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1、2.1 概述 (Introduction ),第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Structure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural Syst

2、em ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 (The Ratio of height-width and Overturning Stability),2.1 概述 (Introduction ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Structure ),2.1 概述(Introduction),,,建筑功能要求 (招標(biāo)書(shū)),,,工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)程,2.1 概述(Introduction),,建 筑設(shè) 計(jì),方 案 設(shè) 計(jì),結(jié) 構(gòu)設(shè) 計(jì),,,主要是在總體規(guī)劃范圍內(nèi)對(duì)房屋的功能分區(qū)，人流組織，房屋體形，體量，立面，總體效果等提出設(shè)計(jì)方案。,要對(duì)建筑設(shè)計(jì)方

3、案提供結(jié)構(gòu)保障，以求結(jié)構(gòu)體系和建筑方案協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上要對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步估算，以保證總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)合理，總體變形控制在允許范圍內(nèi)。,,,2.1 概述(Introduction),,結(jié)構(gòu)總體問(wèn)題,此時(shí)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚未設(shè)計(jì)出來(lái)，各構(gòu)件的連接構(gòu)造也尚未最終確定，在考慮結(jié)構(gòu)總體問(wèn)題時(shí)可假定結(jié)構(gòu)為一個(gè)剛性的塊體，即所謂整體假定，這樣假定對(duì)房屋總體估算不會(huì)引起明顯誤差。,,為此，首先要對(duì)房屋的荷載作出估計(jì)，以估算結(jié)構(gòu)的總承載力、地基承受的總荷載，驗(yàn)算總體結(jié)構(gòu)的高寬比和傾覆問(wèn)題，初步估算房屋的總體變形，以及結(jié)構(gòu)總體系的布置方案。,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 2.

4、4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.1 概述 (Introduction ),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Structure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總

5、體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural System ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 (The Ratio of height-width and Overturning Stability),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Structure ),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力,,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)自身的

6、重量，如梁、板、柱及構(gòu)造層重等,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)有最基本的功能要求。,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力,,常見(jiàn)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可以從我國(guó)現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB5009 2001)中查到。,在房屋設(shè)計(jì)的方案階段，總體估算時(shí)通常需要考慮,,豎向作用的荷載,,水平作用的荷載,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力,,在一般工業(yè)與民用建筑中，豎向作用力主要是重力荷載，而且主要是房屋的自重。在方案階段的近似估算中通?？筛鶕?jù)房屋類(lèi)型、結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)出某類(lèi)房屋單

7、位面積的折算荷載qi(包括樓面自重、墻柱及設(shè)備重以及樓面活荷等)，進(jìn)行近似估算。 W = qi Ai mi 式中：Ai 相同荷載qi的樓層面積; mi 相同荷載qi的樓層層數(shù); qi 由統(tǒng)計(jì)資料提供的某類(lèi)房屋的樓面折算荷載值,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算(Estimate the Vertical Loads ),,(一)房屋總重W,國(guó)內(nèi)高層建筑 qi 值約為1216 kN/m2 (其中活荷約占1.52.5 kN/m2),剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)房屋約為 1416 kN/m2,框架及框架結(jié)構(gòu)墻體系房屋約為 1214 kN/m2,混合結(jié)構(gòu)房屋約為16 kN/m

8、2 ，東北地區(qū)外墻很厚，有時(shí)可能更大一些,,,,,應(yīng) 當(dāng) 指 出 （1） qi 值隨房屋所在地區(qū)、采用的結(jié)構(gòu)形式、建筑材料的品種等出入較大，以上數(shù)據(jù)僅供參考。設(shè)計(jì)中應(yīng)參考當(dāng)?shù)氐慕y(tǒng)計(jì)資料，必要時(shí)可對(duì)當(dāng)?shù)赝?lèi)房屋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 （2）若各層荷載不同或面積不同，應(yīng)分別統(tǒng)計(jì)后疊加起來(lái)。當(dāng)房屋不對(duì)稱(chēng)或荷載不對(duì)稱(chēng)時(shí)，尚應(yīng)求出總重W 的作用位置,以便考慮荷載偏心的影響。,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算 (Estimate the Vertical Loads ),房屋的各種荷載最終都要通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基。在設(shè)計(jì)的方案階段，要先根據(jù)勘探提供的地質(zhì)資料和地基承載力，大致估算所需的基底面積以及利用

9、哪一層土壤作為基礎(chǔ)的持力層，以便確定基礎(chǔ)形式和埋深等。,,(二)總重W 與地基承載力 (Total weight and Carrying Capacity of the Base),當(dāng)房屋總重不大而地基承載力較高時(shí),獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ),,若地基承載力較低或荷載較大時(shí)擴(kuò)大基礎(chǔ)底面積,筏片基礎(chǔ),,若地基上層土質(zhì)較差,樁基礎(chǔ),,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算 (Estimate the Vertical Loads ),,設(shè)置地下室,高層建筑結(jié)構(gòu)，由于上部荷載很大，有時(shí)即使將房屋底面積全部做成筏片基礎(chǔ)，其承載力也不一定能滿(mǎn)足要求。,,（1）減小地基附加壓應(yīng)力； （2）錨固好基礎(chǔ)，

10、提高房屋穩(wěn)定性。,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算 (Estimate the Vertical Loads ),,h,8,墻、柱及基礎(chǔ)荷載估算時(shí)，通?？山频夭豢紤]上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，即把上部結(jié)構(gòu)都認(rèn)為是簡(jiǎn)支梁板，墻、柱只承受每側(cè)跨度一半傳來(lái)的荷載。估算時(shí)可按跨度的一半劃分墻柱的承荷面積，再根據(jù)上述樓面荷載估算墻、柱及基礎(chǔ)的荷載N 。,,(三)墻、柱及基礎(chǔ)荷載估算,設(shè)計(jì)中需要根據(jù)墻、柱荷載和軸壓比來(lái)確定墻柱的截面尺寸。,N = qimA 式中：N 墻、柱荷載設(shè)計(jì)值; qi 相應(yīng)房屋的樓層折算荷載; m 墻、柱的承荷樓層數(shù); A 不考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)性的墻、

