第十章-建筑體型與結(jié)構(gòu)布置給學(xué)生20100412

第一節(jié)建筑體型一、建筑體型的形成從幾何的概念來(lái)分類，建筑平面與立體形狀可分為凸形與凹形兩大類。凸形圖形中，任何兩點(diǎn)的連線都不可能穿越圖形界限，稱為簡(jiǎn)單圖形；凹形圖形中，用一條穿越圖形界限的直線連接圖形內(nèi)的兩點(diǎn)，稱為復(fù)雜圖形。

簡(jiǎn)單圖形復(fù)雜圖形建筑平面分為簡(jiǎn)單建筑平面、復(fù)雜建筑平面；建筑立面分為簡(jiǎn)單建筑立面、復(fù)雜建筑立面。簡(jiǎn)單建筑平面復(fù)雜建筑平面簡(jiǎn)單建筑立面復(fù)雜建筑立面

從二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，任何一個(gè)建筑體型都可歸納為平面上的兩個(gè)基本類型與立面上的兩個(gè)基本類型的組合，即一共有四種基本組合。a)簡(jiǎn)單平面與簡(jiǎn)單立面的組合b)復(fù)雜平面與簡(jiǎn)單立面的組合c)簡(jiǎn)單平面與復(fù)雜立面的組合d)復(fù)雜平面與復(fù)雜立面的組合二、建筑體型的變化1、簡(jiǎn)單平面與簡(jiǎn)單立面的組合簡(jiǎn)單平面的尺寸變化包括絕對(duì)尺寸和相對(duì)尺寸兩方面，平面尺寸較大的建筑物的受力顯然比平面尺寸小的建筑物要復(fù)雜的些，這時(shí)要考慮到結(jié)構(gòu)整體性，同時(shí)又要考慮到溫度應(yīng)力，混凝土收縮等不利因素的影響。而平面的長(zhǎng)寬比較大的建筑物顯然比平面為正方形的建筑物更容易受到扭轉(zhuǎn)，不均勻沉降的威脅。

簡(jiǎn)單立面的尺寸變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也包括絕對(duì)尺寸和相對(duì)尺寸兩個(gè)方面。建筑物越高，側(cè)向風(fēng)荷載或地震作用的影響越大；建筑物的高寬比H/B越大，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗傾覆穩(wěn)定性就越差；當(dāng)高寬比一定時(shí)，降低建筑物的質(zhì)量中心則有利于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)穩(wěn)定性。2、復(fù)雜平面與簡(jiǎn)單立面的組合復(fù)雜平面的形狀很多，其基本尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響也可以從絕對(duì)尺寸和相對(duì)尺寸兩方面考慮，其中主要為肢翼長(zhǎng)度和肢翼寬度之比。一般地說(shuō)，肢翼長(zhǎng)度越大，肢翼寬度越小，則結(jié)構(gòu)受力越不利。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜時(shí)，可在結(jié)構(gòu)上設(shè)置變形縫把它分成兩個(gè)矩形平面。復(fù)雜平面轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單平面3、簡(jiǎn)單平面與復(fù)雜立面的組合立面是復(fù)雜立面，整個(gè)建筑物在不同的高度有不同的建筑平面。各種收進(jìn)方式及各種尺寸變化時(shí)的情況如圖，建筑體型的變化對(duì)豎向荷載和水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力都將產(chǎn)生影響。a)兩鄰邊收進(jìn)b)四邊收進(jìn)1）帶小塔樓的建筑：在地震作用下，小塔樓由于鞭稍效應(yīng)產(chǎn)生較大的慣性力，會(huì)造成塔樓根部的破壞甚至塔樓的倒塌。設(shè)計(jì)中一般是控制b/h值，即小塔樓不能突然內(nèi)收很多，避免剛度發(fā)生突變。2）帶裙房的建筑：由于裙房部分與主樓部分自重相差懸殊，會(huì)產(chǎn)生地基的不均勻壓縮，引起建筑物的不均勻沉降，或?qū)е禄A(chǔ)結(jié)構(gòu)的破壞。4、復(fù)雜平面與復(fù)雜立面的組合復(fù)雜的建筑體型使建筑物具有明顯的個(gè)性，但卻給結(jié)構(gòu)布置帶來(lái)了難題。結(jié)構(gòu)布置：1）限制：限制裙房外伸、小塔樓的高度、內(nèi)收尺寸等；2）加強(qiáng)：設(shè)置剛性基礎(chǔ)、剛性層或其他的構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)的整體性；3）當(dāng)上述方法無(wú)法令人滿意時(shí)，設(shè)置變形縫：把復(fù)雜的建筑體型分成若干個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元。第二節(jié)結(jié)構(gòu)布置一、對(duì)稱性對(duì)稱性包括建筑平面的對(duì)稱，質(zhì)量分布的對(duì)稱，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的對(duì)稱三方面。最佳的方案是使建筑平面形心，質(zhì)量中心，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中心在平面上位于同一點(diǎn)上，而在豎向則位于同一鉛錘線上，簡(jiǎn)稱“三心重合”。1、建筑平面的對(duì)稱性建筑平面形狀最好是雙軸對(duì)稱的，這是最理想的。但有時(shí)也可能只能對(duì)一個(gè)軸對(duì)稱，有時(shí)可能是根本找不到對(duì)稱軸。

