結(jié)構(gòu)概念和體系第0章

結(jié)構(gòu)概念和體系

StructuralConceptsandSystems

（電子課件）

編制：計(jì)學(xué)閏

高等教育出版社高等教育電子音像出版社2/5/20231緒論(Introduction)緒論(Introduction)第1章一些重要的結(jié)構(gòu)概念(SomeImportantConceptsofStructure)

第2章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題

(TheGeneralProblemsinStructuralDesign)第3章結(jié)構(gòu)的水平體系(TheHorizontalSystemsofStructure)第5章工程實(shí)例簡(jiǎn)介(IntroductiontoEngineeringExamples)第4章結(jié)構(gòu)的豎向體系(TheVerticalSystemsofStructure)目錄(Outline)2/5/20232緒論（Introduction）結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)體系課程意義2/5/202330.1本課程的意義隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展專(zhuān)業(yè)之間的聯(lián)系常被忽視，使學(xué)生的知識(shí)變得零碎了專(zhuān)業(yè)和學(xué)科之間的分工越來(lái)越細(xì)這對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是非常必要的但過(guò)細(xì)的分工有時(shí)也帶來(lái)一些弊病

平時(shí)只重視構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，而對(duì)結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成及其重要性認(rèn)識(shí)不足。

有的學(xué)生雖能求解復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，卻不會(huì)從簡(jiǎn)單的工程結(jié)構(gòu)中抽象出計(jì)算簡(jiǎn)圖。

有的學(xué)生雖能設(shè)計(jì)高層或大跨建筑，但對(duì)最基本的結(jié)構(gòu)概念理解不深。作為一名合格的建筑師或結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)在設(shè)計(jì)的最初階段作出結(jié)構(gòu)決定，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性判斷，并能夠較快地作出近似的定量分析。2/5/202340.1本課程的意義

招標(biāo)書(shū)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)程初步設(shè)計(jì)施工圖設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)2/5/202350.1本課程的意義先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想充分地體現(xiàn)出來(lái)通過(guò)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工程師

在特定的建筑空間中用整體概念來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并能有意識(shí)地利用總結(jié)構(gòu)體系與各基本體系之間力學(xué)關(guān)系。主要任務(wù)

不僅能精確地計(jì)算和分析一個(gè)給定的體系或構(gòu)件。同時(shí)也要求具備豐富、踏實(shí)的整體結(jié)構(gòu)概念和基本體系的相互比較概念。同時(shí)

國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)，都是由一種或幾種結(jié)構(gòu)體系有機(jī)結(jié)合而成。2/5/202360.1本課程的意義本課程是一門(mén)理論與實(shí)際聯(lián)系密切，多學(xué)科綜合性的專(zhuān)業(yè)課

引導(dǎo)學(xué)生深入理解結(jié)構(gòu)概念，學(xué)會(huì)從房屋總體（而不只是結(jié)構(gòu)構(gòu)件）來(lái)分析和理解結(jié)構(gòu)體系。介紹和分析各種常見(jiàn)的水平結(jié)構(gòu)體系、豎向結(jié)構(gòu)體系和工程實(shí)例。介紹國(guó)內(nèi)外著名的建筑結(jié)構(gòu)剖析典型工程鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)鋼筋混凝土及砌體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)學(xué)等建筑設(shè)備力學(xué)房屋建筑學(xué)

目的在于對(duì)各門(mén)課程作橫向聯(lián)系2/5/202370.1本課程的意義

使學(xué)生開(kāi)闊視野

了解作為建筑功能和形式因素的結(jié)構(gòu)體系的基本類(lèi)型及組成

了解和掌握建筑方案中空間形式和結(jié)構(gòu)性能的相互關(guān)系

理解和體會(huì)一些重要的結(jié)構(gòu)概念

學(xué)會(huì)從工程中抽象出計(jì)算簡(jiǎn)圖，用近似方法快速估算和比較各種設(shè)計(jì)方案，使得在房屋設(shè)計(jì)的最初階段就能保證建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本協(xié)調(diào)。了解世界建筑業(yè)的現(xiàn)狀以及我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展方向，以提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)。剖析典型工程，介紹國(guó)內(nèi)外著名的建筑結(jié)構(gòu)2/5/202380.1本課程的意義

一棟優(yōu)秀的現(xiàn)代建筑必然是眾多專(zhuān)業(yè)密切配合、創(chuàng)造性合作的成果。建筑物材料經(jīng)濟(jì)設(shè)備施工結(jié)構(gòu)建筑其他