11、柱的承荷面積。,,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算 ( Estimate the Vertical Loads ),軸壓比N 是指荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下柱的軸力設(shè)計(jì)值N與柱截面面積和混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比。,,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算 ( Estimate the Vertical Loads ),規(guī)范要求： N = N / (Ac fc )N 式中：N 框架柱的軸壓比 ； Ac 柱截面面積； fc 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。,軸壓比直接影響墻、柱破壞時(shí)的延性性質(zhì)。以現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，按有關(guān)規(guī)范，柱軸壓比限值N 與地

12、震烈度、結(jié)構(gòu)形式、房屋高度有關(guān)。,,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 一、豎向作用荷載估算 ( Estimate the Vertical Loads ),房屋設(shè)計(jì)的方案階段，總體估算通常主要考慮,,水平作用荷載,,豎向作用荷載,,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 二、水平作用荷載估算 ( Estimate the Horizontal Loads ),在非地震區(qū)，風(fēng)荷載是房屋主要的水平力，在方案階段的總體分析中，一般只需考慮作用在房屋上風(fēng)荷載的合力H，它是作用在房屋迎風(fēng)面及背風(fēng)面A上風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值k的合力： H=k A 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001),,(一

13、) 風(fēng)荷載(Wind Load ),k=Z (S1 -S2) Z W0,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 二、水平作用荷載估算 ( Estimate the Horizontal Loads ),,風(fēng)荷載體型系數(shù)S,常見(jiàn)坡屋面一般坡度 30,可見(jiàn)屋面在風(fēng)荷載作用下通常承受吸力 。 在平屋頂上后加的輕型坡屋面自重很輕，若沒(méi)有和墻體拉結(jié)好，在風(fēng)荷吸力作用下會(huì)被掀起。,風(fēng)荷載除了引起房屋的傾覆以外，局部吸力也是引起房屋破壞的重要原因，尤其是對(duì)坡屋頂?shù)钠茐摹?2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 二、水平作用荷載估算 (Estimate the Horizontal Loads ),-0.5,+0.8,被掀

14、翻的輕屋蓋,地震力是地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度引起的，它是房屋質(zhì)量的慣性力。設(shè)計(jì)中可近似認(rèn)為建筑物的質(zhì)量都集中在各層樓面標(biāo)高處，地震力的大小與地震烈度、建筑物的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的自振周期以及場(chǎng)地土的情況等許多因素有關(guān)。 地震時(shí)既有水平震動(dòng)又有豎向震動(dòng)，但房屋結(jié)構(gòu)對(duì)豎向地震力有較大的承受能力，通常水平地震力是引起結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，設(shè)計(jì)中主要考慮水平地震的影響。,,(二)地震力Heq ( Earthquake Load ),通常建筑物頂部質(zhì)量的慣性力最大，向下逐漸減小，地面及地面以下為0 。在方案階段的總體分析時(shí)，一般只考慮房屋地震力合力Heq的作用效應(yīng)： Heq = a

15、W 式中：a 與地震烈度、結(jié)構(gòu)自振周期、場(chǎng)地土類(lèi)別有關(guān) 的地震影響系數(shù)； W 房屋總重。,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 二、水平作用荷載估算 (Estimate the Horizontal Loads ),,(三)幾種典型體型建筑物在水平風(fēng)荷載及水平地震力作用下的受力情況比較,,,,,Mw(a)= Hw h/2； M eq(a)= H eq h2/3,M w (b)= Hwh/3； M eq(b)= H eq h/2,M w (c)= Hwh/3； M eq(c)= H eq 2h/5,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 二、水平作用荷載估算 ( Estimate the H

16、orizontal Loads ),（a),（b),（c),h/2,d,b,h,2h/3,bdh/2,bd,bd,2bd,Hw,h/3,h/3,h,h,h/2,2bd/3,2d,b,3bd,2h/5,Hw,Hw,Hw,Hw,Hw,2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.1 概述 (Introduction ),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Struct

17、ure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural System ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 (The Ratio of height-width and Overturning Stability),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Structure ),2.3 房屋的高

18、寬比與抗傾覆問(wèn)題,,對(duì)于一般矩形平面的房屋，長(zhǎng)方向比較穩(wěn)定，較短方向易傾覆，所以這時(shí)高寬比的“寬”是指房屋較短方向的結(jié)構(gòu)寬度, 懸挑部分或圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)抗傾覆沒(méi)有作用，不應(yīng)計(jì)算在內(nèi)。 以雙列柱構(gòu)成的房屋為例，水平力H引起的傾覆力矩必須由支承體系的豎向反力組成力偶來(lái)抵抗。,Ha = Hch = Vd V = Hch/d 式中：h/d 房屋的高寬比； c = a/h 為水平力H 作用點(diǎn)的相對(duì)高度，與房屋體型和水平力分布有關(guān)，稱(chēng)傾覆力臂系數(shù)。,,H,d,H/2,H/2,h,Ch=a,V,V,(a),,2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題,建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)還要承受豎向荷載W ，對(duì)于對(duì)稱(chēng)的雙列柱結(jié)構(gòu)

19、，豎向荷載將由豎向支承平均分擔(dān)。同時(shí)承受豎向荷載W 和水平荷載 H 時(shí)，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加，也可用等效偏心力來(lái)代替，其偏心距 e =Hch / W,,房屋結(jié)構(gòu)的地基主要承受壓力，若要地基受拉，則必須設(shè)錨桿，這將大大提高造價(jià)，增加施工難度。所以，一般情況下可認(rèn)為地基不能抗拉，也即在豎向荷載W 和水平荷載H共同作用下，支承體系底部不得產(chǎn)生拉力，否則房屋將會(huì)傾覆。從下圖可見(jiàn)，對(duì)于雙列柱的情況，偏心距e最大不能超過(guò)d / 2，即最大偏心距emax = eb = d / 2，此時(shí)為臨介狀態(tài)，或傾覆極限狀態(tài)。,現(xiàn)引入相對(duì)偏心距(或叫偏心比)er 反映荷載偏心距e與抗傾覆極限偏心距eb 的比值 er

