2N311140了解建筑结构设计的基本知识
本目复习要点
1 建筑荷载的分类及装饰装修增加荷载对结构的影响
2 常见结构及构件的受力特点
3 常见建筑结构体系的受力特点
一 建筑荷载的分类及装饰装修增加荷载对建筑结构的影响
（1）建筑荷载的分类是指直接作用在结构上的各种力，有时也称为直接作用荷载。还有一类可以引起结构变形的因素，如地基不均匀沉降，温度变化，混凝土收缩，地震等。这些因素不是以力的形式直接作用在结构上，所以有时称为间接作用荷载。由于荷载作用而引起的结构内力和变形，称为荷载效应或作用效应。
（2）按荷载作用时间划分
•永久荷载
荷载数值随时间变化非常小，可以认为其不发生变化，又称为恒载，如建筑物的自重等。
•偶然荷载
这类荷载在结构设计所考虑的规定期限内不一定发生，但它一旦出现，其量值很大，作用时间很短；如爆炸力、撞击力龙卷风等。

•可变荷载
荷载数值随时间变化较大，如使用活荷载、风荷载、雪荷载、积灰荷载等。
（3）按荷载作用划分
•垂直荷载
是指沿着垂直方向作用在结构上的荷载；如结构自重、雪荷载等。
•水平荷载
是指沿着水平方向作用在结构上的荷载；如风荷载等。
（4）按荷载作用的动力性能划分
•静荷载
不使结构产生加速度或加速度可以忽略的荷载，如结构自重、积灰荷载等。
•动荷载
结构产生不可忽略的加速度的荷载。如地震作用等。动荷载对结构的作用通常应采用结构动力学的方法进行分析。
（5）建筑装饰装修对建筑结构增加的荷载
•均布面荷载的增加
当在建筑物原有的楼面或墙面上增改装修面层的时候，如铺设木地板、地砖、花岗石、大理石面层等，都将在被建筑装修装饰的房间或部位增加一定的均布面荷载。
设置吊顶时，也包括在内。增加的均布面荷载的计算，采用装修面层材料的表观密度乘以面层材料的厚度，得出增加的均布面荷载值。
•线荷载的增加
当在建筑物原有的楼面或层面上增设各种墙体，或在原有墙体上粘贴各种饰面砖的时候，或增设封闭阳台，设置窗户护栏的时候，这些增加的荷载将以线荷载的形式加到相应的部位。
•集中荷载的增加
当在建筑物原有的楼面或屋面增设承受一定重量的柱子，放置或悬挂较重物品（如洗衣机、冰箱、空调机、吊灯等）时，将使建筑结构增加相应数值的集中荷载。
•施工荷载的增加
在施工过程中，将对建筑物增加一定数量的施工荷载，如电动设备的振动、对楼面或墙体的撞击等，带有明显的动力荷载的特性；
有些施工荷载，如在房间放置大量的砂石、水泥等建筑材料，可能使得建筑物局部面积上的荷载值远远超过设计允许的范围。
在设计和施工时，必须了解结构的荷载值是多少，将各种增加的装修装饰荷载控制在允许范围以内，如果做不到这一点，应对结构进行重新验算，必要时应采取相应的加固补强措施。
（6）变动结构增加的荷载
•变动墙
建筑物的墙体根据其受力特点分为：承重墙、非承重墙和连系墙。不得拆除承重墙、连系墙，可以拆除非承重墙。但要经过结构验算校核。
•墙体开洞
在承重墙和连系墙上开设洞口，将削弱墙体载面，减少墙体刚度，降低墙体的承载能力。未经结构验算并采取加强措施是不允许随便在承重墙体上开洞的。
•楼板或屋面板上开洞开槽
无论发生哪种情况都将削弱楼板截面，切断或者损伤楼板钢筋，因敲击楼板使混凝土松动，降低楼板的承载能力。
•变动梁
在梁上开洞将削弱梁的截面，降低梁的承载能力（特别是抗震能力）。
梁钢筋焊接，当在原有梁上设置梁、柱、支架等构件时，往往将后加的构件的钢筋或连接件与原有梁的钢筋焊接，如施工不当，将损伤梁的钢筋、降低梁的承载能力和变形能力。
凿掉混凝土保护层未能采取有效的补救措施时，梁的截面会受到削弱，钢筋暴露在大气环境中逐渐锈蚀。
•梁下加柱
梁下加柱相当于在梁下增加了支撑点，将改变梁的受力状态，在新增柱的两侧，梁由承受正弯矩变为负弯矩，这种变动是危险的。
