结构概念和体系第2章

第二章结构设计中的总体问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 (TheGeneralProblemsinStructuralDesign)绪论(Introduction)第一章一些重要的结构概念(SomeImportantConceptsofStructure)第二章结构设计中的总体问题(TheGeneralProblemsinStructuralDesign)第三章结构的水平体系(TheHorizontalSystemofStructure)第五章 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实例简介(IntroductiontoEngineeringExamples)第四章结构的竖向体系(TheVerticalSystemofStructure)提纲(Outline)2.1概述(Introduction)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.1概述(Introduction)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2.1概述(Introduction)建筑功能要求(招标书)工程结构的设计进程2.1概述(Introduction)建筑设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计结构设计主要是在总体规划范围内对房屋的功能分区、人流组织、房屋体型、体量、立面、总体效果等提出设计方案。要对建筑设计方案提供结构保障，以求结构体系和建筑方案协调统一。在此基础上要对总体结构进行初步估算，以保证总体结构稳定可靠，结构合理，总体变形控制在允许范围内。2.1概述(Introduction)结构总体问题此时各结构构件尚未设计出来，各构件的连接构造也尚未最终确定，在考虑结构总体问题时可假定结构为一个刚性的块体，即所谓整体假定，这样假定对房屋总体估算不会引起明显误差。为此，首先要对房屋的荷载作出估计，以估算结构的总承载力、地基承受的总荷载，验算总体结构的高宽比和倾覆问题，初步估算房屋的总体变形，以及结构总体系的布置方案。2.2建筑结构上的作用力2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题2.4结构的刚度和变形2.5房屋不对称的影响2.6结构的总体估算2.7结构总体系的构成2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述(Introduction)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2.2TheloadsonBuildingStructure自重结构(Structure)是建筑物的基本受力骨架外部荷载作用变形作用环境作用结构自身的重量，如梁、板、柱及构造层重等活荷载，风荷载，雪荷载，地震作用等温度变化引起的变形、地基沉降、结构材料的收缩和徐变变形等阳光、雷雨、海水、大气污染作用等结构失效将带来生命和财产的巨大损失,因此在设计中对结构有最基本的功能要求.2.2TheloadsonBuildingStructure常见荷载的标准值可以从我国现行《建筑结构荷载 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》(GB5009-2001)中查到。在房屋设计的方案阶段，总体估算时通常需要考虑竖向作用的荷载水平作用的荷载2.2TheloadsonBuildingStructure2.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(Estimatetheverticalloads)(一)房屋总重W国内高层建筑qi值约为12～16kN/m2(其中活荷约占1.5～2.5kN/m2)剪力墙和筒体结构约为14～16kN/m2框架及框架—剪力墙结构约为12～14kN/m2混合结构房屋约为16kN/m2，东北地区外墙很厚，有时可能更大一些。应当指出1.qi值随房屋所在地区、采用的结构形式、建筑材料的品种等出入较大，以上数据仅供参考。设计中应参考当地的统计资料，必要时可对当地同类房屋进行统计 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ;2.若各层荷载不同或面积不同，应分别统计后叠加起来。当房屋不对称或荷载不对称时，尚应求出总重W的作用位置，以便考虑荷载偏心的影响。2.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalloads)房屋的各种荷载最终都要通过基础传给地基。在设计的方案阶段，要先根据勘探提供的地质资料和地基承载力，确定利用哪一层土壤作为基础的持力层，并大致估算所需的基底面积，以便确定基础埋深和形式等。