建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識

建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識第1頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一1第一節(jié)建筑結(jié)構(gòu)的概念及其經(jīng)濟(jì)合理性

“建筑結(jié)構(gòu)”一詞經(jīng)常被提起，但何謂建筑結(jié)構(gòu)？你能給出一個清晰且完整的定義嗎？結(jié)構(gòu)既要經(jīng)濟(jì)又要合理，那么怎么做，才能達(dá)到此目地呢？第2頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一2一、建筑結(jié)構(gòu)的概念結(jié)構(gòu)是建筑物的重要空間骨架?？臻g骨架是由許多構(gòu)件（如板、梁、墻、柱、桿、基礎(chǔ)等）以各種方式相互連接組成一個完整的結(jié)構(gòu)體系。第3頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一3圖5.1多層房屋結(jié)構(gòu)的組成第4頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一4由不同的材料或不同的構(gòu)件，以及不同的體型，可以組成不同的結(jié)構(gòu)體系，如圖5.2所示。結(jié)構(gòu)必須抵抗自然界和人為的各種作用，因此，無論哪種結(jié)構(gòu)體系都應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。第5頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一5圖5.2結(jié)構(gòu)體系框圖第6頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一62）形式建筑結(jié)構(gòu)的形式是多種多樣的，圖5.3是房屋結(jié)構(gòu)常見的形式。圖5.3房屋結(jié)構(gòu)的形式第7頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一73）功能（1）空間功能建筑結(jié)構(gòu)的首要功能是開辟合理的使用空間，所以有“空間骨架”之稱。這是人類生活和生產(chǎn)的需要，也是結(jié)構(gòu)存在的根本目的。（2）抵抗功能建筑結(jié)構(gòu)的另一重復(fù)功能是抵抗各種作用力，所以它要形成“骨架”。這就要求結(jié)構(gòu)具備應(yīng)有的承載能力，并能正常使用且有耐久性。第8頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一8二、建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性是指其結(jié)構(gòu)本身要科學(xué)合理，同時其造價(jià)和維持費(fèi)用要符合經(jīng)濟(jì)性原則。為此將涉及到3個方面的問題：一是合理選取結(jié)構(gòu)材料，二是恰當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)型式，三是充分考慮經(jīng)濟(jì)效果。第9頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一91）選材選材，是指合理地選取結(jié)構(gòu)的材料。它應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況的不同，發(fā)揮材料的長處，而避開材料的短處。2）選型梁、剛架、拱、索是最基本的4種結(jié)構(gòu)型式，如圖5.5所示。它們有各自的跨度適用范圍。第10頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一10圖5.54種結(jié)構(gòu)型式(a)梁；(b)剛架；(c)拱；(d)索第11頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一113）經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性以造價(jià)和維持費(fèi)來衡量。我們追求的是：所付出的代價(jià)應(yīng)與所預(yù)期的要求相符合。第12頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一12第二節(jié)建筑結(jié)構(gòu)的材料性能及選用結(jié)構(gòu)的安全可靠要求用好料、多用料，而結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性（即省錢）則要求用廉料、少用料。這顯然是一對矛盾。解決這一矛盾的辦法是：分析材料的性能，合理用材，材盡其用。第13頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一13一、材料的彈性、塑性和脆性什么是材料的彈性和塑性？這就需要把材料進(jìn)行拉伸才能做出回答。先做一個小試驗(yàn)，如圖5.7所示。圖5.7橡皮筋和橡皮泥的拉伸示意圖第14頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一14圖5.8材料的拉伸圖第15頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一15二、材料性能及選用建筑結(jié)構(gòu)常用的材料有：砌體、木材、鋼材、混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土等。這些材料的力學(xué)性能是有很大的差異性，因此，在建筑結(jié)構(gòu)中就有怎樣選用材料的問題。第16頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一161）鋼材鋼材是一種彈塑性材料。它的抗拉和抗壓強(qiáng)度相近，與其他常用材料相比，鋼材的強(qiáng)度最高，彈性模量最大，故鋼材耐拉也耐壓。圖5.9鋼板和型鋼第17頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一17圖5.10冷彎薄壁型鋼第18頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一182）混凝土混凝土是由骨料（如石子、砂）、水泥和水混合而成的人工材料。這是一種脆性材料，它的抗拉能力很弱，且受拉時極易產(chǎn)生裂縫，但抗壓性能較強(qiáng)，故常用于基礎(chǔ)等受壓的結(jié)構(gòu)中。