单元1建筑结构的基本知识

JIANZHULIXUE YU JIEGOU 1主 编 ： 吴 承 霞 刘 卫 红单 元 1建 筑 结 构 的 基 本 知 识 2 单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识目 录 3 单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识 能力目标知识要点相关知识掌 握 建 筑 结 构 的 概念 及 分 类 建 筑 结 构 的 概 念 和分 类 建 筑 结 构 的 定 义 、 组 成 ； 建 筑 结 构 的分 类 及 各 种 结 构 的 优 缺 点理 解 建 筑 结 构 的 功能 要 求 ， 掌 握 结 构的 极 限 状 态 建 筑 结 构 的 功 能 要求 结 构 的 安 全 等 级 ； 结 构 的 设 计 使 用 年限 ， 结 构 的 功 能 要 求 ； 结 构 的 可 靠 性和 可 靠 度 ； 结 构 的 极 限 状 态能 了 解 地 震 的 类 型及 破 坏 作 用 ， 掌 握抗 震 设 防 分 类 、 设防 标 准 及 抗 震 设 计的 基 本 要 求 结 构 抗 震 知 识 地 震 的 基 本 概 念 ； 地 震 的 破 坏 作 用 ；建 筑 抗 震 设 防 分 类 和 设 防 标 准 ； 抗 震设 计 的 基 本 要 求了 解 学 习 建 筑 结 构的 任 务 和 学 习 方 法 课 程 教 学 任 务 、 目标 和 学 习 方 法 建 筑 结 构 的 课 程 内 容 ； 学 习 目 标 ； 学习 要 求 4 中 国 建 筑 具 有 悠 久 的 历 史 和 鲜 明 的特 色 ， 在 世 界 建 筑 历 史 上 占 有 重 要 的 地位 。 在 这 漫 长 的 岁 月 中 ， 中 国 建 筑 逐 步发 展 形 成 独 特 的 建 筑 体 系 ， 在 城 市 规 划 、园 林 、 民 居 、 建 筑 技 术 与 艺 术 等 方 面 均取 得 了 辉 煌 的 成 就 。 古 往 今 来 ， 中 国 出现 了 许 多 著 名 的 建 筑 物 ， 秦 汉 的 万 里 长城 ， 南 北 朝 的 寺 观 、 塔 楼 和 石 窟 ， 明 清时 代 的 故 宫 等 至 今 仍 让 人 为 之 赞 叹 。 单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识 5龙 门 石 窟 西 安 大 雁 塔 单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识 6水 立 方 鸟 巢 单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识 71.1建 筑 力 学 与 结 构概 述 1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 8建筑是供人们生产、生活和进行其他活动的房屋或场所。各类建筑都离不开梁、板、墙、柱、基础等构件，它们相互连接形成建筑的骨架。建筑中由若干构件连接而成的能承受作用的平面或空间体系称为建筑结构（图1.2）。 1.1.1 建 筑 结 构 的 概 念 及 分 类图 1.2 建 筑 结 构 骨 架 知 识 点 1： 什 么 是 建 筑 结 构 ？ 什 么 是 作 用 ？ 什 么是 荷 载 ？ 作 用 与 荷 载 之 间 有 什 么 区 别 和 联 系 ？1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 9 这里所说的“作用”是指能使结构或构件产生效应（内力、变形、裂缝等）的各种原因的总称。作用可分为直接作用和间接作用。直接作用即习惯上所说的荷载，是指施加在结构上的集中力或分布力系，如结构自重、家具及人群荷载、风荷载等。间接作用是指引起结构外加变形或约束变形的原因，如地震、基础沉降、温度变化等。建筑结构由水平构件、竖向构件和基础组成。水平构件包括梁、板等，用以承受竖向荷载；竖向构件包括柱、墙等，其作用是支承水平构件或承受水平荷载；基础的作用是将建筑物承受的荷载传至地基。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 10 (1) 混凝土结构混凝土结构是素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的总称。素混凝土结构是指由无筋或不配置受力钢筋的混凝土制成的结构，在建筑工程中一般只用做基础垫层或室外地坪。钢筋混凝土结构是指配置钢筋的混凝土结构。在混凝土内配置受力钢筋，能明显提高结构或构件的承载能力和变形性能。 知 识 点 2： 按 照 所 用 材 料 不 同 ， 建 筑 结 构 可 以分 为 哪 几 类 ？ 各 有 何 特 点 ？