(二)总重W与地基承载力(TotalweightandCarryingCapacityoftheBase)当房屋总重不大而地基承载力较高时独立基础或条形基础若地基承载力较低或荷载较大时扩大基础底面积筏片基础若地基上层土质较差桩基础2.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalloads)设置地下室高层建筑结构，由于上部荷载很大，有时即使将房屋底面积全部做成筏片基础，其承载力也不一定能满足要求。1.减小地基附加压应力；2.锚固好基础，提高房屋稳定性。2.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalloads)h8墙、柱及基础荷载估算时，通常可近似地不考虑上部结构的连续性，即把上部结构都认为是简支梁板，墙、柱只承受每侧跨度一半传来的荷载。估算时可按跨度的一半划分墙柱的承荷面积，再根据上述楼面荷载估算墙、柱及基础的荷载N。(三)墙、柱及基础荷载估算设计中需要根据墙、柱荷载和轴压比来确定墙柱的截面尺寸。N=qi×m×A 式中：N—墙、柱荷载设计值;qi—相应房屋的楼层折算荷载;m—墙、柱的承荷楼层数;A—不考虑结构连续性的墙、柱的承荷面积。2.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalloads)轴压比μN是指荷载标准组合下柱的轴力设计值N与柱截面面积和混凝土强度设计值乘积之比。 2.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalloads)规范要求：μN=N/(Ac×fc)≤[μN]式中：μN—框架柱的轴压比；Ac—柱截面面积；fc—混凝土的轴心抗压强度设计值。轴压比直接影响墙、柱破坏时的延性性质。以现浇钢筋混凝土框架结构为例，按有关规范，柱轴压比限值[μN]与地震烈度、结构形式、房屋高度有关。地震烈度7°8°9°框架房屋高度(m)≤30＞30≤30＞30≤25抗震等级三级二级二级一级一级轴压比限值[μN]0.90.80.80.70.72.2TheloadsonBuildingStructure一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalloads)房屋设计的方案阶段，总体估算通常主要考虑水平作用荷载竖向作用荷载2.2TheloadsonBuildingStructure二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalloads)在非地震区，风荷载是房屋主要的水平力，在方案阶段的总体分析中，一般只需考虑作用在房屋上风荷载的合力Hω，它是作用在房屋迎风面及背风面Aω上风荷载标准值ωk的合力：Hω=ωk×Aω根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(一)风荷载(WindLoad)ωk=βZ×(μS1-μS2)×μZ×W02.2TheloadsonBuildingStructure二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalloads)风荷载体型系数μS常见坡屋面一般坡度α＜30°,可见屋面在风荷载作用下通常承受吸力。在平屋顶上后加的轻型坡屋面自重很轻，若没有和墙体拉结好，在风荷吸力作用下会被掀起。风荷载除了引起房屋的倾覆以外，局部吸力也是引起房屋破坏的重要原因，尤其是对坡屋顶的破坏。2.2TheloadsonBuildingStructure二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalloads)-0.5+0.8被掀翻的轻屋盖地震力是地震时地面运动加速度引起的，它是房屋质量的惯性力。设计中可近似认为建筑物的质量都集中在各层楼面标高处，地震力的大小与地震烈度、建筑物的质量、结构的自振周期以及场地土的情况等许多因素有关。地震时既有水平震动又有竖向震动，但房屋结构对竖向地震力有较大的承受能力，通常水平地震力是引起结构破坏的主要原因，设计中主要考虑水平地震的影响。(二)地震力Heq(EarthquakeLoad)通常建筑物顶部质量的惯性力最大，向下逐渐减小，地面及地面以下为0。在方案阶段的总体分析时，一般只考虑房屋地震力合力Heq的作用效应Heq=ah×m=ah×(W/g)=α×W式中：ah—房屋质量中心处的地震水平加速度,与地震烈度、结构自振周期、场地土类别有关;α=ah/g—地震影响系数；W—房屋总重。