雙軸對(duì)稱單軸對(duì)稱無(wú)軸對(duì)稱

不對(duì)稱的建筑平面對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)有三個(gè)問(wèn)題：會(huì)因其外荷載作用的不均勻，從而產(chǎn)生扭矩；會(huì)在凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中；不對(duì)稱的建筑平面很難使三心重合。因此，對(duì)于單軸對(duì)稱或無(wú)軸對(duì)稱的建筑平面，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)必須十分小心，應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)從各個(gè)方向反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，并考慮結(jié)構(gòu)的空間作用。2、質(zhì)量布置得對(duì)稱性在建筑平面對(duì)稱和結(jié)構(gòu)剛度均勻分布的情況下，若建筑物質(zhì)量分布有較大偏心，當(dāng)遇到地震作用時(shí)，地震慣性力的合力將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中心產(chǎn)生扭矩，這時(shí)也會(huì)引起建筑物的扭轉(zhuǎn)和破壞。3、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的對(duì)稱性抗側(cè)力構(gòu)件的布置地結(jié)構(gòu)受力有十分重要的影響。在對(duì)稱的建筑外形中進(jìn)行了不對(duì)稱的建筑平面布置，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)剛度的不對(duì)稱布置。

在建筑物的一側(cè)布置墻體，而在其他部位則為框架結(jié)構(gòu)。由于墻體的抗側(cè)剛度要比框架大得多，這樣當(dāng)建筑物受到均勻的側(cè)向荷載作用時(shí)，樓蓋平面顯然將發(fā)生圖中虛線所示的扭轉(zhuǎn)變位?？箓?cè)墻體的不均勻布置布置在樓梯間，電梯間四周的墻體所形成的核芯井筒往往能提供較大的抗側(cè)剛度，因此核芯井筒的位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力有較大的影響。矩形平面中核心筒如為對(duì)稱布置，容易滿足“三心重合”的要求，而L形平面卻難以滿足“三心重合”的要求，結(jié)構(gòu)布置時(shí)須十分小心。例——馬拿瓜國(guó)家銀行結(jié)構(gòu)平面在矩形的建筑平面中，一側(cè)集中布置了實(shí)心填充外墻及兩個(gè)核心筒，而另三邊則采用了空曠的密柱框架，樓蓋結(jié)構(gòu)為單向密肋板。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度中心明顯地與建筑平面形心和建筑質(zhì)量中心偏離，該建筑已在一次地震中倒塌。二、連續(xù)性連續(xù)性是結(jié)構(gòu)布置中重要方面，而又常常與建筑布置相矛盾。建筑師往往希望從平面到立面都豐富多變，而合理地結(jié)構(gòu)布置卻應(yīng)該是連續(xù)的，均勻的，不應(yīng)使剛度發(fā)生突變。

