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第四章 建筑結構的基本知識
時間:2010/10/16 來源:鐘祥石城建筑 點擊:2341
一、低層、多層建筑結構選型
根據建筑結構的基本概念,如何將四大結構材料構成的各種類型的受力構件適當地組合起來,用以抵抗各類荷載的作用,以期構成一個安全、經濟、完整的建筑結構體系,這就是結構選型的問題。
低層、多層建筑常用的結構形式有磚混、框架、排架等。
(一)磚混結構
磚混結構是使用得最早、最廣泛的一種建筑結構型式。這種結構能做到就地取材,因地制宜,適合于一般民用建筑,如住宅、宿舍、辦公樓、學校、商店、食堂、倉庫等以及各種中小型工業建筑。
不同使用要求的混合結構,由于房間布局和大小的不同,它們在建筑平面和剖面上可能是多種多樣的。但是,從結構的承重體系來看,大體分為三種:縱向承重體系、橫向承重體系和內框架承重體系。
1.縱向承重體系 問圖14l)
荷載的主要傳遞路線是:板一梁一縱墻一基礎一地基。
縱向承重體系的特點:
(1)縱墻是主要承重墻,橫墻的設置主要為了滿足房屋空間剛度和整體性的要求,它的間距可以比較長。這種承重體系房間的空間較大,有利于使用上的靈活布置。
(2)由于縱墻確的荷載較大,因此賠上開門、開窗的劃。和位置都要受到一定脫。
(3)這種承重體系,相對于橫向承重體系,樓蓋的材料用量較多,墻體的材料用量較少。
縱向承重體紗適用于使用上要求有較大空間的房屋,或隔斷墻位置可能變化的房間。如教學樓、實驗樓、辦公樓、圖書館、食堂、工業廠房等。
2.橫向承重體系(如圖1-4-2)

荷載的主要傳遞路線是:板—橫墻—基礎—地基。
它的特點是:
(1)橫墻是主要承重墻,縱墻起圍護、隔斷和將橫墻連成整體的作用。一般情況下,縱墻的承載能力是有余的,所以這種體系對縱墻上開門、開窗的限制較少。
(2)由于橫墻間距很短(一肌在3~4.5m之間),每一開間有一道橫墻,又有縱墻在縱向拉結,因此房屋的空間剛度很大,整體性很好。這中承重體系,對抵抗風力、地震作用等水平荷載的作用和調整地基的不均勻沉降,比縱墻承重體系有利得多。
(3)這中承重體系,樓蓋做法比較簡單、施工比較方便,材料用量較少,但是墻體材料有量相對較多。
橫向承重體系,由于橫墻間距密,房間大小固定,適用于宿舍、住宅等居住性建筑。
3.內框架承重體系(如圖1-4-3)
外墻和框架柱都是主要承重構件。其荷載的主要傳遞路線是:

