結(jié)構(gòu)與建筑的關(guān)系

房屋建筑學(xué)

第9章

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要任務(wù)：根據(jù)國(guó)家有關(guān)建筑方針政策和設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，以建筑方案為設(shè)計(jì)條件進(jìn)行建筑承重體系的設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是:

結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)布置；結(jié)構(gòu)受力分析；結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

由結(jié)構(gòu)工程師來(lái)完成。建筑與結(jié)構(gòu)

的關(guān)系：

建筑是功能的空間描述；

結(jié)構(gòu)是空間的表達(dá)手段；明確建筑、結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一關(guān)系掌握選擇結(jié)構(gòu)體系的方法培養(yǎng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的能力結(jié)構(gòu)體系承重結(jié)構(gòu)類型墻承重結(jié)構(gòu)夯土墻建筑、砌體墻結(jié)構(gòu);、鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)骨架承重結(jié)構(gòu)木構(gòu)架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)大跨度結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、帳篷薄膜結(jié)構(gòu)、充氣薄膜結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)、成束筒結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)

各種結(jié)構(gòu)體系包含的承重結(jié)構(gòu)類型

墻承重結(jié)構(gòu)墻體承重結(jié)構(gòu)按照墻體施工方法和材料的不同，可分為：夯土墻、土坯墻石砌墻磚砌體墻混凝土砌塊墻

現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻等。石砌墻實(shí)心粘土磚混凝土空心砌塊多孔粘土磚粉煤灰硅酸鹽砌塊常用的墻體承重結(jié)構(gòu)：磚混結(jié)構(gòu)（磚墻，鋼筋混凝土樓板）剪力墻結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土墻）大板結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土墻板、復(fù)合墻板）磚混結(jié)構(gòu)（磚墻，鋼筋混凝土樓板）一、結(jié)構(gòu)特征

1結(jié)構(gòu)材料：墻體--磚砌體樓板—現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土板

2力學(xué)特性：強(qiáng)度較低，自重大，抗震性能較差；

3適用范圍：房間開(kāi)間、進(jìn)深不大。在中小型民用建筑中應(yīng)用較為廣泛。二、

選型要點(diǎn)

1房屋總高度和層數(shù)限值；

2房屋最大高寬比限值；

3抗震橫墻最大間距限值；

4房屋局部尺寸限值；

5結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)：優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻混合承重縱橫墻宜均勻?qū)ΨQ，平面對(duì)齊，豎向連續(xù)。按要求設(shè)變形縫。樓梯間不宜在盡端和轉(zhuǎn)角。三、墻體布置：

1橫墻承重；

2縱墻承重；

3縱橫墻混合承重；

4部分框架承重（底層或內(nèi)部部分為框架）橫墻承重：房間開(kāi)間尺寸大部分相同，且符合鋼筋混凝土梁板經(jīng)濟(jì)跨度的小空間建筑?？v墻承重：當(dāng)房間進(jìn)深較統(tǒng)一，且符合鋼筋混凝土梁板的經(jīng)濟(jì)跨度，但開(kāi)間尺寸多樣，要求布置靈活時(shí)，可采用縱墻承重；

縱橫墻混合承重：當(dāng)開(kāi)間、進(jìn)深均較多樣時(shí)，可以考慮采用縱橫墻混合承重。

部分框架承重：轉(zhuǎn)角處構(gòu)造柱構(gòu)造柱與磚墻拉結(jié)縱橫墻交接處構(gòu)造柱構(gòu)造柱不設(shè)獨(dú)立基礎(chǔ)圈梁與構(gòu)造柱整澆脫模后的圈梁、構(gòu)造柱三、剪力墻結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成

1）全現(xiàn)澆墻

2）大型板材墻

3）內(nèi)澆外砌墻

4）內(nèi)澆外掛墻

5）框支剪力墻

6）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)全現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻體系的高層住宅樓內(nèi)澆外掛大板結(jié)構(gòu)一、

結(jié)構(gòu)特征1

結(jié)構(gòu)構(gòu)成預(yù)制大板：內(nèi)墻板、外墻板、樓板2

板材類型實(shí)心板空心板復(fù)合板3

建筑特征空間?。哼m用于住宅、旅館、宿舍剛度大：可用于地震和非地震區(qū)二、

選型要點(diǎn)結(jié)構(gòu)平面力求規(guī)則建筑參數(shù)盡量減少

保證構(gòu)件可靠連接加強(qiáng)外墻板面防水板材裝配式建筑中所用的一些預(yù)制墻板板材裝配式建筑1967年蒙特利爾世界博覽會(huì)展出的預(yù)制裝配式盒子住宅

1

體系構(gòu)成

框架+剪力墻

2

體系特點(diǎn)

1）建筑特點(diǎn)

