第四单元建筑构造及其设计.ppt

两大心愿 结构工程师： 希望结构在安全的前提下经济。 构件截面 ◆1、材料力学与经济性 1、材料力学与经济性 式中，Wz为抗弯截面抵抗矩，是抗弯构件中重要的截面几何性质，若材料的强度相同（[σ]=σmax），则构件的Wz越大，抵抗弯矩的能力越强。 常见截面：矩形和圆形，如下图示： 抗剪靠 截面面积 2、结构力学与经济性 如图所示相同荷载，相同跨度的梁，悬臂梁是有效性最小的一种承受荷载的手段。 上图表明，弯矩与跨度呈2次方增长（非线性），与荷载呈1次方增长（线性）。跨度对弯矩的影响明显比荷载大，且悬臂梁的弯矩增长总是比简支梁大。 若跨度l增加1倍，则： 大跨度的空间，总能给人以宏伟、开阔的感觉，建筑上也显得大气，但是跨度无限的增大带来的造价增加也是巨大的，因此，钢筋混凝土梁的经济跨度一般在6～9m之间，跨度太大，要么增加柱子，要么采用其他材料（如型钢）或结构形式（如大型桁架、网架）。 简支梁变为伸臂梁后，弯矩分布更均匀，若材料抵抗拉、压能力是相同的，则图示弯矩不但比简支梁跨中弯矩小50％，且更能充分发挥材料的性能。 增加一个支座带来的效果是显著的，本质是跨度减小了，为简支梁跨度的1/2。图中“简支跨”变“连续跨”，会使弯矩分配更均匀，材料利用更充分，工程上广泛采用连续梁。 简支梁在集中荷载作用下不但跨中弯矩是均布荷载下的2倍，且剪力分布相当不利，如图示。应尽量避免集中荷载在跨中出现，否则会使材料的用量上增加不少。 图示梁的挠度与跨度呈4次方增长，跨度对挠度的影响比对弯矩的影响大很多（弯矩是2次方增长）。在相同跨度l下，悬臂梁端部的变形是简支梁跨中的9.6倍，说明悬臂梁不但在承受荷载，而且在控制变形上的有效性均最小。 3、力学体系与经济性 梁、 柱、 板、 墙 由于找不到空中可靠的支点，建筑是根无奈的“悬臂梁”，承受着竖向荷载（自重荷载+使用荷载）和水平荷载（风荷载+地震荷载）。 不论是哪一种水平荷载，都将带来结构体系的倾覆设计问题。倾覆力矩（Ha）必须由支承体系的竖向力形成的力偶（Vd）来抵抗。竖向荷载与水平荷载联合作用后，如下图示： + = 拉 压 压 压 ? 压 抗倾覆问题： 抗倾覆的临界条件： 右侧柱受压力为： 左侧柱受力为0： 压 ? 压 0 显然，我们不希望柱子中出现拉力，则： 恒载下柱的内力 倾覆力下柱的内力 + = 组合下柱的内力 讨论：试比较以下双柱支承方案的抗倾覆力V，设水平荷载H相同，倾覆力臂相同，令a＝c×h 显然抗倾覆力V与建筑的高宽比h/d（d为有效宽度）有关，抗倾覆力V随高宽比增加而降低。 临界条件下的高宽比h/d： 设水平荷载H与竖向荷载W的相比： 临界条件下，倾覆力下柱的内力 设倾覆力臂a与建筑高度h的相比： 荷载系数 力臂系数 以矩形建筑为例，若荷载系数β为0.25，力臂系数c为0.5（作用在高度的1/2处），则建筑的极限高宽比为4，如果知道建筑物高度为30m，则两排列柱宽d不应小于30/4＝7.5m。当高度h一定时，增加柱距d是解决建筑抗倾覆问题的有效途径。 《高层建筑混凝土结构技术规程 》（JGJ 3-2002 ） 高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。 楼板平面内刚度无穷大 框架结构在竖向传递剪力不足，剪切变形表现更明显，因此属于柔性结构，其适用高度也有限。 （4）结构体系的抗剪： 剪切型 柱子抗剪刚度不足 弯曲型 剪力墙抗剪刚度足够 剪切型的侧移很大，为了控制建筑的侧移，需要布置一些抗剪刚度较大的构件——剪力墙，侧向刚度较大的剪力墙结构的适用高度更大。 （2）构件截面的抗剪性能： 矩形： b V h b h t H型钢： 抗弯靠翼缘 抗剪靠腹板 （面积） 翼缘 腹板 矛盾：从抗弯上考虑，总希望材料远离中性轴，从抗剪上考虑，总希望材料提供足够的截面面积，而且对于矩形截面梁而言，剪应力最大的地方