其特點是:
(1)墻和往都是主要承重構件,由于取消了承重內墻由柱代替,在使用上可以有較大的空間,而不增加梁的跨度。
(2)在受力性能上有以下缺點:由于橫墻較少,房屋的空間剛度較差;由于柱基礎和墻基礎的形式不一,沉降量不易一致,以及鋼筋混凝土柱和磚墻的壓縮性不同,結構容易產生不均勻變形,使構件中產生較大的內應力。
(3)由于柱和墻的材料不同,施工方法不同,給施工工序的搭接帶來一些麻煩。
內框架承重體系多用于教學樓、旅館、商店、多層工業廠房等建筑。
在設計磚混結構時,必須根據生產使用要求、地質條件、抗震烈度、材料、施工等條件,本著安全可靠、技術先進、經濟合理的原則對幾種可能布置的承重體系進行綜合比較,最后確定選用哪種承重體系。
(二)框架結構
鋼筋混凝土框架結構在多層建筑和工業建筑中應用非常廣泛?蚣芙Y構能形成較大的室內空間,房間分隔靈活,便于使用;工藝布置靈活性大,便于設備布置;該結構抗震性能優越,具有較好的結構延性等優點。
框架結構的體系是由樓板、梁、柱及基礎4種承重構件組成。由主梁、柱與基礎構成平面框架,它是主要承重結構。各平面框架再由連系梁連系起來,即形成一個空間結構體系,墻體不起承重作用。
二、大跨度建筑結構選型
所謂大跨度建筑,都是相對而言,隨著科學技術的進步,大跨度的尺度在不斷地拓展。
(一)平面體系大跨度空間結構
使用平面結構體系可獲得理想的大空間建筑物。
1.單層剛架
這種結構桿件較少,因為是直線桿件,制作方便,特別是橫梁為折線形的門武剛架受力性能更為良好。我國的門式剛架跨度已經做到76m。
2.拱式結構
拱是一種較早為人類開發的結構體系,廣泛應用于房屋建筑與橋梁工程中。使用的材料極為廣泛:鋼、混凝土、鋼筋混凝土、木材以及石材。
拱是一種有推力的結構,它的主要內力是軸向壓力。因此這種結構應特別注意拱腳基礎的處理。
這種結構特別適用于體育館、展覽館、散裝倉庫等建筑。
這種結構的跨度比較適宜的應用為 40-60 m。
3.簡支梁結構
當屋蓋跨越的距離在18m以下,屋蓋隨構件采用屋面大梁(簡支梁X也不失為一種可取的結構方案,因為施工制作簡單,施工技術要求不高,適應性強,但跨越的距離受約束。
4.屋架(即排架結構的主要構件)
屋架是較大跨度建筑的屋蓋中常用的結構形式。我國的預應力混凝土屋架的跨度已達
60多米,而鋼屋架的跨度已做到70多米。不過我國使用量最大的預應力混凝土屋架跨度
為24~36m,
屋架的受力特點為節點荷載,所有桿件只受拉力和壓力。因為屋架是由桿件組成的結構體系,在節點荷載作用下,桿件只產生軸向力。
以上四種結構,均為平面受力體系,即結構所受的荷載以及由荷載而引起的內力均作用在由構件軸線所構成的平面內。這種平面結構體系,為人們所常用而熟悉,受力明確,傳力簡便可靠,分析理論經典而成熟。但這種結構有一個很大的弱點,就是側向剛度差。欲想獲得在使用上最低限度的側向剛度,必須另行設置支撐體系或連系梁,相對來說較不經濟。
(二)空間結構體系
空間結構體系包含網架、薄殼、折板、懸索等結構形式。
1.網架結構
網架是一種新型結構,由許多桿件按照一定規律組成的網狀結構。具有各向受力的性能,不同于一般平面行架的受力狀態,是高次超靜定空間結構。
它具有如下優點:由于各桿件間互相起著支撐作用,具有整體性強,穩定性好,空間剛度大,抗震性能好的優點。在節點荷載作用下,網架的桿件主要承受軸力,能充分發揮材料的強度,達到節約材料的目的。同時由于桿件類型劃一,適合工廠化生產,可地面拼裝、整體吊裝。
2.薄殼
薄殼常用于屋蓋結構,特別適用于較大跨度的建筑物,如展覽館、俱樂部、機庫、倉庫等。殼體的種數又多,形式豐富多彩,適用于多種平面,這為創作多種形式的建筑物提供了良好的結構條件。薄殼結構的曲面通常以其中面為準,其平分殼板厚度的曲面稱之為中面。
薄殼結構的曲面形式:
(1)旋轉曲面(如圖1-4-4)。由一平面曲線作母線繞其平面內的軸旋轉而形成的曲面稱為旋轉曲面。如球形曲面、旋轉拋物面、橢球面、旋轉雙曲面。
(2)平移曲面(如圖1-4-5)。由一豎向曲母線沿另一豎向曲線平移所形成的曲面稱平多曲面。在工程中常見的橢圓拋物面雙曲扁殼就是平移曲面。
(3)直紋曲面(如較1-4-6)。一段直線的兩端各沿2條固定曲線移動形成的曲面叫直紋曲面。扭殼、拋物面殼、筒殼、柱狀面殼等均是直紋曲面。
3.折板
折板結構是一種類似于筒殼的薄壁空間體系。它也是由邊梁、橫隔以及薄板組成?臻g工作原理也類似筒殼(如圖1-4-7)。目前我國施工的折板跨度已達27m。
4.懸索
隨著工業生產的發展以及大型公共建筑要求的空間愈來愈大,采用前面已提到的結構形式已很難滿足這一要求,即使可以達到要求,但可能由于因其材料用量大,結構復雜,施工困難,造價很高,會造成極不合理的現象。懸索屋蓋結構就是為了解決這一問題,適應大跨度需要而產生并發展起來的一種結構形式。
懸索結構由索網、邊緣構件、下部支承結構組成,如圖1-4-8所示。
假定索是絕對柔性的,任一截面均不能承受彎矩,而只承受拉力。懸索只能單向受 力,承受與其垂度方向一致的作用力。
三、高層建筑結構
高層建筑的結構特點如下:
1.高度高
顧名思義,高層建筑的特征在于“高”。對高度大于等于24 m的房屋,用傳統的砌體結構承重已不適宜,風荷載及地震作用產生的水平力已成為結構設計的重要因素。
‘“高規X峨的上限并未作出明確的規定,只是提出最大的適用高度限制,對簡體結構為 180m。建議宜將高層建筑大致劃分為:
一般高層建筑24~50m;
較高高層建筑50~100m;
超高層建筑100~200m;
特殊高層建筑200m以上。
2.荷載大
由于高層建筑高度大、層數多,豎向荷載很大。100m左右高的建筑,底部單柱豎向軸力往往達10000~30000kN。地震作用產生的水平力、風荷載產生的水平力,不單數值大,而且作用高度高,使建筑底部產生很大的彎矩與傾復力矩。
3.技術要求高
高層建筑體形高聳與荷載大帶來的問題是多方面的。例如:需要采用輕質材料,特別是輕質的新型墻體材料以減輕自重;需要采用高強度的結構材料,如鋼結構、型鋼混凝土結構。在混凝土結構中,受力較大的部位(如底部各層的柱),可采用C40、C50級的混凝土,甚至采用更高強度的混凝土。采用各類抗側力、抗側向拉移性能優良的結構體系。在結構計算上,除計算理論的復雜之外,構件的軸向變形研究、動力特性研究以及結構延性、構造連接等都較之一般建筑結構有特殊要求。

 
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