要加強(qiáng)各學(xué)科之間的相互滲透，使建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、環(huán)境等達(dá)到完美統(tǒng)一。2/5/202390.1本課程的意義艾菲爾鐵塔

從力學(xué)方面:

鐵塔可看成是嵌固在地上的懸臂梁，對(duì)于高聳入云的鐵塔來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載是其主要荷載，由于鐵塔的總體外形與風(fēng)荷引起的彎矩圖相似，因此充分利用了塔身材料的強(qiáng)度和剛度，受力非常合理。風(fēng)荷下的彎矩圖M

以巴黎艾菲爾鐵塔（EiffelTower）為例，它是1889年為紀(jì)念法國(guó)大革命勝利一百周年及巴黎世博會(huì)而建的標(biāo)志性建筑，高320m，為當(dāng)時(shí)世界第一高度，用鋼達(dá)9000t。它不僅滿(mǎn)足了標(biāo)志性建筑及展覽功能要求，并且由于其精美設(shè)計(jì)，一直保留至今。

2/5/2023100.1本課程的意義艾菲爾鐵塔

從建筑方面:

現(xiàn)在，艾菲爾鐵塔已成為巴黎和法國(guó)的象征?？梢?jiàn)一棟優(yōu)秀的建筑在社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)和文化中所起的重大作用。每年600多萬(wàn)旅游者登塔觀光，旅游收入也十分可觀。2/5/2023110.1本課程的意義菲爾鐵塔

從結(jié)構(gòu)方面：

底部斜框架輕易地跨越了大街，塔下暢通無(wú)阻，更顯鐵塔的雄偉壯觀。艾菲爾鐵塔可謂建筑、結(jié)構(gòu)完美統(tǒng)一的代表。2/5/2023120.1本課程的意義

艾菲爾鐵塔

2/5/2023130.1本課程的意義艾菲爾鐵塔2/5/202314例：雙曲拋物面冷卻塔（CoolingTowerwithHyperbolic

ParaboloidShell）從工藝方面：

汽輪機(jī)的效率和進(jìn)汽溫度與出汽溫度之差有關(guān)，溫差越大，效率越高，所以要用水來(lái)冷卻汽輪機(jī)。冷卻水被加熱后，用管道送到冷卻塔頂部噴灑下來(lái)，并通過(guò)滴水板盡量延長(zhǎng)熱水下落的路程，同時(shí)冷空氣從冷卻塔下部進(jìn)入塔內(nèi)，與熱水進(jìn)行熱交換，被加熱的冷空氣體積膨脹，容重減輕，緩緩上升。

人們?cè)谑澜绺鞯氐幕痣姀S附近常見(jiàn)到鋼筋混凝土雙曲拋物面冷卻塔（ReinforcedConcreteCoolingTowerwithhyperbolicparaboloidShell），其功能是要冷卻汽輪機(jī)中被加熱了的冷卻水。

雙曲拋物面冷卻塔塔身中部略細(xì)，加速了空氣上升速度，形成上拔力，加速空氣流動(dòng)。到塔身上部，上升的空氣被繼續(xù)加熱，體積更加膨脹。此時(shí)，上部塔身略為放寬，減少了上升空氣的阻力，有利于空氣流動(dòng)?？梢?jiàn)，雙曲拋物面冷卻塔在冷卻工藝上是很合理的。熱水冷空氣滴水板2/5/202315例：雙曲拋物面冷卻塔(CoolingTowerwithHyperbolic

ParaboloidShell)從結(jié)構(gòu)方面：

圓形平面與矩形平面相比風(fēng)荷載可減少約30%;

塔身下部外形與風(fēng)荷載作用下的彎矩圖相似，逐漸加大的直徑對(duì)塔身穩(wěn)定性十分有利，使自上而下逐漸增大的結(jié)構(gòu)自重均勻分布。從施工方面：

雙曲拋物面是一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面，可由一根傾斜母線繞縱軸旋轉(zhuǎn)而成，曲面上存在兩個(gè)母線方向。即曲面上任一點(diǎn)都存在兩根曲面上的直線，施工比較方便。軸線母線2/5/202316例：雙曲拋物面冷卻塔（

CoolingTowerwithhyperbolicparaboloidShell）

雙曲拋物面冷卻塔可謂建筑造型、結(jié)構(gòu)形式和使用功能的完美結(jié)合，世界各地到處都可看到雙曲拋物面冷卻塔?？梢?jiàn)，即使設(shè)計(jì)像冷卻塔這樣一種工程構(gòu)筑物也要求設(shè)計(jì)者具有淵博的知識(shí)。

