结构概念和体系课程简介培训学习课件.ppt

1、2022-8-191结构概念和体系结构概念和体系Structural Concepts and Systems课程简介课程简介本课程是哈尔滨工业大学土木工程学院为进本课程是哈尔滨工业大学土木工程学院为进行课程系列改革而开设的行课程系列改革而开设的专业选修课专业选修课(24学时学时)。也可作建筑学、房地产、道桥等专业的选修课。也可作建筑学、房地产、道桥等专业的选修课。本科程本科程突破了原有的课程体系，强调各课程之间突破了原有的课程体系，强调各课程之间的横向联系，特别注意从房屋的整体（而不是结的横向联系，特别注意从房屋的整体（而不是结构构件）来分析和理解结构体系构构件）来分析和理解结构体系，收到了

2、较好的，收到了较好的教学效果。教学效果。2022-8-193 本课程在哈尔滨工业大学已讲授十多年了。教材也已更新本课程在哈尔滨工业大学已讲授十多年了。教材也已更新三次，新版教材三次，新版教材结构概念和体系结构概念和体系 2009年年7月已由高等教育出版社列为月已由高等教育出版社列为 “普通高等普通高等教育教育十一五十一五国家级规划教材国家级规划教材”和和“新世纪土木工新世纪土木工程系列教材程系列教材”出版。教材附有配套的多媒体课件光盘出版。教材附有配套的多媒体课件光盘，为学生提供了更多的工程实例和精美的彩色图片，为学生提供了更多的工程实例和精美的彩色图片，也可供教师上课参考。也可供教师上课参考

3、。教材及多媒体课件2022-8-195 随着科学技术的发展，专业和学科间的分工越来随着科学技术的发展，专业和学科间的分工越来越细，各专业和各课程间的横向联系常常被忽视。然越细，各专业和各课程间的横向联系常常被忽视。然而，而，一栋优秀的建筑必然是建筑、力学、结构、设备一栋优秀的建筑必然是建筑、力学、结构、设备等各专业密切配合、创造性合作的成果。等各专业密切配合、创造性合作的成果。本课程从最本课程从最基本的结构概念出发，强调建筑形式、结构类型和受基本的结构概念出发，强调建筑形式、结构类型和受力特点之间的密切关系，引导学生在设计中正确处理力特点之间的密切关系，引导学生在设计中正确处理好建筑和结构体系

4、的总体问题。好建筑和结构体系的总体问题。课程内容围绕以下几个方面展开：课程内容围绕以下几个方面展开：一些重要的结构概念；一些重要的结构概念；建筑设计方案阶段要考虑的结构总体问题；建筑设计方案阶段要考虑的结构总体问题；结构水平体系和结构竖向体系的主要类型和特点结构水平体系和结构竖向体系的主要类型和特点;介绍国内、外著名建筑及建筑业的最新发展，剖析一介绍国内、外著名建筑及建筑业的最新发展，剖析一些典型工程，使学生对结构体系有更深刻的理解。些典型工程，使学生对结构体系有更深刻的理解。2022-8-196 本课程采用多媒体教学，深入浅出，图文本课程采用多媒体教学，深入浅出，图文并茂，内容丰富，有利于学

5、生增加感性认识，并茂，内容丰富，有利于学生增加感性认识，扩大知识面。本课程的多媒体课件还提供了一扩大知识面。本课程的多媒体课件还提供了一些必要的英语专业词汇，以利于逐步提高专业些必要的英语专业词汇，以利于逐步提高专业英语阅读能力。英语阅读能力。本课程本课程20012001年获哈尔滨工业大学年获哈尔滨工业大学优秀教学优秀教学设计设计一等奖；一等奖；20032003年获哈尔滨工业大学年获哈尔滨工业大学教学成果教学成果一等奖一等奖 及及黑龙江省高等学校教学成果黑龙江省高等学校教学成果二等奖；二等奖；20042004年获哈尔滨工业大学年获哈尔滨工业大学优秀教学一等奖优秀教学一等奖，并被评为哈尔滨工业大

6、学的并被评为哈尔滨工业大学的优秀课程优秀课程。2004年在青岛召开的年在青岛召开的全国土木工程专业全国土木工程专业精品课程及精品教材建设工作研讨会精品课程及精品教材建设工作研讨会上我们上我们曾对本课程作了简单介绍，受到兄弟院校的关曾对本课程作了简单介绍，受到兄弟院校的关注。一些专家认为注。一些专家认为结构概念和体系结构概念和体系课突破课突破了目前按学科分隔的课程体系，是土木工程专了目前按学科分隔的课程体系，是土木工程专业课程体系改革的大胆创新和成功实践业课程体系改革的大胆创新和成功实践。也有。也有人说：人说：“这是一门培养总工程师的课程。这是一门培养总工程师的课程。”课 程 简 介教学效果教学

