結構選型與方案設計課件

結構選型與方案設計水利與土木工程學院陳存恩2008.9

參考教材：建筑概念設計與選型，江見鯨，機械工業(yè)出版社建筑結構選型，陳眼云等，華南理工大學出版社建筑結構選型，張建榮，中國建筑工業(yè)出版社中大跨建筑結構體系及選型，虞季森，中國建筑工業(yè)出版社1精品課件結構選型與方案設計水利與土木工程學院1精品課件第一節(jié)建筑結構概論一、建筑與結構的關系 建筑是結構的外衣；結構是建筑的骨架二、建筑的結構分類1、地面以上的結構：

鋼筋混凝土結構（包括預應力混凝土結構） 鋼結構（包括輕型鋼結構）

砌體結構（包括磚、石、砌塊） 木結構 混合結構（包括磚與混凝土、鋼與混凝土）

薄膜結構、懸索結構、索膜結構2精品課件第一節(jié)建筑結構概論一、建筑與結構的關系2精品課件

2、地面以下的結構（基礎部分）

天然淺基礎（獨立基礎、條形基礎、十字交叉基礎、筏型基礎） 深基礎（樁基礎） 人工挖孔樁 機械鉆、沖孔樁 預應力管樁（靜壓樁、錘擊樁）樁筏基礎（復合基礎）地基處理：堆載，強夯，換填，土、碎石樁，攪拌樁 3精品課件 2、地面以下的結構（基礎部分）3精品課件三、結構設計過程和原則

1、施工圖設計過程 選定（假設）結構； 計算結構所受荷載； 計算結構所受內力和變形； 構件設計，滿足強度和剛度要求； 構造設計； 繪制施工圖 2、原則：安全、適用、經(jīng)濟、美觀、耐久 3、結構設計的兩種狀態(tài)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。4精品課件三、結構設計過程和原則4精品課件四、結構設計的依據(jù)

1、力學原理 2、設計與施工規(guī)范、規(guī)程 3、材料標準、產品目錄、材料的檢測報告 4、工程地質資料（報告） 5、建筑物使用要求（設計任務書）6、政府的批準建設文件5精品課件四、結構設計的依據(jù)5精品課件五、課程學習目的

宏觀把握結構方案設計的內涵及原則，以便在今后的結構設計工作中掌握主動性，有目的地進行結構選型設計、方案比較和優(yōu)化設計。六、本課程學習內容和要點

在對鋼筋混凝土結構、鋼結構設計方法以及基礎工程設計已經(jīng)熟悉的條件下，結合實際設計工程，從結構受力合理、材料運用合理的角度對多種結構體系以及結構方案布置進行比較，目的是在滿足結構安全的前提下獲得更好的經(jīng)濟效益和更好的適用性。