1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 11 在结构承受荷载之前，预先对混凝土受拉区人为地施加压应力，以抵消或减少外荷载产生的拉应力，从而达到使构件在正常的使用荷载下不开裂，或者延迟开裂、减小裂缝宽度的目的，这种结构称为预应力混凝土结构。图 1.3 钢 筋 混 凝 土 结 构1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 12 钢筋混凝土结构的优点： 就地取材 耐久性好 整体性好 可模性好 耐火性好 刚度大，承载力高 1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 13 （2） 砌体结构由块体（砖、石材、砌块）和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构称为砌体结构（图1.4），它是砖砌体结构、石砌体结构和砌块砌体结构的统称。图 1.4 砌 体 结 构1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 14 砌体结构主要有以下优点： 取材方便，造价低廉。 具有良好的耐火性及耐久性。 具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好。 施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 15 （3） 钢结构钢结构系指以钢材为主制作的结构（图1.5）。图 1.5 钢 结 构1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 16 钢结构具有以下主要优点： 材料强度高，自重轻，塑性和韧性好，材质均匀； 便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸，施工工期短； 具有优越的抗震性能； 无污染、可再生、节能、安全，符合建筑可持续发展的原则，可以说钢结构的发展是21世纪建筑文明的体现。钢结构的缺点：易腐蚀，需经常用油漆维护，故维护费用较高；耐火性差，当温度达到250时，钢结构的材质将会发生较大变化，当温度达到500时，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 17 （4） 木结构木结构是指全部或大部分用木材制作的结构（图1.6）。这种结构易于就地取材，制作简单，但易燃、易腐蚀、变形大，并且木材使用受到国家严格限制，因此已很少采用。图 1.6 木 结 构1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 18 (5) 混合结构由两种及两种以上材料作为主要承重结构的房屋称为混合结构（图1.7）。图 1.7 混 合 结 构(a) 砖 混 结 构 ； (b) 木 结 构 与 混 凝 土 的 混 合 结 构1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 19 多层混合结构一般以砌体结构为竖向承重构件（如墙、柱等），而水平承重构件（如梁、板等）多采用钢筋混凝土结构，有时采用钢木结构。其中以砖砌体为竖向承重构件，钢筋混凝土结构为水平承重构件的结构体系称为砖混结构。高层混合结构一般是钢-混凝土混合结构，即由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的共同承受竖向和水平作用的结构。钢混凝土混合结构不仅具有钢结构建筑自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好的特点，还兼有钢筋混凝土结构刚度大、防火性能好、成本低的优点。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 20图 1.8 胡 夫 金 字 塔 图1.9 埃菲尔铁塔图1.10 佛宫寺木塔 1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 21 0.1.1 地 基 与 基 础 知 识 点 3： 建 筑 结 构 应 满 足 哪 些 功 能 要 求 ？ 其 中 最 重要 的 一 项 是 什 么 ？ 如 何 定 义 建 筑 结 构 的 极 限 状 态 ？（ 1） 结 构 的 安 全 等 级1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述安全等级 破坏后果 建筑物类型 一级 很严重 重要的房屋（影剧院、体育馆和高层建筑等）二级 严重 一般的房屋三级 不严重 次要的房屋 表 1.1 建 筑 结 构 的 安 全 等 级 22 （2） 结构的设计使用年限所谓设计使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述类 别 设 计 使 用 年 限 （年） 示 例 4 5临时性结构 3 25易于替换的结构构件 2 50普通房屋和构筑物 1 100 纪念性建筑和特别重要的建筑结构 表 1.2 结 构 的 设 计 使 用 年 限 分 类 23 （3） 结构的功能要求建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。 