2.2TheloadsonBuildingStructure二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalloads)(二)地震力Heq(EarthquakeLoad)2.2TheloadsonBuildingStructure二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalloads)(三)几种典型体型建筑物在水平风荷及水平地震力作用下的受力情况比较Mw(a)=Hw×h/2；Meq(a)=Heq×h×2/3Mw(b)=Hw×h/3；Meq(b)=Heq×h/2Mw(c)=Hw×h/3；Meq(c)=Heq×2×h/52.2TheloadsonBuildingStructure二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalloads)a)b)c)h/2dbh2h/3∞bdh/2∞bd∞bd∞2bdHwh/3h/3hhh/2∞2bd/32db∞3bd2h/5HwHwHwHwHw2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述(Introduction)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2.3TheRatioofheight-widthandOverturningStability对于一般矩形平面的房屋，长方向比较稳定，较短方向易倾覆，所以这时高宽比的“宽”是指房屋较短方向的结构宽度,悬挑部分或围护结构对抗倾覆没有作用，不应计算在内。以双列柱构成的房屋为例，水平力H引起的倾覆力矩必须由支承体系的竖向反力组成力偶来抵抗。H×a=H×c×h=V×dV=H×c×h/d式中：c=a/h为水平力H作用点的相对高度，与房屋体型和水平力分布有关，称倾覆力臂系数。HdH/2H/2hCh=aVV(a)2.3TheRatioofheight-widthandOverturningStability建筑结构同时还要承受竖向荷载W，对于对称的双列柱结构，竖向荷载将由竖向支承平均分担。同时承受竖向荷载W和水平荷载H时，可以进行叠加，也可用等效偏心力来代替，其偏心距e=H×c×h/W房屋结构的地基主要承受压力，若要地基受拉，则必须设锚杆，这将大大提高造价，增加施工难度。所以，一般情况下可认为地基不能抗拉，也即在竖向荷载W和水平荷载H共同作用下，支承体系底部不得产生拉力，否则房屋将会倾覆。从下图可见，对于双列柱的情况，偏心距e最大不能超过d/2，即最大偏心距emax=eb=d/2，此时为临介状态，或倾覆极限状态。现引入相对偏心距(或叫偏心比)er反映荷载偏心距e与抗倾覆极限偏心距eb的比值er=e/eb式中：e—为水平荷载H和竖向截载W引起的荷载偏心距;eb—为相应建筑结构倾覆临介状态下的偏心距;很明显:er＜1时，地基无拉力，结构稳定；er＝1时，结构处于倾覆极限状态；er＞1时，地基要承受拉力，若不设锚杆，结构将倾覆。dd2.3TheRatioofheight-widthandOverturningStability对于双列柱结构，eb=d/2，得：er=e/eb=(H×c×h/W)×(2/d)=2×(H/W)×c×(h/d)=2×β×c×(h/d)式中：β—为水平荷载与竖向荷载之比；c=a／h—为水平荷载合力作用点的相对高度，与房屋形状及质量分布有关；h/d—房屋的高宽比。在1967年委内瑞拉的加拉加斯地震中，一幢11层旅馆由于倾覆力矩引起的巨大压力使柱的轴压比大大增加，降低了柱截面的延性，使柱头发生剪压破坏。1985年墨西哥地震时，一幢九层钢筋混凝土大厦倾倒，埋深2.5m的箱形基础被翻转45°，甚至基础下的摩擦桩也被拔了出来。另一幢18层框架结构Caromay公寓，由于巨大的倾覆力矩，使地下室柱中引起很大的附加轴力，许多柱的混凝土被压碎，钢筋弯曲成灯笼状。当房屋的总体形式(矩形、三角形或金字塔形等)确定后，上述系数β和C就不会有什么变化，高宽比h/d　不仅对结构的抗倾覆有着重要的影响，而且还直接影响结构内力和变形，尤其在高层建筑抗震设计中，房屋结构的高宽比是一个比房屋高度更重要的参数，高宽比越大，地震作用下结构的内力和侧移也越大，地震引起的倾覆越严重。巨大的倾覆力矩及其在柱中引起的附加拉力和附加压力有时会导至结构破坏。2.3TheRatioofheight-widthandOverturningStability　　日本1982年批准的《高楼结构抗震设计指南》指出：高楼的高宽比决定了地震中剪切变形和弯曲变形的比例。《指南》通常以高宽比小于4的建筑物为设计对象，对于高宽比大于4的高楼，在抗震设计中一般采取加大地震作用的等效静力来考虑倾覆效应和P–Δ效应的影响。　　新西兰Dowrick教授建议，为避免地震中倾覆力矩的严重影响，地震区房屋的高宽比不宜大于4。　　我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002）对高层建筑结构高宽比也作出了严格规定，见下表。2.3TheRatioofheight-widthandOverturningStability因此，在建筑设计的方案阶段，建筑师和结构工程师都必须认真控制好高宽比h/d。当然，除上述分析外，在工程设计中还必须考虑结构抗倾覆的安全度，要留有余地，不能直接按倾覆的极限状态来设计。工程中抗倾覆的安全系数一般取为1.5。此表为钢筋混凝土房屋的高宽比限值，对于钢结构，表中系数加1。高层建筑混凝土结构类型非抗震设计抗震设防烈度6度、7度8度9度框架5542框架-剪力墙，框架-筒体5543剪力墙6654筒中筒、成束筒6654高层建筑钢筋混凝土结构高宽比限值2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述(Introduction)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)物理学的定义：刚度是产生单位“变形”所需要的“力”。