建筑各种结构特点及对比

建筑结构与识图指导教师：郑新志第一章概论本章主要内容:1.1建筑结构的概念及在建筑物中的功能1.2建筑结构的特点及应用1.3结构的极限状态设计方法1.4混凝土结构耐久性规定1.5建筑结构课程的内容、任务和学习方法1.1建筑结构的概念及在建筑物中的功能1.建筑结构的概念建筑结构是建筑物的基本组成部分，是用一定的材料建造成的具有足够抵抗能力的空间骨架，用于抵御自然界可能发生的各种作用力，和建筑物是分不开的有机整体。1.1建筑结构的概念及在建筑物中的功能2.建筑结构的类型钢筋混凝土结构钢结构(1)按建筑材料划分砌体（包括砖砌块、石等）结构木结构塑料结构充气结构墙体结构框架结构深梁结构筒体结构(2)按结构型式划分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1.1建筑结构的概念及在建筑物中的功能2.建筑结构的类型单层结构(多用于单层工业厂房、食堂等)(3)按体型划分多层结构(一般2～7层)高层结构(一般8层以上)大跨结构(跨度大约在40～50m以上)图1-1建筑结构的各种形式（a）墙体结构；(b)框架结构；(c)深梁结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壁结构；(h)钢索结构；(i)折板结构1.1建筑结构的概念及在建筑物中的功能3.结构所要解决的问题(1)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。(2)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。1.1建筑结构的概念及在建筑物中的功能(3)怎样充分发挥所采用材料的作用。这是结构的另一重要功能。材料是结构之所以存在的根本条件(4)结构所要解决的问题还有其它表现，如连接构造问题、经济问题等。1.2建筑结构的特点及应用1.2.1结构的特点1.混凝土结构优点：1）强度高；2）耐久性好；3）耐火性好；4）可模性好；5）整体性好；6）易于就地取材。缺点：结构自重大、抗裂性较差、一旦损坏修复比较困难、施工受季节环境影响较大等。1.2.1结构的特点2.砌体结构优点：1)可就地取材。2)具有很好的耐火性，较好的化学稳定性和大气稳定。3)一般较钢筋混凝土结构可以节约水泥和钢材，可以节约木材，可连续施工。4)采用砌块或大型板材作墙体时，可以减轻结构自重，加快施工进度，进行工业化生产和施工。2.砌体结构缺点：1)自重大。2)砌筑工作相当繁重。3)砂浆和砖石间的粘结力较弱。4)粘土砖用量很大，往往占用农田，影响农业生产。5)砌块结构造价略高于砖石结构。1.2.1结构的特点1.2.1结构的特点3.钢结构优点:1)钢结构自重轻而承载力高。2)钢材最接近于匀质等向体。3)钢材的塑性和韧性好。4）钢材具有可焊性。5)钢结构具有不渗漏的特性。6)钢结构制造工厂化、施工装配化。缺点:1)钢材耐腐蚀性差，应采取防护措施。2)钢结构耐热性能好，但防火性能差。优点缺点应用范围建筑结构混凝土结构强度高、耐久性好、抗震性好、并具可塑性自重大、抗裂能力差、费工费模板一般民用建筑、多高层建筑、工业厂房、大跨结构砌体结构造价低廉、耐火性好、施工方便、工艺简单、就地取材自重大、强度低、抗震性能差、砌筑工作繁重、粘土用量大五六层以下的民用房屋、中小厂房的沉重结构、大型工业厂房的围护结构钢结构强度高、重量轻、质地均匀、运输方便易锈蚀、耐火性能差大跨重型结构、受动荷载结构、可拆卸结构、轻型结构、容器及其它木结构取材加工方便、材质轻且强度较大各向异性、易燃、易裂、易翘曲、易腐蚀大中城市基本停用1.2.1结构的特点1.2.2结构的应用1.混凝土结构的工程应用(1)房屋建筑工程(2)桥梁工程(3)特种结构与高耸结构(4)水利及其他工程2.砌体结构(1)一般民用建筑中的基础、内外墙、柱、过梁、屋盖和地沟等构件。(2)在工业厂房中，用来砌筑围护墙、烟囱、料斗、地沟、管道支架、对渗水性要求不高的水池等特殊结构。(3)农村建筑如猪圈、粮仓等。(4)在交通运输方面，砌体结构除可用于桥梁，隧道外，各式地下渠道，涵洞，挡土墙也常用砌筑。(5)在水利建设方面，可以用石料砌筑坝、堰和渡槽等。1.2.2结构的应用3.钢结构(1)重型工业厂房(2)大跨度结构(3)高耸结构和高层建筑(4)受动力荷载作用的结构(5)可拆卸和移动的结构(6)容器和管道(7)轻型钢结构(8)其他建筑物1.2.2结构的应用1.3结构的极限状态设计方法1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态1.结构的功能要求结构设计的基本目的：采用最经济的手段，使结构在规定的时间内和规定的条件下，完成各项预定功能的要求。“规定的时间”是指我国《建筑结构设计统一标准》（GBJ68—84）规定的结构设计基准期（T），我国取T=50年。“规定的条件”是指正常设计、正常施工、正常使用的条件，即不考虑人为的过失。“各项预定功能”包括结构的安全性、适用性和耐久性。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态结构各项预定功能的具体要求如下。1．安全性结构在规定的条件下，应该能够承受可能出现的各种作用，包括荷载、外加变形、约束变形等作用。而且，在偶然荷载作用下或偶然事件发生时（如地震、强风、爆炸等）结构应能保持必要的整体稳定性，不致倒塌；2．适用性结构在正常使用时应能满足预定的使用要求，具有良好的工作性能，其变形、裂缝或振动等均不超过规定的限度；3．耐久性结构在正常使用、正常维护的情况下应有足够的耐久性能，不致因材性变化或外界侵蚀而影响预期的使用年限。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态以上三个方面的功能总称为建筑结构的可靠性。结构的可靠性用可靠度来进行定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度，结构的可靠度是衡量结构可靠性的重要指标。结构可靠性越高，建设造价投资越大。如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态2.结构的极限状态结构在使用期间的工作情况称为结构的“工作状态”，结构能够满足功能要求而良好地工作称为结构“可靠”或“有效”，反之则结构“不可靠”或“失效”，区分结构工作状态的可结与失效的标志是“极限状态”。极限状态：若整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足设计的某一功能要求，则此特定的状态就称为该功能的极限状态。极限状态是结构失效与可靠之间的临界状态。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态(1)承载能力极限状态这类极限状态对应于结构或结构构件（包括连接）达到最大承载力或达到不能承载的过大变形。