建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計0407課件

1、建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計馬人樂同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 教學(xué)內(nèi)容1.1 概念設(shè)計的定義和范疇1.2 概念設(shè)計的意義1.3 概念設(shè)計的方法第一章 緒論第二章 結(jié)構(gòu)材料選擇2.1 結(jié)構(gòu)材料基本特性對比2.2 結(jié)構(gòu)材料選擇2.3 結(jié)構(gòu)材料承載能力優(yōu)化2.4 結(jié)構(gòu)材料的組合優(yōu)化第三章 結(jié)構(gòu)荷載的選擇和調(diào)整3.1 恒載的選擇和調(diào)整3.2 活載的選擇3.3 一般動力荷載與作用的選擇和調(diào)整3.4 疲勞動力荷載的選擇和調(diào)整教學(xué)內(nèi)容4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展史4.2 制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素4.3 結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化第四章 結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計和優(yōu)化第五章 結(jié)構(gòu)計算的概念和判斷5.1 結(jié)構(gòu)計算模式的選擇5.2 計算結(jié)果的判斷第六章 節(jié)點概念

2、設(shè)計6.1 節(jié)點設(shè)計的一般概念6.2 節(jié)點設(shè)計的目標(biāo)6.3 節(jié)點與結(jié)構(gòu)體系的對立統(tǒng)一教學(xué)內(nèi)容6.4 節(jié)點受力的不同階段及對應(yīng)的狀態(tài)6.5 節(jié)點內(nèi)力導(dǎo)引設(shè)計第七章 地基基礎(chǔ)概念設(shè)計7.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計的特點7.2 地基變形及其對策7.3 地基基礎(chǔ)特殊抗力的對策7.4 地基基礎(chǔ)設(shè)計中的優(yōu)化第八章 工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計8.1 工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系的概念8.2 工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系的基本構(gòu)成8.3 工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系的管理8.4 工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系的制造8.5 工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系的安裝教學(xué)內(nèi)容第九章 建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計9.1 抗震設(shè)防的目標(biāo)9.2 結(jié)構(gòu)體系的評價和控制要求9.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計要求9

3、.4 連接設(shè)計要求9.5 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計要求教學(xué)方法1. 講課2. 討論3. 思考、總結(jié)評分方法每人交一篇小論文，不超過2000字內(nèi)容：對“概念設(shè)計”的理解、思考、質(zhì)疑、暢想要求：1.獨立思考 獨立完成 2.結(jié)合結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的實際3.用新的觀點思考，提出問題，解決問題 4.在課程結(jié)束后一周內(nèi)上交第一章 緒論建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.1 概念設(shè)計的定義和范疇1）定義工程結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中利用概念進(jìn)行判斷、推理、創(chuàng)新和決策的方法和過程；2）范疇概念設(shè)計包含對材料、荷載、結(jié)構(gòu)方案形體、節(jié)點、構(gòu)造的選擇；也包含對計算方法、計算參數(shù)和結(jié)果的判斷、選擇和調(diào)整。還包括對結(jié)構(gòu)工程制造、安裝過程的策劃等。

4、3) 局限概念設(shè)計是工程界提出的新理念，缺乏專門研究。還要在工程實踐中不斷應(yīng)用、研究、總結(jié)和發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.2 概念設(shè)計的意義1）對傳統(tǒng)教學(xué)方法的補充傳統(tǒng)教學(xué)方法：老師出設(shè)計題目，定設(shè)計參數(shù)，學(xué)生計算、繪圖，按計算正確性評分；結(jié)果：學(xué)生掌握了結(jié)構(gòu)設(shè)計中許多確定、歸一的知識和技能-執(zhí)行力很強。忽略了對學(xué)生主動探索、選擇、創(chuàng)新、決策能力的培養(yǎng)-探索、創(chuàng)新、決策能力不足。目標(biāo)：除了掌握精確的計算方法，還要靈活運用概念設(shè)計思想。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.2 概念設(shè)計的意義2）對一般設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)和升華常規(guī)設(shè)計：一般工程概念設(shè)計憑經(jīng)驗 重點工程概念設(shè)計總工程師定結(jié)果：一般設(shè)計人員未自覺進(jìn)行概念設(shè)計經(jīng)

5、驗較難升華為理論目標(biāo)：每個設(shè)計者都自覺地進(jìn)行概念設(shè)計。探索新的設(shè)計思想和方法，成為工程界的思想家。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.2 概念設(shè)計的意義3）節(jié)約造價，節(jié)約資源結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和準(zhǔn)確性，計算和概念設(shè)計的重要性，各占70%和30%結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性，計算和概念設(shè)計的作用各占30%和70%幾乎所有不經(jīng)濟的方案，仍能達(dá)到最終的安全概念設(shè)計確定后，設(shè)計方案的優(yōu)劣就定型了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.2 概念設(shè)計的意義4）推動設(shè)計會的進(jìn)步，傳統(tǒng)發(fā)展模式的弊病粗放型發(fā)展的社會主要追求發(fā)展的速度，忽略質(zhì)量，只追求工程量（GDP），不注重降低單位產(chǎn)值的資源耗用量。所以概念設(shè)計不受重視。比如國企兼并以GDP為衡量指標(biāo)決定其生

6、存。而對民企，若效率低則生存難。設(shè)計費的費率國家統(tǒng)一定，費率乘工程造價即設(shè)計費。所以概念設(shè)計水平越高，同樣使用功能的建筑造價越低，設(shè)計費也越少。所以概念設(shè)計目前仍然是一種“少賺錢的方法”。巨大的人口總量以粗放的方式超速地發(fā)展，造成長期資源的重大缺口和環(huán)境問題。客觀形成對國際社會威脅。所以：概念設(shè)計的問題是生存的問題，收入的問題，戰(zhàn)爭與和平的問題建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.2 概念設(shè)計的意義4）推動設(shè)計會的進(jìn)步，改變社會發(fā)展模式由主要追求速度和數(shù)量為主要追求效率（性價比，性能資源比）和質(zhì)量；以設(shè)計的進(jìn)步帶動工程建設(shè)的進(jìn)步，進(jìn)而帶動全社會的進(jìn)步-這是概念設(shè)計的意義所在。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計1.3 概念設(shè)計的方

7、法1）實踐 理論 實踐的方法從工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題，在理論指導(dǎo)下分析問題，找出解決問題的方法，然后通過工程實踐的改進(jìn)加以驗證。最終總結(jié)出新的理論和設(shè)計方法，指導(dǎo)工程設(shè)計。-實踐論2）概念設(shè)計的范例概念設(shè)計要善于總結(jié)中國宋代設(shè)計師兼工匠俞皓所著營造法式，根據(jù)當(dāng)時工程實踐經(jīng)驗，總結(jié)出“模數(shù)化”的設(shè)計和建造方法。其中有些木結(jié)構(gòu)歷經(jīng)千年留存至今建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）概念設(shè)計的范例概念設(shè)計要善于聯(lián)想 芭蕉樹葉，覆蓋面積大，抗風(fēng)能力強，為什么？折板結(jié)構(gòu)有什么用途？建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）概念設(shè)計的范例輕鋼廠房中國人把芭蕉樹葉鎖邊，當(dāng)扇子用，發(fā)明了芭蕉扇。涼風(fēng)習(xí)習(xí)，悠然自得，但沒想別的用途。美國人仿照芭蕉樹葉把薄壁

8、鋼板折成“壓型鋼板”，作屋面板，重量是鋼筋混凝土屋面板的1/10。還把鋼板壓成輕鋼檁條。把壓型鋼板加保溫層墻面，發(fā)明了“門式剛架輕鋼廠房”，又輕又省錢。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）概念設(shè)計的范例對此，中國的審圖公司提出：這種結(jié)構(gòu)不符合我們“建筑結(jié)構(gòu)百年大計”的口號。美國人回答說：你看到哪一個工廠會堅持用一套工藝流程生產(chǎn)同一種產(chǎn)品一百年呢？中國開發(fā)區(qū)的業(yè)主都不理睬審圖公司。概念設(shè)計要求實事求是，兼顧均衡在嚴(yán)酷的條件下，設(shè)計方法和理念也是“適者生存”。在我們還不了解自然，對自己的能力過分夸張之時，我們的口號是“征服自然”。至今仍有人夸耀自己發(fā)明的建筑結(jié)構(gòu)全部是“9度抗震設(shè)防”。但經(jīng)過“唐山大地震”之后，中