6精品課件五、課程學習目的6精品課件第二節(jié)結構選型設計的總體問題一、選型設計的各階段1、結構體系選擇2、結構方案選擇3、結構構件尺寸初步確定二、綜合考慮的因素1、建筑物使用功能和建筑方案2、外部作用（荷載）3、地質條件（包括地下水）4、施工手段7精品課件第二節(jié)結構選型設計的總體問題一、選型設計的各階段7精品課三、選型設計考慮的原則1、盡量滿足建筑設計所提的要求2、要考慮施工隊伍的技術水平及施工的方便性3、運用新技術要慎重，要考慮自身有無足夠的能力完成該工程，還要取得業(yè)主的認可后方可實施4、要考慮結構造價的合理性、經(jīng)濟性5、最后，作為設計公司，工程設計實際上是商業(yè)行為，還要考慮自身的得和失。8精品課件三、選型設計考慮的原則8精品課件第三節(jié)鋼筋混凝土樓蓋結構方案設計樓蓋類型選擇1、單向板肋梁樓蓋（主次梁樓蓋）傳力路線明確，設計較容易，適用于雙向柱網(wǎng)尺寸不一樣的情況。板厚一般較薄。兩方向梁高不同，美觀程度略差，多用于工業(yè)建筑或室內空間有墻分隔的情況。2、雙向板肋梁樓蓋（主次梁或交叉梁） 傳力合理，造價較低，有效利用室內凈高。適用于雙向柱網(wǎng)尺寸大致相同的情況，尤其交叉梁體系，外形美觀，是常用的結構形式。板鋼筋一般不能充分利用。9精品課件第三節(jié)鋼筋混凝土樓蓋結構方案設計樓蓋類型選擇9精品課件3、密肋梁樓蓋 另一方向梁尺寸大，主要用于增加單方向室內凈高。制作時費模板，應用不多。4、無梁樓蓋 有效增加室內凈高，板厚度較大，配筋多，不經(jīng)濟，多用于荷重較大的情況，例如多層廠房、上有覆土的地下車庫等底板、頂板?？拐鹦阅懿?，地震區(qū)限制使用板柱結構。5、預應力混凝土梁板結構單、雙向預應力鋼筋混凝土梁，能增加室內凈高。預應力混凝土無梁板，能有效增加室內凈高。10精品課件3、密肋梁樓蓋10精品課件11精品課件11精品課件二.各種樓蓋的常用尺度和布置1、單向板肋梁樓蓋板厚度h:100～160mm，常用100～120mm，180mm以上要配雙層鋼筋，慎用。從經(jīng)濟的角度考慮，板厚度盡量薄，為板跨度L的1/30～1/45。次梁：梁支承在主梁上，通常是連續(xù)梁形式，僅承受豎向力作用。梁高h常取梁跨度L的1/15～1/12。h/b約2～3.5。主梁：梁兩端支承在框架柱或墻上的是主梁，大空間時，為連續(xù)梁形式。除受有豎向力外，還受有地震作用力、風的作用力。梁高h常取梁跨度L的1/12～1/10。h/b約2.5～5。下面是主次梁樓蓋結構的幾種布置方式，要點是：增加凈高、傳力路線短、受力合理。12精品課件二.各種樓蓋的常用尺度和布置12精品課件13精品課件13精品課件14精品課件14精品課件2。雙向板肋梁樓蓋板厚度h:100～160mm，常用100～120mm，180mm以上要配雙層鋼筋，慎用。從經(jīng)濟的角度考慮，板厚度盡量薄，為板跨度L的1/40～1/45。雙向板肋梁樓蓋體系通常采用交叉梁體系，梁高h一般取全梁跨度L的1/16～1/12，比主次梁體系主梁的高度小，原因是力向兩個方向傳遞了。h/b尺寸同前述。擱置在柱上的交叉梁同時是框架梁，受力類似單向板體系的主梁，盡管梁高相同，但梁寬可以不同，或者通過增加配筋，以適應其不同。下圖是雙向板主次梁樓蓋體系15精品課件2。雙向板肋梁樓蓋15精品課件16精品課件16精品課件17精品課件17精品課件3。密肋梁樓蓋 常用的尺度是肋間距1m左右，板厚度40mm～100mm，小肋梁高可取板跨度L的1/25左右，可看出尺度間于板厚度和次梁梁高之間的尺寸。 密肋梁樓蓋還有雙向密肋形式，如圖：4。無梁樓蓋5?？招臉巧w（新型結構形式）18精品課件3。密肋梁樓蓋18精品課件北京大鐘寺市場批發(fā)廳——雙向預應力密肋板體系.19精品課件北京大鐘寺市場批發(fā)廳——雙向預應力密肋板體系.19精品課件20精品課件20精品課件三.梁板結構的構造和經(jīng)濟要求1、梁梁、板砼強度等級宜相同，不高于柱強度主次梁交叉點處在主梁設吊筋主梁高度一般不少于次梁高度從經(jīng)濟考慮，抗裂所需鋼筋不應大于強度所需鋼筋從經(jīng)濟考慮，梁寬度不應大于梁高度梁理想的經(jīng)濟含鋼率約在1%~1.5%左右外墻梁高度應與窗口高度相適應懸挑梁高度與簡支梁相比，高度大一倍梁寬與梁高的比值約在1.5~4之間，梁高時取大值21精品課件三.梁板結構的構造和經(jīng)濟要求21精品課件2、板板不宜太厚，一般不超過160mm，超過180mm則要設雙層鋼筋，更不經(jīng)濟；板不宜太小，否則由于最小厚度限制，不經(jīng)濟板不宜太大，否則自重作用下配筋也很大；從經(jīng)濟考慮，板鋼筋宜用高強度，如Ⅲ級鋼筋；若由裂縫控制，則用Ⅰ級鋼筋經(jīng)濟；若板尺寸不是很大，板上可以直接承受集中荷載或線荷載，這種方式經(jīng)常用于多、高層住宅的小房間（廚房、衛(wèi)生間等）的布置；板厚通常由板跨度和板面活荷載決定，工業(yè)廠房板厚不宜少于120mm。22精品課件2、板22精品課件3、材料要求