下為框架結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，形成薄弱的幾個(gè)例子。

1）由于底層大空間的要求抽掉了部分柱子，即由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的不連續(xù)性形成了薄弱層。

2）由于結(jié)構(gòu)底層層高較高，即由于結(jié)構(gòu)的層高是樓板至樓板的高度，而底層結(jié)構(gòu)的層高是自二層樓板至基礎(chǔ)頂面的高度，這樣便自然出現(xiàn)了底層層高大于上部層高的情況。

3）是建筑物建于山坡的情況，即由于結(jié)構(gòu)尺寸變化在層平面內(nèi)的不連續(xù)性形成了薄弱層。很顯然當(dāng)柱子截面尺寸相同時(shí)，由于短柱具有較大的抗側(cè)剛度，因此將承受較多的側(cè)向地震力而容易首先破壞。下圖為剪力墻布置不連續(xù)的幾個(gè)例子。

a為框架支承的剪力墻，當(dāng)?shù)讓有枰箝_(kāi)間時(shí)往往將部分剪力墻在底層改為框架。

b，c為不規(guī)則布置的剪力墻結(jié)構(gòu)，由于立面造型上的要求或建筑門窗布置的要求使剪力墻布置上下無(wú)法對(duì)齊。

d的布置則常常出現(xiàn)在樓梯間采光的要求使洞口錯(cuò)位布置。很顯然，對(duì)于上述幾種結(jié)構(gòu)剛度沿豎向有突變的剪力墻結(jié)構(gòu)，常常會(huì)由于集中而產(chǎn)生裂縫或造成局部的損壞。三、周邊作用下圖為建筑平面相同，結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式相同，結(jié)構(gòu)材料用量相同，僅構(gòu)件布置位置不一樣的幾種情況。由于墻體具有較大抗側(cè)力剛度，因此墻體位置的變化對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗傾覆和抗扭轉(zhuǎn)能力有明顯的影響。在材料力學(xué)中就知道，材料布置得力中心愈遠(yuǎn)，它所作用的力臂就愈大，從而產(chǎn)生的抵抗矩就愈大。因此在梁的設(shè)計(jì)中，廣泛地應(yīng)用工字形截面梁來(lái)代替矩形截面梁。高層建筑平面布置時(shí)，則應(yīng)把具有較大抗側(cè)剛度的剪力墻，核心筒布置在建筑物周邊。四、角部構(gòu)件角部構(gòu)件往往受到較大的荷載或較復(fù)雜的內(nèi)力，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)特別注意。在多層框架結(jié)構(gòu)中，角柱雖然受到的軸力較小，但它為雙向受彎構(gòu)件，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體受扭時(shí)所受到的剪力最大，所以角柱在整個(gè)柱高范圍內(nèi)，都應(yīng)采取加密箍筋等構(gòu)造措施。筒體結(jié)構(gòu)側(cè)向荷載作用下，角柱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生比其他柱子更大的軸力，且角柱是形成空間工作的重要構(gòu)件，因此，筒體結(jié)構(gòu)中的角柱往往均予以加強(qiáng)，有時(shí)甚至在建筑平面的四角布置四個(gè)角筒。五、多道防御多道防御的設(shè)計(jì)概念對(duì)抵抗未能預(yù)測(cè)的災(zāi)害有重要意義。在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要求當(dāng)結(jié)構(gòu)中的某些截面出現(xiàn)塑性鉸或一部分構(gòu)件受到破壞時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)工作，承受荷載。多道防御的設(shè)計(jì)概念可應(yīng)用于單榀結(jié)構(gòu)，也可應(yīng)用于整個(gè)結(jié)構(gòu)。以框架結(jié)構(gòu)為例，由于梁，柱內(nèi)塑性鉸出現(xiàn)次序的不同而有多種可能的破壞形態(tài)，其中最典型的破壞形態(tài)如圖所示。