7、效果课程设置课程设置课程设置课程设置课程内容课程内容课课 程程 设设 置置 随着科学技术的飞速发展随着科学技术的飞速发展专业和学专业和学科之间的分科之间的分工越来越细工越来越细专业之间和课程之间的联系常被忽视，学生的专业知识变得零碎了专业之间和课程之间的联系常被忽视，学生的专业知识变得零碎了 有的学生虽能有的学生虽能求解复杂的力学问求解复杂的力学问题，却不会从最简题，却不会从最简单的工程结构中抽单的工程结构中抽象出计算简图象出计算简图 平时往往重平时往往重视构件的设计计视构件的设计计算，而对结构体算，而对结构体系的构成及其重系的构成及其重要性认识不足要性认识不足 有的学生虽有的学生虽能设计高层

8、建筑能设计高层建筑和大跨结构，但和大跨结构，但对最基本的结构对最基本的结构概念理解不深概念理解不深这 对 科 学这 对 科 学技术的发展技术的发展是非常必要是非常必要的的过 细 的 分过 细 的 分工有时也带工有时也带来一些弊病来一些弊病课课 程程 设设 置置本课程是一门理论与实际联系密切，多学科综合性的专业选修课本课程是一门理论与实际联系密切，多学科综合性的专业选修课 引导学生深入理解结构概念，学会从房屋总体（而引导学生深入理解结构概念，学会从房屋总体（而不是结构构件）来分析和理解结构体系。通过介绍和分不是结构构件）来分析和理解结构体系。通过介绍和分析各种常见的水平结构体系和竖向结构体系析各

9、种常见的水平结构体系和竖向结构体系钢结构钢结构施工技术施工技术钢筋混凝土钢筋混凝土及砌体结构及砌体结构经济学等经济学等建筑设备建筑设备力学力学房屋建筑学房屋建筑学介绍国内外著介绍国内外著名的建筑结构名的建筑结构剖析典型剖析典型的工程实例的工程实例使学生开阔视野使学生开阔视野,提高专业素质提高专业素质目的在于对各门目的在于对各门 课程作横向连系课程作横向连系分析典型工程分析典型工程 例：例：巴黎巴黎 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 建于建于1889年，原是为纪念法国大革命胜利一百年及巴黎世博年，原是为纪念法国大革命胜利一百年及巴黎世博会而建的标志性建筑，高会而建的标志性建筑，高320 m，是当时的世界第一

10、高度，用钢，是当时的世界第一高度，用钢9,000 t。它不仅满足了标志性建筑及展览功能要求，并且由于其。它不仅满足了标志性建筑及展览功能要求，并且由于其优美的造型而深受群众喜爱，已成为法国及巴黎的象征。优美的造型而深受群众喜爱，已成为法国及巴黎的象征。从力学方面分析：从力学方面分析：铁塔可看成是嵌固在铁塔可看成是嵌固在 地上的悬臂梁，对于高地上的悬臂梁，对于高耸入云的铁塔来说，风耸入云的铁塔来说，风荷载是其主要荷载，由荷载是其主要荷载，由于铁塔的总体外形与风于铁塔的总体外形与风荷载引起的弯矩图十分荷载引起的弯矩图十分相似，因此充分利用了相似，因此充分利用了塔身材料的强度和刚度，塔身材料的强度和

11、刚度，受力非常合理；受力非常合理；风风荷荷载载下下的的弯弯矩矩图图M分析典型工程分析典型工程 例例:巴黎巴黎 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 从建筑方面分析：从建筑方面分析：现在，艾菲尔铁塔已成现在，艾菲尔铁塔已成为巴黎和法国的象征。为巴黎和法国的象征。每年有六百多万旅游者每年有六百多万旅游者登塔观光，旅游收入也登塔观光，旅游收入也十分可观。可见一栋优十分可观。可见一栋优秀的建筑在社会、政治、秀的建筑在社会、政治、经济和文化中所起的重经济和文化中所起的重大作用。大作用。分析典型工程分析典型工程 例例:巴黎巴黎 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 从结构方面分析：从结构方面分析：塔底部塔底部斜斜框架结构合理，加大了跨度