9、國的地震專家提出了“三級設(shè)防”的抗震設(shè)計思想：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。按此規(guī)定設(shè)計的建筑基本經(jīng)受住汶川地震的考驗。也使抗震安全與造價這一對矛盾的兩個方面達(dá)到了階段性的統(tǒng)一。概念設(shè)計要去粗取精，去偽存真汶川地震大量預(yù)制板墜落造成人員傷亡。許多地方政府明令不準(zhǔn)使用預(yù)制板，全部改現(xiàn)澆。但現(xiàn)澆板模板貴，損耗大，施工周期長，現(xiàn)場勞動力耗用量大。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）概念設(shè)計的范例建筑工業(yè)化還要不要？預(yù)制樓板可行嗎？答：預(yù)制樓板的薄弱環(huán)節(jié)在于沒有防墜落措施，墻上“座灰”放置，墻體變形后錯動，墜落。只要有好的“防墜落”措施，即可推廣預(yù)制板，促進(jìn)建筑工業(yè)化。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗疲勞（優(yōu)化應(yīng)力性質(zhì)的概念設(shè)計法）

10、內(nèi)力導(dǎo)引法設(shè)計節(jié)點（化被動驗算為內(nèi)力導(dǎo)引的節(jié)點概念設(shè)計法）圖 碗釘法詳圖圖 鋼梁混凝土預(yù)制板碗釘法防墜落第二章 結(jié)構(gòu)材料選擇建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料基本特性的對比表2.1 結(jié)構(gòu)材料性能對比表 材料性能鋼木砌體鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土強度抗拉高順紋較高橫紋低低低較高抗壓高（受穩(wěn)定限制）順紋較高橫紋低高高高抗剪高順紋低橫紋較高壓力大則高壓力低則低較高較高韌性好較差差較差較好各向同性小較大較小較小較小對穩(wěn)定敏感性強較弱較弱較弱較弱彈性模量高低較高較高較高強質(zhì)比高中低較低較低環(huán)保性較好好粘土磚差再生磚好較差較差現(xiàn)場施工便利性好好較差較差較差耐久性中等較差較好較好較好耐火性較差差好好較好材料單價高

11、較低低較低中等建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料基本特性的對比注：表中每一種材料本身有不同的強度和質(zhì)量等級； 表中復(fù)合材料（如鋼筋混凝土）中不同材料的比率（配筋率）對材料性能有重要影響； 同一類材料根據(jù)其取材和制造方式的區(qū)別，環(huán)保性差異很大； 在某些條件下，“承載能力和重量之比”比“強質(zhì)比”更有實際意義。例：鋼的強質(zhì)比比木高3倍左右，但用鋼板做樓板因形狀限制太薄，抗彎模量太小，而同樣重量的木材比鋼板厚10倍，抗彎量大100倍，慣性矩大1000倍，所以盡管木材的強度僅為鋼材的1/30,但木材的抗彎能力（承載力和剛度）是同重鋼板的3倍。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇1）建筑類型與結(jié)構(gòu)材料對城

12、市中的高層建筑或超高層建筑，結(jié)構(gòu)材料的強度、彈性模量、強質(zhì)比、耐久性是控制性指標(biāo)。a)強度不足難以承受高層建筑巨大的結(jié)構(gòu)效應(yīng)；b)彈模不足難以承受非線性變形的累積效應(yīng)；c)強質(zhì)比小，恒載引起結(jié)構(gòu)效應(yīng)大，構(gòu)件占有效空間大，建筑使用功能下降；d)耐久性差，使用年限下降e)材料經(jīng)濟性受土地價格因素制約退居其次；f)耐火、節(jié)能等性能可用其它措施彌補；結(jié)論：鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)先。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇1）建筑類型與結(jié)構(gòu)材料對一般低層或多層民居，材料的經(jīng)濟性（地方性）、環(huán)保性、施工便利性特別重要。a)經(jīng)濟性、地方性差則造價高，運輸成本高；b)環(huán)保性差，能源耗費大，資源耗費大，廢棄物多

13、；c)施工便利性差，則建筑工業(yè)化難，施工成本高。結(jié)論：多層用工業(yè)廢渣砌體墻，低層用木材或輕鋼均可。2）構(gòu)件所在部位及受力類別與結(jié)構(gòu)材料柱子受集中力大且不希望截面大，所以最好用鋼柱，其次用混凝土柱；墻體受力集中不如柱，但起分隔及防火作用，所以高層建筑承重墻或剪力墻用混凝土，多層建筑用砌體；非承重墻不屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件，用輕質(zhì)墻體建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇2）構(gòu)件所在部位及受力類別與結(jié)構(gòu)材料樓面和上人屋面板功能復(fù)雜且要求高（剛度、強度、防火、防水、防震動、隔熱、隔音、設(shè)備兼容性、經(jīng)濟性、自重、建筑空間占有率、維修便利性等）目前：多層用混凝土現(xiàn)澆板，高層鋼構(gòu)用壓型鋼板復(fù)合樓板（圖A）或鋼筋桁架模

14、板復(fù)合樓板（圖B）圖 A圖 B建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇2）構(gòu)件所在部位及受力類別與結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)有樓板的缺點：a)濕作業(yè)多b)自重大c)造價高改進(jìn)的可能方向：a) 復(fù)合木樓板上表面加鋼筋網(wǎng)水泥砂漿層，下表面加防火涂料的鋼木結(jié)構(gòu)預(yù)制樓板；（圖A）圖 A建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇b)帶防墜落措施的精制預(yù)制預(yù)應(yīng)力多孔板（圖B）圖 B建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇2）構(gòu)件所在部位及受力類別與結(jié)構(gòu)材料實例分析：預(yù)制混凝土板，壓型鋼板復(fù)合樓板、復(fù)合木樓板之對比 類別比較項目防墜落混凝土樓板壓型鋼板復(fù)核樓板復(fù)合木樓板強度滿足要求滿足要求滿足要求剛度大大滿足要求自重大大為前兩者1

15、/2防水加找平砂漿后好最好滿足要求現(xiàn)場濕作業(yè)表面砂漿層現(xiàn)場全部現(xiàn)場濕作業(yè)邊緣處理現(xiàn)場濕作業(yè)防火最好底部鋼板要防火滿足要求隔熱較差較差好建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.1 結(jié)構(gòu)材料的選擇3）荷載的類別與材料選擇恒載的大小、方向確定：結(jié)構(gòu)受力不會出現(xiàn)拉壓變化。只要按確定的受力選擇具備對應(yīng)抗力（拉、壓）的材料。動載大小、方向和作用點三個變化要素，有時構(gòu)件拉壓力可逆，所以材料要既能抗壓，也能抗拉?？估兛箟阂⒁夥€(wěn)定問題，抗壓變抗拉要注意不能用脆性材料。疲勞動力荷載是反復(fù)作用5 次以上的動荷載。且其效應(yīng)在材料疲勞極限之上。風(fēng)荷載一般不是疲勞荷載（小風(fēng)應(yīng)力不到疲勞極限，大風(fēng)超過疲勞極限但作用次數(shù)少）；機械作用為疲勞