a,b結(jié)構(gòu)為強(qiáng)梁弱柱型的，即結(jié)構(gòu)在豎向荷載和地震作用下，首先是在柱端截面發(fā)生破壞。顯然，只要在某一層柱的上下端出現(xiàn)塑性鉸，即會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。

鋼筋砼梁的塑性鉸特點(diǎn)：1）只沿彎矩作用方向發(fā)生單向轉(zhuǎn)動(dòng)，普通鉸沿任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)；2）能傳遞一定的彎矩，理想鉸不能承受任何彎矩；3）有一定長(zhǎng)度，而理想鉸集中于一點(diǎn)。種類：1）對(duì)于適筋梁，塑性鉸形成的起因是受拉鋼筋先屈服，稱為鋼筋鉸；2）對(duì)于超筋梁，鋼筋未屈服，轉(zhuǎn)動(dòng)主要由受壓區(qū)砼的非彈性變形引起，稱為砼鉸。c的結(jié)構(gòu)為強(qiáng)柱弱梁型的，即結(jié)構(gòu)在豎向荷載和地震作用下，塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端。可以看出，即使所有的梁端全部出現(xiàn)塑性鉸，也部至于造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞，而要等梁鉸出現(xiàn)大變化，以至柱端亦出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，才會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。強(qiáng)柱弱梁型框架結(jié)構(gòu)有兩道防線，這對(duì)建筑抗御地震作用是十分有效的。第三節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，限于目前的計(jì)算技術(shù)和理論水平，對(duì)許多問(wèn)題尚不能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，如混凝土結(jié)硬過(guò)程中的收縮在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力，氣溫的變化或溫差對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，地基的變形及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，地震對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的作用等等。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只能通過(guò)一些定性的分析對(duì)建筑體型進(jìn)行某些限制，或通過(guò)設(shè)置一些變形縫把結(jié)構(gòu)分割成若干個(gè)獨(dú)立的單元。設(shè)置變形縫是避免建筑體型與結(jié)構(gòu)受力之間矛盾的有效方法，但設(shè)置變形縫也會(huì)帶來(lái)許多弊病，如材料用量增加、結(jié)構(gòu)構(gòu)筑復(fù)雜、建筑立面處理困難、變形縫處易滲漏水等，因此，目前在一些建筑設(shè)計(jì)中不設(shè)或少設(shè)變形縫的做法日趨流行。