20、= e / eb 式中： e 為水平荷載H和豎向截載W引起的荷載偏心距; eb 為相應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)傾覆臨介狀態(tài)下的偏心距; 很明顯: er1時(shí)，地基無(wú)拉力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； er1時(shí)，結(jié)構(gòu)處于傾覆極限狀態(tài)； er1時(shí)，地基要承受拉力，若不設(shè)錨桿，結(jié)構(gòu)將傾覆。,d,d,2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題,,對(duì)于雙列柱結(jié)構(gòu)，eb = d/2，得： er = e /eb =(Hch/W) (2 / d) =2(H/W)c (h/d) =2c(h / d ) 式中： 為水平荷載與豎向荷載之比； c 為水平荷載合力作用點(diǎn)的相對(duì)高度，與房屋形

21、狀及質(zhì)量分布有關(guān)，c =ah ； h/d 房屋的高寬比。,在1967年委內(nèi)瑞拉的加拉加斯地震中，一幢11層旅館由于傾覆力矩引起的巨大壓力使柱的軸壓比大大增加，降低了柱截面的延性，使柱頭發(fā)生剪壓破壞。,1985年墨西哥地震時(shí)，一幢九層鋼筋混凝土大廈傾倒，埋深2.5m的箱形基礎(chǔ)被翻轉(zhuǎn)45，甚至基礎(chǔ)下的摩擦樁也被拔了出來(lái)。,另一幢18層框架結(jié)構(gòu) Caromay公寓，由于巨大的傾覆力矩，使地下室柱中引起很大的附加軸力，許多柱的混凝土被壓碎，鋼筋彎曲成燈籠狀。,,,,當(dāng)房屋的總體形式(矩形、三角形或金字塔形等)確定后，上述系數(shù)和 c 就不會(huì)有什么變化，高寬比h/d不僅對(duì)結(jié)構(gòu)的抗傾覆有著重要的影響，而且

22、還直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，尤其在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，房屋結(jié)構(gòu)的高寬比是一個(gè)比房屋高度更重要的參數(shù)，高寬比越大，地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移也越大，地震引起的傾覆越嚴(yán)重。巨大的傾覆力矩及其在柱中引起的附加拉力和附加壓力有時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。,2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題,,日本1982年批準(zhǔn)的高樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南指出：高樓的高寬比決定了地震中剪切變形和彎曲變形的比例。指南通常以高寬比小于4 的建筑物為設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)于高寬比大于 4 的高樓，在抗震設(shè)計(jì)中一般采取加大地震作用的等效靜力來(lái)考慮傾覆效應(yīng)和 P 效應(yīng)的影響。 新西蘭Dowrick教授建議，為避免地震中傾覆力矩的嚴(yán)重影響，地震區(qū)房屋的高寬比不

23、宜大于4。 我國(guó)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3 2002）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)高寬比也作出了嚴(yán)格規(guī)定，見(jiàn)下表。,2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題,,因此，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師都必須認(rèn)真控制好高寬比 h/d。當(dāng)然，除上述分析外，在工程設(shè)計(jì)中還必須考慮結(jié)構(gòu)抗傾覆的安全度，要留有余地，不能直接按傾覆的極限狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)。工程中抗傾覆的安全系數(shù)一般取為1.5。此表為鋼筋混凝土房屋的高寬比限值，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，表中系數(shù)加1 。,高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高寬比限值,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Structure ),第2章 結(jié)構(gòu)

24、設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.1 概述 (Introduction ),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Structure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural System ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 (The Ratio of height-width and O

25、verturning Stability),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Structure ),物理學(xué)的定義：剛度是產(chǎn)生單位變形所需要的力。應(yīng)當(dāng)指出，這里所指的變形和力都是廣義的，變形可以是位移、曲率、剪切角、扭轉(zhuǎn)角、應(yīng)變等；力可以是軸力、彎矩、剪力、扭矩或應(yīng)力等。單位力作用下的變形稱(chēng)為柔度，引起單位變形所需的力稱(chēng)為剛度。柔度和剛度在數(shù)值上互為倒數(shù)。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形,,房屋剛度,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 一、截面剛度,,(一)截面(Se

26、ction )的拉壓剛度EA,以承受軸心荷載的拉桿為例 N =N L /(E A ) 或 E A =N /(N / L)= N / 式中 N 軸向變形； N 軸向拉力； L 桿件長(zhǎng)度； E 桿件材料的彈性模量； A 桿件截面積； =N /L 軸向荷載N 引起的軸向應(yīng)變。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 一、截面剛度,,(二)截面(Section )的彎曲剛度E I,以純彎構(gòu)件為例 M /(E I) =1/ 或 E I =M / (1/) 式中： 構(gòu)件變形后該處截面的曲率半徑； 1/ 構(gòu)件

27、變形后該處截面的曲率。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 一、截面剛度,,(三)截面(Section )的剪切剛度GA,GA =V/ 式中： V 剪力； 剪力V 引起的剪切角； G 材料的剪切模量。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 一、截面剛度,,2020/8/1,33,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 二、構(gòu)件剛度,,房屋剛度,物理學(xué)的定義：剛度是產(chǎn)生單位變形所需要的力。應(yīng)當(dāng)指出，這里所指的變形和力都是廣義的，變形可以是位移、曲率、剪切角、扭轉(zhuǎn)角、應(yīng)變等；力可以是軸力、彎矩、剪力、扭矩或應(yīng)力等。單位力作用下的變形稱(chēng)為柔度，引起單位變形所需的力稱(chēng)為剛度。柔度和剛度在數(shù)值上互為倒數(shù)。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛

28、度和變形 二、構(gòu)件剛度,,通常指構(gòu)件(Member )在特定方向上引起單位變形所需的特定的荷載,例1: 承受集中荷載的懸臂柱,柱長(zhǎng)比起截面尺寸要大很多，通常稱(chēng)為桿件。桿件的彎曲變形較大，相比之下剪切變形和軸向變形的影響小到可以忽略不計(jì)，所以只計(jì)彎曲變形。懸臂柱在柱頂水平力作用下的變形=Ph 3/ 3EI；在柱頂單位水平力作用下的位移=h 3/ 3EI ，稱(chēng)為柔度，則產(chǎn)生柱頂單位側(cè)移所需的力1/= 3EI / h 3 ，稱(chēng)為該柱在柱頂水平力作用下的抗側(cè)移剛度。,例2: 承受均布荷載的簡(jiǎn)支梁，也是一個(gè)桿件，可只考慮彎曲變形，其跨中撓度 = 5qL4/(384EI） ；在單位均布荷載下的跨中撓度=