盡量使用強度等級高的材料，好處：減輕自重，有利于抗震；有利于減少基礎費用增加內部空間降低造價23精品課件3、材料要求23精品課件第四節(jié)多、高層建筑結構體系與布置一、概述

1、結構體系 體系主要由以下幾種： 框架、框架—剪力墻、剪力墻、框架—筒體、筒體等。 多層與高層在結構體系上有本質的不同，多層基本上全是框架體系，而高層基本上全是剪力墻體系或框架—剪力墻體系。這幾種體系的不同在于框架體系的梁柱構件既承受豎向力，同時也承受水平力，而框架剪力墻體系中，梁柱構件主要承受豎向力，水平力主要由剪力墻承受。24精品課件第四節(jié)多、高層建筑結構體系與布置一、概述24精品課件

剪力墻體系和筒體均應用于較高的高層建筑，尤其是筒體，側向剛度極大，更是在超高層建筑中廣泛應用。2、確定建筑結構方案的四大原則

其一：傳力路線要明確 其二：強度、剛度協(xié)調匹配 其三：結構的穩(wěn)定性（傾覆、滑移）其四：充分利用材料和構件的優(yōu)點25精品課件 剪力墻體系和筒體均應用于較高的高層建筑，尤其是筒體，側向二、多層框架結構

1、框架結構受力特點框架是由梁和柱剛性連接的骨架結構。從四大原則來分析，它不是一種受力很優(yōu)秀的結構形式。梁未能充分利用混凝土優(yōu)良的抗壓性能，而成為一個抗彎構件。這拘束了它不能做很大的跨度。 但是，不能為了受力合理而不顧使用功能，因此，梁板結構又成為最常用的結構形式。 另外?？蚣芙Y構本身較柔軟，即其本身的剛度較低，在風或水平地震作用下側移比較大，所以它不能做得很高。一般較經(jīng)濟的高度在10層左右。 26精品課件二、多層框架結構 1、框架結構受力特點26精品課件2、實例分析某城市中心的一個影劇院27精品課件2、實例分析某城市中心的一個影劇院27精品課件擬建總平面圖28精品課件擬建總平面圖28精品課件29精品課件29精品課件30精品課件30精品課件31精品課件31精品課件3、常用柱網(wǎng)尺寸、構件截面尺寸及材料強度柱網(wǎng)尺寸由使用功能、層高和建筑物總長總寬確定。層高決定框架梁的最大高度；柱網(wǎng)尺寸宜均勻。柱構件尺寸由柱網(wǎng)尺寸、樓面荷載和結構總高度決定。梁板構件尺寸基本按鋼筋混凝土樓蓋結構確定。材料強度由建筑物層數(shù)和建筑規(guī)模確定。一般混凝土C25-C40，梁和柱縱向受力鋼筋Ⅱ-Ⅲ級，箍筋和板鋼筋Ⅰ-Ⅲ級。其余注意事項：a.基礎形式與上部結構匹配；b.地震設防烈度(抗震等級，軸壓比)；c.施工條件（如是否商品混凝土、市場上鋼筋級別等）；d.有無防火分區(qū)；e.梁高與建筑、空調、水電工種的匹配；32精品課件3、常用柱網(wǎng)尺寸、構件截面尺寸及材料強度32精品課件4、工程實例----沙步商業(yè)廣場結構介紹一層地下室，上部5層框架結構樓面活荷載：3.5kn/m2柱網(wǎng)8.6×10.0M層高（M）：5.3，5.2，4.0，4.0，4.0，5.3柱截面(mm)：600×600-800×800梁截面(mm)：框架梁350×800，300×900,次梁250×600板厚：100mm混凝土強度等級：地下室和首層柱，C30其余層及梁、板，C2533精品課件4、工程實例----沙步商業(yè)廣場結構介紹33精品課件三、高層結構