一、溫差及混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)布置的要求要準(zhǔn)確地計(jì)算由于溫差或混凝土收縮產(chǎn)生的附加應(yīng)力較為困難，目前在設(shè)計(jì)中一般通過(guò)設(shè)置伸縮縫，來(lái)避免在設(shè)計(jì)中計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫差應(yīng)力或收縮應(yīng)力。而在伸縮縫區(qū)段范圍內(nèi)，則認(rèn)為由于溫差或收縮引起的應(yīng)力已經(jīng)很小，可以忽略不計(jì)。為減少溫度應(yīng)力，首先的問(wèn)題是要減少溫差，一般采用保溫隔熱等措施，如在屋頂層增設(shè)保溫隔熱層，或采用架空通風(fēng)屋面，也有對(duì)外柱采用保溫隔熱措施。伸縮縫應(yīng)從基礎(chǔ)頂面開(kāi)始，基礎(chǔ)可不分開(kāi)，將兩個(gè)溫度區(qū)段的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全分開(kāi)，并留出一定寬度的縫隙，使上部結(jié)構(gòu)在氣溫有變化時(shí)，水平方向可以自由地發(fā)生變形。二、不均勻沉降的要求沉降縫是為減少不均勻沉降引起的內(nèi)力而設(shè)置的變形縫。當(dāng)建筑物兩部分高差懸殊時(shí)，或當(dāng)建筑物兩部分荷載相差懸殊時(shí)，或建筑物先后建造且先后間隔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，都應(yīng)設(shè)置沉降縫，使縫兩側(cè)的建筑物可以自由沉降，以免產(chǎn)生裂縫。沉降縫應(yīng)將建筑物從基礎(chǔ)至屋頂全部斷開(kāi)，并有足夠的寬度（查規(guī)范）。設(shè)置沉降縫同樣會(huì)給結(jié)構(gòu)構(gòu)造、建筑立面處理、地下室防水等帶來(lái)麻煩。為避免設(shè)置沉降縫，可采用樁基，并將樁端支承在基巖上，減少結(jié)構(gòu)的沉降量；或?qū)⒅鳂桥c裙房采用不同的基礎(chǔ)形式，并調(diào)整基礎(chǔ)地面的土壓力，使主樓與裙房的基底附加壓力和沉降量基本一致；也可采用設(shè)置施工后澆帶的方法。三、防震的要求需要抗震設(shè)防的建筑，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑體型有較多的限制條件。主要原則是：建筑的平、立面布置宜規(guī)則、對(duì)稱，建筑的質(zhì)量分布宜均勻，避免有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度沿豎向應(yīng)均勻變化，樓層不宜錯(cuò)層，構(gòu)件的截面由下至上逐漸減小，不突變。當(dāng)建筑物頂層或底部由于大空間的要求取消部分墻柱時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取有效構(gòu)造措施，防止由于剛度突變擊產(chǎn)生的不利影響。設(shè)置抗震縫，將建筑物劃分為若干個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。寬度，應(yīng)保證在考慮基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)和上部結(jié)構(gòu)變形的情況下，防震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)仍能不發(fā)生碰撞，最小寬度應(yīng)滿足規(guī)范要求。四、結(jié)構(gòu)高寬比的要求

從整體上看，建筑物如一個(gè)頂部自由、底部嵌固于地基上的懸臂柱，承受豎向荷載和側(cè)向荷載的共同作用。在抗震設(shè)計(jì)中，該懸臂柱的長(zhǎng)細(xì)比對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移有較大的影響，建筑物的高度與寬度的比值（高寬比）可能比它的絕對(duì)尺寸更重要。建筑物越細(xì)長(zhǎng)，地震的傾覆作用越厲害，外側(cè)柱子由于地震作用而產(chǎn)生的內(nèi)力也越大，建筑物的側(cè)向位移也越大。規(guī)范中提出了高寬比的限制值，當(dāng)建筑物高寬比超出表中限值時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以特別注意。

將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞給地基土、連接上部結(jié)構(gòu)與地基土的下部結(jié)構(gòu)稱為基礎(chǔ)。地基是指承托土木工程基礎(chǔ)的這一部分很小的場(chǎng)地。

第四節(jié)基礎(chǔ)一、地基與基礎(chǔ)二、淺基礎(chǔ)的定義通常把位于天然地基上、埋置深度小于5m的一般基礎(chǔ)（柱基或墻基）以及埋置深度雖超過(guò)5m，但小于基礎(chǔ)寬度的大尺寸（如箱形基礎(chǔ)），統(tǒng)稱為天然地基上的淺基礎(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)：埋置深度較淺，用料較省，無(wú)需復(fù)雜的施工設(shè)備，工期短、造價(jià)低。二、淺基礎(chǔ)的類型

按基礎(chǔ)剛度分類：剛性基礎(chǔ)、擴(kuò)展基礎(chǔ)1、剛性基礎(chǔ)剛性基礎(chǔ)是由磚、石、素混凝土或灰土等材