29、5L4/（384EI ），稱(chēng)為柔度。而產(chǎn)生單位跨中撓度所需施加的均布荷載1/= 384EI /（5L4），稱(chēng)為簡(jiǎn)支梁在均布荷載作用下的剛度。其他支承條件、荷載情況下的變形在一般材料力學(xué)書(shū)上均可找到，大家可自行查閱參考。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 二、構(gòu)件剛度,,對(duì)于非桿件的一般構(gòu)件(例如墻或其他薄壁構(gòu)件)，剪切變形、軸向變形和扭轉(zhuǎn)變形有時(shí)不能忽略。此時(shí)，構(gòu)件在某特定荷載下沿特定方向的變形由彎曲變形、剪切變形、軸向變形和扭轉(zhuǎn)變形四部分組成。用虛位移原理可表達(dá)為通式： = （M1 MP/EI)dx+ (V1 VP/GA)dx + (N1 NP/EA)dx+ (MT1 MTP/GIT)dx

30、式中： EI、GA、EA、GIT 分別為構(gòu)件截面的彎曲剛 度、剪切剛度、拉壓剛度和抗扭剛度； M1、V1、N1、MT1 為沿特定位移方向上單位力引起的構(gòu)件彎矩、剪力、軸力和扭矩； MP、VP、NP、MTP 為荷載引起的構(gòu)件彎矩、剪力、軸力和扭矩。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 二、構(gòu)件剛度,,在建筑工程中,彎曲變形的影響,,彎曲變形及剪切變形的影響,,還應(yīng)考慮軸向變形的影響,,對(duì)于梁柱這樣的桿件以彎曲變形為主，一般只需考慮第一項(xiàng),對(duì)于像剪力墻、深梁這樣的構(gòu)件，由于截面較高，彎曲變形很小,剪切變形所占比例較大，應(yīng)考慮前兩項(xiàng),對(duì)于超高層房屋，由于房屋高寬比較大，長(zhǎng)柱子的軸向變形所引起的房屋側(cè)移也占有

31、一定的比例，不能忽略,2020/8/1,37,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形,,房屋剛度,物理學(xué)的定義：剛度是產(chǎn)生單位變形所需要的力。應(yīng)當(dāng)指出，這里所指的變形和力都是廣義的，變形可以是位移、曲率、剪切角、扭轉(zhuǎn)角、應(yīng)變等；力可以是軸力、彎矩、剪力、扭矩或應(yīng)力等。單位力作用下的變形稱(chēng)為柔度，引起單位變形所需的力稱(chēng)為剛度。柔度和剛度在數(shù)值上互為倒數(shù)。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 三、結(jié)構(gòu) 剛度,,房屋結(jié)構(gòu)通常是由許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的，一榀簡(jiǎn)單的框架也是由多根柱和橫梁組成，通常所說(shuō)框架的抗側(cè)移剛度是指引起框架頂端單位側(cè)移所需的力(或荷載)。而框架的側(cè)移是由多根橫梁和立柱的變形引起的?？蚣茉诤奢d下的頂端側(cè)移可表

32、達(dá)為 = (M1 MP/EI)dx+ (V1 VP/GA)dx + (N1 NP/EA)dx+(MT1 MTP/GIT)dx 式中：n 為框架的桿件數(shù)。 其他符號(hào)同前。 若忽略剪切變形、軸向變形和扭轉(zhuǎn)變形的影響，上式可簡(jiǎn)化為 = (M1 MP/EI)dx,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 四、房屋高度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響,,以最簡(jiǎn)單的矩形塔樓為例，各標(biāo)準(zhǔn)層的豎向荷載基本相同，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們只分析在均勻分布的水平風(fēng)荷載作用下的情況。,圖中與h4成正比。可見(jiàn)高層建筑設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是剛度問(wèn)題，要設(shè)法提高房屋結(jié)構(gòu)的剛度。,(e),(b),(a),,(一)結(jié)構(gòu)的豎向荷載 N,由于各標(biāo)準(zhǔn)層的層高和樓

33、層荷載基本相同，故結(jié)構(gòu)的豎向荷載與計(jì)算截面以上的樓層數(shù)成正比，也可以說(shuō)是與結(jié)構(gòu)總高度成正比。結(jié)構(gòu)底部豎向荷載最大值 Nmax=qiAn = qiAh/h1 式中： qi 包括墻體自重在內(nèi)的樓層折算均布荷載； A 樓層面積； n 樓層數(shù)，當(dāng)各層層高相同時(shí)，n = h/h1； h 建筑物總高； h1 每層層高。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 三、結(jié)構(gòu) 剛度,N,,(二)結(jié)構(gòu)的水平剪力V,在均布水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)水平剪力V與計(jì)算截面以上的高度成正比，底部最大剪力 Vmax=qH h,(三)結(jié)構(gòu)的總彎矩M,結(jié)構(gòu)的截面彎矩與計(jì)算截面以上的高度成平方比，底部最大彎矩為： Mmax=qHh2

34、/2,(四)房屋的頂部側(cè)移,由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，若假定各層結(jié)構(gòu)截面不變，則承受均布荷載懸臂梁的頂端位移為： =qH h4/( 8E I),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 三、結(jié)構(gòu) 剛度,,,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 五、關(guān)于房屋剛度的討論,,討論一座小塔樓的幾種結(jié)構(gòu)方案，看如何提高剛度EI？設(shè)塔樓平面尺寸相同，邊長(zhǎng)均為5.2 m，結(jié)構(gòu)截面面積均為4 m2。,,由四根1m見(jiàn)方小柱組成，其截面慣性矩為四根柱截面慣性矩之和 I1= 4 /12,,若將四根小柱合并為一根大柱，則截面慣性矩為 I2 = 4 I1,,若將四根1m見(jiàn)方的柱“拍扁”，做成四片獨(dú)立的墻，每一片為0.2 m5 m, I3= 12.5 I