雙曲拋物面冷卻塔優(yōu)美的結(jié)構(gòu)形式，加上冉冉升起的水氣形成地平線上一道美麗的風(fēng)景線，十分壯觀。采用雙曲拋物面殼這種薄壁空間結(jié)構(gòu)，受力合理，自重輕，不但安全可靠，也經(jīng)濟(jì)合理。進(jìn)氣口2/5/202317例:聲音聚焦

SonicFocussing

球形或拋物面形的屋蓋結(jié)構(gòu)(殼體或拱結(jié)構(gòu))，若曲面的焦點(diǎn)位置處理不當(dāng)，會(huì)形成聲聚焦。在焦點(diǎn)附近，強(qiáng)大的噪音音會(huì)使人難以忍受，嚴(yán)重影響使用功能。

改變曲率或加設(shè)吊頂，可以減少或消除這種聲聚焦的現(xiàn)象。可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)的方案階段，應(yīng)注意基本的建筑功能、空間形式與結(jié)構(gòu)體系的協(xié)調(diào)一致。(b)(a)(b)(a)

拱形天棚的聲音聚焦現(xiàn)象2/5/2023180.1本課程的意義更深入地理解和體會(huì)一些重要的結(jié)構(gòu)概念本課程的意義

了解作為建筑功能和形式因素的結(jié)構(gòu)體系的基本類(lèi)型及組成

了解和掌握建筑方案中空間形式和結(jié)構(gòu)性能的相互關(guān)系學(xué)會(huì)用近似方法快速估算和比較各種設(shè)計(jì)方案

學(xué)會(huì)從工程中抽象出計(jì)算簡(jiǎn)圖

使得在房屋設(shè)計(jì)的方案階段就能保證建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本協(xié)調(diào)。2/5/202319概述（Introduction）

結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)體系課程意義2/5/2023200.2

結(jié)構(gòu)概念

自重結(jié)構(gòu)(Structure)是建筑物的基本受力骨架

外部荷載作用

變形作用環(huán)境作用

結(jié)構(gòu)自重，如梁、板、柱、墻及構(gòu)造層荷重等

活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震作用等

溫度變化引起的變形、地基沉降、結(jié)構(gòu)材料的收縮和徐變變形等

陽(yáng)光、雷雨、海水、大氣污染作用等結(jié)構(gòu)失效將帶來(lái)生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此在設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)要有最基本的功能要求。2/5/2023210.2

結(jié)構(gòu)概念可靠Safety

適用Serviceability耐久Durability

在偶然事故后

(afteranaccident)仍能保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性（GeneralStability）影響因素1.失效（破壞）后果是否嚴(yán)重2.失效（破壞）預(yù)兆是否明顯3.失效（破壞）概率的大小在結(jié)構(gòu)局部遭到破壞后，仍能保持有足夠的承載能力，不產(chǎn)生傾覆或失穩(wěn)，不產(chǎn)生過(guò)大的變形和裂縫，使損失控制在局部范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的基本功能要求TheBasicPerformanceofStructure世界上沒(méi)有絕對(duì)的安全可靠！所謂安全就是失效概率小到人們可以接受的程度。2/5/2023220.2

結(jié)構(gòu)概念武漢長(zhǎng)江大橋

工程中通常采用多次超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)某個(gè)桿件遭到破壞后結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，保證結(jié)構(gòu)整體不倒塌。2/5/202323概述（Introduction）

結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)體系課程意義2/5/202324結(jié)構(gòu)體系：是由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件有效地組合起來(lái)的結(jié)構(gòu)的整體，用以承受各種可能的外部作用。0.3結(jié)構(gòu)體系和其他體系（系統(tǒng)）

僅僅為人類(lèi)提供一個(gè)擋風(fēng)避雨的場(chǎng)所不僅要為人們提供有效的空間和環(huán)境，還提供良好的設(shè)備和其它環(huán)境保障系統(tǒng)早期房屋現(xiàn)代建筑2/5/2023250.3結(jié)構(gòu)體系和其他體系（系統(tǒng)）水(WaterandWastewater)一幢現(xiàn)代建筑中的其他設(shè)施系統(tǒng)主要有:

暖(Energy)電(ElectricalandInformationworks)

上水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等能源系統(tǒng)包括煤氣、燃油、蒸汽、熱水、采暖或空調(diào)系統(tǒng)等動(dòng)力電和照明電系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、電報(bào)、電傳、電話(huà)、電視、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息傳感系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等