1、結構在高層建筑的重要性和特殊性高層建筑的主要矛盾是其剛度要求，即它做得越高，受到的水平荷載越大，設計有效的結構抵抗外部水平作用使其不至于變形過大，成為高層建筑結構設計的關鍵，為此，建筑設計師在方案設計方面也要服從結構工程師。換句話來說，做高層就是做它的結構。2、結構規(guī)范對于結構體系的規(guī)定體系與建筑物功能、總高度及抗震設防烈度相關。例如，7°烈度設防，框架不能超過55m，落地剪力墻和框架-剪力墻結構不能超過120m。有高寬比的要求，例如，7°烈度設防剪力墻最大為6。結構方案應當規(guī)則，在平面和沿建筑物高度盡量減少凹凸。34精品課件三、高層結構34精品課件高層建筑中，水平荷載和地震作用對結構設計起著決定性的作用。內力或位移=f(H4)M=f(H2)N=f(H)

結構內力、位移與高度H的關系H35精品課件高層建筑中，水平荷載和地震作用對結構設計起著決定性的作用。內3、高層建筑結構設計控制指標及要點（高規(guī)及廣東省補充規(guī)定）各種結構體系的最大適用高度和高寬比（A級/B級）平面布置原則----與A/B級有關，B級允許高度大，但是在平面布置時對扭轉位移比要求更嚴。豎向布置原則----與上面類似。變形縫的寬度與結構高度有關，結構越高，縫越寬。層間位移角限制通常是控制指標。結構的抗震等級確定----與A/B級有關，B級要求更嚴。體型不規(guī)則的劃分----規(guī)則，不規(guī)則Ⅰ類，不規(guī)則Ⅱ，特別不規(guī)則，嚴重不規(guī)則。對剪力墻截面的要求：不宜太長或太短，墻厚度一般不小于200mm和層高的(1/20，1/16)。另外，按抗震等級的不同，剪力墻配筋不同，還要設置構造邊緣構件或約束邊緣構件。36精品課件3、高層建筑結構設計控制指標及要點（高規(guī)及廣東省補充規(guī)定）34、工程實例----廣東省韶關市三江紫園工程介紹總建筑面積約80000m2,由紅線內2層地下室、2棟18層和4棟28層住宅組成。建筑總高度約98ｍ地下室層高3.8m，架空層6.0m，其余層高3.1m，頂層復式。地震設防烈度6°。基本風壓(0.45/0.35)kn/m2。結構體系為剪力墻體系，墻柱混凝土強度等級最高C40，用于28層的下面2層及架空層、地下室2層，其余全部C30。剪力墻厚度：架空層及以下300mm，其余250或200mm。樓板厚度：普通房間100mm，大房間120/140mm，樓頂最薄120mm。設計控制指標：扭轉位移比不大于1.5；層間側移角不大于1/1000。屬于扭轉不規(guī)則Ⅱ類----一般不規(guī)則。剪力墻配筋：基本上構造配筋，剪力墻采用構造邊緣構件。37精品課件4、工程實例----廣東省韶關市三江紫園工程介紹37精品課件第五節(jié)輕鋼結構選型及方案設計一、輕鋼結構應用范圍1、物流倉庫2、工業(yè)廠房3、集貿市場二、輕鋼結構的形式1、單跨雙坡/多跨雙坡2、柱與輕鋼屋面結構剛結/鉸接3、柱與基礎剛結/鉸接4、屋面主結構為鋼梁/圓鋼管桁架/方鋼管桁架5、屋面主結構是空間受力/平面受力6、柱材料用鋼/鋼筋混凝土7、屋面和墻面材料用壓型鋼板/夾芯板/太空板38精品課件第五節(jié)輕鋼結構選型及方案設計一、輕鋼結構應用范圍38精品三、體系選擇和方案設計內容1、確定屋蓋結構體系2、確定柱網(wǎng)尺寸和變形縫的位置3、確定各結構部分的連接方式4、確定使用的材料及強度等級5、確定結構構件的截面形式和初始尺寸四、結構體系選擇和方案設計原則1、滿足使用功能考慮：柱網(wǎng)尺寸、檐口高度、防火分區(qū)。