35、1,,若將上述四片墻在墻角處連成整體，形成箱形截面 I4 = 50 I1,方案1,方案1,,由以上分析對(duì)比可見(jiàn) (1)將小柱合并成大柱，可有效地提高抗側(cè)移剛度，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所謂材料集中使用的原則。 (2)結(jié)構(gòu)墻的平面內(nèi)剛度要比柱大得多，利用結(jié)構(gòu)墻可大大提高房屋的抗側(cè)移剛度。 (3)垂直荷載方向的墻體在獨(dú)立工作時(shí)處于出平面受彎狀態(tài)，其抗彎剛度與平面內(nèi)抗彎剛度相比小得可以忽略不計(jì)。然而，當(dāng)組成整體箱形截面后，它是作為箱形截面的“翼緣”參加抗彎工作，內(nèi)力臂很大， “翼緣”是箱形截面抗彎剛度的主要部分，大大提高了抗彎剛度。 (4)對(duì)比方案3和方案4，剛度相差4倍，而實(shí)際上差別僅在將四片獨(dú)立墻連系起來(lái)

36、，使其整體共同工作，形成一個(gè)完整的箱形截面(即筒體)，截面變形符合平面假定。由此也可以看出墻片間連接構(gòu)造的重要性，如果連接失效，方案4又會(huì)恢復(fù)為方案3，抗彎剛度又降為四分之一。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 五、關(guān)于房屋剛度的討論,,截面慣性矩 I5= 53.92 I1,由此推理，若能將方案1的四柱加上剛性聯(lián)系，使其共同工作，截面變形符合平面假定，則剛度還可提高。上述方案都只是在結(jié)構(gòu)平面上的改進(jìn)，其實(shí)還可在立面上想想辦法。,,方案5：在四根小柱頂端加上剛性很大的橫梁，形成框架，保證四根小柱象整體截面一樣共同工作,,方案 5 剛度要比方案4還大。我們來(lái)分析一下方案5的受力狀態(tài)，例如在左側(cè)水平荷載下

37、，若沒(méi)有剛性橫梁，則兩排柱都將像獨(dú)立懸臂柱一樣自由側(cè)移。,若在柱頂加上“剛性”橫梁，剛性橫梁與柱剛性連接，剛性橫梁在柱變形前與柱垂直相交，在柱變形后仍要保持與柱垂直相交，為此，剛性橫梁中存在很大剪力，迫使左柱拉長(zhǎng)、右柱壓縮。在柱中產(chǎn)生軸力V，左柱受拉、右柱受壓，形成反向力矩Vd，抵消了一部分傾覆力矩。若以柱頂剛性橫梁作脫離體，剛性橫梁受到左柱拉力和右柱壓力組成的力矩作用，轉(zhuǎn)角大大減小。,I5= 53.92 I1 可見(jiàn)，柱間剛性橫梁使柱頂變形一致，引起柱內(nèi)附加軸力，并組成反向力矩，減少了柱頂側(cè)移，提高了柱的彎曲剛度（注意：這里暫沒(méi)有計(jì)入框架的剪切變形）。有關(guān)剛性橫梁的作用在后面結(jié)構(gòu)豎向體系部分還

38、要詳細(xì)討論。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 五、關(guān)于房屋剛度的討論,3.2,5.2,1,1,3.2,1,1,,,方案6：形成框架 方案5 實(shí)際上是一榀帶剛性橫梁的單層框架，單層框架的抗側(cè)移剛度比獨(dú)立柱好得多。但若柱子過(guò)長(zhǎng)過(guò)高，受壓過(guò)程中容易失穩(wěn)。為此，我們可以增設(shè)中間橫梁，形成多層框架，以減少柱的計(jì)算長(zhǎng)度，防止柱子失穩(wěn)。,方案7：形成桁架體系 方案6 這種多層框架的桿件內(nèi)力以彎矩為主，而桿件的彎曲變形是比較大的。若在多層框架中加上交叉支撐，形成桁架體系，則構(gòu)件內(nèi)力以軸力(拉壓)為主，彎矩大大減小，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。,,方案8： 讓塔樓體形接近水平荷載下的彎矩圖,,2.4 結(jié)構(gòu)

39、的剛度和變形 五、關(guān)于房屋剛度的討論,,不難看出，這幾種方案先從平面上改進(jìn)，又從立面上改進(jìn)，在材料用量基本不變的情況下，結(jié)構(gòu)抗彎剛度越來(lái)越大，受力更加合理。 可見(jiàn)，作為一名結(jié)構(gòu)工程師，運(yùn)用所學(xué)的力學(xué)知識(shí)和結(jié)構(gòu)知識(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是可以大有作為的。 經(jīng)過(guò)上述不斷改進(jìn)的塔樓越來(lái)越像緒論中介紹的巴黎埃菲爾鐵塔了。這再一次證明了巴黎埃菲爾鐵塔的結(jié)構(gòu)合理性。,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 五、關(guān)于房屋剛度的討論,,巴黎艾菲爾鐵塔,2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 五、關(guān)于房屋剛度的討論,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的

40、總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.1 概述 (Introduction ),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Structure,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural System ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 (The Ratio of height-width and Overtur

41、ning Stability),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Structure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 一、豎向荷載的偏心,,常見(jiàn)的幾種房屋不對(duì)稱(chēng)情況,,外形 不對(duì)稱(chēng),,結(jié)構(gòu) 不對(duì)稱(chēng),,(a),(b),(c),e,e,e,W,W,W,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 一、豎向荷載的偏心,,設(shè)計(jì)中可調(diào)整墻柱結(jié)構(gòu)布置，盡可能使結(jié)構(gòu)受力均勻。,,,對(duì)于偏心引起的不均勻沉降，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可以調(diào)整基礎(chǔ)形狀，改變基底反力分布，使地基反力更加均勻; 也可通過(guò)驗(yàn)