应当指出，这里所指的“变形”和“力”都是广义的，“变形”可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等；“力”可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单位“力”作用下的“变形”称为柔度，引起单位“变形”所需的“力”称为刚度，柔度和刚度在数值上互为倒数。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure房屋刚度2.4TheStiffnessandDeformationofStructure一、截面刚度(一)截面(Section)的拉压刚度EA以承受轴心荷载的拉杆为例ΔN=NL/(EA)或EA=N/(ΔN/L)=N/ε式中：ΔN—轴向变形；N—轴向拉力；L—杆件长度；E—杆件材料的弹性模量；A—杆件截面积；ε=ΔN/L轴向荷载N引起的轴向应变。 2.4TheStiffnessandDeformationofStructure一、截面刚度(二)截面(Section)的弯曲刚度EI以纯弯构件为例M/(EI)=1/ρ或EI=M/(1/ρ)式中：ρ—构件变形后该处截面的曲率半径；1/ρ—构件变形后该处截面的曲率。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure一、截面刚度(三)截面(Section)的剪切刚度GAGA=V/γ式中：V—剪力；γ—剪力V引起的剪切角；G—材料的剪切模量。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure一、截面刚度物理学的定义：刚度是产生单位“变形”所需要的“力”。应当指出，这里所指的“变形”和“力”都是广义的，“变形”可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等；“力”可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单位“力”作用下的“变形”称为柔度，引起单位“变形”所需的“力”称为刚度，柔度和刚度在数值上互为倒数。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure房屋刚度2.4TheStiffnessandDeformationofStructure二、构件刚度通常指构件(Member)在特定方向上引起单位变形所需的特定的荷载例1:承受集中荷载的悬臂柱,柱长比起截面尺寸要大很多，通常称为杆件。杆件的弯曲变形较大，相比之下剪切变形和轴向变形的影响小到可以忽略不计，所以只计弯曲变形。悬臂柱在柱顶水平力作用下的变形Δ=PL3/3EI；在柱顶单位水平力作用下的位移δ=L3/3EI，称为柔度，则产生柱顶单位侧移所需的力1/δ=3EI/L3，称为该柱在柱顶水平力作用下的抗侧移刚度。例2:承受均布荷载的简支梁，也是一个杆件，可只考虑弯曲变形，其跨中挠度Δ=5qL4/(384EI）；在单位均布荷载下的跨中挠度δ=5L4/（384EI），称为柔度。而产生单位跨中挠度所需施加的均布荷载1/δ=384EI/（5L4），称为简支梁在均布荷载作用下的刚度。其它支承条件、荷载情况下的变形在一般材料力学书上均可找到，大家可自行查阅参考。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure二、构件刚度2.4TheStiffnessandDeformationofStructure二、构件刚度在建筑工程中弯曲变形的影响弯曲变形及剪切变形的影响还应考虑轴向变形的影响对于梁柱这样的杆件以弯曲变形为主，一般只需考虑第一项对于象剪力墙、深梁这样的构件，由于截面较高，弯曲变形很小，剪切变形所占比例较大，应考虑前两项对于超高层房屋，由于房屋高宽比较大，长柱子的轴向变形所引起的房屋侧移也占有一定的比例，不能忽略。物理学的定义：刚度是产生单位“变形”所需要的“力”。应当指出，这里所指的“变形”和“力”都是广义的，“变形”可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等；“力”可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单位“力”作用下的“变形”称为柔度，引起单位“变形”所需的“力”称为刚度，柔度和刚度在数值上互为倒数。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure房屋刚度2.4TheStiffnessandDeformationofStructure三、结构刚度2.4四、房屋高度对结构内力和变形的影响(TheeffectsofBuildingHeightonInternalforcesandDeformationsofStructure)以最简单的矩形塔楼为例，各标准层的竖向荷载基本相同，为了简化计算，我们只分析在均匀分布的水平风荷载作用下的情况。