建筑力学与结构选型第10章-建筑结构选型课件.ppt
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- 建筑 力学 结构 选型 10 建筑结构 课件
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1、第第10章章建筑结构选型建筑结构选型10.1结构选型的总体原则结构选型的总体原则10.2 结构分体系的概念结构分体系的概念10.3 空间结构体系空间结构体系10.4 基础体系基础体系10.110.1结构选型的总体原则结构选型的总体原则o 10.1.1 10.1.1 结构总体系的设计概念结构总体系的设计概念1.1.结构总体系的整体化结构总体系的整体化 即在初设阶段,忽略具体的结构形式,而将建筑结即在初设阶段,忽略具体的结构形式,而将建筑结构视为一个或几个主要实体结构,以确定它所承受的总构视为一个或几个主要实体结构,以确定它所承受的总荷载与所需的总体抵抗能力。荷载与所需的总体抵抗能力。(a)(b)
2、(c)北、南、东、西上北、南、东、西上北、南、东、西上或或1 1、 这个形式要有足够的刚度,并将其固定在地面上;这个形式要有足够的刚度,并将其固定在地面上;2 2、 这个形式具有重量,且重量必须由地面来支撑;这个形式具有重量,且重量必须由地面来支撑;3 3、 这个形式必须能抵抗水平方向的风荷载和(或)地这个形式必须能抵抗水平方向的风荷载和(或)地震作用,必须具有抗倾覆的能力。震作用,必须具有抗倾覆的能力。结构总体系的要求:结构总体系的要求:2 2、结构的竖向荷载估算、结构的竖向荷载估算恒载与活载都是竖向荷载,最恒载与活载都是竖向荷载,最终均将传至地面。终均将传至地面。总自重通常为恒载的主要组成
3、总自重通常为恒载的主要组成部分。部分。上部结构的重力荷载将以线状上部结构的重力荷载将以线状(墙)或点状(柱)的方式作(墙)或点状(柱)的方式作用在基础上。用在基础上。建筑物必须具有刚度向下作用的重力基础位于重力与土土的向上作用力支撑的承载力之间基础传来的重量恒载均匀分布时,建筑物的近似总重主要取决于楼面面恒载均匀分布时,建筑物的近似总重主要取决于楼面面积和结构类型,与建筑形式无关。积和结构类型,与建筑形式无关。当竖向荷载合力与支承反力合力当竖向荷载合力与支承反力合力之间存在偏心时,建筑形式对重之间存在偏心时,建筑形式对重力荷载的分布起决定作用力荷载的分布起决定作用3结构上的水平荷载估算结构上的
4、水平荷载估算o 水平地震作用估算水平地震作用估算结构上的水平地震作用是由于地震地面运动下结构物的惯性作用而结构上的水平地震作用是由于地震地面运动下结构物的惯性作用而产生的,其大小和分布取决于沿建筑物高度的质量的分布、地震烈产生的,其大小和分布取决于沿建筑物高度的质量的分布、地震烈度、场地土条件和建筑物自身的动力特性等。度、场地土条件和建筑物自身的动力特性等。231935.41ovEkMFHH kN m图图10.4 4 水平地震作用沿高度分布水平地震作用沿高度分布(a)(a)水平地震剪力分布;水平地震剪力分布;(b)水平地震作用力分布;水平地震作用力分布;(c)建筑结构剖面;建筑结构剖面;(d)