16、荷載（吊車、車輛、風(fēng)力發(fā)電機）；海浪有疲勞作用（超過疲勞極限的作用次數(shù)多）；受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)多采用韌性好的鋼材或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土；韌性好的鋼材防脆斷好；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土將受拉區(qū)變化為受壓區(qū)，裂縫不開展。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.3 結(jié)構(gòu)材料承載能力優(yōu)化2.3.1 構(gòu)件材料的組合優(yōu)化原理：將不同性質(zhì)的材料組合在一個構(gòu)件內(nèi)，并使各自材料的優(yōu)異性能充分發(fā)揮鋼筋和混凝土的組合：發(fā)揮鋼筋受拉強和混凝土受壓好的優(yōu)點，克服了混凝土受拉脆弱和鋼筋受壓穩(wěn)定性差的缺點；膠合木板：同種材料，順紋橫紋交叉分層粘合，克服了木材各向異性差別大的缺點；膠合木梁：同種材料，同向粘合，克服了木材尺寸不夠大，缺陷多且不均勻的缺點；鋼纖

17、維混凝土：鋼纖維均勻分布，克服混凝土脆性易裂缺點。2.3.2 構(gòu)件材料的應(yīng)力優(yōu)化原理：對材料的不同部分適當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力，使其在受特定的內(nèi)力時克服材料本身的缺點鋼化玻璃：表面淬火迅速冷卻而內(nèi)部緩慢冷卻，內(nèi)部冷卻收縮時受已冷卻表面的約束而受拉，表層受壓。抵消玻璃受彎時表層拉應(yīng)力（玻璃抗壓富余），克服薄弱環(huán)節(jié)，提高抗彎能力；預(yù)應(yīng)力混凝土：預(yù)拉鋼筋混凝土受預(yù)壓，延遲開裂，提高耐久性，提高抗疲勞性能；建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.3 結(jié)構(gòu)材料承載能力優(yōu)化2.3.2 構(gòu)件材料的應(yīng)力優(yōu)化預(yù)應(yīng)力砌體：砌體抗剪承載力隨受壓應(yīng)力增大而增大（所以女兒墻不受壓力地震時先倒）。對已有磚墻做體外預(yù)應(yīng)力加固，可使結(jié)構(gòu)抗震能力提高一倍，

18、預(yù)應(yīng)力也可使磚墻抗彎能力增加。凡是脆性材料均可用預(yù)壓應(yīng)力使其抗拉破壞延遲，從而提高抗彎能力，提高韌性。2.3.3結(jié)構(gòu)體系材料的集成優(yōu)化原理：根據(jù)結(jié)構(gòu)體系不同部分不同的效應(yīng)配置不同性能的建筑材料，集成優(yōu)化。三角形鋼（下弦）木（上弦和腹桿）屋架建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.3 結(jié)構(gòu)材料承載能力優(yōu)化2.3.3結(jié)構(gòu)體系材料的集成優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋加鋼筋混凝土復(fù)合橋面板索膜結(jié)構(gòu)（加剛性環(huán)平衡）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2.3 結(jié)構(gòu)材料承載能力優(yōu)化2.3.3結(jié)構(gòu)體系材料的集成優(yōu)化單元內(nèi)木結(jié)構(gòu)、單元之間為鋼筋混凝土磚石混合結(jié)構(gòu)的多層住宅圖 混凝土框架+木樓板+木隔墻混合結(jié)構(gòu)案例第三章 結(jié)構(gòu)荷載的選擇和調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.1

19、恒載在一般人眼中，恒載是恒定的。在智慧的設(shè)計者眼中，恒載是可以選擇和調(diào)整的。3.1.1恒載減輕的優(yōu)點1）抗震在地震區(qū)設(shè)計多層建筑，首先要思考如何用較小的代價達(dá)到較好的抗震效果？答案是“減輕自重”。因為烈度和場地類別是無法選擇的，只有建筑材料的自重是可以由設(shè)計者選擇的。而地震的慣性力與自重直接相關(guān)。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.1.1恒載減輕的優(yōu)點實例對比：唐山大地震時鋼筋混凝土單層工業(yè)廠房無一幸免，汶川地震時輕鋼廠房受損很小；唐山大地震時磚混結(jié)構(gòu)民居大量倒坍，汶川地震時按抗震規(guī)范設(shè)計磚混結(jié)構(gòu)有但相對較輕破壞；汶川地震時輕型木結(jié)構(gòu)建筑很少有裂縫。問題：為什么汶川地震后新編的抗震設(shè)計規(guī)范只規(guī)定什么結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足

20、怎樣的抗震要求，避而不談“什么結(jié)構(gòu)抗震是最高效的？”這一關(guān)鍵問題。2）跨度結(jié)構(gòu)效應(yīng)是以荷載與作用為自變量，代入結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)中產(chǎn)生的。彎矩這一主要結(jié)構(gòu)效應(yīng)與跨度的平方成正比。所以對于大跨度結(jié)構(gòu)，減輕自重因結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)關(guān)于跨度的平方成正比而突顯其效果。所以大跨度建筑一般采用輕質(zhì)材料，而小跨度結(jié)構(gòu)則因其它因素占主導(dǎo)地位而不一定采用；3）地基自重減輕后，引起地基沉降的“荷載準(zhǔn)永久值”下降比例較大，（活載和風(fēng)載在其中占比例較小或沒有），所以對軟土地基區(qū)域，可減少基礎(chǔ)造價。4）建筑工業(yè)化自重減輕后，便于運輸和安裝，便于建筑工業(yè)化，因勞動力價格上漲，工業(yè)化可降低造價。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.1.2減輕恒載的副作

21、用1）穩(wěn)定問題恒載的減輕，結(jié)構(gòu)效率高，桿件纖細(xì)穩(wěn)定問題也突出了。關(guān)鍵是正確應(yīng)對。2）阻尼比恒載減輕一般阻尼比減小，對減震不利，但影響不大，而且可以通過其他方法彌補。3）隔振恒載減輕對隔振不利，但僅對于有特殊隔振要求的建筑才有影響。4）重力的恒定性：采用輕質(zhì)材料不能吸水，要保證重力的恒定性。5）結(jié)構(gòu)效應(yīng)的變異：恒載減輕后，在風(fēng)吸作用下可能引起結(jié)構(gòu)效應(yīng)的變異（負(fù)彎矩），要考慮相應(yīng)的抗力對策。6）造價：采用輕質(zhì)材料要計算綜合造價及建筑單位使用面積的平均造價的變化。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.2 活荷載3.2.1活荷載選取的依據(jù)活荷載選取的依據(jù)是規(guī)范和統(tǒng)計。業(yè)主不是專業(yè)人員，有時提出的要求帶有片面性，不能完全

22、照辦。要與規(guī)范比較，要看統(tǒng)計資料確定合適的活荷載。3.2.2 同一個結(jié)構(gòu)在不同的狀態(tài)下驗算選用的活荷載可以有區(qū)別如設(shè)計壓型鋼板混凝土復(fù)合樓板：1）驗算現(xiàn)澆混凝土?xí)r壓型鋼板抗彎強度，活載為施工荷載，2）驗算混凝土凝固階段壓型鋼板抗彎剛度： （因為在混凝土凝固階段不允許有活載）3）驗算樓板正常使用極限狀態(tài)，活載取標(biāo)準(zhǔn)值（結(jié)構(gòu)為復(fù)合樓板）；建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.2 活荷載3.2.2同一個結(jié)構(gòu)在不同的狀態(tài)下驗算選用的活荷載可以有區(qū)別4）驗算承載能力極限狀態(tài)，活載取設(shè)計值；5）驗算火災(zāi)偶然作用時，活荷載取抗震組合值，荷載分項系數(shù)取1.0，抗力計算中扣除下表面未涂防火涂料的壓型鋼板；3.2.3活荷載作用位置

23、的影響1）框架結(jié)構(gòu)相鄰層，相鄰跨的活載配置直接影響不同部位結(jié)構(gòu)內(nèi)力；2）連續(xù)梁相鄰跨活載的配置直接影響不同部位結(jié)構(gòu)內(nèi)力；3）對梁柱鉸接，但連接構(gòu)造偏心較大的情況，柱的計算要考慮兩側(cè)梁不等跨或兩側(cè)活荷載有、無對柱的偏心壓力；4）重大設(shè)備如電梯機房曳引機，使用時固定在墊梁上，安裝時有可能放在樓面上，維修時懸掛在屋面梁上，要考慮不同部位的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.2 活荷載3.2.4活荷載的組合活荷載的組合要考慮實際的可能性（如雪荷載和維修荷載）。3.2.5 活荷載隨著社會的發(fā)展而變化（如積灰荷載）3.2.6 廣義活荷載1）冰雪荷載：必要條件-50，小風(fēng)（ ）累積放大作用（屋面排水快速定向或減少