(一)结构的竖向荷载N由于各标准层的层高和楼层荷载基本相同，故结构的竖向荷载与计算截面以上的楼层数成正比，也可以说是与结构总高度成正比。结构底部竖向荷载最大值Nmax=qi×A×n=qi×A×h/h1式中：qi—包括墙体自重在内的楼层折算均布荷载；A—楼层面积；n—楼层数，当各层层高相同时，n=h/h1；h—建筑物总高；h1—每层层高。2.4四、房屋高度对结构内力和变形的影响(TheeffectsofBuildingHeightonInternalforcesandDeformationsofStructure)(二)结构的水平剪力V在均布水平荷载作用下，结构水平剪力V与计算截面以上高度成正比，底部最大剪力Vmax=qH×h(三)结构的总弯矩M结构截面弯矩与计算截面以上高度成平方比，底部最大弯矩为：Mmax=qH×h2/2(四)房屋的顶部侧移Δ由结构力学知识，若假定各层结构截面不变，则承受均布荷载悬臂梁的端点位移为：Δ=qH×h4/(8EI) 2.4四、房屋高度对结构内力和变形的影响(TheeffectsofBuildingHeightonInternalforcesandDeformationsofStructure)2.4四、房屋高度对结构内力和变形的影响(TheeffectsofBuildingHeightonInternalforcesandDeformationsofStructure)图中Δ与h4成正比。可见高层建筑设计的难点是刚度问题，要设法提高房屋结构的刚度。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure五、关于房屋刚度的讨论讨论一座小塔楼的几种结构方案，看如何提高刚度EI？设塔楼平面尺寸相同，边长均为5.2m，结构截面面积均为4m2。由四根1m见方柱组成，其截面刚度为四根柱截面刚度:I1=4/12若将四根小柱合并为一根大柱，则刚度为:I2=4I1若将四根1m见方的柱“拍扁”，做成四片独立的墙，每一片为0.2m×5m:I3=12.5I1若将上述四片墙在墙角处连成整体，形成箱形截面:I4=50I1由以上分析对比可见(1)将小柱合并成大柱，可有效地提高抗侧移刚度，这是结构设计中所谓材料集中使用的原则；(2)结构墙的平面内刚度要比柱大得多，利用结构墙可大大提高房屋的抗侧移刚度；(3)垂直荷载方向的墙体在独立工作时处于出平面受弯状态，其抗弯刚度与平面内抗弯刚度相比小得可以忽略不计。然而，当组成整体箱形截面后，它是作为箱形截面的“翼缘”参加抗弯工作，内力臂很大，“翼缘”是箱形截面抗弯刚度的主要部分，大大提高了抗弯刚度；(4)对比方案3和方案4，刚度相差4倍，而实际上差别仅在将四片独立墙连系起来，使其整体共同工作，形成一个完整的箱形截面(即筒体)，截面变形符合平面假定。由此也可以看出墙片间连接构造的重要性，如果连接失效，方案4又会恢复为方案3，抗弯刚度又降为四分之一；2.4TheStiffnessandDeformationofStructure五、关于房屋刚度的讨论抗弯刚度为：I5=53.92I1由此推理，若能将方案1的四柱加上刚性联系，使其共同工作，截面变形符合平面假定，则刚度还可提高。上述方案都只是在结构平面上的改进，其实还可在立面上想想办法。方案5：在四根小柱顶端加上刚性很大的横梁，形成框架，保证四根小柱象整体截面一样共同工作方案5刚度要比方案4还大。我们来分析一下方案5的受力状态，例如在左侧水平荷载下，若没有刚性横梁，则两排柱都将像独立悬臂柱一样自由侧移。若在柱顶加上“刚性”横梁，刚性横梁与柱刚性连接，刚性横梁在柱变形前与柱垂直相交，在柱变形后仍要保持与柱垂直相交，为此，刚性横梁中存在很大剪力，迫使左柱拉长、右柱压缩。在柱中产生轴力V，左柱受拉、右柱受压，形成反向力矩V·d，抵消了一部分倾覆力矩。若以柱顶刚性横梁作脱离体，刚性横梁受到左柱拉力和右柱压力组成的力矩作用，转角大大减小。I5=53.92I1　　可见，柱间刚性横梁使柱顶变形一致，引起柱内附加轴力，并组成反向力矩，减少了柱顶侧移，提高了柱的弯曲刚度（注意：这里暂没有计入框架的剪切变形）。有关刚性横梁的作用在后面结构竖向体系部分还要详细讨论。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure五、关于房屋刚度的讨论3.25.2113.211方案6：形成框架方案5实际上是一榀带刚性横梁的单层框架，单层框架的抗侧移刚度比独立柱好得多。但若柱子过长过高，受压过程中容易失稳。为此，我们可以增设中间横梁，形成多层框架，以减少柱的计算长度，防止柱子失稳。方案7：形成桁架体系方案6这种多层框架的杆件内力以弯矩为主，而杆件的弯曲变形是比较大的。若在多层框架中加上交叉支撑，形成桁架体系，则构件内力以轴力(拉压)为主，弯矩大大减小。从而大大提高了结构的抗侧移刚度。方案8：让塔楼体形接近水平荷载下的弯矩图2.4TheStiffnessandDeformationofStructure五、关于房屋刚度的讨论不难看出，这几种方案先从平面上改进，又从立面上改进，在材料用量基本不变情况下，结构抗弯刚度越来越大，受力更加合理。　　