当结构或结构构件出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态：1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去了平衡。2）结构构件或其连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不能继续承载。3）结构或构件某些截面发生塑性转动，从而使结构变为机动体系。4）结构或构件丧失稳定。如细长压杆达到稳定临界荷载后压屈失稳破坏。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态(2)正常使用极限状态这类极限状态对于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态。1）影响正常使用或有碍观瞻的变形。2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏。3）影响正常使用的振动。4）影响正常使用的其它特定状态。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态上述两类极限状态中：承载能力极限状态———结构的安全性功能正常使用极限状态———结构的适用性功能和耐久性功能根据上述两类极限状态设计的要求，对于一般结构或构件，均应进行承载力计算、稳定计算和刚度计算。至于是否还要进行疲劳、倾覆或滑移计算，以及抗裂度及裂缝宽度验算，则需根据不同的结构，不同的受力特点，不同的使用要求等具体情况而定。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态3.作用效应S和结构抗力R作用：指使结构产生内力、变形、应力、应变的所有原因。作用分为：直接作用:指施加在结构上的集中荷载和分布荷载，即永久荷载和可变荷载等。间接作用:指引起结构外加变形和约束变形的其他作用，如地震作用、基础沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接变形等。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态作用效应S指荷载、地震、温度、不均匀沉降等因素作用于结构构件上，在结构内所产生的内力和变形（如轴力、弯矩、剪力、扭矩、挠度、转角和裂缝等），当“作用”为“荷载”时，其效应也可称荷载效应。荷载与荷载效应之间一般可按线性关系考虑。即S=CQ式中，常数C为荷载效应系数。由于结构上的作用是不确定的随机变量，所以作用效应一般说来也是一个随机变量。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态结构抗力R整个结构或结构构件承受内力和变形的能力（如构件的承载能力、刚度等）。结构构件抗力是材料性能（温度、变形模量等物理力学性能），几何参数以及计算模式的函数，考虑到材料的变异性，构件几何特征的不定性和计算模式的不定性，由这些因素综合而成的结构抗力也是一个随机变量。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态4.结构的功能函数及极限状态方程结构的功能函数：结构构件的工作状态可以用作用效应S和结构抗力R的关系式来描述，这种表达式称为结构的功能函数，以Z表示这个函数，当结构处于极限状态时的表达式称为极限状态方程。R=S可表示为Z=R-S=g（R，S）1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态可以用来表示结构的三种工作状态：当Z0时,结构处于可靠状态;当Z0时,结构处于失效状态;当Z=0时,结构处于极限状态;结构功能函数的一般表示法为：Z=g（x1，x2，…，xn），其中xi（i=1，2，3，…，n）——基本变量，表示结构上的各种效应和影响结构抗力的各种因素，如材料性能、几何参数等。一般情况下，R和S都是非确定性的变量，例如，S是荷载大小、作用位置及结构尺寸等随机参数因素的影响，故R、S均可用随机变量来描述，所以RS是非确定性问题。1.3.1建筑结构的功能要求与极限状态1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式1．结构可靠度理论(1)随机变量的分析和处理1)随机变量的参数统计①平均值（1-1）式中：———第i个随机变量值；———随机变量的个数。nxnii1ixn1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式(2)标准差（1-2）(3)变异系数（1-3）1)(12nxnii1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式2）正态分布曲线结构的作用、作用效应和抗力的实际分布情况是很复杂的，但统计分析表明，它们有的服从正态分布，有的通过数学变换可以化为当量正态分布。正态分布曲线是数理统计中最常用的曲线（图2-1）。1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式①曲线方程式中：——随机变量；——随机变量的频率密度；即随机变量在横坐标某一区段上出现的百分率（或称频率）与该区段长度的比值。x222)(21)(xexfxx)(xf1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式②曲线特征a.曲线对称于；b.曲线只有一个峰值点；c.当趋于或时，趋于零；d.对称轴左右两边各有一个反弯点，反弯点距峰值点水平距离为，它也对称于对称轴。x)(fx)(xf1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式③特征值我们通常要求出现的事件不大于或不小于某一数值，这个数值就称为特征值。（1-5）式中：——特征值；——与特征值取值保证率相应的系数。kf1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式图1-3概率分布与特征值1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式（2）结构的可靠度、失效概率、可靠指标概率极限状态设计法又称近似概率法。近似概率法的基本概念是从概率的观点来研究结构的可靠性。把结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的可能性大小用概率来表示，并定义这概率为结构的可靠度。结构可靠度就是结构可靠性的概率度量。1.3.2概率极限状态设计法及其实用表达式结构能够完成预定功能（RS）的概率即为“可靠概率”