12、，使框架结构合理，加大了跨度，使车流人流在塔下畅通无阻，更显铁塔的雄伟壮观。艾菲尔铁塔车流人流在塔下畅通无阻，更显铁塔的雄伟壮观。艾菲尔铁塔可谓建筑结构的完美统一。可谓建筑结构的完美统一。2022-8-1914分析典型工程分析典型工程 例例:巴黎巴黎 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔 课课 程程 设设 置置更深刻地理解和体会一些重要的结构概念更深刻地理解和体会一些重要的结构概念本课程的本课程的意义意义 了解作为建了解作为建筑功能和形式因筑功能和形式因素的结构体系及素的结构体系及其基本类型其基本类型 了解和掌握了解和掌握建筑方案中空间建筑方案中空间形式和结构性能形式和结构性能的相互关系的相互关系学会从工程中

13、学会从工程中抽象出计算简图抽象出计算简图学会用近似方法快速估学会用近似方法快速估算和比较各种设计方算和比较各种设计方案案 使得在房屋设计的使得在房屋设计的方案阶段就能保证建筑方案阶段就能保证建筑设计与结构设计的基本设计与结构设计的基本协调。协调。课程内容课 程 简 介课程设置教学效果教学效果课程内容课程内容绪论绪论 第一章第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 第二章第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题)第三章第三章 结构的水平体系结构的水平体系第五章第五章 工程实例简介工程实例简介第四章第四章 结构的竖向体系结构的竖向体系第一章第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念

14、2022-8-19181.1 基本受力状态基本受力状态(The Basic Mechanical States)(Some Important Concepts of Structure)1.1 基本受力状态基本受力状态(The Basic Mechanical States)1.2 材料对结构的影响材料对结构的影响(The Effects of Material on Structure)1.3 关于构件尺度的概念关于构件尺度的概念(The Concepts of Members Dimension)1.4 构件受力后的变形构件受力后的变形(The Deformations of Membe

15、r after Loading)1.5 预应力的概念预应力的概念(The Concepts of Pre-stress)2022-8-1919 强调强调拉、压、弯、剪、扭拉、压、弯、剪、扭五种基本受力状态对五种基本受力状态对材料的利材料的利用率用率，指出拉、压对材料的利用率最高，桁架、拱、网架、，指出拉、压对材料的利用率最高，桁架、拱、网架、张拉索结构、膜结构等都是充分利用拉压的工程实例。张拉索结构、膜结构等都是充分利用拉压的工程实例。课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 基本受力状态基本受力状态c)扭TMTMqb)弯剪a)拉压HHHH2022-8-1920课

16、程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 材料对结构的影响材料对结构的影响 石板或素混石板或素混凝土梁凝土梁，由于其，由于其抗拉强度抗拉强度 ft 远小远小于抗压强度于抗压强度fc，即即 ft fc，当，当拉拉应力超过抗拉强应力超过抗拉强度时梁就开裂破度时梁就开裂破坏，坏，破坏由破坏由 ft 引引起。起。木梁木梁，由于天然木，由于天然木材有弯曲，切割成矩形材有弯曲，切割成矩形木梁时木纹与梁轴不平木梁时木纹与梁轴不平行，而木材的横纹抗拉行，而木材的横纹抗拉强度远小于顺纹抗拉强强度远小于顺纹抗拉强度，在主拉应力作用下度，在主拉应力作用下，当，当主拉应力大于木材主拉应力大

17、于木材横纹抗拉强度横纹抗拉强度 ft tr 时，时，就发生斜向撕裂就发生斜向撕裂。钢管受弯钢管受弯，钢，钢材的拉压强度是相材的拉压强度是相同的，即同的，即 fy=f y，但由于受压时可，但由于受压时可能引起较薄的管壁能引起较薄的管壁局部失稳，当局部失稳，当压应压应力超过力超过fy时受压时受压区局部屈曲而早于区局部屈曲而早于受拉区破坏。受拉区破坏。a)砖石b)钢管c)木材（斜纹）ttfctftrtptf2022-8-1921 以在自重作用下的一根简支梁为例，说明按比以在自重作用下的一根简支梁为例，说明按比例放大结构是很危险的。例放大结构是很危险的。Lbh 结构尺度的影响结构尺度的影响课程内容：第

18、一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 关于构件尺度的概念关于构件尺度的概念2022-8-1922 现分别以下角标现分别以下角标1 1和和1010代表原梁和放大代表原梁和放大1010倍后的梁倍后的梁矩形截面梁矩形截面梁 b10=10b1；h10=10h1；L10=10L1自重线荷载自重线荷载 g10=b10 h10=100g1最大剪力最大剪力 V10=g10 L10/2=1000V1最大弯矩最大弯矩 M10=g10L102/8=10 000M1截面抵抗矩截面抵抗矩 W10=bh2/6=1 000 W1 钢筋混凝土梁抗弯、抗剪承载力钢筋混凝土梁抗弯、抗剪承载力由钢筋控制由钢筋