可见，作为一名结构工程师，运用所学的力学知识和结构知识，在结构设计中是可以大有作为的。　　经过上述不断改进的塔楼越来越像绪论中介绍的巴黎艾菲尔铁塔了。再一次证明了巴黎艾菲尔铁塔的结构合理性。2.4TheStiffnessandDeformationofStructure五、关于房屋刚度的讨论巴黎艾菲尔铁塔 2.4TheStiffnessandDeformationofStructure五、关于房屋刚度的讨论2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述(Introduction)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding一、竖向荷载的偏心常见的几种房屋不对称情况外形不对称结构不对称(a)(b)(c)eeeWWW2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding一、竖向荷载的偏心设计中可调整墙柱结构布置，尽可能使结构受力均匀。对于偏心引起的不均匀沉降，在基础设计中可以调整基础形状，改变基底反力分布，使地基反力更加均匀;也可通过验算基础沉降差，使沉降差控制在允许范围内。物理学的定义：刚度是产生单位“变形”所需要的“力”。应当指出，这里所指的“变形”和“力”都是广义的，“变形”可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等；“力”可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单位“力”作用下的“变形”为柔度，引起单位“变形”所需的“力”为刚度，柔度和刚度在数值上互为倒数。2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding二、水平荷载的偏心房屋刚度2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding二、水平荷载的偏心房屋刚度是由许多组成房屋的结构构件(例如柱、框架、结构墙等)的刚度组合而成的，它们靠平面内刚度很大的楼盖(或屋盖)体系连系在一起，楼盖(或屋盖)像一个刚性盘体一样迫使与其相连的竖向结构协调变形，只产生平移和整体转动。假如我们将房屋结构平移一个单位位移，则每一个柱、框架或结构墙都会产生反力，这些反力就是这些个别结构构件的抗侧移刚度。这些反力的合力即为房屋结构抗侧移的总刚度，此合力的作用点即为结构的刚度中心。用这种办法，可以很快找到结构刚度中心，也可用来调整结构刚度中心的位置。若水平荷载合力通过结构刚度中心，房屋就不会产生扭转。2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding二、水平荷载的偏心对于一般房屋建筑，水平荷载主要是风荷载和地震荷载。风荷载的合力大致在迎风面面积的中心附近，而地震力是一个惯性力，其合力大致在房屋的质量中心附近。应当指出，对于不完全对称的房屋，这两个中心往往不在一起，不能同时使它们与结构刚度中心完全重合，这种偏心一般是不可避免的，结构设计中应尽量设法减小这种偏心。当偏心较大时,设计中应当考虑由于结构总体扭转对角部结构引起的附加内力，或对四角结构构件予以适当加强。㎏地震力F引起的2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding二、水平荷载的偏心在高层建筑结构中，结构抗侧移刚度不对称会使水平荷载与结构抗侧移刚度的中心(简称刚度中心)偏心。e中央电视台新楼就是典型的不对称结构，无论平面还是立面都不对称，竖向结构还倾斜6o，上部结构最大悬挑超过75m，建筑物整体偏心。虽然大楼造型独特，很有创意，但从结构工程师的视角来看，似乎选择了最不合理的受力状态。特别是在强风和强烈地震（北京是地震8度设防区）作用下，建筑物将产生非常大的扭矩和倾覆力矩，除了结构设计和施工困难外，浪费和安全问题更是可想而知。难怪中央电视台新楼被人们戏称为“歪门斜楼”。2.5TheEffectofUnsymmetricalBuilding2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述(Introduction)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2.6TheGeneralEstimationofStructure方案阶段要快速简捷地进行粗略估算判断结构承载力方面的可行性判断变形方面的可行性结构工程师对方案心中有数,设计方案的可行性才有科学根据以纽约原世贸中心为例，说明如何对房屋结构进行简化和估算。2.6TheGeneralEstimationofStructure纽约：原世界贸易中心2.6TheGeneralEstimationofStructure纽约：原世界贸易中心2.6TheGeneralEstimationofStructure算例:原世界贸易中心(TheWorldTradeCenter)位于纽约曼哈顿区，是两栋形状几乎相同的110层方形塔楼，采用筒中筒(TubeinTube)结构，外筒为密柱框筒，底层每边有19根箱形截面钢柱，柱距3.05m。