24、累積）斷線沖擊作用（以主體結(jié)構(gòu)變形消解沖擊）2）溫度作用約束剛度大，延續(xù)長度長，內(nèi)外結(jié)構(gòu)連續(xù)但溫差大，這三種條件會引起較大的溫度效應(yīng)。解決辦法：抵抗：對于小的溫度效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的整體性可抗（計算法）釋放：對于大的溫度累積效應(yīng)，可以釋放結(jié)構(gòu)分離（布置法）分散：對于大的溫度效應(yīng)，而結(jié)構(gòu)又不能分離者，可在結(jié)構(gòu)內(nèi)部分散釋放（構(gòu)造法）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.3 風(fēng)荷載的選擇和調(diào)整3.3.1風(fēng)的體型系數(shù) 取值1）規(guī)范法：風(fēng)荷載規(guī)范中列出的體形系數(shù)直接選用，由各種構(gòu)件組合而成的體型考慮前后遮擋后參照高聳結(jié)構(gòu)規(guī)范選用 ；2）風(fēng)洞試驗法：凡規(guī)范中沒有的體型，或多種體型構(gòu)件多層次組合的體型通過風(fēng)洞試驗確定 ，一般對圓管

25、結(jié)構(gòu)結(jié)果偏保守；3）判斷法：依據(jù)伯努利原理判斷風(fēng)壓方向，依據(jù)規(guī)范數(shù)據(jù)相似性確定數(shù)值范圍，略偏保守采用；伯努利原理：一個容器壁兩側(cè)流體流速不等，流速慢的一側(cè)壓力大，流速快的一側(cè)壓力??；以此判斷風(fēng)壓方向如坡15以內(nèi)變化封閉屋面，風(fēng)吸；坡15以內(nèi)變化的體育場屋面（單向開，三向封閉）風(fēng)吸；坡15以內(nèi)變化下凹屋面，下部開敞，風(fēng)壓；水平挑檐無法判斷，敏感結(jié)構(gòu)：對前兩種情況為大部分，實際上就不考慮風(fēng)壓了。因為一般屋面重減去風(fēng)吸后仍為向下力，即使為向上力數(shù)值也很小。只要注意桿件反向受力穩(wěn)定性即可。對于后兩種情況，很少，但風(fēng)壓和自重疊加很危險。其數(shù)值怎么也不會大于0.8+0.5。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.3 風(fēng)荷載的

26、選擇和調(diào)整3.3.2風(fēng)的體形系數(shù) 調(diào)整調(diào)整結(jié)構(gòu)外表形狀，即可調(diào)整體形系數(shù)，以至調(diào)整風(fēng)荷載值。把矩形截面改成圓筒截面，即使迎風(fēng)面增大了，風(fēng)荷載總量卻減小了。3.3.3風(fēng)壓分布空間相關(guān)性1）對于主體結(jié)構(gòu)，相關(guān)性降低整體受力；2）對于局部次要受力構(gòu)件，荷載分布的變化會造成內(nèi)力的較大變異（相對于原來受力）。結(jié)論：受力大的構(gòu)件變異小，受力小的構(gòu)件變異大。對策：1）以最小長細(xì)比，最小壁厚定構(gòu)件的最小受力；2）以最小受力（不以計算受力）定節(jié)點受力。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.4 疲勞動力荷載的選擇和調(diào)整疲勞荷載對結(jié)構(gòu)的危害的評價標(biāo)準(zhǔn)是疲勞應(yīng)力幅。疲勞應(yīng)力幅大于相應(yīng)的允許疲勞應(yīng)力幅則發(fā)生疲勞破壞。減少疲勞應(yīng)力幅即減少

27、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化幅度；這有兩類方法：1）用簡支結(jié)構(gòu)代替連續(xù)結(jié)構(gòu)簡支結(jié)構(gòu)沒有負(fù)彎矩，彎矩在零到最大疲勞彎矩之間變化；連續(xù)結(jié)構(gòu)有負(fù)彎矩。當(dāng)輪壓到相鄰跨時，原來輪壓在本跨時最大彎矩處又受負(fù)彎矩，應(yīng)力變化幅度大，對疲勞不利；2）用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)代替非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)工作機理類似高強螺栓受拉，并非全部外力都變成高強螺栓的拉力增量，而是把一小部分變成拉力的增量，把一大部分變成預(yù)壓力的負(fù)增量（壓應(yīng)力松弛）。只要預(yù)壓力不下降到零，這種特征都能保持。所以一般預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的偏勞應(yīng)力幅僅為非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的20%左右；對于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土永遠(yuǎn)受壓，沒有疲勞問題，預(yù)應(yīng)力主筋疲勞應(yīng)力幅比非預(yù)應(yīng)力混凝土受疲勞

28、荷載則很差（廣州海珠橋引橋段）對于重級工作制鋼結(jié)構(gòu)行車大梁，為減輕長期運行自重，節(jié)約資源，考慮用高強材料。但高強鋼材的允許疲勞應(yīng)力幅不增加，所以無效。若對鋼梁下翼緣用鋼絞線加預(yù)應(yīng)力，則鋼梁下翼緣永遠(yuǎn)處于受壓狀態(tài)，無疲勞問題，高強度可以發(fā)揮，鋼絞線強度是一般鋼材的5倍，拉力變化類似高強螺栓，疲勞應(yīng)力幅也較小。可解決疲勞建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3.4 疲勞動力荷載的選擇和調(diào)整2）用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)代替非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)問題，大大減輕行車大梁自重，減少行車運行的長期能源消耗。3）橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，斜拉橋鋼梁較少有疲勞問題，懸索橋鋼梁則常見有疲勞裂縫，為什么？第四章 結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計及優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.1 發(fā)展史1）人類

29、在自然界生存競爭，施法自然（從形似到神似）人類住宅的發(fā)展建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.1 發(fā)展史木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.1 發(fā)展史高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.1 發(fā)展史自然規(guī)律：優(yōu)勝劣汰警示：一個群體對自然資源、社會資源利用效率的低下會導(dǎo)致滅亡。2）人類在社會實踐中不斷磨練進(jìn)步，實現(xiàn)自身需求，以歐洲教堂建筑的發(fā)展為例。早期古希臘神廟梁柱結(jié)構(gòu)，跨度小。(帕提農(nóng)神廟)建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）人類在社會實踐中不斷磨練進(jìn)步，實現(xiàn)自身需求，以歐洲教堂建筑的發(fā)展為例。為了接納更多信徒，做穹頂建筑。（羅馬萬神殿）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）人類在社會實踐中不斷磨練進(jìn)步，實現(xiàn)自身需求，以歐洲教堂建筑的發(fā)展為例。

30、為了實現(xiàn)教堂的綜合功能，并抵抗穹頂?shù)乃酵屏?，做“十”字形平面的教堂建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）人類在社會實踐中不斷磨練進(jìn)步，實現(xiàn)自身需求，以歐洲教堂建筑的發(fā)展為例。在城市中心，“十”字形平面受限制，抵抗穹頂水平推力較困難，選用半球形穹頂，減少推力。為減小穹頂裂縫，在穹頂上加小塔，增加壓力。（佛羅倫薩教堂）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）人類在社會實踐中不斷磨練進(jìn)步，實現(xiàn)自身需求，以歐洲教堂建筑的發(fā)展為例?！笆弊中谓烫米龃?，其長條矩形平面也用拱形結(jié)構(gòu)，抗水平推力兩側(cè)墻加厚；再墻頂壓塔抗拉應(yīng)力。（米蘭大教堂）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）人類在社會實踐中不斷磨練進(jìn)步，實現(xiàn)自身需求，以歐洲教堂建筑的發(fā)展為例。兩側(cè)墻推力下，墻