5、水平地震作用水平地震作用的的合合力力10F9F8F1F2F(a)(b)10F9F8F7F6F5F4F3F2F1FhhhhhhhhhhH= h10(c)EkF =2764.8a= h2/3(d)o 风荷载估算风荷载估算风荷载的大小由场地风速、建筑物体型、建筑物高度及其立面形状、风荷载的大小由场地风速、建筑物体型、建筑物高度及其立面形状、受风面积以及考虑风的动力效应的风振系数等决定,可用建筑物顶受风面积以及考虑风的动力效应的风振系数等决定,可用建筑物顶端的单位面积风荷载以及受风面积进行估算。端的单位面积风荷载以及受风面积进行估算。风速沿建筑物高度增大,对于受风面形状规则的矩形高层建筑,风速沿建筑物
6、高度增大,对于受风面形状规则的矩形高层建筑,风荷载分布可近似视为上大下小的阶梯踏步形分布。风荷载分布可近似视为上大下小的阶梯踏步形分布。图图10.12 风荷载(左)及地震水平作用(右)产生的有关参数沿建筑物高度分布情况风荷载(左)及地震水平作用(右)产生的有关参数沿建筑物高度分布情况(a)长方形建筑物;长方形建筑物;(b)倒三角形建筑物;倒三角形建筑物;(c)正三角形建筑物正三角形建筑物dh1bdh/2h/2h2/3bdbdddh1bdh2/3h3/4bd2345h2/32345dbhAdb2Bh2bd2Chdh1bdh2/3h/2bdh/323452bdbdh/3d2bo 在建筑物总体方案设
7、计时,如果改变了受风面的形状,在建筑物总体方案设计时,如果改变了受风面的形状,建筑物所受到的风荷载及其合力作用点就会发生相应变建筑物所受到的风荷载及其合力作用点就会发生相应变化;化;o 如果改变了建筑物重力荷载的分布特征,建筑物所受到如果改变了建筑物重力荷载的分布特征,建筑物所受到的水平地震作用及其合力作用点也会发生相应变化。的水平地震作用及其合力作用点也会发生相应变化。4. 4. 结构的整体抗倾覆能力结构的整体抗倾覆能力o水平作用力引起的倾覆水平作用力引起的倾覆竖向作用力提供抵抗倾覆的力矩。竖向作用力提供抵抗倾覆的力矩。将造成倾覆的力矩称为倾覆力矩。将造成倾覆的力矩称为倾覆力矩。抵抗倾覆的力
8、矩称为抵抗力矩。抵抗倾覆的力矩称为抵抗力矩。o竖向作用力引起的倾覆竖向作用力引起的倾覆 实际建筑结构的体型往往较复杂,但总是可以实际建筑结构的体型往往较复杂,但总是可以将其分解为若干简单的体型。将其分解为若干简单的体型。 估算总荷载时,可以先按简单体型进行分析,估算总荷载时,可以先按简单体型进行分析,而后按照它们之间的结构关系加以组合。而后按照它们之间的结构关系加以组合。 在建筑结构设计时,可以根据总体积不变(即在建筑结构设计时,可以根据总体积不变(即总重力不变)的原则,选择几种不同的方案,分别总重力不变)的原则,选择几种不同的方案,分别估算各种方案的水平荷载及其倾覆力矩,作为判别估算各种方案
9、的水平荷载及其倾覆力矩,作为判别方案优劣的一项依据。方案优劣的一项依据。5 5、结构的总体刚度、结构的总体刚度结构在传力过程中还需具备一定的刚度结构在传力过程中还需具备一定的刚度(a)(b)结构整体的抗弯刚度结构整体的抗弯刚度主要影响因素:结构体系平面形状主要影响因素:结构体系平面形状在受力方向上的宽度在受力方向上的宽度即结构体系上沿主要水平作用力即结构体系上沿主要水平作用力方向的跨度等几何因素有关。方向的跨度等几何因素有关。 材料的弹性模量材料的弹性模量 HHHH- /2如果顶部敞口,水平荷载将使顶部截面严重变形设置水平横隔板可使水平力传至竖向平板H- /2横向平板抗剪力很小(a)(b)(c