42、算基礎(chǔ)沉降差，使沉降差控制在允許范圍內(nèi)。,,,物理學(xué)的定義：剛度是產(chǎn)生單位變形所需要的力。應(yīng)當(dāng)指出，這里所指的變形和力都是廣義的，變形可以是位移、曲率、剪切角、扭轉(zhuǎn)角、應(yīng)變等；力可以是軸力、彎矩、剪力、扭矩或應(yīng)力等。單位力作用下的變形為柔度，引起單位變形所需的力為剛度。柔度和剛度在數(shù)值上互為倒數(shù)。,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 二、水平荷載的偏心,,房屋剛度,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 二、水平荷載的偏心,,,,,,房屋剛度是由許多組成房屋的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如柱、框架、結(jié)構(gòu)墻等)的剛度組合而成的，它們靠平面內(nèi)剛度很大的樓蓋(或屋蓋)體系連系在一起，樓蓋(或屋蓋)像一個(gè)剛性盤(pán)體一樣迫使與其相連的豎向結(jié)

43、構(gòu)協(xié)調(diào)變形，只產(chǎn)生平移和整體轉(zhuǎn)動(dòng)。 假如我們將房屋結(jié)構(gòu)平移一個(gè)單位位移，則每一個(gè)柱、框架或結(jié)構(gòu)墻都會(huì)產(chǎn)生反力，這些反力就是這些個(gè)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)移剛度。這些反力的合力即為房屋結(jié)構(gòu)抗側(cè)移的總剛度，此合力的作用點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)的剛度中心。 用這種辦法，可以很快找到結(jié)構(gòu)剛度中心，也可用來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度中心的位置。若水平荷載合力通過(guò)結(jié)構(gòu)剛度中心，房屋就不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。,2020/8/1,53,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 二、水平荷載的偏心,,,,,,對(duì)于一般房屋建筑，水平荷載主要是風(fēng)荷載和地震荷載。風(fēng)荷載的合力大致在迎風(fēng)面面積的中心附近，而地震力是一個(gè)慣性力，其合力大致在房屋的質(zhì)量中心附近。 應(yīng)當(dāng)指出，

44、對(duì)于不完全對(duì)稱(chēng)的房屋，這兩個(gè)中心往往不在一起，不能同時(shí)使它們與結(jié)構(gòu)剛度中心完全重合，這種偏心一般是不可避免的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量設(shè)法減小這種偏心。 當(dāng)偏心較大時(shí),設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮由于結(jié)構(gòu)總體扭轉(zhuǎn)對(duì)角部結(jié)構(gòu)引起的附加內(nèi)力，或?qū)λ慕墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件予以適當(dāng)加強(qiáng)。,地震力 F 引起的,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 二、水平荷載的偏心,,,,在高層建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度不對(duì)稱(chēng)會(huì)使水平荷載與結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的中心(簡(jiǎn)稱(chēng)剛度中心)偏心。,,e,中央電視臺(tái)新樓就是典型的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，無(wú)論平面還是立面都不對(duì)稱(chēng)，豎向結(jié)構(gòu)還傾斜6o，上部結(jié)構(gòu)最大懸挑超過(guò)75 m，建筑物整體偏心。 雖然大樓造型獨(dú)特，很有創(chuàng)意，但從結(jié)構(gòu)工程師

45、的視角來(lái)看，似乎選擇了最不合理的受力狀態(tài)。特別是在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)烈地震（北京是地震8 度設(shè)防區(qū)）作用下,建筑物將產(chǎn)生非常大的扭矩和傾覆力矩，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工困難外，浪費(fèi)和安全問(wèn)題更是可想而知。,2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響,,2020/8/1,56,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Structure ),第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.1 概述 ( Introduction ),2.4 結(jié)構(gòu)的剛度和變形 ( The Stiffness and Deformation

46、 of Structure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 ( The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 ( The Constitution of General Structural System ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 ( The Ratio of height-width and Overturning Stability),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 ( The loads on Building Structure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算 (The General Estimation of Struct

47、ure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,方案階段,要快速簡(jiǎn)捷地進(jìn)行粗略估算,判斷結(jié)構(gòu)承載力方面的可行性,判斷變形方面的可行性,,,,結(jié)構(gòu)工程師對(duì)方案心中有數(shù), 設(shè)計(jì)方案的可行性才有科學(xué)根據(jù),,以紐約原世貿(mào)中心為例，說(shuō)明如何對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和估算。,,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,紐約：原世界貿(mào)易中心,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,紐約：原世界貿(mào)易中心,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,算例: 原世界貿(mào)易中心(The World Trade Center)位于紐約曼哈頓區(qū)，是兩棟形狀幾乎相同的110層方形塔樓，采用筒中筒(Tube in Tube)結(jié)構(gòu)，外筒為密柱框筒，底層每邊有19根箱形截面鋼柱，柱距3.05

48、 m。底層柱箱形截面為686 mm813 mm，平均壁厚為90 mm，柱截面面積Ac = 0.263 m2 ，角柱適當(dāng)加強(qiáng)。,原世界貿(mào)易中心總體高寬比h/d = 412/63.5 = 6.49，大樓位于大西洋海邊，風(fēng)荷載較大，30 m以上風(fēng)荷載為2 692 N/m2 ，平均風(fēng)荷載為2 200 N/m2 。 要求驗(yàn)算在風(fēng)荷載作用下柱子附加軸力和塔樓頂部側(cè)移 (Lateral Deflection)。,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,一、問(wèn)題的簡(jiǎn)化 （1）把世界貿(mào)易中心塔樓看作嵌固在地面的懸臂梁。 （2）筒中筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，內(nèi)筒力臂小，抗彎作用較小，主要抗剪；外框筒主要抗彎。近似估算時(shí)，先只

49、考慮外框筒的抗彎作用。,（3）外框筒結(jié)構(gòu)密柱間有剛性橫梁相連，近似看作是共同工作的整體箱形截面，暫不考慮軸向變形的影響。 （4）角柱只有四根，近似與中間柱一樣對(duì)待;風(fēng)荷取平均值。,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,二、水平風(fēng)荷載引起的柱附加軸力估算 （1）房屋結(jié)構(gòu)底層總彎矩 M= qw h2/ 2 =2.263.54122 / 2 =11 860103 (kN.m) （2）房屋結(jié)構(gòu)總體截面慣性矩 I : 為簡(jiǎn)化計(jì)算，沿風(fēng)荷載方向的框筒柱近似按拍扁后的等效腹板計(jì)算，則腹板的等效厚度： t = Ac / S = 0.0862 m I = (Ac y2) 2n + 2 t d3/ 12 式中：A