31、體傾斜，加支撐。發(fā)現(xiàn)支撐做得好也是一種建筑的美飛拱。（巴黎圣母院）總結(jié)：實踐的發(fā)展打破了平衡，實踐和創(chuàng)新又達(dá)到了更高層次的平衡-人類結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展史。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.2制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素1）結(jié)構(gòu)形式和使用功能的關(guān)系住宅建筑：小跨度，小分隔，小高度，占地緊湊，多層，重合空間；結(jié)構(gòu)：人口稠密地區(qū)多層磚混結(jié)構(gòu) 人口密度較小地區(qū)輕型木結(jié)構(gòu) 人口密度高、勞力價格高地區(qū)多層鋼框架辦公建筑：空間要求比住宅大，人群集中，交通量大，空間有一定靈活性；結(jié)構(gòu)：框架或框筒體系單層廠房：較大跨度，較大高度規(guī)整空間結(jié)構(gòu)：輕型門式剛架單層公共建筑：大跨度、大高度、異形空間結(jié)構(gòu)：拱、穹頂、空間桁架、索、膜或交叉結(jié)構(gòu)建

32、筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.2制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素2）結(jié)構(gòu)形式和尺度的關(guān)系小跨度用梁等受彎構(gòu)件，大跨度用桁架（軸向受力構(gòu)件組合）小層高的用柱抗側(cè)力，大層高用支撐抗側(cè)力例A:鄭州綠地中央廣場鋼構(gòu)，內(nèi)筒加帶支撐外框架方案；高283.9m，地上63層，層高4.5m 鋼筋混凝土核心筒32mX32m，外柱20根，2.42.5m型鋼混凝土柱 自振周期建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.2制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素例B 淮安塔原方案：核心筒加外框架高320米，主塔身7層，層高25米，內(nèi)筒10m，外框架柱600鋼管，原因：柱的長細(xì)比太大不能抗彎，只能按桁架弦桿受壓。例B改進(jìn)：在核心筒和外框架柱之間加柔性交叉斜拉桿，使外柱成為整體空間桁架

33、的弦桿，而外形幾乎不受影響。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.2制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素2）結(jié)構(gòu)形式和支承狀態(tài)的關(guān)系擋水墻結(jié)構(gòu)的變化兵來將擋，水來土掩（沙包壘堤）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.2制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素2）結(jié)構(gòu)形式和支承狀態(tài)的關(guān)系懸臂柱插入式擋水墻原理：板傳力給柱，懸臂柱插入基礎(chǔ)為主體結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.2制約結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)因素2）結(jié)構(gòu)形式和支承狀態(tài)的關(guān)系自平衡式擋水墻原理：水壓力垂直作用于擋水板，擋水板斜置，把水壓力分解為水平推力和垂直壓力。壓力乘摩擦系數(shù)為摩擦力，自平衡水平力。特點：輕 約30kg/可折疊，運輸安裝方便適應(yīng)性廣（地形、坡度、地面材料）可累計加高（防水位變化大）自平衡式擋水墻建筑結(jié)構(gòu)

34、概念設(shè)計4.3結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化 結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化包括整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和單根桿件的優(yōu)化。后者的優(yōu)化也牽涉到結(jié)構(gòu)形式的改變。4.3.1 整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化1）整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是提高結(jié)構(gòu)效率。2）結(jié)構(gòu)的效率理論上可以用結(jié)構(gòu)全部構(gòu)件，所有截面上所有點，在各自的控制性極限狀態(tài)中的最大應(yīng)力水平作加權(quán)平均得到的百分比來衡量。3）任何結(jié)構(gòu)沒有絕對的高效率，只有相對的高效率。4）整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可分步走，先根據(jù)大量的經(jīng)驗作判斷，定大方向，然后根據(jù)具體條件分析定詳細(xì)方案。例：一大跨屋面：大方向：輕鋼屋面、壓型鋼板、鋁鎂錳合金板細(xì)部：桁架還是H型鋼分析 跨度較小用變截面H型鋼梁 跨度大用桁架（網(wǎng)架）分析 跨度大，平面接近方形

35、用雙向桁架 平面邊長差別大時用單向桁架建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.3.2 單根桿件的優(yōu)化1）單根桿件的優(yōu)化包括應(yīng)力性質(zhì)的優(yōu)化和應(yīng)力水平的優(yōu)化；2）應(yīng)力性質(zhì)的優(yōu)化指根據(jù)構(gòu)件控制性的極限狀態(tài)和材料抗力特性調(diào)整構(gòu)件的應(yīng)力方向；如：壓變拉：長度較大、拉壓交變、受力絕對值較小、長細(xì)比控制的支撐或桁架斜腹桿，材料強度利用率低。采用柔性交叉斜腹桿并施加預(yù)拉力后，桿件不可能受壓，也不受長細(xì)比的限制，材料利用率大大提高。拉變壓：疲勞控制的重級工作制吊車梁（簡支鋼梁），下翼緣疲勞應(yīng)力幅不能大于允許疲勞應(yīng)力幅。由于允許疲勞應(yīng)力幅只和構(gòu)造有關(guān)，和材料強度無關(guān)，所以為了減輕鋼梁重量，用高強鋼材后，抗疲勞問題無法解決。改變應(yīng)力幅

36、可以解決問題。對下翼緣施加預(yù)拉力（用鋼絞線拉），使其不出現(xiàn)拉應(yīng)力，則沒有疲勞問題。控制性極限狀態(tài)改為強度，使用高強材料可大大減少。高強鋼材加預(yù)壓力前后抗疲勞能力變化鋼材Q345Q390Q420強度/MPa295335360連接類別232323/MPa144118144118144118p/MPa246246279279300300p/1.712.081.942.362.082.54鋼絞線面積比0.0750.0750.0850.0850.0910.091鋼絞線應(yīng)力幅比0.0940.0940.1050.1050.1110.111鋼絞線應(yīng)力幅124124139139147147材料消耗7.5%7.5

37、%8.5%8.5%9.1%9.1%抗疲勞提高71%108%94%136%108%154%建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 應(yīng)力流途徑改變：開口截面受扭時剪力流在鋼板厚度方向方形范圍形成小渦流，稱為“分散抗扭”。若將開口截面改為閉口截面，剪力流沿閉口截面周邊形成大渦流，稱為“合力扭矩”，結(jié)構(gòu)抗扭效果提高很多。開口截面建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計局部應(yīng)力進(jìn)入可控的塑性，如抗震結(jié)構(gòu)中的偏心支撐是可控地使梁的某一段進(jìn)入塑性變形，增加結(jié)構(gòu)耗能。又如蕊桿屈曲而外套筒不屈曲的“防屈曲支撐”，是通過蕊桿的屈曲增加結(jié)構(gòu)耗能。而套筒則控制了蕊桿的屈曲程度。使屈曲處在可接受的范圍的。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計應(yīng)力性質(zhì)的優(yōu)化還可以創(chuàng)造出奇幻的結(jié)構(gòu)造型。如

38、在一般空間桁架中，壓桿多于拉桿。但在“張拉結(jié)構(gòu)”中，壓桿少于拉桿，成為在拉力的海洋中漂浮著一個獨立受壓的小島。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4.3.2 單根桿件的優(yōu)化3）應(yīng)力水平的優(yōu)化是將所有構(gòu)件的應(yīng)力比調(diào)整到合理而均衡的水平。合理： a 符合規(guī)范要求，不超上限 b 符合經(jīng)濟性要求，應(yīng)力水平不取太低均衡： a 總體應(yīng)力水平接近 b 根據(jù)結(jié)構(gòu)各部分的特點，適當(dāng)微調(diào)，達(dá)到相對的均衡第五章 結(jié)構(gòu)計算的概念與判斷建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計5.1 結(jié)構(gòu)計算的前期準(zhǔn)備1）結(jié)構(gòu)計算模式的選擇從桿件和節(jié)點的實際情況出發(fā)；從加工、運輸、安裝的便利性與可能性出發(fā)從調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度及提高結(jié)構(gòu)效率出發(fā)2）結(jié)構(gòu)剛度的選擇結(jié)構(gòu)整體剛度：單元剛度的集