19、控制 M10=As 10 fy(h0 10-0.5x10)=1 000M1由混凝土控制由混凝土控制 M10=b10 xb fc(h0 10-0.5x b10)=1 000M1最大抗剪力最大抗剪力 V10max=0.25 b10 h10=100V1max 挠度挠度跨中挠度跨中挠度 f10=5g10 L104/（384EI10）=100 f1课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 关于构件尺度的概念关于构件尺度的概念Lbh 可见，在结构设计中按比例放大结可见，在结构设计中按比例放大结构是很危险的；构是很危险的；截面高度的选择也必须考虑结构尺截面高度的选择也必须考虑结

20、构尺度的影响，对于跨度较大的梁截面应偏度的影响，对于跨度较大的梁截面应偏高一些。教材或规范上建议的梁的高跨高一些。教材或规范上建议的梁的高跨比只在常用的跨度范围内才适用，超过比只在常用的跨度范围内才适用，超过这个范围就不对了。这个范围就不对了。2022-8-1923 正确估计和判断构件受力后的变形曲线，对估算和分析结构内力正确估计和判断构件受力后的变形曲线，对估算和分析结构内力十分重要。十分重要。对一般杆件，对一般杆件，若忽略若忽略N 和和V 的影响，则的影响，则 M/EI=1 1/=d2y /dx2 双铰拱双铰拱受荷后拱受荷后拱跨中曲率变小，拱脚跨中曲率变小，拱脚上部曲率变大。可见上部曲率变

21、大。可见，此拱跨中承受正弯，此拱跨中承受正弯矩，两侧拱脚上部承矩，两侧拱脚上部承受负弯矩。受负弯矩。双铰拱双铰拱左半跨受左半跨受荷后左半跨承受正弯荷后左半跨承受正弯矩，右半跨度承受负矩，右半跨度承受负弯矩。弯矩。无铰拱无铰拱在全跨及在全跨及半跨均布荷载下的变半跨均布荷载下的变形曲线（左）及弯矩形曲线（左）及弯矩图（右）。细心对比图（右）。细心对比后就会对曲率与弯矩后就会对曲率与弯矩的对应关系有所理解。的对应关系有所理解。yMyMyMMyqqq 虽然在此例中弯矩虽然在此例中弯矩M、曲、曲率率1/的变化与变形的变化与变形y很相似，应很相似，应当指出，对于曲线形杆件上式中当指出，对于曲线形杆件上式中

22、弯矩弯矩M应与应与曲率增量曲率增量(1/-1/0）相相似，即与变形似，即与变形y 的二次导数相似，的二次导数相似，而不是与变形而不是与变形y 相似。相似。M/EI=1/=d2y/dx2 对于等截面构件曲率和弯矩成正比对于等截面构件曲率和弯矩成正比课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 构件受力后的变形构件受力后的变形2022-8-1924 预应力的概念具有普遍意义。预应力的概念具有普遍意义。预应力只是一个力，而且是一个预应力只是一个力，而且是一个内力，内力，内力不会是构件失稳。内力不会是构件失稳。课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构

23、概念 预应力的概念预应力的概念+=2022-8-1925 对一块薄板施加预应力会不会使薄板失稳呢对一块薄板施加预应力会不会使薄板失稳呢?当压杆有当压杆有偶然偶然偏心或偏心或偶然偶然侧向力作用而弯曲后，附加的力侧向力作用而弯曲后，附加的力矩可能使构件越来越弯曲，甚至导致破坏，这就是失稳。轴向矩可能使构件越来越弯曲，甚至导致破坏，这就是失稳。轴向力作用下的薄板或长细杆件有可能发生失稳。力作用下的薄板或长细杆件有可能发生失稳。杆件截面中心杆件截面中心杆件截面中心杆件截面中心课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 预应力的概念预应力的概念 预应力是一个内力，预应力是一个

24、内力，当一块预应力薄板发生偶然当一块预应力薄板发生偶然弯曲后，预应力产生的附加力矩以及弯曲后的预应力弯曲后，预应力产生的附加力矩以及弯曲后的预应力筋对混凝土板的侧压力与偶然弯曲方向相反，将使构筋对混凝土板的侧压力与偶然弯曲方向相反，将使构件变直。可见，件变直。可见，预应力不但不会使压杆失稳，而且会预应力不但不会使压杆失稳，而且会使压杆更加稳定使压杆更加稳定。这就不难理解为什么有时我们会对。这就不难理解为什么有时我们会对预制长柱、长桩施加预应力了。预制长柱、长桩施加预应力了。当然，若预应力过大，当然，若预应力过大，也会把薄板压碎，但这不是也会把薄板压碎，但这不是 稳定问题，而是承载力问题。稳定问

