2、钢结构的特点钢结构与其它材料相比有如下一些特点：（1）钢材的强度高，塑性和韧性好；（2）材质均匀，各向同性；（3）钢结构的可焊性好；（4）钢结构制造、安装的工业化程度高；（5）钢结构的质量轻。缺点：（1）钢材的耐腐蚀性能差；（2）耐火性能差；3、钢结构的应用（1）大跨、大空间结构；（2）重型厂房结构；（3）高层、高耸、容器和其它构筑物；（4）轻型钢结构；可拆卸的结构。实例：二、木结构木结构是由木材或主要由木材承受荷载的结构。1、钢结构与其它材料相比有如下一些特点：（1）容重小而强度高；（2）制作容易，便于安装和施工；（3）施工不受季节限制，可常年施工，且冬季施工不增加工程费用。（4）木材是一种各项异性材料，同一根木材在各个方向的强度不同；（5）在生长过程中有疵病；（6）外荷载作用时间越长，木材的强度和刚度越低；（7）温度、湿度对木材物理力学性能有极大影响；（8）无缺陷的清材，抗拉强度远高于抗压强度，但属于脆性破坏；（9）木材的抗剪强度很低；水份对木材物理力学性质有影响；（10）木材易燃烧、腐烂和结构变形较大的特点。2、木材的选用（1）材质等级；（2）材质标准。-5-三、砌体结构1、砌体结构的一般概念及发展将块材用砂浆砌筑而成的整体。如：砖石用砂浆砌筑为砖石砌体；中小型砌块用砂浆砌筑为砌块砌体。各种块材组成的砌体结构其共同特点：抗压强度较高，而抗拉、抗剪、抗弯强度很低。故多用于受压构件，少数用于受拉、受剪或受弯构件。无筋砌体强度要比砖、石、砌体本身的强度低的多。所以，砌体结构又分为配筋砌体和无筋砌体2、砌体结构的特点（1）较易就地取材；（2）有较好的耐火性、化学稳定性；（3）可节省水泥、钢材和木材，不需要模板；（4）施工技术与施工设备简单；保温隔热性能好，居住舒适。（5）自重大；（6）砌筑工程-6-第二章结构设计中的总体问题建筑结构设计中的总体问题大体有以下六个，作用力、材料·承载力·倾覆·刚度和地基。本章将逐一讨论。2.1建筑结构上的作用力一、建筑结构上作用力的概念任何建筑物的骨架反映在结构设计中，都是一些由各种代表结构构件的线条组成的结构。作用在这些结构上的力不外乎两种，1、直接施加于结构，使它产生内力效应的称为荷载。它有:(1)结构构件的自身重力荷载(称自重)，以及构件上建筑构造层(地面、顶棚、装饰面层等)的重力荷载，如图2@1中的1。(2)施加在屋面上的雪荷载或施工荷载，如图2@1中的2。(3)施加在楼面上的人群、家具、设备等使用活荷载，如图2@4。(4)施加在外墙墙面上的风荷载，如图2@1中的3。等等。图z@l施加在建筑物上的荷载(o，建筑物剖面;(U结构荷载简图2、由于某种原因使结构产生约束变形或外加变形，从而产生内力效应，这种原因称为作用。它有:(1)沉降作用，指因基础发生不均匀沉降致使结构产生外加变形，引起内力效应，如图2@2。门)温差作用，指在温度变化的环境申材料的热胀冷缩使结构产生约束变形，引起内力效应，如图23。帕)地震作用，指由于地震造成的地面运动。使结构产生加速度反应和外加变形，引起，m，性力，从而产生内力效应，如图扣I0自等等。蕊遥，。¨¨'i簿篷盏i建筑构造层。柱墙。隔断等)。作为近似佑肄，键。平方米建筑面鳞赣部分可作如下假设(指标淮值)，。捻·，5~7kN/m，渤鳖召嫂夕8kN/h'··;··'·。;···、·，¨厂:·，:我彻钵结椒建筑物:··g~M让N/m，。、巳估计。可能与实际情况有出入。但却是确定建筑或结构主体方案的有用数jlm@@l@。翻@演蟹岭@■@@p一7-7-2·]力楼面活荷载建筑物楼面上实际的使用荷载，是一种随时间和不同使用情况有较大变化的可变荷载，通称活载。其本质仍然是物体的地心吸力。楼面活荷载通过一系列集中荷载施加在楼面上。例如人的重力通过脚加于楼面，家具通过支承加于楼面(图2@4)。但是在结构设计申采用的却是均布荷载。由分散的多个集中荷载化算成全楼面的均布荷载耍利用弯矩等效荷载的概念。图2@的是一块由图2@4申取出的宽度为单位长度(1m)简支板的计算简图。跨中作用有实测得到的几个集申荷载巴(i=叨幻…，n)，求得该简支板的最大变矩皿。ma，。如果把几个儿换成图2@5b所示的均布荷载刀使它产生的最大跨中弯矩Mgm等于M。m，，，则均布荷载g称为集中荷载巳的弯矩等效荷载。各种类别的民用键筑钧和某些工业理统钧的憋面活荷戴，均已在《荷巍规范》中列出如。它们都是运用弯矩努效的权念，由实叫大撩己使用楼面的容效均布荷数的数抿，经过数理统伸分析后得到的协议值·这个协议值大体有95%以上的保证率，能为绝大多数人所接受·因而是一个合理的标准值·2·1·4风荷玻作m在迎筑仍农血上的风压l吸l力，上蚁取决于风秘·础筑幼体犯以及地闷湛碰讼度@《荷戏规范。规定的灶个凤庇uelkN，m乃挞披一般凳旷十闷地血上离地Um两哎处，豌计得到的30年一遇l指发生校率