39、成，如空間桁架桿件剛度：為保證桿件對總體剛度的有效作用而規(guī)定的“另類”剛度標(biāo)準(zhǔn)，如單桿建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）結(jié)構(gòu)剛度的選擇廣義剛度： 按變形類別區(qū)分：抗彎剛度、抗剪剛度、抗扭剛度 按變形的程度分：彈性變形剛度、彈塑性變形剛度 動剛度：與自振特性有關(guān)的剛度及分布 地基剛度：與地基長期沉降或不均勻沉降有關(guān)的剛度3）計算方法的分類宏觀力學(xué)方法：求名義應(yīng)力，抗力為設(shè)計強度；宏觀力學(xué)方法加統(tǒng)計參數(shù)修正；求統(tǒng)計名義應(yīng)力，抗力為修正后的設(shè)計強度；彈性有限元法：求彈性范圍內(nèi)微觀單元應(yīng)力狀態(tài)（按強度理論），抗力為屈服強度；彈塑性有限元法：求彈塑性范圍內(nèi)的微觀單元應(yīng)力狀態(tài)及變化過程，評價指標(biāo)為塑性發(fā)展深度；有限元法

40、加外推法：求特殊部位的“熱點應(yīng)力”，抗力為允許疲勞應(yīng)力幅。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4）計算方法選擇： （對應(yīng)于3）的方法）對延性材料桿系結(jié)構(gòu)用對非延性材料桿系結(jié)構(gòu)用對非桿系結(jié)構(gòu)彈性階段用對非桿系結(jié)構(gòu)彈塑性階段用對焊接部位的疲勞分析用5.2 計算結(jié)果的判斷1）正常使用極限狀態(tài)計算結(jié)果判斷變形的連續(xù)性是計算結(jié)果可信的必要條件；由結(jié)構(gòu)動力參數(shù)（頻率分析、振型）可見結(jié)構(gòu)各方向剛度的均衡性恒載引起的變形直接反映結(jié)構(gòu)剛度；構(gòu)筑物與建筑物的變形限制條件不同。若無具體使用變形限制條件，可放寬變形限制。但變形若超出線彈性范圍，應(yīng)做非線性分析；有人活動的結(jié)構(gòu)部位要滿足加速度限制條件，對應(yīng)的荷載取頻遇值；根據(jù)所設(shè)計結(jié)構(gòu)的各

41、種特點分析其特殊要求及廣義變形限制條件，選用合適的對策。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計5.2 計算結(jié)果的判斷2）承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果判斷輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)按邊緣屈服控制強度；并考慮與局部穩(wěn)定相關(guān)的有效截面參數(shù)；非薄壁結(jié)構(gòu)可適當(dāng)考慮塑性發(fā)展深度，可按10%以內(nèi)控制；對于延性材料組成的結(jié)構(gòu)，可用名義應(yīng)力對比強度設(shè)計值，但還要符合規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造要求；對承受疲勞動力荷載的結(jié)構(gòu)，按宏觀力學(xué)方法計算時不允許邊緣屈服；按有限元方法計算時，在疲勞荷載下不允許邊緣屈服，在極限荷載下允許邊緣屈服，但相應(yīng)部位計算疲勞時構(gòu)造等級可考慮下降一級；整體穩(wěn)定的控制首先通過適當(dāng)?shù)闹尾贾媒鉀Q，平面內(nèi)剛度好的樓面可代替永久支撐；空間結(jié)構(gòu)要有對

42、應(yīng)的空間分布的支撐；跨內(nèi)無支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定若不滿足規(guī)范限制條件應(yīng)作驗算。支座抗扭為其先決條件，規(guī)范限定整體穩(wěn)定免驗算條件僅對應(yīng)于滿應(yīng)力狀態(tài)，降低應(yīng)力水平可放松整體穩(wěn)定限制；無支撐框架，有支撐框架（包括強支撐和弱支撐）柱的計算長度系數(shù)可超2.0，按規(guī)范量化計算；豎向懸臂空間桁架結(jié)構(gòu)（塔架）等同于強支撐空間框架，原則上其斜腹桿的抗側(cè)剛度與立柱抗側(cè)剛度之比應(yīng)與強支撐框架的支撐與柱的抗側(cè)剛度之比相當(dāng)；建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計5.2 計算結(jié)果的判斷2）承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)變形（包括整體變形和層間變形）超過規(guī)范限定值后應(yīng)按非線性分析其對結(jié)構(gòu)受力的影響，且最大位移不能超過建筑抗震設(shè)計規(guī)范中罕遇地震下的

43、位移限制； 結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定的規(guī)范限制是以滿足應(yīng)力為條件的，在適當(dāng)條件下為提高結(jié)構(gòu)效率可降低應(yīng)力水平以放松局部穩(wěn)定要求，（如高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范）對單管塔徑厚比的規(guī)定。3）非極限狀態(tài)問題的判斷疲勞問題按允許疲勞應(yīng)力幅判斷（采用允許應(yīng)力法），無荷載分項系數(shù)；對變形敏感結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，桅桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算用安全系數(shù)法。規(guī)范分別確定安全系數(shù)；對于一些實踐證明有問題的結(jié)構(gòu)破壞方式要分析具體原因，尋找解決方法；建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3）非極限狀態(tài)問題的判斷對于一些實踐證明有問題的結(jié)構(gòu)破壞方式要分析具體原因，尋找解決方法；例1：重級工作制吊車梁加勁板與上翼緣間焊縫“A”斷裂（圖A）建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3）非極限狀態(tài)問題的判

44、斷疑問：當(dāng)輪壓經(jīng)過時，輪壓擴散到軌道底面，作用在上翼緣表面。但按照B-B圖，上翼緣受彎屬單向板受彎，按單邊支承懸臂板計算。加勁板與上翼緣之間焊縫不受力。為什么破壞？原因：單向板的假定只是簡化假定，在計算上翼緣受彎時偏安全。在計算加勁肋支承點受力時，此假定導(dǎo)致不安全。實際加勁肋支承點受力仍不大。但兩側(cè)的焊縫當(dāng)輪壓滾過時正好拉壓變號。所以應(yīng)力幅比應(yīng)力加大一倍。而此角焊縫無法連續(xù)成圍焊，屬5類構(gòu)造。允許應(yīng)力幅很低。（ ），所以發(fā)生疲勞破壞。對策： 頂緊，不焊 按有限元方法計算此焊縫疲勞應(yīng)力幅，按規(guī)范驗算疲勞。例2：重級工作制吊車梁腹板受壓受剪區(qū)疲勞裂縫1，2（見圖A）原因：用剪應(yīng)力互等定理可知，當(dāng)輪

45、壓滾過某截面時，正截面剪應(yīng)力的變號會造成斜截面的正應(yīng)力變號。所以：抗剪強度滿足，疲勞應(yīng)力幅不滿足。特別是加勁板附近腹板，先破壞建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3）非極限狀態(tài)問題的判斷分析：但這類破壞與下翼緣受拉疲勞破壞不同。開裂后，開裂點處應(yīng)力為零。重新找點開裂，屬于“漸進(jìn)性”疲勞破壞。而下翼緣處一旦開裂，開裂處應(yīng)力集中加劇，促進(jìn)開裂過程。屬于突發(fā)型。受壓只改變正截面方向，不改變趨勢。對策：驗算剪應(yīng)力幅：例3：桅桿纖繩拉耳疲勞斷裂。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3）非極限狀態(tài)問題的判斷例3：桅桿纖繩拉耳疲勞斷裂疑問：纖繩拉力和焊縫A處于同一平面，焊縫A在纖繩拉力作用下應(yīng)力水平很低。按疲勞驗算通過。為何破壞？原因：桅桿結(jié)構(gòu)屬