安全性指结构在正常施工和正常使用的条件下，能承受可能出现的各种作用；在设计规定的偶然事件（如强烈地震、爆炸、车辆撞击等）发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。 适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能。例如，不会出现影响正常使用的过大变形或振动等。 耐久性指结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，即在正常维护条件下结构能够正常使用到规定的设计使用年限。例如，结构材料不致出现影响功能的损坏，钢筋混凝土构件的钢筋不致因保护层过薄或裂缝过宽而锈蚀等。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 24 结构的安全性、适用性和耐久性是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。结构可靠性的定义是：结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力。在这里，规定时间是指设计使用年限；规定条件是指正常设计、正常施工、正常使用和正常维护，不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况；预定功能指结构的安全性、适用性和耐久性。 结 构 的 设 计 使 用 年 限 虽 然 与 结 构 使 用 寿 命 有 联 系 ，但 不 等 同 。 当 结 构 的 使 用 年 限 超 过 设 计 使 用 年 限 后 ， 并不 意 味 着 结 构 就 要 报 废 ， 但 其 可 靠 度 将 逐 渐 降 低 。1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 25 （4） 结构功能的极限状态结构能满足功能要求，则称结构“可靠”或“有效”，否则称结构“不可靠”或“失效”。区分结构工作状态“可靠”与“失效”的界限是“极限状态”。因此，结构的极限状态可定义为：整个结构或结构的一部分，超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能（安全性、适用性、耐久性）要求，该特定状态称为该功能的极限状态。结构极限状态分为以下两类： 承载能力极限状态 正常使用极限状态1.1 建 筑 力 学 与 结 构 概 述 261.2结 构 抗 震 知 识 1.2 结 构 抗 震 知 识 27 1.2 结 构 抗 震 知 识 （ 1） 唐 山 大 地 震（ 2） 汶 川 地 震（ 3） 日 本 地 震 知 识 点 4： 地 震 的 相 关 概 念 、 分 类 及 地 震的 破 坏 作 用 。 28 （1） 地震的成因及分类地震俗称地动，是一种具有突发性的自然现象，其作用结果是引起地面的颠簸和摇晃。地震发生的地方称为震源；震源正上方的地面称为震中；震中附近地面运动最激烈，也是破坏最严重的地区，称为震中区或极震区；地面上某处到震中的距离称为震中距；地震时地面上破坏程度相近的点连成的线称为等震线；震源至地面的距离称为震源深度（图1.11）。地震引起的振动以波的形式从震源向四周传播，这种波就称为地震波。1.2.1 地 震 的 基 本 概 念1.2 结 构 抗 震 知 识 29图 1.11 地 震 示 意 图 1.2 结 构 抗 震 知 识 30 （2） 震级和烈度地震的震级是衡量一次地震大小的等级，用符号M表示。地震的震级M，一般称为里氏震级。当震级提高一级，地面振动振幅增加约10倍，而能量增加近32倍。一般来说，M2的地震，人们感觉不到，称为微震；M=24的地震称为有感地震；M5的地震，会引起建筑物不同程度的破坏，统称为破坏性地震；M7的地震称为强烈地震或大地震；M8的地震称为特大地震。地震烈度是指某一地区的地面及建筑遭受到一次地震影响的强弱程度。1.2 结 构 抗 震 知 识 31 地 震 的 震 级 与 地 震 烈 度 是 两 个 不 同 的 概 念 ，对 于 一 次 地 震 ， 只 能 有 一 个 震 级 ， 但 可 以 有 多个 烈 度 。 一 般 来 说 离 震 中 愈 远 地 震 烈 度 愈 小 ，震 中 区 的 地 震 烈 度 （ 震 中 烈 度 ） 最 大 。 我 国 地震 烈 度 分 为 112度 。 搜 一 搜 ： 唐 山 地 震 、 汶 川 地 震 各 是 几 级 地 震 ， 地震 时 震 中 区 地 震 烈 度 又 各 是 多 少 度 ？1.2 结 构 抗 震 知 识 32 （1） 地表的破坏在强烈地震作用下，地表的破坏现象为：地裂缝、喷砂冒水、地面下沉及河岸、陡坡滑坡（图1.12）。