25、题，而是承载力问题。2022-8-1926课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 预应力的概念预应力的概念黄河小浪底工程黄河小浪底工程 预防山体滑坡的预应力锚杆预防山体滑坡的预应力锚杆2022-8-1927关于预应力的概念关于预应力的概念（小结）小结）预应力是加荷前预先施加给构件的应力；预应力是加荷前预先施加给构件的应力；预应力仅仅预应力仅仅只是一个力只是一个力(不一定要预应力钢筋不一定要预应力钢筋)，例如，例如,用手搬书时就没有预应力钢筋；用手搬书时就没有预应力钢筋；预应力充分利用了材料的抗压强度和抗拉强度，预应力充分利用了材料的抗压强度和抗拉强度，可提可提高

26、混凝土的抗裂性，但不会提高构件的承载力；高混凝土的抗裂性，但不会提高构件的承载力；预应力引起的构件反拱可以抵消预应力引起的构件反拱可以抵消恒载的挠度恒载的挠度，但对可，但对可变荷载引起的变形，几乎没有影响；变荷载引起的变形，几乎没有影响；预应力在构件中是一个预应力在构件中是一个内力内力，它不会使构件失稳，反，它不会使构件失稳，反而而可提高构件的稳定性可提高构件的稳定性。例如，可对预制桩施加预应。例如，可对预制桩施加预应力力，以提高运输和打桩时桩的稳定性；，以提高运输和打桩时桩的稳定性；预应力的概念具有普遍意义，例如：悬索结构、膜结预应力的概念具有普遍意义，例如：悬索结构、膜结构、充气结构等。构

27、、充气结构等。课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 预应力的概念预应力的概念2022-8-1928课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 圈梁和构造柱圈梁和构造柱关于圈梁：关于圈梁：从房屋的总体从房屋的总体来分析混合结构房来分析混合结构房屋圈梁的受力状态屋圈梁的受力状态2022-8-1929课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 圈梁和构造柱圈梁和构造柱 从这个例子中我们可以看出，从这个例子中我们可以看出，圈梁不是梁，只是一个受拉圈梁不是梁，只是一个受拉杆件杆件，真正起作用的是其中很少的一点配筋。

28、圈梁的混凝土只，真正起作用的是其中很少的一点配筋。圈梁的混凝土只是保证钢筋和砌体共同工作的媒体。是保证钢筋和砌体共同工作的媒体。当我们正确认识到圈梁是一个受拉杆件后，我们就不难理当我们正确认识到圈梁是一个受拉杆件后，我们就不难理解为什么解为什么圈梁要成圈梁要成“圈圈”，圈梁和，圈梁和“圈圈”内混凝土楼板可形成内混凝土楼板可形成刚性板块。圈梁不能随意弯折，圈梁的钢筋不能有刚性板块。圈梁不能随意弯折，圈梁的钢筋不能有“内折角内折角”，必须锚固可靠等必须锚固可靠等。2022-8-1930课程内容：第一章课程内容：第一章 一些重要的结构概念一些重要的结构概念 圈梁和构造柱圈梁和构造柱 在混合结构的抗震

29、构造中还广泛采用构造柱。在混合结构的抗震构造中还广泛采用构造柱。构造柱和圈梁一样，截面小，配筋少，往往不被重构造柱和圈梁一样，截面小，配筋少，往往不被重视。然而，视。然而，构造柱和圈梁从整体上把房屋紧紧地捆构造柱和圈梁从整体上把房屋紧紧地捆绑在一起，大大加强了房屋的整体性绑在一起，大大加强了房屋的整体性。地震中，尽管房屋的局部可能有损伤，构造柱地震中，尽管房屋的局部可能有损伤，构造柱和圈梁可保证房屋整体不散架，不坍塌。从而有效和圈梁可保证房屋整体不散架，不坍塌。从而有效地提高了房屋的抗震能力。不难看出，地提高了房屋的抗震能力。不难看出，构造柱没有构造柱没有基础，也不是基础，也不是“柱柱”，在抗

30、震中它主要起捆绑作用，在抗震中它主要起捆绑作用，也也只是个拉杆只是个拉杆。圈梁圈梁构造柱构造柱2.2 2.2 建筑结构上的作用力建筑结构上的作用力(The loads on Building Structure)2.4 2.4 结构的刚度和变形结构的刚度和变形(The Stiffness and Deformation of Structure)2.5 2.5 房屋不对称的影响房屋不对称的影响(The Effect of Unsymmetrical Building)2.7 2.7 结构总体系的构成结构总体系的构成(The Constitute of General Structural Sy