第19頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一193）鋼筋混凝土鋼筋混凝土是集脆性和彈塑性材料長處的結(jié)構(gòu)材料?；炷量估芰O弱，但抗壓性能很強(qiáng)，而鋼筋的優(yōu)勢是抗拉能力強(qiáng)，所以在混凝土中，配置適量的鋼筋來承擔(dān)拉力，只讓混凝土承受壓力。這兩種材料的結(jié)合是取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自優(yōu)勢的典范。第20頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一20圖5.11鋼筋混凝土梁與素混凝土梁的比較（a）素混凝土梁;（b）鋼筋混凝土梁第21頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一214）預(yù)應(yīng)力混凝土這是一種在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受荷載之前，預(yù)先施加應(yīng)力的技術(shù)。它的原理可以用一根橡皮筋把一些火柴盒繃緊的實(shí)驗(yàn)來模擬，如圖5.12所示。第22頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一22圖5.12預(yù)應(yīng)力原理的比擬第23頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一235）砌體材料凡是由天然材料（如石塊等）或人工制品（如磚、混凝土砌塊等）用粘性材料（如砂漿）砌筑起來的整體結(jié)構(gòu)，都稱為砌體。砌體所用的材料大多是脆性的，常用3種塊材有磚、石塊、混凝土砌塊；常用的砂漿有水泥砂漿、混合砂漿、非水泥砂漿等。第24頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一24表5.1地面以下或防潮層以下的砌體潮濕房間的墻所用材料的最低強(qiáng)度等級第25頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一256）木材木材是最古老的天然結(jié)構(gòu)材料。它的材料性質(zhì)因受力狀況不同，而有塑性和脆性之分。當(dāng)木材順紋受壓時，它的變形較大，表現(xiàn)為塑性；而在受拉時，變形較小，故又表現(xiàn)為脆性。第26頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一26第27頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一27第三節(jié)鋼筋與混凝土

在目前的建筑結(jié)構(gòu)工程中，用量最多、用途最廣的當(dāng)屬鋼筋與混凝土。在《建筑材料》中，大家已經(jīng)對這兩種材料的力學(xué)性能有所了解?，F(xiàn)在所要介紹的是鋼筋和混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)以及在結(jié)構(gòu)中如何選用等內(nèi)容。第28頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一28一、鋼筋1）鋼筋強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值圖5.15各級鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線第29頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一29第30頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一30第31頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一312）鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時，鋼筋強(qiáng)度必須取設(shè)計(jì)值。第32頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一32第33頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一334）鋼筋的種類和等級①鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中所用的鋼筋有兩種：熱軋鋼筋和熱處理鋼筋。②預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中所用的鋼絲按外形分為4種：光面鋼絲，刻痕鋼絲，螺旋肋鋼絲，鋼絞線，其中鋼絞線有3股和7股之分。③在混凝土結(jié)構(gòu)中，還可以使用其他鋼筋。第34頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一34圖5.16冷扎扭鋼筋外形第35頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一35第36頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一365）鋼筋的形式建筑結(jié)構(gòu)所采用的鋼筋形式可分為柔性鋼筋和勁性鋼筋兩類。圖5.17各種形式的鋼筋第37頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一376）鋼筋的選用建筑結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求簡單地說，就是強(qiáng)度要高、塑性要好。強(qiáng)度高——可以保證結(jié)構(gòu)的承載力，且節(jié)約鋼材，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。塑性好——鋼筋在拉斷前有足夠的變形能力，使構(gòu)件在即將破壞之前，能給人以預(yù)告信號，而且在冷彎時有較好的加工性能。第38頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一38二、混凝土混凝土的強(qiáng)度有立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度3種。第一種是用來確定混凝土強(qiáng)度等級的標(biāo)準(zhǔn)，而后兩種是計(jì)算指標(biāo)。