2、滿足經(jīng)濟性的要求考慮：柱網(wǎng)尺寸、外部荷載（主要是風）、基礎形式。3、滿足材料采購的方便和施工的可行性39精品課件三、體系選擇和方案設計內容39精品課件例如：確定柱網(wǎng)尺寸時要考慮建筑物的總長度和總寬度，以使各跨尺寸均勻，并決定采用空間受力還是平面受力體系；確定柱網(wǎng)尺寸時要考慮建筑物的防火分區(qū)，以使防火墻位于結構軸線位置；確定柱網(wǎng)尺寸時要考慮檁條的經(jīng)濟跨度在8～9m之間；確定柱網(wǎng)尺寸時要考慮基礎的費用和水平傳力路線長度對結構造價的影響；確定柱網(wǎng)尺寸時要考慮結構體系，桁架跨度可以較大，而鋼梁跨度太大則不經(jīng)濟；以上只是舉柱網(wǎng)尺寸確定的例子，實際上，結構方案設計的各個方面均是多個因素綜合考慮確定的。在結構方案設計上，沒有對錯之分，只有好壞之差。40精品課件例如：40精品課件五、輕鋼結構實例----廣州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)峰光摩托車廠C1、C3號廠房結構介紹1、C1號廠房平面尺寸120×150m2，3跨柱網(wǎng)橫向40m，縱向10m。檐口10.2m采用Q345鋼梁,截面H850×200×6×8～H1640×250×8×12柱采用鋼筋混凝土，截面500×700，強度C25，下端剛結，上端鉸接。檁條采用C250×75×20×2.5，Q2352、C3號廠房建筑面積40×202m2，單跨柱網(wǎng)縱向8m，檐口11.33m,采用Q235方鋼管桁架,跨中矢高2.87M柱做法同C1廠房檁條采用C200×70×20×2.0，Q23541精品課件五、輕鋼結構實例----廣州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)峰光摩托車廠C1、作業(yè)：調查一棟建筑物具體要求如下：了解該建筑物的總體情況，如建設年代、使用功能、總高層高、結構體系、結構柱網(wǎng)布置、構件尺寸、使用材料等。盡量找出一些不足，寫出初步的調研報告，并寫出進一步詳細調研的提綱。所涉及的范圍不要局限于課程所講內容，例如建筑形式與結構體系的匹配、建筑本身的缺點、施工的問題、工程投資的經(jīng)濟性等等，都可以寫。資料收集應以現(xiàn)場觀察得到的第一手資料為主，網(wǎng)上查找的資料作為補充。原則上每個人應當選擇不同的建筑物，以避免抄襲之嫌。調研提綱返還同學后，再進一步完善，形成第二次作業(yè)。42精品課件作業(yè)：調查一棟建筑物42精品課件第六節(jié)基礎的方案設計問題一、基礎在結構中的重要性1、基礎若出事，破壞是災難性的，而且很難加固。2、地質情況很復雜，變化多，很難用統(tǒng)一的方法解決。3、解決基礎承受上部荷載的方案很多，效果和經(jīng)濟性差異很大。二、常用的基礎形式（廣東省）1、樁基礎預應力高強混凝土管樁（靜壓、錘擊）壁厚——80mm～120mm；強度——C80