綜合體建筑的功能要求

①

框架：提供大空間，建筑布置靈活。

②

剪力墻：間距較密，空間小，建筑布置不靈活。

2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

①

框架:

結(jié)構(gòu)延性好，主要承擔(dān)豎向荷載。但抗推剛度小。

②

剪力墻：抗推剛度大，抗側(cè)承載力高，承擔(dān)大部分水平荷載。

3）變形特點(diǎn)

①

變形協(xié)調(diào)

a剛性樓蓋

b非剛性樓蓋

②

最大層間側(cè)移角的減小樓蓋對(duì)側(cè)移變形的協(xié)調(diào)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系3構(gòu)件受力狀態(tài)

1）并聯(lián)體的連桿內(nèi)力

①框架：剪切型側(cè)向變形。

②剪力墻：彎曲型側(cè)向變形。

③并聯(lián)體：彎剪型側(cè)向變形。

2）框架和抗震墻的內(nèi)力

①框架剪力:

連桿使框架水平剪力上下分布均勻。

②抗震墻彎矩：連桿減小抗震墻底部彎矩。

3）水平荷載和剪力分布規(guī)律

①框架水平荷載上正下負(fù)，頂端受正向集中力。②

抗震墻水平荷載上小下大，頂端受反向集中力。③框架和抗震墻頂端水平剪力均不為零。④框架樓層剪力最大值在(0.3--0.6)H之間。

⑤抗震墻頂端一段的水平剪力為負(fù)值。

⑥抗震墻承擔(dān)80%的水平荷載。

4抗震墻布置原則

1）抗震墻的設(shè)置

①沿結(jié)構(gòu)平面主軸線方向布置②抗震墻的數(shù)量要適當(dāng)③按照“分散均勻周邊對(duì)稱”四準(zhǔn)則布置④不宜布置單肢墻

2）抗震墻的平面布置

①每個(gè)方向沿兩條以上相距較遠(yuǎn)的軸線設(shè)置抗震墻②抗震墻的設(shè)置部位：

a豎向荷載較大處

b平面形狀變化或樓蓋水平剛度劇變處

c樓梯電梯間及樓板較大洞口兩側(cè)③抗震墻應(yīng)避開(kāi)需要開(kāi)大洞口的墻體位置④在獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元端部，抗震墻距外墻<=8米⑤防震縫兩側(cè)不宜設(shè)成對(duì)的抗震墻⑥縱向抗震墻不宜設(shè)在獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元的兩端⑦抗震墻宜用LTH口形

骨架承重結(jié)構(gòu)骨架承重結(jié)構(gòu)骨架材料的不同，主要可分為：木骨架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)鋼框架結(jié)構(gòu)木構(gòu)架結(jié)構(gòu)

在中國(guó)的民居中，屋面及整體結(jié)構(gòu)體系有：

檁式屋架式人字叉手構(gòu)架、抬梁式構(gòu)架、穿斗式構(gòu)架、密肋平頂式、干欄式、井干式等形式。

骨架承重結(jié)構(gòu)：大跨度結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)一、拱結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍（1）拱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

①拱是一種推力結(jié)構(gòu)：在豎向荷載下產(chǎn)生水平推力；②拱是一種無(wú)矩結(jié)構(gòu)：通過(guò)合理拱軸可使桿件無(wú)彎矩；③拱可充分利用材料抗壓強(qiáng)度，斷面小、跨度大。

剛架結(jié)構(gòu)一、剛架結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

剛架是橫梁和柱以整體連接方式構(gòu)成的一種門形結(jié)構(gòu)。由于梁和柱是剛性節(jié)點(diǎn)，在豎向荷載作用下柱對(duì)梁有約束作用，因而能減少梁的跨中彎矩；同樣，在水平荷載作用下，梁對(duì)柱也有約束作用，能減少柱內(nèi)的彎矩。由于剛架結(jié)構(gòu)受力合理，輕巧美觀，能跨越較大的跨度，制作又很方便，因而應(yīng)用非常廣泛。一般用于體育館、禮堂、食堂、菜場(chǎng)等大空間的民用建筑，也可用于工業(yè)建筑。排架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)

由屋架（或屋面梁）、柱、基礎(chǔ)等組成，柱頂與屋架為鉸接，柱底與基礎(chǔ)頂面為固接。在單層工業(yè)廠房中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)工藝和使用要求不同，排架結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成等高或不等高、單跨或多跨及其它多種形式。

排架結(jié)構(gòu)——某單層廠房室內(nèi)一、結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