1）立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k2）軸心抗壓強(qiáng)度（fck,fc）3）軸心抗拉強(qiáng)度（ftk,ft）第39頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一39圖5.18混凝土立方體抗壓器第40頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一40圖5.19棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度第41頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一41第42頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一424）混凝土的變形（1）混凝土彈性模量Ec大家已經(jīng)知道，彈性模量是反映彈性材料應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的一個重要物理量，即E=σ/ε=常數(shù)。某種材料的彈性模量高，表明它的應(yīng)變相對較小。由此可見，彈性模量反映了材料受力后的相對變形性質(zhì)。第43頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一43第44頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一44（2）混凝土的收縮混凝土在空氣中凝結(jié)過程中，體積減小的現(xiàn)象稱為收縮。（3）混凝土的徐變混凝土在長期不變荷載作用下，應(yīng)變隨時間繼續(xù)增長的現(xiàn)象，稱為混凝土的徐變。第45頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一455）混凝土強(qiáng)度等級的選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于表5.10的要求。第46頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一46第47頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一47三、鋼筋與混凝土的粘結(jié)1）鋼筋與混凝土的共同工作基礎(chǔ)鋼筋和混凝土是兩種性質(zhì)差異很大的材料,它們之所以能夠有效地共同工作，一般是建立在下述三點(diǎn)基礎(chǔ)之上的。（1）粘結(jié)（2）溫度線膨脹系數(shù)相近（3）防銹第48頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一482）鋼筋與混凝土的粘結(jié)力鋼筋與混凝土能夠共同工作的基礎(chǔ)，主要是靠兩者之間存在較強(qiáng)的粘結(jié)力來保證。粘結(jié)力包括：①水泥的膠結(jié)作用使鋼筋和混凝土接觸表面上產(chǎn)生化學(xué)膠著力。第49頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一49②混凝土凝固后將鋼筋裹緊而產(chǎn)生的摩擦力。③鋼筋表面凹凸不平（指肋紋鋼筋、月牙鋼筋、螺紋鋼筋等）或光面鋼筋的彎鉤與混凝土之間的機(jī)械咬合力。第50頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一50圖5.20鋼筋拉拔試驗(yàn)第51頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一51圖5.21提高鋼筋錨固能力的措施(a)加彎鉤；(b)彎折；(c)焊短角鋼；(d)焊短鋼筋第52頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一52第四節(jié)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡介

結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固并安全，還能夠正常使用，這是眾望所歸的。因此，需要在設(shè)計(jì)時，充分考慮到結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能要求，并由此建立科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。那么，結(jié)構(gòu)功能要求有哪些？其設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法是什么？第53頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一53一、結(jié)構(gòu)功能要求與極限狀態(tài)1)結(jié)構(gòu)的功能要求（1）規(guī)定的時間它是指我國《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2001）（簡稱《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》）中規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限，其分類可見表5.11。（2）正常的條件（3）結(jié)構(gòu)的功能要求第54頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一54第55頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一552）結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)既然結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)由可靠向失效轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài)，那么常見的失效現(xiàn)象有哪些呢？（1）結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象①破壞②失穩(wěn)③發(fā)生過大變形④發(fā)生過寬的裂縫⑤結(jié)構(gòu)變成幾何可變體系⑥傾覆⑦地基的變形過大⑧發(fā)生銹蝕、腐蝕、蟲蛀等情況第56頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一56圖5.22結(jié)構(gòu)的破壞第57頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一57圖5.23結(jié)構(gòu)失穩(wěn)第58頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一58圖5.24結(jié)構(gòu)發(fā)生過大變形第59頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一59（2）極限狀態(tài)方程如果能夠把結(jié)構(gòu)所處的極限狀態(tài)，用一數(shù)學(xué)方法來表示，這就可以得到結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件安全可靠的基本條件應(yīng)該是：