10、)10.1.2 构筑荷载路径和结构选型的基本原则构筑荷载路径和结构选型的基本原则o建筑结构形式千差万别,结构使用过程中的荷载也并不建筑结构形式千差万别,结构使用过程中的荷载也并不确定;确定;o所有的荷载都应具有荷载路径;所有的荷载都应具有荷载路径;o结构形式不唯一。结构形式不唯一。荷载的有效快捷传递要求所构筑的荷载路径是连续的荷载的有效快捷传递要求所构筑的荷载路径是连续的。结构的基本功能是传递荷载结构的基本功能是传递荷载 竖向荷载的传递路径是竖向荷载的传递路径是“自上而下自上而下”的。的。作为传递竖向荷载的结构,要求自上而下没有间断作为传递竖向荷载的结构,要求自上而下没有间断 不完全荷载路径机
11、械设备与电梯动力房夜总会客房接待室餐厅停车场客房平面图停车场平面图来自墙的荷载来自柱的反作用力传递结构(a)(b)水平荷载的传递路径也要求连续水平荷载的传递路径也要求连续可将整个建筑视为相对于地面的悬臂结构,则该悬臂结构在传递水平荷可将整个建筑视为相对于地面的悬臂结构,则该悬臂结构在传递水平荷载时不能发生间断载时不能发生间断 不完全荷载路径(a)(b)风1风2不完全荷载路径竖向传力路径和侧向传力路径通常是相互关联的。传递竖向传力路径和侧向传力路径通常是相互关联的。传递水平风荷载与地震荷载的水平构件(楼板、屋盖、梁等)水平风荷载与地震荷载的水平构件(楼板、屋盖、梁等)最终需要通过竖向的悬臂构件(
12、墙体或柱)将荷载传至最终需要通过竖向的悬臂构件(墙体或柱)将荷载传至基础。基础。 构筑荷载路径即为每种荷载组合建立一条结构路径,荷载构筑荷载路径即为每种荷载组合建立一条结构路径,荷载路径的几何形式即意味着结构的具体形式,即梁、柱、框路径的几何形式即意味着结构的具体形式,即梁、柱、框架、桁架、索、拱或组合结构等。架、桁架、索、拱或组合结构等。确定的荷载路径并不意味着确定的荷载路径的几何形式,确定的荷载路径并不意味着确定的荷载路径的几何形式,因此,即使荷载路径确定,结构形式的选择仍是多种多样因此,即使荷载路径确定,结构形式的选择仍是多种多样的。这正是结构选型的不确定性所在。的。这正是结构选型的不确
13、定性所在。结构选型通常遵循以下基本原则:结构选型通常遵循以下基本原则:o 适应建筑功能的要求:根据建筑物对客观空间环境的设适应建筑功能的要求:根据建筑物对客观空间环境的设计要求,大体确定建筑结构的尺度、规模和相互关系。计要求,大体确定建筑结构的尺度、规模和相互关系。尽可能降低结构构件的高度,选择与建筑物使用空间相尽可能降低结构构件的高度,选择与建筑物使用空间相适应的结构形式。适应的结构形式。 如对于某些公共建筑,其功能有视听要求,如体育馆如对于某些公共建筑,其功能有视听要求,如体育馆为保证有较好的观看视觉效果,比赛大厅内不能设柱,为保证有较好的观看视觉效果,比赛大厅内不能设柱,须采用大跨结构;
14、大型超市为满足购物需求,室内空间须采用大跨结构;大型超市为满足购物需求,室内空间应具有流动性和灵活性,因此,需采用平面布置灵活的应具有流动性和灵活性,因此,需采用平面布置灵活的结构。此外,结构选型还应注意结构的几何体型对建筑结构。此外,结构选型还应注意结构的几何体型对建筑物采光照明、声学效果、屋面排水等的影响;物采光照明、声学效果、屋面排水等的影响;o 满足建筑造型的需求:荷载路径的几何形式的改变虽然满足建筑造型的需求:荷载路径的几何形式的改变虽然不会影响荷载的传递效果,但对建筑外观的影响却是深不会影响荷载的传递效果,但对建筑外观的影响却是深远的;而对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的远的