•梁上增设柱子或梁
此种做法除了连接可能带来的结构问题以外，主要问题是增设的梁或柱将把它们所承受的荷载传递给原有的梁。如果原有梁在设计时未考虑这种荷载，将导致原有梁的破坏。
•柱子中部加梁
在柱子中部加梁（包括悬臂梁）将改变柱子的受力状态、增加柱子的荷载以及由此荷载引起的内力（包括轴力、弯矩等）。如果不进行必要的结构验算并采用相应的结构措施，盲目地在柱子中部加梁将会引起严重的后果。
（7）房屋增层
房屋增层是对原有结构的根本性的变动。房屋增层后即形成一种新的结构体系，要保证结构体系的安全必须进行如下几个主要方面的结构计算工作。
•验算增层后的地基承载力
•将原结构与增层结构看作一个统一的结构体系，并对此结构体系进行各种荷载作用的内力计算和内力组合。
•根据计算结果，验算原结构的承载能力和变形能力。
•验算原结构与新结构之间连接的可靠性。

二 常见结构及构件的受力特点
（1）单跨梁在各种荷载下的内力图见考试用书23页
（2）桁架是由杆件组成的结构体系
桁架体形可以多样化，如平行弦桁架、三角形桁架、梯形桁架。桁架的结点一般假定为铰结点，荷载作用在结点上，桁架的杆体内力与桁架的外形有着密切的关系。
•平行弦桁架
杆件内力是不均匀的，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小。
•三角形桁架
杆件内力是不均匀的，弦杆内力是两端大而想中间逐渐减小，腹杆内力是两端小而向中间逐渐增大。
•弧形桁架
杆件内力大致均匀，从力学角度看，它的形状与简支梁的弯矩圆形相似，其形状符合受荷后的内力变化规律，所以它是结构上的较好形式。
不同形式屋架的内力分析（压力为负，拉力为正）见考试用书25页
（3）拱结构
在外荷载作用下，拱主要产生压力，支座处产生水平推力拱的合理轴线为二次抛物线，当拱为半圆形时，支座的推力为0。解决拱的水平推力，可以采取下面的几种结构处理方法：
    •利用地基基础直接承受水平推力；
•利用侧面框架结构承受水平推力；
•利用拉杆承受水平推力。
 拱的不同类型
（a）三铰拱；（b）两铰拱；（c）无铰拱
（4）薄壳结构
必须具备两个条件：一是“曲面的”，二是刚性的。所以薄壳可以简单理解为四边支承的曲板。它的组成一般包括：曲面的壳板和周边的边缘构件两部分，薄壳结构是一种薄得不致于产生明显的弯曲应力，但厚度是以承受压力、拉力和剪力的形抵抗结构，其优点是：材料省，很经济，自重小，为大跨度提供有利条件。
缺点是：体型复杂，现浇结构时费工费料、施工不便；板厚太小，隔热效果不够好，长期日晒雨淋易开裂；曲面的顶棚，容易引起声聚焦，对音响效果要求高的场所不宜采用。
（5）网架结构
由复杂的杆件系统组成的超静定次数极高的空间结构，它具有各向受力性能，是一种大面积的刚性复盖结构。
在结点荷载作用下，网架的杆件主要承受轴力，跨度一般可达30～60m，甚至60m以上，由于网架的整体空间作用，杆件互相支持，刚度大，稳定性好，网架具有各向受力性能，应力分布均匀，用料方面可比桁架结构节省钢材30%；
网架是高次超静定结构，结构安全度特别大，倘若某一构件受压屈曲，也不导致破坏。
（6）悬索结构
由索网，边缘构件、支承结构等三部分组成的。
悬索结构的主要承重构件就是索，索网只受轴向拉力，既无弯矩，也无剪力，受力简单，更有利于采用钢材做“索”。
钢索材料采用高强度的钢铰线或钢丝绳，因而整个索网的结构自重小，强度大，能够跨越很大的跨度。悬索与拱一样，应注意对支座水平反力的处理，采用合理的支座形式。索网的支座叫边缘构件，无边框则索网不能成型，所以，边缘构件是悬索结构的重要组成部分，而且是决定悬索结构形式的重要依据。