1.2.2 地 震 的 破 坏 作 用图 1.12 地 表 的 破 坏1.2 结 构 抗 震 知 识 33 （2） 建筑物破坏 结构丧失整体稳定性。房屋建筑或构筑物是由许多构件组成的，在强烈地震作用下，构件连接不牢、支撑长度不够和支撑失稳等都会使结构丧失整体性而破坏。 强度破坏。对于未考虑抗震设防或设防不足的结构，在具有多向性的地震力的作用下，会使构件因强度不足而破坏（图1.13）。如地震时砖墙产生交叉斜裂缝，钢筋混凝土柱被剪断、压酥等。 地基失效。在强烈地震作用下，地基承载力可能下降甚至丧失，也可能由于地基饱和砂层液化而造成建筑物沉陷、倾斜或倒塌（图1.14）。1.2 结 构 抗 震 知 识 34图 1.13 建 筑 物 破 坏 1.2 结 构 抗 震 知 识 35图 1.14 地 基 失 效 1.2 结 构 抗 震 知 识 36 （3） 次生灾害次生灾害是指地震时给排水管网、煤气管道、供电线路的破坏，以及易燃、易爆、有毒物质和核物质容器的破裂，造成的水灾、火灾、污染、瘟疫等严重灾害(图1.15)。图 1.15 次 生 灾 害1.2 结 构 抗 震 知 识 37 （1） 抗震设防依据 基本烈度一个地区的基本烈度是指该地区今后50年时间内，在一般场地条件下，可能遭遇到超越概率为10%的地震烈度。 设防烈度一般情况下，可采用中国地震动参数区划图的地震基本烈度。我国规定69度必须进行抗震设防。1.2.3 建 筑 抗 震 设 防 分 类 和 设 防 标 准1.2 结 构 抗 震 知 识 38 （2） 抗震设防目标建筑抗震设计规范(GB 500112010)规定以“三个水准”来表达抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 第一水准：当遭受到多遇的低于本地区设防烈度的地震（小震）影响时，建筑一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用。 第二水准：当遭受本地区设防烈度的地震（中震）影响时，建筑可能有一定的损坏，经一般修理和不需修理仍能继续使用。 第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震（大震）影响时，建筑不致倒塌或不发生危及生命的严重破坏。1.2 结 构 抗 震 知 识 39 (3) 建筑抗震设防分类建筑工程抗震设防分类标准（GB 502232008）将建筑按其使用功能的重要程度不同，分为以下四类： 甲类建筑使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑（如核电站，核设施，水库，大坝，堤防，贮油、贮气、贮存易燃易爆及剧毒、强腐蚀物质的设施等）； 乙类建筑地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提供设防标准的建筑（如消防、急救、供水、供电、通讯等）； 丙类建筑甲、乙、丁类以外的一般建筑（如一般的公共建筑、住宅、旅馆、厂房等）； 丁类建筑抗震次要建筑（如储存物品价值低的一般仓库，人员活动少的辅助建筑等）。1.2 结 构 抗 震 知 识 40 （4） 抗震设防标准 甲类建筑地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，当抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当抗震设防烈度为9度时，应符合比9度更高的要求。 乙类建筑地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，当设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当抗震设防烈度为9度时，应符合比9度更高的要求。 丙类建筑地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度要求。 丁类建筑地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度适当降低，但设防烈度为6度时，不应降低。1.2 结 构 抗 震 知 识 41 所谓建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。建筑抗震概念设计的基本内容和要求如下： 选择对抗震有利的场地和地基； 选择对抗震有利的建筑平面和立面； 选择技术上、经济上合理的抗震结构体系。1.2.4 建 筑 抗 震 概 念 设 计1.2 结 构 抗 震 知 识 421.3课 程 教 学 任 务 、 目标 和 学 习 方 法 1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 43 建筑结构或构件必须具有足够的可靠性，即承受荷载后应不致破坏和失稳，变形、裂缝等也不超过规定的限值，并能达到规定的使用年限。在满足可靠性的同时，还应具有经济性。可靠和经济是一对矛盾体。