桁架在實(shí)際工程中常為排架結(jié)構(gòu)的屋架。桁架是由桿件組成的一種格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系，桿件與桿件的結(jié)合假定為鉸接，所以在外力作用下，桿件內(nèi)力為軸向力（拉力或壓力），而且分布均勻，故桁架結(jié)構(gòu)比梁結(jié)構(gòu)受力合理。桁架內(nèi)力分布均勻，材料強(qiáng)度能充分利用，減少材料耗量和結(jié)構(gòu)自重，使結(jié)構(gòu)跨度增大。所以桁架結(jié)構(gòu)是大跨度建筑常用的一種結(jié)構(gòu)形式。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還包括一些未能單獨(dú)歸類的特殊形式，如折板式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多平面型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、多層多跨框架式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，總起來(lái)可稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展很快，且持續(xù)不衰。

一、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍網(wǎng)架是一種由很多桿件以一定規(guī)律組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）桿件之間相互起支撐作用，形成多向受力的空間結(jié)構(gòu)，故其整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、空間剛度大，有利于抗震；（2）當(dāng)荷載作用于網(wǎng)架各節(jié)點(diǎn)上時(shí)，桿件主要承受軸向力，故能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度，節(jié)省材料；（3）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度小，可以有效地利用空間；（4）

結(jié)構(gòu)的桿件規(guī)格統(tǒng)一，有利于工廠化生產(chǎn)；（5）

網(wǎng)架形式多樣，可創(chuàng)造豐富多彩的建筑形式。（二）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要用來(lái)建造大跨度公共建筑的屋頂，適用于多種平面形狀，如圓形、方形、三角形、多邊形等各種平面的建筑。按外形分為平板網(wǎng)架和曲面網(wǎng)架；按建造材料可分為鋼網(wǎng)架、木網(wǎng)架、鋼筋混凝土網(wǎng)架；按網(wǎng)架本身的構(gòu)造又可分為單層網(wǎng)架和雙層網(wǎng)架。平板網(wǎng)架都是雙層的，曲面網(wǎng)架可以是單層網(wǎng)架或雙層網(wǎng)架。平板網(wǎng)架多采用鋼管或角鋼制作。曲面網(wǎng)架可采用木、鋼、鋼筋混凝土，我國(guó)受木材資源少的限制，很少用木材制作網(wǎng)架，而多采用鋼網(wǎng)架，有時(shí)也采用鋼筋混凝土網(wǎng)架。平板網(wǎng)架自身不產(chǎn)生推力，支座為簡(jiǎn)支，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，可以適用于各種形狀的建筑平面，所以應(yīng)用最廣泛。曲面網(wǎng)架多數(shù)是有推力的結(jié)構(gòu)，支座條件比較復(fù)雜，但外形美觀，建筑造型獨(dú)具特色。

按外形：

①平板網(wǎng)架

a.交叉桁架體系

b.角錐體系

②

曲面網(wǎng)架

a.球面網(wǎng)殼

b.柱面網(wǎng)殼

c.雙曲面網(wǎng)殼由網(wǎng)架結(jié)構(gòu)覆蓋的交通空間空間網(wǎng)架在建筑物入口處的運(yùn)用懸索結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)屋面覆蓋的世博會(huì)展廳盡管十余年來(lái)我國(guó)懸索結(jié)構(gòu)取得了可喜的發(fā)展，但與網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)比較其發(fā)展相對(duì)較慢，分析起來(lái)可能有兩方面的原因：（1）懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論相對(duì)復(fù)雜一些，又缺少具有較高商品化程度的實(shí)用計(jì)算程序，因而難于為一般設(shè)計(jì)單位普遇采用；（2）盡管懸索結(jié)構(gòu)的施工并不復(fù)雜，但一般施工單位對(duì)它不夠熟悉，更沒(méi)有形成專業(yè)的懸索結(jié)構(gòu)施工隊(duì)伍，這也影響建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位大膽采用這種結(jié)構(gòu)形式。帳篷薄膜結(jié)構(gòu)

張拉式膜（或索-膜）結(jié)構(gòu)自80年代以來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家獲得極大發(fā)展。這種體系與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，張緊在剛性或柔性邊緣構(gòu)件上，或通過(guò)特殊構(gòu)造支承在若干獨(dú)立支點(diǎn)上，通過(guò)張拉建立預(yù)應(yīng)力，并獲得確定形狀。

膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來(lái)的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。自從上世紀(jì)七十年代以來(lái)，膜結(jié)構(gòu)在國(guó)外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個(gè)主要方案。

帳篷薄膜結(jié)構(gòu)是利用骨架、網(wǎng)索將各種現(xiàn)代薄膜材料繃緊形成建筑空間的一種結(jié)構(gòu)。它的歷史僅有幾十年，是在懸索結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。柔軟的薄膜不能承受荷載，只有將它繃緊后才能受力，所以這種結(jié)構(gòu)只能承受拉力，而且在任何情況下都必須保持受拉狀態(tài)，否則就會(huì)失去穩(wěn)定。帳篷薄膜結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：輕巧柔軟、透明度高、采光好、省材料、構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝快速、便于拆遷、外形千姿百態(tài)、這種結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的弊病是抗風(fēng)能力差而易失去穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)必須合理選擇拉索的支點(diǎn)、曲率和預(yù)應(yīng)力值。這種結(jié)構(gòu)適用于各種建筑平面，主要用于臨時(shí)性或半永久性建筑，如供短期使用的博覽會(huì)建筑、體育建筑、文娛演出建筑和進(jìn)行其他活動(dòng)的臨時(shí)性建筑。