15、;而对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构,应尽可能在结构上形成规则单元,如建筑结构,应尽可能在结构上形成规则单元,如CCTV大楼;大楼;o 考虑材料特性和施工技术条件:结构形式要适用于材料考虑材料特性和施工技术条件:结构形式要适用于材料特性,如砌体结构多可以就地取材,抗压性好,对施工特性,如砌体结构多可以就地取材,抗压性好,对施工技术要求较低,适于底层、多层建筑;钢材轻质、抗拉技术要求较低,适于底层、多层建筑;钢材轻质、抗拉性好,适于高层、大跨结构,但对施工技术及设备要求性好,适于高层、大跨结构,但对施工技术及设备要求高;高;o充分发挥结构自身优势合理造价:每种结构形式都有充分发挥
16、结构自身优势合理造价:每种结构形式都有各自的优势和不足,有其使用范围,要结合建筑设计各自的优势和不足,有其使用范围,要结合建筑设计的具体情况进行选型;当有几种结构形式都可能满足的具体情况进行选型;当有几种结构形式都可能满足建筑设计条件时,经济条件就成为决定性因素。经济建筑设计条件时,经济条件就成为决定性因素。经济因素不仅包括某个方案付诸实施的一次性建造费用,因素不仅包括某个方案付诸实施的一次性建造费用,还包含结构全寿命的费用,如维护、加固、监测等。还包含结构全寿命的费用,如维护、加固、监测等。没有确定的荷载路径没有确定的荷载路径即使对应确定的荷载路径,也没有唯一的荷载路径几何即使对应确定的荷载
17、路径,也没有唯一的荷载路径几何形式,即结构形式形式,即结构形式 荷载弯矩图(a)(b)CCCCCCCCCCTTTTTTCC轴向力(c)(a)(b)(c)荷载路径的几何形状的改变虽然不影响荷载的传递,但荷载路径的几何形状的改变虽然不影响荷载的传递,但对结构和构件形式以及材料的选取却有着深刻的影响。对结构和构件形式以及材料的选取却有着深刻的影响。 10.2 结构分体系的设计概念结构分体系的设计概念o建筑空间可划分为若干个结构分体系建筑空间可划分为若干个结构分体系o每个分体系又可以是局部的整体结构每个分体系又可以是局部的整体结构根据几何特征分为:根据几何特征分为:水平分体系水平分体系竖向分体系竖向分
18、体系 10.2.1 水平分体系水平分体系o结构的水平分体系是指结构总体系中由轴线或大尺寸方向为结构的水平分体系是指结构总体系中由轴线或大尺寸方向为水平方向的构件和分体系部分。水平方向的构件和分体系部分。o水平分体系在结构中的作用:水平分体系在结构中的作用: 在竖直方向在竖直方向通过构件的弯曲来承受屋面和楼面的竖向荷通过构件的弯曲来承受屋面和楼面的竖向荷载(主要是恒载和活载,一般为重力荷载),并将它们传递载(主要是恒载和活载,一般为重力荷载),并将它们传递给竖向结构分体系;给竖向结构分体系; 在水平方向在水平方向起隔板和支承竖向构件的作用,并维持竖向起隔板和支承竖向构件的作用,并维持竖向分体系的
19、稳定。分体系的稳定。 水平分体系一般由楼盖和屋盖组成,其基本构件有梁、板等,水平分体系一般由楼盖和屋盖组成,其基本构件有梁、板等,此外还有空间网架和网壳等。此外还有空间网架和网壳等。 1. 平板式分体系平板式分体系楼板楼板屋面板屋面板支撑方式:支撑方式:简支、固定支撑简支、固定支撑横向荷载所有板边界上的支撑锥形柱帽型锥形柱帽型 平板式无柱帽型平板式无柱帽型 平板直接支撑在竖向立柱上,这要求平板本身具有较强的承载力平板直接支撑在竖向立柱上,这要求平板本身具有较强的承载力尤其是柱支撑点上的局部抗剪能力尤其是柱支撑点上的局部抗剪能力 托板柱帽(a)(b)世界上第一座无梁楼盖仓库(瑞士工程师世界上第一