例如，当构件材料、受力、截面形状等已经确定时，构件截面尺寸过小，则可能因承载能力不够而导致结构破坏，或者因变形或裂缝过大而不能正常工作；反之，如果构件截面尺寸过大，则构件承载能力将过于富裕，势必增加造价，造成不必要的浪费。1.3.1 教 学 任 务1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 44 通过本课程的学习，要求理解力学的基本概念、基本理论和基本方法，能进行结构的受力分析和简单静定结构的内力计算，理解结构计算的基本原则，掌握钢筋混凝土梁板柱的承载力计算方法，能正确识读结构施工图，并能理解建筑施工中的一般结构问题。1.3.2 教 学 目 标1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 45 本课程是建筑工程施工等专业的主干专业课。学习本课程时，应注意以下几方面：(1) 要理论联系实际。本课程的理论本身就来源于生产实践，它是前人大量工程实践的经验总结。因此，学习本课程时，应通过实习、参观等各种渠道向工程实践学习，加强练习、课程设计等，真正做到理论联系实际。1.3.3 学 习 要 求1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 46 (2) 要注意培养自己综合分析问题的能力。结构问题的答案往往不是唯一的，即使是同一构件在给定荷载作用下，其截面形式、截面尺寸、配筋方式和数量等都可以有多种答案。这时往往需要综合考虑适用、材料、造价、施工等多方面因素，才能做出合理选择。1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 47 (3) 要重视各种构造措施。现行结构实用计算方法一般只考虑了荷载作用，其他影响（如混凝土收缩、温度影响以及地基不均匀沉降等）难以用计算公式表达。规范根据长期工程实践经验，总结出了一些构造措施来考虑这些因素的影响。所谓构造措施，就是对结构计算中未能详细考虑或难以定量计算的因素所采取的技术措施。构造措施与结构计算是结构设计中相辅相成的两个方面。因此，学习时不但要重视各种计算，还要重视构造措施。1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 48 (4) 要注意学习有关标准、规范、规程。结构设计标准、规范、规程是国家颁布的关于结构设计计算和构造要求的技术规定和标准，设计、施工等工程技术人员都应遵循。我国标准、规范、规程有以下四种不同情况： 强制性条文（规范用黑体字编排），虽然是技术标准中的技术要求，但已具有某些法律性质（将来可能会演变成“建筑法规”），一旦违反，不论是否引起事故，都将被严厉惩罚，故必须严格执行。 要严格遵守的条文。规范中正面词用“必须”，反面词用“严禁”，表示非这样做不可，但不具有强制性。 应该遵守的条文。规范中正面词用“应”，反面词用“不应”或“不得”，表示在正常情况下均应这样做。 允许稍有选择或允许有选择的条文。表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做，正面词用“宜”，反面词用“不宜”；表示有选择，在一定条件可以这样做的，采用“可”表示。1.3 课 程 教 学 任 务 、 目 标 和 学 习 方 法 49 1. 建筑中由若干构件连接而成的能承受作用的平面或空间体系称为建筑结构。作用可分为直接作用和间接作用，直接作用即习惯上所说的荷载，间接作用不能称为荷载。2. 按照承重结构所用的材料不同，建筑结构可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构和混合结构五种类型。3. 设计使用年限就是房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的持久年限。4. 建筑结构在规定的设计使用年限内应满足安全性、适用性和耐久性三项功能要求。结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识 50 5. 结构可靠性是结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力。6. 地震按其发生的原因可分为火山地震、塌陷地震、人工诱发地震以及构造地震。7. 地震发生的地方称为震源；震源正上方的地面称为震中；地面上某处到震中的距离称为震中距。地震烈度是指某一地区的地面及建筑遭受到一次地震影响的强弱程度。8. 地震对建筑物的破坏表现在结构丧失整体稳定性；强度破坏；地基失效。9. 抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。单 元 1 建 筑 结 构 的 基 本 知 识 JIANZHULIXUE YU JIEGOU 51地 址 ： 武 汉 市 武 昌 珞 狮 路 122号邮 编 ： 430070电 话 ： 027-87394412 87383695传 真 ： 027-87397097