底层柱箱形截面为686mm×813mm，平均壁厚为90mm，柱截面面积Ac=0.263m2，角柱适当加强。原世界贸易中心总体高宽比h/d=412/63.5=6.49，大楼位于大西洋海边，风荷载较大，30m以上风荷载为2692N/m2，平均风荷载为2200N/m2。要求验算在风荷作用下柱子附加轴力和塔楼顶部侧移(LateralDeflection)。2.6TheGeneralEstimationofStructure一、问题的简化1.把世界贸易中心塔楼看作嵌固在地面的悬臂梁；2.筒中筒结构在水平荷载作用下，内筒力臂小，抗弯作用较小，主要抗剪；外框筒主要抗弯。近似估算时先只考虑外框筒的抗弯作用；3.外框筒结构密柱间有刚性横梁相连，近似看作是共同工作的整体箱形截面，暂不考虑轴向变形的影响；4.角柱只有四根，近似与中间柱一样对待;风荷取平均值。2.6TheGeneralEstimationofStructure二、水平风荷载引起的柱附加轴力估算1．房屋结构底层总弯矩M=qwh2/2=2.2×63.5×4122/2=11860×103(kN.m)2．房屋结构总体截面惯性矩I:为简化计算，沿风荷方向的框筒柱近似按“拍扁”后的等效“腹板”计算，则“腹板”的等效厚度：t=Ac/S=0.0862mI=(Ac×y2)×2n+2×t×d3/12式中：Ac—柱截面面积；d—结构总宽；S—柱间距；n—每边的柱数；y—框筒柱离截面中心的距离；2.6TheGeneralEstimationofStructure则房屋结构的总体截面惯性矩：I=13753m4边柱由风荷载引起的最大附加应力σw=M×y/I=27.38N/mm2即风荷引起的柱内最大附加应力为：σwmax=27.38N/mm2则单柱由风荷引起的最大附加内力为：Nw=Ac×σwmax=263000×27.3=7200000N=7200kN2.6TheGeneralEstimationofStructure三、风荷作用下房屋顶端侧移(LateralDeflection)Δ估算:等截面悬臂梁端点挠度公式为qh4/(8EI)，世界贸易中心框筒的箱形截面柱是变截面柱，底部柱截面面积为Ac，越往上截面越小，近似认为柱顶截面为0的均匀变截面构件，则变形要比等截面构件大些，此时的顶端侧移为Δ=qh4/(2EI)=2200×63.5×4124/(2×2×1011×13753)=0.732m≈h/560按美国规范，允许侧移为：[Δ]=0.002h=0.002×412=0.824mΔ=0.732m＜[Δ]=0.824m满足设计要求2.6TheGeneralEstimationofStructure四、讨论1．在工程设计中尚应考虑地震作用、自重等荷载下的内力及变形，这里作为例题仅考虑风荷影响；2．世界贸易中心塔楼的总体高宽比:(1)假定房屋增高10%，则，h=1.1×412=453.2m若其它条件不变，则塔楼顶端侧移为：Δl1=1.072mΔl.1=1.072m＞[Δl.1]=0.9064不满足设计要求(2)假定房屋宽度减小10%，则房屋边长d=0.9×63.5=57.15m，若柱截面和柱距不变，每边剩17根柱，则I=9983m4塔楼顶端侧移为：Δ0.9=1.008mΔ0.9=1.008m＞[Δ0.9]=0.842m不满足设计要求(3)将这三种情况列表比较2.6TheGeneralEstimationofStructure由以上比较可见，高宽比(h/d)对侧移Δ的影响十分敏感，高度或宽度只增、减10%，则侧移相差分别达46.4%和37.7%。同样，高宽比对结构内力的影响也比较大。可见，在高层房屋的方案阶段，设计人员必须认真控制好结构的总体高宽比。序号高度h(m)宽度d(m)h/dΔ(m)Δi/Δl141263.56.4880.73212453.263.57.1371.0721.464341257.157.2091.0081.377三种方案比较2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)第二章结构设计中的总体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述(Introduction)2.4结构的刚度和变形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不对称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构总体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑结构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的总体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem在本章前几节讨论建筑结构的总体问题时，我们把房屋看成一个整体，即假定房屋具有足够的承载力和刚度（称为整体假定）;即在方案阶段，我们可以把房屋看成一个三维的空间刚性块体来分析它的总体问题。