31、stem)2.3 2.3 房屋的高宽比与抗倾覆问题房屋的高宽比与抗倾覆问题(The Ratio of height-width and Overturning Stability)2.1 2.1 概述概述(Introduction)2.6 2.6 结构的总体估算结构的总体估算(The General Estimation of Structure)课程内容：第二章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题2.4 2.4 结构的刚度和变形结构的刚度和变形(The Stiffness and Deformation of Structure)2022-8-1932物理学关于刚度的定

32、义物理学关于刚度的定义：刚度是产生单位刚度是产生单位“变形变形”所需要的所需要的“力力”。这里所指的。这里所指的“变形变形”和和“力力”都是广义的都是广义的，“变形变形”可以是位移、曲率、可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等；剪切角、扭转角、应变等；“力力”可以是轴力、弯可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。矩、剪力、扭矩或应力等。单位单位“力力”作用下的作用下的“变形变形”称为柔度，引起称为柔度，引起单位单位“变形变形”所需的所需的“力力”称称 为刚度为刚度，柔度和刚度，柔度和刚度在数值上互为倒数。在数值上互为倒数。房屋刚度房屋刚度结构刚度结构刚度截面刚度截面刚度构件刚度构件刚度课程内容

33、：第二章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 结构的刚度和变形结构的刚度和变形截面刚度截面刚度2022-8-1933 截面的截面的拉压拉压刚度刚度EA E A=N/(N/L)=N/截面的截面的弯曲弯曲刚度刚度EI E I=M/(1/)截面的截面的剪切剪切刚度刚度GA GA=V/课程内容：第二章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 截面刚度截面刚度2022-8-1934课程内容：第二章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 截面刚度截面刚度 讨论一座小塔楼的几种结构方案，看讨论一座小塔楼的几种结构方案，看如何提高刚度如何提高刚度EI

34、？设塔楼平面尺寸相同，？设塔楼平面尺寸相同，边长均为边长均为5.2 m，结构截面面积均为，结构截面面积均为4 m2。由四根由四根 1 m见方柱组成，见方柱组成，其截面刚度其截面刚度为四根柱截为四根柱截面刚度面刚度:I1=4/12若 将 四 根若 将 四 根小 柱 合 并小 柱 合 并为 一 根 大为 一 根 大柱，则 刚柱，则 刚度为度为:I2=4 I1 若将四根若将四根1m见 方 的 柱见 方 的 柱“拍 扁拍 扁”，做 成 四 片 独做 成 四 片 独立 的 墙，每立 的 墙，每一片为一片为0.2m5m:I3=12.5 I1 若 将 上 述若 将 上 述四 片 墙 在四 片 墙 在墙 角

35、处 连墙 角 处 连成 整 体，成 整 体，形 成 箱 形形 成 箱 形截面截面:I4=50 I1 5.2250.25.25.23.221.61.6113.2115.2 尽管截面面积相同，合理尽管截面面积相同，合理改变截面形式，可以大大提高改变截面形式，可以大大提高构件的截面刚度。构件的截面刚度。这种截面放平了就是箱型这种截面放平了就是箱型截面梁，立起来就是筒体。截面梁，立起来就是筒体。2022-8-1935课程内容：第二章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 构件刚度构件刚度 通常指构件通常指构件(Member)在在特定方向特定方向上引起单位变形所需的上引起单位变形所需

36、的特定荷载特定荷载 例例1:1:承受集中荷载的悬臂柱承受集中荷载的悬臂柱,柱长比起截面尺寸要大很柱长比起截面尺寸要大很多，通常称为杆件。杆件的弯曲变形较大，相比之下剪切变多，通常称为杆件。杆件的弯曲变形较大，相比之下剪切变形和轴向变形的影响小到可以忽略不计，所以只计弯曲变形形和轴向变形的影响小到可以忽略不计，所以只计弯曲变形。悬臂柱在柱顶水平力作用下的变形。悬臂柱在柱顶水平力作用下的变形=PL 3/3EI；在柱顶在柱顶单位水平力作用下的位移单位水平力作用下的位移=L 3/3EI ，称为柔度，则产生柱，称为柔度，则产生柱顶单位侧移所需的力顶单位侧移所需的力1/=3EI/L 3 ，称为该柱在柱顶水