悬挂式的柔性索网体系，屋盖的刚度却是所有屋盖结构中之最软者，风力作用下对屋面的吸力使屋盖结构有被掀起的危险，而且还会产生共振破坏的可能，为了保证悬索屋盖结构的刚度，可以对悬索施加预应力；若屋盖自重能具有1.1～1.3倍的重量安全度就基本能够保证屋面不被风吹力掀起，所以悬索结构的屋面材料一般可以使用预制轻质板材，如铝合金板，塑料板，轻质混凝土板，压型钢板等作为屋面

三  常见建筑结构体系的受力特点
（1）混合结构体系
指同一房屋结构体系中采用两种或两种以上不同材料组成的承重结构，根据承重墙所在的位置划分为
•横墙承重方案
其受力特点是：主要靠横墙支撑楼板，横墙是主要承重墙。纵墙主要起维护、隔断和维持横墙的整体作用，故纵墙是自承重墙。该方案的优点是：横墙较密，房屋横向刚度大，整体刚度好，其缺点是：平面布置不灵活。
•纵墙承重方案
其特点是：把荷载传给梁，由梁传给纵墙，纵墙是主要承重墙，横墙只承受小部分荷载，横墙的设置主要为了满足房屋刚度和整体性的需要，它的间距比较大。优点是：房屋的空间可以比较大，平面布置比较灵活，墙面积较小，缺点是：房屋的刚度较差。 
•纵横墙承重方案
根据房屋的开间和进深要求，有时需要纵横墙同时承重，即为纵横墙承重方案。这种方案的横墙布置随房间的开间需要而定，横墙的间距比纵墙的小，所以房屋的横向刚度比纵墙承重方案有所提高。 
•内框架承重方案
房屋有时由于使用上要求，往往要用钢筋混凝土柱代替内承重墙，以取得较大的空间。其特点是：由于横墙较小，房屋的空间刚度较差。
（2）框架结构体系
框架是由梁和柱刚性连接的骨架结构，根据使用的材料不同分为钢框架和钢筋混凝土框架结构。框架结构的优点是：强度高、自重轻、整体性和抗震性好、建筑平面布置灵活，可以获得较大的使用空间。 
•框架结构适用的层数
在水平荷载作用下，框架的水平位移较大，是一种柔性结构，其结构的合理层数是6~15层，最经济的是10层左右。
•框架结构的高宽比
为控制水平位移，框架结构的高度与结构的平面短边之比称为高宽比，此值应控制在5~7。
（3）剪力墙结构体系
剪力墙作为抗侧力构件用于高层建筑上，其主要效能在于提高房屋的抗侧力刚度，剪力墙结构体系主要有：框架——剪力墙结构，剪力墙结构，框支剪力墙结构，筒式结构等四大类。 1N411033—10）。
•框架－剪力墙结构
在框架体系的房屋中设置一些剪力墙来替代部分框架。在整个体系中，框－剪同时存在，剪力墙负担绝大部分水平荷载，而框架则以负担竖向荷载为主，这种结构体系属半刚性结构体系，适用于25层以下的房屋为宜。
地震区七度设防时高度可达100m，八度设防高度可达90m，九度设防时则不宜超过40m，建筑物的高宽比不宜大于4~5。
•剪力墙结构
是全部由剪力墙承重而不设框架的结构体系。剪力墙体系的墙体布置，实际上等于将混合结构的混凝土墙换成现浇的钢筋混凝土墙，其房屋的刚度比框架——剪力墙体系好，适用层数在40层以下比较合适。地震区在七度设防时可到130m，八度设防时到120m，九度设防时可到70m，建筑物高宽比不宜大于6。
•框支剪力墙结构
高层建筑中，底层需要大空间时，须采用底层框架的剪力墙结构，即所谓框支剪力墙结构体系。这种结构体系由于以框架结构代替了若干剪力墙，房屋抗侧力刚度有所削弱，其刚度比全剪力墙体系差，比框架——剪力墙体系要好，框支剪力墙结构对抗震要求较高的房屋。宜经过专门的试验研究后采用。
 •筒式结构
是框－剪结构与全剪结构的演变发展出来的，它将剪力墙集中到房屋的内部或外部，形成封闭的筒体。筒体在水平荷载作用下好像一个竖向悬臂封闭箱，它的空间刚度极大、抗扭性能好、平面设计灵活，适用于30层以上的各类建筑。

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