46、結(jié)構(gòu)力學(xué)中的“瞬變結(jié)構(gòu)”（所有支座反力延長線通過桿軸）。桅桿在微風(fēng)作用下繞桿軸扭轉(zhuǎn)瞬變。變形后產(chǎn)生回復(fù)力。反復(fù)扭轉(zhuǎn)振動，對拉耳產(chǎn)生平面外彎矩。對其焊縫產(chǎn)生疲勞應(yīng)力幅（未作計算）。超過允許疲勞應(yīng)力幅后斷裂。對策：采取抗扭措施，改變其抗扭瞬變結(jié)構(gòu)特點。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3）非極限狀態(tài)問題的判斷例4：預(yù)應(yīng)力抗疲勞鋼梁應(yīng)力目標(biāo)：受力狀態(tài)加預(yù)應(yīng)力時疲勞荷載標(biāo)準(zhǔn)值極限荷載鋼絞線脆斷疲勞荷載標(biāo)準(zhǔn)值上翼緣應(yīng)力(N/mm2)00.65f（壓） f（壓）0.65f（壓）下翼緣應(yīng)力(N/mm2)f（壓）0.05f（壓）0.54f（拉） f（拉）注： 1、須保證梁不失穩(wěn)，也不腹板剪壞； 2、表中0.65=1/()=1/

47、(1.41.1)，表中0.54= -1； 3、上翼緣抗橫向剎車力通過連接制動桁架解決。截面及參數(shù) 分析1) 鋼絞線加預(yù)拉力P后，上翼緣拉應(yīng)力為0的條件為： 預(yù)拉力P作用下，下翼緣壓應(yīng)力為f：2) 當(dāng)疲勞彎矩Mp作用時，下翼緣應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)?.05f（壓），則： 此時上翼緣應(yīng)力為：3) 極限彎矩Mu作用時： 下翼緣應(yīng)力由0.05f（壓）變?yōu)?此時上翼緣應(yīng)力為：4) 當(dāng)鋼絞線破斷時，荷載為標(biāo)準(zhǔn)值彎矩Mp， 上翼緣 下翼緣結(jié)論1) 由應(yīng)力目標(biāo)設(shè)計達(dá)到了疲勞承載力和極限承載力的全截面協(xié)調(diào)，兩者比值為1:1.54。2) 疲勞承載力提高到相當(dāng)于將允許應(yīng)力幅提高到0.95f。 對于以下3種材料，疲勞允許應(yīng)

48、力幅提高的倍數(shù)：材料Q345Q390Q420f295335360提高倍數(shù)2類構(gòu)造1.952.212.383類構(gòu)造2.382.702.90注：i) 板厚在1635mm以內(nèi)； ii) 構(gòu)造為2類=144N/mm2， 構(gòu)造為3類=118N/mm2；3) 將疲勞的脆性破壞變?yōu)閺姸葐栴}，杜絕了脆性破壞。第六章 節(jié)點設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.1 節(jié)點設(shè)計的一般概念6.1.1 基本概念1）結(jié)構(gòu)體系由構(gòu)件和節(jié)點共同構(gòu)成；2）節(jié)點使交匯于它的構(gòu)件連成一體，傳導(dǎo)構(gòu)件之間的內(nèi)力，并與節(jié)點上的外力相平衡；3）節(jié)點按受力特征可分為鉸接、剛接和半剛接。鉸接中又可分滑動鉸接和固定鉸接；4）節(jié)點按桿件匯聚的方向特征分為平面節(jié)點

49、和空間節(jié)點。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.1.2 鉸接1）鉸接只能傳遞力，不能傳遞力矩；2）鉸接既簡單又復(fù)雜，具有兩面性： 鉸接：設(shè)計要考慮極限狀態(tài)的變化： 圖6.1 預(yù)制樓板磚墻連接圖在一般情況下，預(yù)制樓板磚墻鉸接連接只要保證擱置長度和座灰平整度；在抗震設(shè)計中要考慮樓板防墜落。預(yù)制樓板作為固定在上、下墻體中板端有一定固結(jié)，因其上部未配筋，受負(fù)彎矩造成開裂，影響其端部抗彎承載力。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 鉸接設(shè)計要減小次彎矩： 圖6.2 梁支座連于柱頂中心 梁支座連于柱翼緣梁支座連于柱頂中心，偏心距小，柱軸心受壓，但節(jié)點傳力不直接；梁支座連于柱翼緣，節(jié)點傳力直接，但容易造成柱的偏心受壓；主梁和次梁連接，盡可能靠

50、近主梁腹板，主梁免于受扭，次梁單側(cè)下翼緣不切除，增加次梁平面外穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計2）鉸接有固定鉸接和滑動鉸接 滑動指平行于梁縱軸方向的一端約束解除，用于消除梁內(nèi)部軸向力（溫度效應(yīng)、拱作用推力） 是否需要滑動根據(jù)梁軸力大小定a)梁短、直，受彎時軸力小，可用固定鉸接；b)梁長、拱形，受彎或溫度作用下若端部受約束，軸向內(nèi)力大，則用滑動鉸接。 滑動鉸接要確?；瑒幽芰?固定鉸接要確保柱頂?shù)目箓?cè)剛度和懸臂柱的抗彎承載力 沿梁軸方向的外力為主時兩端固定鉸，兩側(cè)柱頂同時受力。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.1.3 剛接1）剛接既能傳遞力，也能傳遞彎矩；2）剛接的必要條件傳遞力和力矩時有足夠的承載能力；傳遞力和力矩時

51、有連續(xù)的抗彎剛度。3）剛接的充分條件要有一定的延性（3%轉(zhuǎn)角）4）剛接實例混凝土梁柱剛接建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的剛接c)長圓孔轉(zhuǎn)型性高強螺栓梁柱剛接節(jié)點 D)滯回曲線AAA - A建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的剛接可以達(dá)到梁柱剛接的必要條件，但構(gòu)造有缺點。強震時無轉(zhuǎn)角，易脆性破壞，不便安裝；便于安裝，連接避開反彎矩最大點，構(gòu)造合理，強震時有一定轉(zhuǎn)角能力，有韌性。荷載設(shè)計值以下屬摩擦型高強螺栓連接，超過設(shè)計值（罕遇地震）時高強螺栓滑動，轉(zhuǎn)變成承壓型高強螺栓，節(jié)點容忍轉(zhuǎn)角3%5%，變形后為承壓型高強螺栓，承載能力進(jìn)一步提高。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 木結(jié)構(gòu)的剛接建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 木結(jié)構(gòu)的剛接建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 木

52、結(jié)構(gòu)的剛接梁柱之間內(nèi)力（剪力、彎矩）通過螺栓、鋼夾板傳遞，要求孔徑允許誤差大，普通螺栓受力后滑移，節(jié)點抗彎初始剛度很??；梁柱之間內(nèi)力通過高強螺栓壓緊圓套管，套管壓在夾板上，摩擦傳力。剛度提高（無零剛度段），承載能力提高不多，螺栓套筒擠壓木材造成順紋劈裂；方套筒嵌入木材，高強螺栓壓緊，摩擦傳力，無劈裂現(xiàn)象。剛度和承載能力均提高。鋼柱和混凝土基礎(chǔ)的剛接a) 埋入式剛接柱腳b) 包腳式剛接柱腳建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計鋼柱和混凝土基礎(chǔ)的剛接c) 外露式剛接柱腳建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計鋼柱和混凝土基礎(chǔ)的剛接a) 鋼柱插入基礎(chǔ)深度1.5*b。剛接好，用鋼量大，柱落腳點交叉基礎(chǔ)梁，主筋要焊在鋼柱上，焊接困難；b) 剛接好，