37、平，称为该柱在柱顶水平力作用下的抗侧移刚度。力作用下的抗侧移刚度。例例2:2:承受均布荷载的简支梁，也是一个杆件，可只考承受均布荷载的简支梁，也是一个杆件，可只考虑弯曲变形，其跨中挠度虑弯曲变形，其跨中挠度=5qL4/(384EI）；在单位均布在单位均布荷载下的跨中挠度荷载下的跨中挠度=5L4/（384EI），称为柔度。而产生单称为柔度。而产生单位跨中挠度所需施加的均布荷载位跨中挠度所需施加的均布荷载1/=384EI/（5L4），），称为称为简支梁在均布荷载作用下的刚度。简支梁在均布荷载作用下的刚度。其它支承条件、荷载情况其它支承条件、荷载情况下的变形在一般材料力学书上均可找到，大家可自行查阅

38、参下的变形在一般材料力学书上均可找到，大家可自行查阅参考。考。LEI111EIEILq(a)结构柔度(b)结构刚度2022-8-1936地面运动方向地面运动方向结构刚度中心轴结构刚度中心轴结构水平结构水平 位移位移结构刚度中心结构刚度中心地震力扭矩地震力扭矩Fe 引起的转角引起的转角质量中心质量中心Fe FFmaxy地震力地震力 F 引起的引起的偏心荷载偏心荷载平行移动平行移动 房屋扭转房屋扭转 在高层建筑结构在高层建筑结构中，结构抗侧移刚度中，结构抗侧移刚度不对称会使水平荷载不对称会使水平荷载与房屋抗侧移刚度的与房屋抗侧移刚度的中心中心(简称刚度中心简称刚度中心)偏心。偏心。e课程内容：第二

39、章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 房屋刚度房屋刚度 设计中应设法避免或尽可能减设计中应设法避免或尽可能减小扭转变形。换句话说，应当设法小扭转变形。换句话说，应当设法使水平荷载的合力尽量接近或通过使水平荷载的合力尽量接近或通过房屋的刚度中心。房屋的刚度中心。2022-8-1937 房屋刚度是由许多组成房屋的结构构件房屋刚度是由许多组成房屋的结构构件(例如柱、框架、结例如柱、框架、结构墙等构墙等)的刚度组合而成的，它们靠平面内刚度很大的楼盖的刚度组合而成的，它们靠平面内刚度很大的楼盖(或屋或屋盖盖)体系连系在一起，楼盖体系连系在一起，楼盖(或屋盖或屋盖)像一个刚性盘体一

40、样迫使与像一个刚性盘体一样迫使与其相连的竖向结构协调变形，只产生平移和整体转动。其相连的竖向结构协调变形，只产生平移和整体转动。假如我们将房屋结构平移一个单位位移，则假如我们将房屋结构平移一个单位位移，则每一个柱、框架或结构墙都会产生反力，这些反每一个柱、框架或结构墙都会产生反力，这些反力就是这些个别结构构件的抗侧移刚度。这些反力就是这些个别结构构件的抗侧移刚度。这些反力的合力即为房屋结构抗侧移的总刚度，此合力力的合力即为房屋结构抗侧移的总刚度，此合力的作用点即为结构的刚度中心的作用点即为结构的刚度中心。用这种办法，可以很快找到结构刚度中心，也可用来调整用这种办法，可以很快找到结构刚度中心，也

41、可用来调整结构刚度中心的位置。若水平荷载合力通过结构刚度中心，房屋结构刚度中心的位置。若水平荷载合力通过结构刚度中心，房屋就不会产生扭转。就不会产生扭转。课程内容：第二章课程内容：第二章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 房屋刚度房屋刚度合力合力3.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析(Mechanical Analysis of R.C.Beam)3.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析(Mechanical Analysis of R.C.Beam)3.2 3.2 结构水平体系的主要类型和特点结构水平体系的主要类型和特点 (T

42、he Major Styles and Characteristics of Horizontal Structural System)课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系钢筋混凝土梁与各种水平结构的共性和特性比较钢筋混凝土梁与各种水平结构的共性和特性比较 各种水平结构的共性各种水平结构的共性就是都要承受弯矩和剪力，就是都要承受弯矩和剪力，只是受力方式不同。只是受力方式不同。梁作为受弯构件虽然在材料强度利用上不是很好，但梁作为受弯构件虽然在材料强度利用上不是很好，但梁中隐梁中隐含着上斜式平行弦桁架、下斜式平行弦桁架、带拉杆拱、悬索结含着上斜式平行弦桁架、下斜式平行弦桁

43、架、带拉杆拱、悬索结构等多种结构受力状态，因此，梁的截面高度才可能更小构等多种结构受力状态，因此，梁的截面高度才可能更小。当跨。当跨度不很大时，为了充分利用层高，尽可能减小结构高度，梁还是度不很大时，为了充分利用层高，尽可能减小结构高度，梁还是一种很有效的结构形式。一种很有效的结构形式。3.2 3.2 结构水平体系的主要类型和特点结构水平体系的主要类型和特点 (The Major Styles and Characteristics of Horizontal Structural System)3.2 3.2 结构水平体系的主要类型和特点结构水平体系的主要类型和特点 (The Major S