20、座无梁楼盖仓库(瑞士工程师 R.Maillart设计设计) 2.梁板分体系梁板分体系o将平板的一部分厚度转化为梁,平板上的竖向荷载通过梁再将平板的一部分厚度转化为梁,平板上的竖向荷载通过梁再传给柱,将平板与梁组成一个完整的体系传给柱,将平板与梁组成一个完整的体系 板荷载门式框架反力典型弯矩图梁和板协同工作原理梁和板协同工作原理 板的受力状况受其支撑条件影响板的受力状况受其支撑条件影响单向板挠度比双向板大单向板挠度比双向板大 (a)(b)中心板带中心板带刚度很大刚度很大任一板带刚度很大(a)(b)(d)(c)(a)单向板肋梁楼盖;单向板肋梁楼盖;(b)双向板肋梁楼盖;双向板肋梁楼盖;(c)井字形
21、楼盖;井字形楼盖;(d)密肋楼盖密肋楼盖o从整体概念上来分析水平分体系,可将水平分体系视为由竖向分从整体概念上来分析水平分体系,可将水平分体系视为由竖向分体系支撑的大平板。体系支撑的大平板。o当平板上的竖向荷载过大,板的弯曲承载力及抗剪能力不足以满当平板上的竖向荷载过大,板的弯曲承载力及抗剪能力不足以满足安全与使用功能要求时,可以增加板厚或增设不同的梁体系来足安全与使用功能要求时,可以增加板厚或增设不同的梁体系来增强板的强度,也可以通过格构化的方式以大幅度地增加板的厚增强板的强度,也可以通过格构化的方式以大幅度地增加板的厚度等方法来使板达到功能要求。度等方法来使板达到功能要求。o水平结构分体系
22、也可统一视为梁结构。水平结构分体系也可统一视为梁结构。o板结构可理解为将高度为板厚板结构可理解为将高度为板厚t的梁密排组成的结构。由此大大的梁密排组成的结构。由此大大提高了水平面内的抗弯强度,但减小了横向刚度。提高了水平面内的抗弯强度,但减小了横向刚度。o网架结构可视为格构化的厚板网架结构可视为格构化的厚板o同一结构分体系中不同的结构形式是可以互相转化的,不是一同一结构分体系中不同的结构形式是可以互相转化的,不是一成不变的。成不变的。10.2.2 竖向分体系竖向分体系o结构的竖向分体系是指结构总体系中以竖向构件为主体而组成结构的竖向分体系是指结构总体系中以竖向构件为主体而组成的分体系。的分体系
23、。o它是使建筑物有足够的空间满足使用功能的必要保障。它是使建筑物有足够的空间满足使用功能的必要保障。o竖向分体系在结构中的作用:竖向分体系在结构中的作用: 在竖直方向承受由水平分体系传来的全部荷载,并把它们传递在竖直方向承受由水平分体系传来的全部荷载,并把它们传递至基础;至基础; 在水平方向抵抗水平荷载的作用,如风荷载、水平地震作用等。在水平方向抵抗水平荷载的作用,如风荷载、水平地震作用等。o相对于水平分体系,竖向分体系承受更为复杂的荷载作用。相对于水平分体系,竖向分体系承受更为复杂的荷载作用。将整个建筑物视为一个实体大柱或简单的筒体式竖向分体系将整个建筑物视为一个实体大柱或简单的筒体式竖向分
24、体系 电梯间BCADABCD(a)(b)平面形状50层66层90层110层1框架式竖向分体系框架式竖向分体系o将单个大柱分成若干小柱,并用水平分体系中的基本单元将单个大柱分成若干小柱,并用水平分体系中的基本单元梁梁将它们刚结成梁柱组合体系即构成框架体系将它们刚结成梁柱组合体系即构成框架体系 纯框架结构中,墙体纯框架结构中,墙体仅起分割和围合的作仅起分割和围合的作用,不承担荷载,但用,不承担荷载,但可以传递一部分水平可以传递一部分水平荷载荷载 屋面板连系梁楼板框架o纯框架结构的优点:建筑平面布置灵活;因采用非承重外墙,可纯框架结构的优点:建筑平面布置灵活;因采用非承重外墙,可使立面设计灵活多变;
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