美國(guó)亞特蘭大為1996年奧運(yùn)會(huì)修建的“佐治亞穹頂”（Geogia

Dome，1992年建成）采用新穎的整體張拉式索一膜結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)橢圓形平面的輪廓尺寸達(dá)192mX241m。體育場(chǎng)張拉膜結(jié)構(gòu)頂蓋張拉膜結(jié)構(gòu)的連廊張拉膜結(jié)構(gòu)的展示空間空間結(jié)構(gòu)支承系統(tǒng)所適用的建筑類型充氣薄膜結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是利用薄膜材料制成氣囊，充氣后形成建筑空間，并承受外力，故稱為充氣薄膜結(jié)構(gòu)。它在任何情況下都必須處于受拉狀態(tài)才能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，所以它總是以曲線和曲面來(lái)構(gòu)成自己的獨(dú)特外形。充氣薄膜結(jié)構(gòu)兼有承重和圍護(hù)雙重功能，故大大簡(jiǎn)化了建筑構(gòu)造。薄膜充氣后均勻受拉，能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，省材料，加之薄膜本身很輕，因而可以覆蓋巨大的空間。這種結(jié)構(gòu)的造型美觀，且能適用于各種形狀的平面。薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑不設(shè)天窗也能滿足采光要求。由于充氣薄膜結(jié)構(gòu)具有上述優(yōu)點(diǎn)，一些國(guó)家在最近40年已先后建成充氣結(jié)構(gòu)的體育館、展覽館、餐廳、醫(yī)院等多種類型的建筑，而且特別適用于防震救災(zāi)等臨時(shí)性建筑和永久性建筑。充氣薄膜結(jié)構(gòu)形式分為氣承式和氣肋式兩種。另外，還可將充氣薄膜結(jié)構(gòu)與網(wǎng)索結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，這樣可增大結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力。某體育場(chǎng)由半透明的充氣膜結(jié)構(gòu)覆蓋，可根據(jù)不同球隊(duì)的比賽改變外觀的顏色。充氣膜結(jié)構(gòu)的植物園穹頂膜結(jié)構(gòu)的空間研究大樓折板結(jié)構(gòu)

折板結(jié)構(gòu)是以一定傾斜角度整體相連的一種薄板體系。折板結(jié)構(gòu)通常用鋼筋混凝土建造，也可用鋼絲網(wǎng)水泥建造。折板結(jié)構(gòu)由折板和橫隔構(gòu)件組成。在波長(zhǎng)方向，折板猶如一塊折疊起伏的鋼筋混凝土連續(xù)板，折板的波峰和波谷處剛度最大，可視為連續(xù)板的各支點(diǎn)，折板結(jié)構(gòu)呈空間受力狀態(tài)，具有良好的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)厚度薄，省材料，省模板，可預(yù)制裝配，構(gòu)造簡(jiǎn)單。折板結(jié)構(gòu)可用來(lái)建造大跨度屋頂，也可用作外墻。

1）折板：由鋼砼或鋼網(wǎng)水泥平板組成

2）橫隔構(gòu)件：可用橫隔板、橫隔梁、橫隔桁架

3）邊梁：當(dāng)跨度較大時(shí)設(shè)邊梁，以減小折板傾角折板結(jié)構(gòu)的組成

1）折板類型

①長(zhǎng)折板：L/B>1，f≥(1/10～1/15)L

②短折板：L/B≤1，f≥1/8L

2）跨度：普通砼可達(dá)到21米，預(yù)應(yīng)力砼可達(dá)到27米

3）一般尺寸：B=2～3米，f=0.5～1.2米，板厚≥B/40L≥24米，B=1～2米，板厚25～45BLf≥L/40折板結(jié)構(gòu)的主要尺寸折板薄殼結(jié)構(gòu)建筑薄殼結(jié)構(gòu)自然界某些動(dòng)植物的種子外殼、蛋殼、貝殼，可以說(shuō)是天然的薄殼結(jié)構(gòu)，它們的外形符合力學(xué)原理，以最少的材料獲得堅(jiān)硬的外殼，以抵御外界的侵襲。人們從這些天然殼體中受到啟發(fā)，利用混凝土的可塑性，創(chuàng)造出各種形式的薄殼結(jié)構(gòu)。一、結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍薄殼結(jié)構(gòu)是用混凝土、塑料等剛性材料以各種曲面形式構(gòu)成的薄殼