44、tyles and Characteristics of Horizontal Structural System)课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系3.1 3.1 钢筋混凝土梁的受力状态分析钢筋混凝土梁的受力状态分析(Mechanical Analysis of R.C.Beam)一、屋架、屋面板及支撑系统组成的水平结构体系一、屋架、屋面板及支撑系统组成的水平结构体系(The Horizontal Structural systems Combined by Trusses、Slabs and Braces)二、装配式梁板组成的楼盖或屋盖二、装配式梁板组成的楼盖或

45、屋盖(Floors or Roofs Combined by assembly beams and Slabs)三、装配整体式楼三、装配整体式楼(屋屋)盖盖(Assembly-Monolithic Concrete Floors(Roofs)五、网架体系五、网架体系(Lattice grid Systems)四、现浇钢筋混凝土楼四、现浇钢筋混凝土楼(屋屋)盖盖(Monolithic Reinforced Concrete Floors(Roofs)3.2 3.2 结构水平体系的主要类型和特点结构水平体系的主要类型和特点 (The Major Styles and Characteristics

46、 of Horizontal Structural System)六、张拉索结构六、张拉索结构(Tension-Cable Structures)八、拱结构八、拱结构(Arch Structure)九、薄壳结构九、薄壳结构(Shell Structure)十一、十一、结构转换层结构转换层(The Horizontal structureTransition Story)十二、门式刚架十二、门式刚架(Portal Frame)十、十、组合结构组合结构(Composite Structure )七、膜结构七、膜结构(Membrane Structure)3.2 3.2 结构水平体系的主要类型和特点

47、结构水平体系的主要类型和特点 (The Major Styles and Characteristics of Horizontal Structural System)张拉索结构张拉索结构（Tension-Cable Structure）以高强钢丝、钢绞线为主以高强钢丝、钢绞线为主要承重结构，是超大跨度结要承重结构，是超大跨度结构的主要形式。张拉索结构构的主要形式。张拉索结构按其拉索的布置也可分为多按其拉索的布置也可分为多种形式种形式：(一一)斜拉索结构斜拉索结构（Diagonal Diagonal Tension-Cable Structure Tension-Cable Structur

48、e）这种结构以斜拉索为水这种结构以斜拉索为水平结构提供中间支座。平结构提供中间支座。课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系 张拉索结构张拉索结构上海杨浦大桥上海杨浦大桥课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系 张拉索结构张拉索结构上海杨浦大桥上海杨浦大桥2022-8-1945课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系 张拉索结构张拉索结构苏通长江大桥苏通长江大桥世界最长的斜拉索桥世界最长的斜拉索桥 大桥从苏州跨过长江到南通，离长江出海口大桥从苏州跨过长江到南通，离长江出海口108 km，桥长，桥长8,146 km,2003年年6

49、月开工，已于月开工，已于2007年年9月通车。月通车。大桥创大桥创四项世界记录四项世界记录：斜拉桥主跨：斜拉桥主跨1 088 m;大桥主塔高达大桥主塔高达300.4 m;主桥最长斜拉索长达主桥最长斜拉索长达577m;基础桩径为基础桩径为3 m,桩长桩长131 m，主塔承台，主塔承台118m52m，用混凝土，用混凝土60,000m3。苏通长江大桥施工现场苏通长江大桥施工现场2022-8-1946课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系 张拉索结构张拉索结构2022-8-1947课程内容：第三章课程内容：第三章 结构的水平体系结构的水平体系 张拉索结构张拉索结构(二二)悬索结

50、构悬索结构(Suspended Cable Structure)以下垂的悬索为主要承重结构，荷载均悬挂以下垂的悬索为主要承重结构，荷载均悬挂在主索上。悬索结构的主索只承受拉力，其抗弯在主索上。悬索结构的主索只承受拉力，其抗弯刚度为零，不能承受任何弯矩，所以悬索的形状刚度为零，不能承受任何弯矩，所以悬索的形状会随着荷载的变化而改变。会随着荷载的变化而改变。当悬索自动把形状调整到沿悬索全长弯矩处当悬索自动把形状调整到沿悬索全长弯矩处处为零时，就达到平衡状态处为零时，就达到平衡状态。根据力学原理可知，。根据力学原理可知，此时悬索的形状正好与简支梁的弯矩图形状一致此时悬索的形状正好与简支梁的弯矩图形状