53、但外包柱影響建筑外觀和使用；c) 必須對錨栓施加預(yù)拉力，才能確保剛接。省材，混凝土耐久性好，便利施工。d) 預(yù)應(yīng)力錨栓設(shè)計施工要點：螺栓直接張拉法施工；套管確保無長期預(yù)應(yīng)力損失；下錨板上混凝土三向受壓；柱靴式雙層法蘭便利密集螺栓施工。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.2 節(jié)點設(shè)計的目標(biāo)-信 達(dá) 雅6.2.1 信節(jié)點設(shè)計要可信1） 節(jié)點設(shè)計要忠實體現(xiàn)它在整體結(jié)構(gòu)中的功能。反例： 若將拱支座節(jié)點設(shè)計成可滑動，則拱成為曲梁 若將有一定拱度的梁的可滑移支座設(shè)計成固定支座，則梁端水平推力對懸臂柱頂有不利作用。2） 節(jié)點要有可靠的承載力，還應(yīng)保持規(guī)定的狀態(tài)。反例： 節(jié)點承載力不夠會造成破壞； 節(jié)點狀態(tài)不好（如螺栓松動等

54、）也會造成反復(fù)荷載作用下的破壞。6.2.2 達(dá)節(jié)點傳力要通達(dá)順暢，不應(yīng)造成應(yīng)力紊亂、集中1） 焊縫以平滑的對接焊最好。加引弧板后磨平更好；2） 螺栓連接以摩擦型高強螺栓最好；建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計3） 主要受壓型法蘭靠磨平頂緊傳遞壓力4）拉壓兼用型法蘭靠焊縫傳遞拉力和壓力建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.2.3 雅節(jié)點外觀緊湊、簡潔、優(yōu)雅1） 鋼管連接法蘭設(shè)計原則：高強螺栓、細(xì)而密（圖a）結(jié)果：螺栓離管壁近，法蘭板小、薄、緊湊2） 預(yù)應(yīng)力拉桿設(shè)計（圖b 浦東機場候機廳短柱上斜桿）a) 黑龍江塔柱法蘭b) 浦東機場候機廳短柱上斜拉桿建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.3 節(jié)點設(shè)計中的對立統(tǒng)一6.3.1 結(jié)構(gòu)整體和節(jié)點1）矛盾：結(jié)構(gòu)

55、整體計算要求節(jié)點盡可能精確。但節(jié)點不可能完全精確，或是提高精度要付出更多代價。2）解決矛盾的方法：基于結(jié)構(gòu)整體的受力特點，確定在什么位置做適當(dāng)?shù)暮喕俣ㄝ^合理，也較利于降低連接的成本。3）實例1：黑龍江電視塔（正八邊形鋼管塔） 塔柱長細(xì)比約60，斜桿長細(xì)比約120，桿件數(shù)量多，按鉸接可以形成穩(wěn)定的空 間桁架； 塔柱節(jié)點位置在節(jié)點以上800mm處； 塔柱節(jié)點用法蘭，普通螺栓加雙螺母，屬于半剛接。 建筑立面圖 結(jié)構(gòu)立面圖 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計分析：塔柱長細(xì)比60，斜桿長細(xì)比120時，按桁架計算和按剛架計算對整體計算結(jié)果影響較小，可簡化按空間桁架計算。塔柱節(jié)點位置在節(jié)點以上800mm處便于安裝操作，半剛

56、接轉(zhuǎn)角接近于節(jié)點，模擬桁架較真實，誤差小。轉(zhuǎn)角在端部，對單根桿件的整體穩(wěn)定影響較?。ㄈ艄?jié)點在中間則不同。）塔柱節(jié)點用法蘭，高強度普通螺栓加防松措施，施工便利，免維護，屬于半剛接，計算結(jié)果偏于安全。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4）實例2：河南省廣播電視塔特點：構(gòu)件長細(xì)比2040，桿件數(shù)量少，桿件截面為桉葉糖形；桿件很長，很重，運輸和安裝要求在桿件中間增加現(xiàn)場螺栓連接點；桿件連接用雙面法蘭鍍鋅高強螺栓。建筑立面圖 結(jié)構(gòu)立面圖 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計分析： 桿件數(shù)量少，桿件抗彎剛度大，長細(xì)比小，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間剛架分析；桿件連接點分布復(fù)雜，在桿長中間也應(yīng)確保桿件連接剛接，否則對桿件的整體穩(wěn)定影響不利；雙面法蘭連接應(yīng)保

57、證剛接，采用高強螺栓，即使受拉時法蘭板也只是預(yù)壓應(yīng)力降低，不會脫離，因而抗彎剛度連續(xù)；用鍍鋅高強螺栓確?，F(xiàn)場連接長效防腐蝕，但扭矩系數(shù)不符合高強螺栓驗收要求，用直接張拉法施工。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計5）實例3：門式剛架柱腳：特點：鋼柱截面上大下??；柱腳普通螺栓連接，剛架其他部分用高強螺栓法蘭連接；柱腳螺栓直徑比底板螺栓孔直徑小10mm，不能抗剪。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計分析：鋼柱截面上大下小，柱腳必然按鉸接計算；剛架其他部分用高強螺栓法蘭連接，可達(dá)到剛接要求，結(jié)構(gòu)整體作為兩鉸拱成立；柱腳鉸接，螺栓又不能抗剪，螺栓不受力，無法確定螺栓設(shè)計參數(shù)；結(jié)構(gòu)整體計算可把柱腳作為鉸接，偏安全。柱腳及螺栓計算必須把柱腳作為

58、半剛接，否則無法設(shè)計；半剛接柱腳的簡化計算簡圖：建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計其中:A錨栓截面積 e錨栓中心到柱受壓翼緣的距離 L錨栓的自由長度，用套筒和混凝土 隔離的為全長，不隔離的取錨栓 長度的一半由此簡圖可計算出錨栓所受拉力，確定錨栓直徑，進(jìn)一步算出反力 ，摩擦力 ,其中 為摩擦系數(shù)，若 ，可不設(shè)抗剪鍵。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.3.2 主要受力方向（桿件）和次要受力方向（桿件）1）矛盾：連接在節(jié)點上的所有桿件都要求盡可能保持連續(xù)，但實踐中只能保證主要受力方向的構(gòu)件連續(xù)性；2）解決矛盾的方法：準(zhǔn)確判斷主要連接方向（構(gòu)件），優(yōu)先保證其用連續(xù)性最好的方式連接，其他構(gòu)件則只能與主要方向的構(gòu)件現(xiàn)場連接。3）實例1：

59、多層鋼框架梁柱連接點：特點：柱為牽涉整體安全的主要構(gòu)件，梁為相對次要構(gòu)件；現(xiàn)場連接方式為栓焊連接；梁上、下翼緣受力較大，應(yīng)使梁的翼緣內(nèi)力平衡。柱的連接不允許有突出物。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計分析： 多層框架處柱為主要受力構(gòu)件，在樓面處應(yīng)當(dāng)首先保持連續(xù)； 梁在現(xiàn)場用栓焊混合連接、便利?，F(xiàn)場連接最好避開負(fù)彎矩最大處； 為保證梁的主要內(nèi)力傳遞的均衡，在柱上設(shè)加勁板； 柱要連接在層間內(nèi)力較小處，用高強螺栓定位，對接焊連接。然后割除定位板。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計4）實例2：大跨度單層鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接點：特點： 大跨度連續(xù)梁、柱不很高； 現(xiàn)場連接為剛接，要求便于施工。分析： 大跨度連續(xù)梁為主要構(gòu)件，在支座處讓它保持連續(xù)；

60、 柱與梁用法蘭高強螺栓連接，剛接，梁擱在柱頂，便于安裝。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計5）實例3：桁架與柱連接點：特點：桁架與柱連接，桁架端斜桿受力大，桁架豎桿受力??；截面為型。分析：此處豎桿并非柱的延伸段，豎桿受力小，端斜桿受力大。所以先保證端斜桿在工廠與柱對接焊；兩等截面型鋼變角度對接焊，應(yīng)按角平分面切割，然后對接；工地連接焊縫一般設(shè)在直線段，不設(shè)在交叉點；豎桿直接焊在端斜桿上。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計6.3.設(shè)計受力的效率和施工便利性）矛盾：二級以上焊縫加引弧板的對接焊可以確保連接與母材等強，是受力高效的連接設(shè)計方法，但這種連接不利于工業(yè)化制作和安裝；）解決矛盾的方法：適當(dāng)策劃工廠焊接，工地焊接和工地螺栓連接