適用于淤泥、粘土、細砂等承載力極低的地基。管徑（mm）Φ300Φ400Φ500Φ600承載力特征值（KN)60012001800270043精品課件第六節(jié)基礎的方案設計問題一、基礎在結構中的重要性管徑（m鉆、沖孔灌注樁

適用于需要穿過較厚的粗砂、卵石層以獲得更高承載力或溶巖地區(qū)，或需要極高的單樁承載力情況。管徑（mm）Φ600Φ800Φ1200Φ1800承載力特征值（KN)200040001200030000人工挖孔樁——適用于樁長度小于10M的情況。2、天然基礎獨立柱基條基礎筏板基礎箱型基礎44精品課件鉆、沖孔灌注樁管徑（mm）Φ600Φ800Φ1200Φ1803、復合基礎樁筏基礎受力特點和設計要點：墻較密，很難僅墻下布樁，需要整個場地全部布樁。樁和筏板共同受力，筏板下土承力約(10—30)/%。有可能要考慮軟弱下臥層的承載力驗算廣泛應用于廣東地區(qū)的高層建筑中，筏板同時兼做地下室底板。軟件PKPM可以進行全部計算和繪圖，包括樁頂受力、筏板沉降變形、筏板配筋。樁距應大于3倍樁徑，一般取3.5-4.5倍，否則場地土易隆起。布樁時宜梅花形布置，即等腰三角形。45精品課件3、復合基礎45精品課件三、工程實例1、樁筏基礎—韶關三江紫園高層住宅工程工程特點和地質特點：地下水位在-4.8M，地基土基本上是砂土和圓礫，透水性極強；因此，基礎（地下室）埋深不能超過太深，否則施工成本將大幅上升。圓礫埋深約7M，厚約7M，下部是溶洞夾軟弱土?；A方案設計：若為安全，可以用鉆孔樁，穿過溶洞，落到基巖；若上部圓礫層可用為持力層，則可以用預應力管樁，大幅度節(jié)約造價，且縮短工期。但是要驗算軟弱下臥層的承載力。最后采用后者，樁徑Φ500，樁距3.5倍，不考慮筏板下土的承載力。46精品課件三、工程實例46精品課件2、樁基礎—沙步商業(yè)廣場工程工程特點和地質特點5層框架結構，柱網(wǎng)尺寸8.6×10.0M；公共建筑，層高較大、活荷載較大(3.5KN/M2)；地下水位-1.8M；基巖深約-8.0M，以上是松散的砂質粘土和淤泥?；A方案設計選用樁基礎形式，地下室盡管底板厚度300mm，但是不考慮筏板作用，因為直接做筏板板底土質承載力不夠，而做樁筏又因為豎向荷載比較小，無此必要。地下室底板受荷為板面活載、自重和板底的水浮力。樁基礎采用Φ500高強預應力混凝土管樁，承臺之間設地梁。47精品課件2、樁基礎—沙步商業(yè)廣場工程47精品課件第七節(jié)結構形式與建筑形式的統(tǒng)一一、工程實例（1）—清華大學綜合體育館建筑面積12600m2，5000觀眾，固定座位2645，2001年竣工。建筑形式需要大跨度，需要體現(xiàn)力量，而拱結構恰可同時滿足二者要求。48