50、c 柱截面面積； d 結(jié)構(gòu)總寬； S 柱間距 ； n 每邊的柱數(shù)； y 框筒柱離截面中心的距離。,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,則房屋結(jié)構(gòu)的總體截面慣性矩： I = 13 753 m4 邊柱由風(fēng)荷載載引起的最大附加應(yīng)力 w = My / I = 27.38 N/mm2 即風(fēng)荷載引起的柱內(nèi)最大附加應(yīng)力為 w max= 27.38 N/mm2 則單柱由風(fēng)荷載引起的最大附加內(nèi)力為 Nw =Acw max= 263 000 27.3 = 7 200 000 N = 7 200 kN,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,三、風(fēng)荷作用下房屋頂端側(cè)移(Later

51、al Deflection) 估算 等截面懸臂梁端點(diǎn)撓度公式為qh4/(8EI) 。世界貿(mào)易中心框筒的箱形截面柱是變截面柱，底部柱截面面積為Ac，越往上截面越小，近似認(rèn)為柱頂截面為0 的均勻變截面構(gòu)件，則變形要比等截面構(gòu)件大些，此時(shí)的頂端側(cè)移為 = qh4 / ( 2EI ) = 2 20063.54124 / (22101113 753) m = 0.732 m h / 560 按美國(guó)規(guī)范，允許側(cè)移為 = 0.002 h = 0.002412 = 0.824 m = 0.732 m = 0.824 m 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算

52、,,四、討論 （1）在工程設(shè)計(jì)中尚應(yīng)考慮地震作用、 自重等荷載下的內(nèi)力及變形，這里作為 例題僅考慮風(fēng)荷影響； （2）世界貿(mào)易中心塔樓的總體高寬比: 假定房屋增高10%，則h =1.1412 = 453.2 m 若其它條件不變，則塔樓頂端側(cè)移為： l1=1.072 m l.1= 1.072 m l.1= 0.906 4 不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求 假定房屋寬度減小10%，則房屋邊長(zhǎng)d =0.963.5 m=57.15 m。 若柱截面和柱距不變，每邊剩17根柱，則I = 9 983 m4 塔樓頂端側(cè)移為： 0.9 = 1.008 m 0.9= 1.008 m 0.9 = 0.842 m 不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要

53、求 將這三種情況列表比較,2.6 結(jié)構(gòu)的總體估算,,由以上比較可見(jiàn)，高寬比 ( h/d ) 對(duì)側(cè)移的影響十分敏感，高度或?qū)挾戎辉?、減10%，則側(cè)移相差分別達(dá)46.4%和37.7%。同樣，高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響也比較大?？梢?jiàn)，在高層房屋的方案階段，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)真控制好結(jié)構(gòu)的總體高寬比。,三種方案比較,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural System ),第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的總體問(wèn)題 The General Problems in Structural Design,2.1 概述 (Introduction ),2.4

54、結(jié)構(gòu)的剛度和變形 (The Stiffness and Deformation of Structure ),2.5 房屋不對(duì)稱(chēng)的影響 (The Effect of Unsymmetrical Building ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 (The Constitution of General Structural System ),2.3 房屋的高寬比與抗傾覆問(wèn)題 (The Ratio of height-width and Overturning Stability),2.2 建筑結(jié)構(gòu)上的作用力 (The loads on Building Structure ),2.6 結(jié)構(gòu)的總體估

55、算 (The General Estimation of Structure ),2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成,,在本章前幾節(jié)討論建筑結(jié)構(gòu)的總體問(wèn)題時(shí)，我們把房屋看成一個(gè)整體，即假定房屋具有足夠的承載力和剛度（稱(chēng)為整體假定）。 即在方案階段，我們可以把房屋看成一個(gè)三維的空間剛性塊體來(lái)分析它的總體問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜體形的房屋還可把它劃分為幾塊，分別研究它的高寬比、傾覆以及總荷載、總剛度等，然后組合起來(lái)。 然而，建筑結(jié)構(gòu)事實(shí)上都不是剛性塊體，而是由許多平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成。在初步設(shè)計(jì)階段，我們就要對(duì)這些平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析和變形估算。,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 一、結(jié)構(gòu)體系的平面結(jié)構(gòu) (Plane Str

56、ucture ),,結(jié)構(gòu)總體系,結(jié)構(gòu)體系通常由許多平面結(jié)構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)的水平體系,結(jié)構(gòu)的豎向體系,,,,樓蓋和屋蓋等,,它們本身又是由許多構(gòu)件組成,,,結(jié)構(gòu)墻、框架、排架等,,,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 一、結(jié)構(gòu)體系的平面結(jié)構(gòu) (Plane Structure ),,結(jié)構(gòu)的 水平體系,,例如樓蓋體系，不僅直接承受作用其上的豎向荷載 ，通過(guò)豎向彎、剪把豎向荷載傳給豎向結(jié)構(gòu)體系(例如框架或結(jié)構(gòu)墻)。在水平荷載作用下，水平結(jié)構(gòu)體系還像一個(gè)平臥的受彎構(gòu)件一樣，把水平荷載傳遞給豎向結(jié)構(gòu)體系。由于水平結(jié)構(gòu)體系(例如樓蓋)在其自身平面內(nèi)的剛度都很大，它還能起到協(xié)調(diào)各豎向體系側(cè)移的作用。通?？杉俣巧w平面內(nèi)的剛