Z=R－S≥0

（5.1）第60頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一60二、荷載的代表值S既然是荷載效應(yīng)，那么就需要先計(jì)算出荷載之值。在第4章中，大家已經(jīng)熟悉了各種荷載的分類，也了解到荷載是多樣的，有的還是可變的。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)這兩種設(shè)計(jì)方法。前者，一般是以結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過其承載能力為依據(jù)；后者，一般是以結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動參數(shù)超過設(shè)計(jì)允許的限值為依據(jù)。第61頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一611）永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重，因其值變化不大，一般以其平均值作為自重的標(biāo)準(zhǔn)值。即可按構(gòu)件尺寸與材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)件單位體積的自重（或單位面積的自重）平均值確定。本書所列的材料和構(gòu)件自重，可見表5.12，更詳細(xì)的情況可查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2001）的附錄A，以下將該規(guī)范簡稱為《荷載規(guī)范》。第62頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一62第63頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一63第64頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一64第65頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一65第66頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一66第67頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一67（3）雪荷載和風(fēng)荷載在《荷載規(guī)范》中的附表D.4，可查得全國各城市的雪壓和風(fēng)壓?，F(xiàn)摘錄我國4個直轄市和兩個地區(qū)的基本雪壓和風(fēng)壓，見表5.15。第68頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一68表5.15全國一些城市的50年一遇雪壓和風(fēng)壓第69頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一693）可變荷載的組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久值可變荷載的組合值、頻遇值、準(zhǔn)永久值都是由可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別乘以相應(yīng)的系數(shù)（組合值系數(shù)ψc、頻遇值系數(shù)ψf、準(zhǔn)永久值系數(shù)ψq）而得出。即：第70頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一70三、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式1）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式由式（5.1）知道，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件安全可靠的基本條件是：R－S≥0或S≤R。當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力時，S是內(nèi)力，R是相應(yīng)的抗力。當(dāng)然要求結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能夠抵抗住荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力。因此承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：第71頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一712）荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值的計(jì)算若設(shè)永久荷載和可變荷載的設(shè)計(jì)值分別為g和Q，則有g(shù)=γｃgk，Q=γQQk，而由荷載設(shè)計(jì)值g和Q所產(chǎn)生的彎矩也是設(shè)計(jì)值，分別設(shè)為Mg和MQ，故有：第72頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一723）荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值的計(jì)算此題中，荷載效應(yīng)的組合就是彎矩的疊加，其組合設(shè)計(jì)值為：第73頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一73一、地震基本知識1）地震的基本概念由地殼中巖層發(fā)生斷裂或錯動，以及火山爆發(fā)、溶洞塌陷等原因?qū)е碌孛姘l(fā)生程度不同的振動，這種現(xiàn)象就稱為地震。第五節(jié)建筑結(jié)構(gòu)抗震知識第74頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一74圖5.37地震名詞及示意圖第75頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一752）震級和烈度（1）地震的震級地震的震級是衡量一次地震大小的等級。它表示一次地震釋放能量的多少，一次地震只有一個震級。地震的震級用符號M表示。M=lgA（5.5）第76頁，共86頁，2023年，2月20日，星期一76（2）地震烈度地震烈度是指某一地區(qū)和建筑物遭受一次地震影響的強(qiáng)烈程度。地震烈度不僅與震級的大小有關(guān)，而且與震源深度、震中距、地質(zhì)條件等因素有關(guān)。第77頁，共86頁，2023年，2月20日，星期