对于复杂体形的房屋还可把它划分为几块，分别研究它的高宽比、倾覆以及总荷载、总刚度等，然后组合起来;然而，建筑结构事实上都不是刚性块体，而是由许多平面结构构件组成。在初步设计阶段，我们就要对这些平面结构进行内力分析和变形估算。2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem一、结构体系的平面结构(PlaneStructure)结构总体系结构体系通常由许多平面结构组成结构的水平体系结构的竖向体系楼盖和屋盖等它们本身又是由许多构件组成结构墙、柱、框架、排架等2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem一、结构体系的平面结构(PlaneStructure)结构的水平体系例如楼盖体系，不仅直接承受作用其上的竖向荷载，通过竖向弯、剪把竖向荷载传给竖向结构体系(例如框架或结构墙)。在水平荷载作用下，水平结构分体系还像一个平卧的受弯构件一样，把水平荷载传递给竖向结构体系。由于水平结构体系(例如楼盖)在其自身平面内的刚度都很大，它还能起到协调各竖向体系侧移的作用。通常可假定楼盖平面内的刚度为无穷大，像一个刚性盘体。此时，与楼盖相连的各竖向结构体系在楼盖平面内的变形就象刚体运动。采用这种假定，可大大简化结构计算。2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem一、结构体系的平面结构(PlaneStructure)NVV结构的竖向体系结构的竖向体系直接承受竖向荷载，把它传给基础；在水平荷载作用下，竖向结构体系是重要的抗侧力结构，它不仅要将水平荷载传给基础，同时要有足够的抗侧移刚度，使结构的侧移量不超过允许值。这一点对高层建筑结构尤为重要。2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem一、结构体系的平面结构(PlaneStructure)(b)水平结构体系和竖向结构体系结构体系互为支承，减小了各自的计算长度和跨度，大大提高了结构总体系的刚度和承载能力。应当指出，在建筑结构总体系中，结构构件间的可靠连接是十分重要的，只有可靠的连接，才能保证构件与结构体系之间力的传递，形成结构总体系。竖向结构体系水平结构体系2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem一、结构体系的平面结构(PlaneStructure)合理的整体结构体系和可靠的连接将大大提高结构的抗震性能1972年12月23日尼加拉瓜首都马那瓜市发生强烈地震，地震作用达0.35g(注:g—重力加速度)，有一万多栋房屋在地震中倒塌,而1963年由林同炎(T.Y.Lin)公司设计的美国银行大厦位于震中，虽然设计中只考虑0.06g的地震作用，然而，承受了六倍的设计地震作用,仍安然无恙，曾引起世界工程界的注目。地震作用是随机的，地震力的大小和方向也难精确确定，然而运用清晰的结构概念，对结构总体系进行合理设计，重视结构构件的可靠连接，形成有效的结构总体系，就可大大提高结构的抗震性能。2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem一、结构体系的平面结构(PlaneStructure)2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem二、例题Example要求估算在地震力作用下结构墙的受力状态本例题为一敞开的两层车库，结构竖向体系为三片结构墙和钢筋混凝土柱，水平结构体系为预制装配式钢筋混凝土楼盖，为节省刚性节点的构造费用，梁简支在墙、柱上。层高3m，结构墙自重5kN/m2，楼盖及屋盖荷载4kN/m2，根据当地地震资料，取地震力Heq=0.1W。2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem二、Example(一)初步分析和简化1．两层车库竖向荷载不大，柱截面较细，在水平荷载作用下，与结构墙相比，其抗侧移刚度可忽略不计；2．三片结构墙尺寸相同，在沿车库纵向地震力作用下只有结构墙C能抵抗水平荷载，而在横向地震力作用下有结构墙A和B；3．由于梁是简支在墙、柱上，所以梁板按简支方式传递竖向荷载；4．装配式钢筋混凝土楼盖板缝灌细石混凝土，楼盖平面内刚度很大，可近似认为刚性楼盖，则各墙柱侧移相同。(二)结构墙受荷分析1．竖向荷载各墙柱所受竖向荷载：图中虚线所围面积为承载面积，每侧均取跨度的一半。结构墙C所受竖向力为：两层楼板荷重：2×4×18×18=2600kN结构墙C自重：5×12×3×2=360kN结构墙C竖向荷载合计：W=2960kN2.7TheConstituteofGeneralStructuralSystem二、Example2．水平地震力忽略柱的抗侧移刚度，所以沿房屋纵向的地震力全部由结构墙C承担；结构墙C的每层地震力为：Heq=0.1×4×48×36=680kN3.结构墙C的荷载简图如上图所示，在W和Heq共同作用下，其折算荷载偏心距：e=M/W=（680×6+680×