這些系統(tǒng)都有其各自的特殊要求，又必須統(tǒng)一安置在房屋內(nèi)部。既要保證這些設(shè)施正常有效地運(yùn)行，又要滿(mǎn)足房屋的使用功能，有時(shí)會(huì)發(fā)生一些矛盾，這就要求設(shè)計(jì)人員在建筑設(shè)計(jì)的最初階段協(xié)調(diào)好各個(gè)系統(tǒng)的基本要求。2/5/2023260.3結(jié)構(gòu)體系和其他體系（系統(tǒng)）

例如，設(shè)備系統(tǒng)往往需要豎井，通風(fēng)管道，這些豎井和通風(fēng)管道難免與建筑使用功能或結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生矛盾，這就需要在總體方案中給予充分考慮，一旦方案確定，各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已完成，再作修改就很困難了，有時(shí)會(huì)造成設(shè)計(jì)工作的大量返工，或嚴(yán)重影響使用功能。

圖示為鋸齒形紡織廠中風(fēng)道與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)合，使車(chē)間內(nèi)部整齊美觀。

左圖為在多層廠房中利用梁間空間作通風(fēng)和排風(fēng)道，使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起。

風(fēng)道梁風(fēng)道天溝出風(fēng)口送風(fēng)道回風(fēng)道梁2/5/202327以單層工業(yè)廠房中的屋架為例0.3結(jié)構(gòu)體系和其他體系（系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)體系荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)件設(shè)計(jì)內(nèi)力構(gòu)件設(shè)計(jì)配筋計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)件的受力狀態(tài)與構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖不完全相同

設(shè)計(jì)屋架時(shí)我們只考慮用屋架來(lái)承受作用在屋架平面內(nèi)的荷載，屋架在豎向能承受很大的豎向荷載，也有很大的抗彎剛度。但屋架在其出平面方向(垂直屋架平面方向)的剛度和承載力都非常小，甚至小到可以忽略不計(jì)。

但是，完成屋蓋支撐系統(tǒng)和蓋上屋面板以后，屋蓋就成為一個(gè)剛度很大的“剛性盤(pán)體”，可以承受各個(gè)方向的荷載，協(xié)調(diào)各柱的變形，屋蓋體系在水平方向還可以承受很大的水平彎矩和水平剪力。此時(shí)，屋架只是屋蓋體系的一部分，甚至只相當(dāng)于整個(gè)屋蓋系統(tǒng)的“加勁肋”。由于結(jié)構(gòu)體系的有效高度很大，按結(jié)構(gòu)體系工作時(shí)附加給各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力一般都很小，在設(shè)計(jì)中常忽略不計(jì)，不會(huì)影響各構(gòu)件的承載力。2/5/2023280.3結(jié)構(gòu)體系和其他體系（系統(tǒng)）如何將各結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合成有效的結(jié)構(gòu)體系，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，是十分重要的。在高層建筑和抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯得尤其重要。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都要求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可是在許多情況下，引起內(nèi)力的荷載是含糊不清的。

例如，地基不均勻下沉引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。由于地基和結(jié)構(gòu)的交互作用，實(shí)際結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大小，很難準(zhǔn)確求得。

再如，抗震設(shè)計(jì)中，地震本身就是個(gè)隨機(jī)量，地震荷載是個(gè)慣性力，它與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，隨著地震的發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度也在變化。盡管我們對(duì)地震已進(jìn)行了許許多多的調(diào)查研究，但至今房屋的抗震主要還依靠“概念設(shè)計(jì)”，即提高結(jié)構(gòu)的整體性，形成可靠的結(jié)構(gòu)體系，以抵抗各種可能的不利作用。把房屋組成可靠的結(jié)構(gòu)體系顯得尤為重要2/5/2023290.3結(jié)構(gòu)體系和其他體系（系統(tǒng)）

以常見(jiàn)的混合結(jié)構(gòu)房屋為例，設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱對(duì)形成結(jié)構(gòu)體系十分有利。當(dāng)?shù)鼗a(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，房屋就會(huì)有較大的整體變形，如圖所示。

我們可把整個(gè)房屋看作一受彎的“梁”，當(dāng)房屋中部下沉?xí)r，設(shè)在基礎(chǔ)頂面的圈梁就像“梁”的配筋一樣承受拉力。盡管圈梁的配筋很少(一般只配4φ10或4φ12)，然而這根“梁”的有效高度相當(dāng)于房屋總高，內(nèi)力臂很大，很少的幾根鋼筋就可以承受很大的彎矩，阻止砌體開(kāi)裂，并減少不均勻沉降。

當(dāng)房屋兩端下沉?xí)r，設(shè)在房屋頂部的圈梁，作用完全相同