57、度為無(wú)窮大，像一個(gè)剛性盤(pán)體。此時(shí)，與樓蓋相連的各豎向結(jié)構(gòu)體系在樓蓋平面內(nèi)的變形就像剛體運(yùn)動(dòng)。采用這種假定可大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算。,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 一、結(jié)構(gòu)體系的平面結(jié)構(gòu) (Plane Structure ),N,V,V,,結(jié)構(gòu)的 豎向體系,,結(jié)構(gòu)的豎向體系直接承受豎向荷載，把它傳給基礎(chǔ)；在水平荷載作用下，豎向結(jié)構(gòu)體系是重要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，它不僅要將水平荷載傳給基礎(chǔ)，同時(shí)要有足夠的抗側(cè)移剛度，使結(jié)構(gòu)的側(cè)移量不超過(guò)允許值。這一點(diǎn)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)尤為重要。,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 一、結(jié)構(gòu)體系的平面結(jié)構(gòu) (Plane Structure ),(b),,,水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系互為支承，減小了

58、各自的計(jì)算長(zhǎng)度和跨度，大大提高了結(jié)構(gòu)總體系的剛度和承載能力。 應(yīng)當(dāng)指出，在建筑結(jié)構(gòu)總體系中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的可靠連接是十分重要的，只有可靠的連接，才能保證構(gòu)件與結(jié)構(gòu)體系之間力的傳遞，形成結(jié)構(gòu)總體系。,,豎向結(jié)構(gòu)體系,,水平結(jié)構(gòu)體系,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 一、結(jié)構(gòu)體系的平面結(jié)構(gòu) (Plane Structure ),,合理的整體結(jié)構(gòu)體系和可靠的連接 將大大提高結(jié)構(gòu)的抗震性能 1972年12月23日尼加拉瓜首都馬那瓜市發(fā)生強(qiáng)烈地震，地震作用達(dá)0.35 g (注:g 重力加速度)，有一萬(wàn)多棟房屋在地震中倒塌,而1963年由林同炎(T.Y.Lin)公司設(shè)計(jì)的美國(guó)銀行大廈位于震中，雖然設(shè)計(jì)中只考慮0

59、.06 g 的地震作用，然而承受了6倍的設(shè)計(jì)地震作用, 仍安然無(wú)恙，曾引起世界工程界的注目。地震作用是隨機(jī)的，地震力的大小和方向也難精確確定，然而運(yùn)用清晰的結(jié)構(gòu)概念，對(duì)結(jié)構(gòu)總體系進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，重視結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠連接，形成有效的結(jié)構(gòu)總體系，就可大大提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 一、結(jié)構(gòu)體系的平面結(jié)構(gòu) (Plane Structure ),,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 二、例題 Example,,要求估算在地震力作用下結(jié)構(gòu)墻的受力狀態(tài)。,本例題為一敞開(kāi)的兩層車(chē)庫(kù)，豎向結(jié)構(gòu)體系為三片結(jié)構(gòu)墻和鋼筋混凝土柱，水平結(jié)構(gòu)體系為預(yù)制裝配式鋼筋混凝土樓蓋，為節(jié)省剛性節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造費(fèi)用，梁簡(jiǎn)支在墻、柱

60、上。,層高3 m，結(jié)構(gòu)墻自重5 kN/m2，樓蓋及屋蓋荷載4 kN/ m2，根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣鹳Y料，取地震力Heq= 0.1 W。,,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 二、例題 Example,,(一)初步分析和簡(jiǎn)化 1兩層車(chē)庫(kù)豎向荷載不大，柱截面較細(xì)，在水平荷載作用下，與結(jié)構(gòu)墻相比，其抗側(cè)移剛度可忽略不計(jì)； 2三片結(jié)構(gòu)墻尺寸相同，在沿車(chē)庫(kù)縱向地震力作用下只有結(jié)構(gòu)墻C能抵抗水平荷載，而在橫向地震力作用下有結(jié)構(gòu)墻A和B； 3由于梁是簡(jiǎn)支在墻、 柱上，所以梁板按簡(jiǎn)支方式 傳遞豎向荷載； 4裝配式鋼筋混凝土樓 蓋板縫灌細(xì)石混凝土，樓蓋 平面內(nèi)剛度很大，可近似認(rèn) 為剛性樓蓋，則各墻柱側(cè)移 相同。,(二)結(jié)構(gòu)墻受荷

61、分析 （1）豎向荷載 圖中虛線(xiàn)所圍面積為各結(jié)構(gòu)墻所承受豎向荷載面積，每側(cè)均取跨度的一半。 結(jié)構(gòu)墻C 所受豎向力有 兩層樓板荷重： 241818kN = 2 600 kN 結(jié)構(gòu)墻C自重： 51232kN= 360 kN 合計(jì)： W = 2 960 kN,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 二、例題 Example,,（2）水平地震力 忽略柱的抗側(cè)移剛度，所以沿房屋縱向的地震力全部由結(jié)構(gòu)墻C 承擔(dān)； 結(jié)構(gòu)墻C 的每層地震力為 H eq = 0.144836kN= 680 kN （3）結(jié)構(gòu)墻C 的荷載簡(jiǎn)圖如上圖所示，在W 和Heq共同作用下，其折算荷載偏心距 e = M/W =（6806+

62、6803）/ 2960 m= 2.07 m 偏心距 e 已超過(guò)結(jié)構(gòu)墻C 的截面核心（h/6），結(jié)構(gòu)墻和基礎(chǔ)內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力。為避免地基受拉，可將基礎(chǔ)每側(cè)擴(kuò)大1 m，則e = 2.07m (12+2) / 6 = 2.3 m 地基中將不產(chǎn)生拉應(yīng)力。注意，此時(shí)結(jié)構(gòu)墻和基礎(chǔ)中仍有拉應(yīng)力存在。,2.7 結(jié)構(gòu)總體系的構(gòu)成 二、例題 Example,,(三)討論： （1）結(jié)構(gòu)豎向體系在承受水平荷載和豎向荷載時(shí)其承荷面積是不同的。如本例結(jié)構(gòu)墻C 要承受全部樓面的水平地震力，卻只承受18 m18 m見(jiàn)方的樓面豎向荷載。 （2）在車(chē)庫(kù)橫向雖有兩道結(jié)構(gòu)墻B和A，其豎向荷載的承載力比一道結(jié)構(gòu)墻C 大得多，但結(jié)構(gòu)墻B 和A 實(shí)際承受的豎向荷載很小，對(duì)抗傾覆和使地基不受拉方面很不利，所以更為危險(xiǎn)。,謝 謝！,返回主目錄,The Chapter Two is Over,