二建考试必备-建筑结构与设备(4)建筑结构与结构选型

第二章 建筑结构与结构选型

第一节 建筑结构基本概念

一、建筑结构的定义

建筑物用来形成一定空间及造型，并具有抵御人为和自然界施加于建筑物的各种作用力，使建筑物得以安全使用的骨架，即称为结构。

二、建筑结构的组成

建筑结构一般都是由以下结构构件组成的； 1．水平构件

用以承受竖向荷载的构件。一般有： (1)板。包括平板、曲面板、斜板； (2)梁。直梁、曲梁、斜梁； (3)桁架、网架等。 2．竖向构件

用以支承水平构件或承担水平荷载的构件。一般有： (1)柱； (2)墙体； (3)框架。 3．基础

是上部建筑物与地基相联系的部分，用以将建筑物所承受的所有荷载传至地基上。 三、建筑结构的分类

1．按组成建筑结构的主要建筑材料划分 (1)钢筋混凝土结构；

(2)砌体结构：砖砌体，石砌体，小型砌块，大型砌块，多孔砖砌体等； (3)钢结构；

(4)木结构； (5)塑料结构； (6)薄膜充气结构。

2．按组成建筑结构的主体结构形式划分

(1)墙体结构：以墙体作为支承水平构件及承担水平力的结构； (2)框架结构；

(3)框架-剪力墙(抗震墙)；(4)筒体结构； (5)桁架结构；(6)拱形结构；

(7)网架结构；(8)空间薄壁结构(包括：薄壳、折板、幕式结构)； (9)钢索结构(悬索结构)；(10)薄膜结构。 3．按组成建筑结构的体形划分

(1)单层结构(多用于单层厂房、食堂、影剧场、仓库等)； (2)多层结构(2—6层)； (3)高层结构(一般为7层以上)； (4)大跨度结构(跨度在40—50m以上)。 4.按结构的受力特点划分 （1）平面结构体系 （2）空间结构体系。

第二节 建筑结构基本构件设计

基本构件是组成结构体系的单元。按受力特征来划分主要有以下三类：轴心受力构件、偏心受力构件和受弯构件。

(一)轴心受力构件

当构件所受外力的作用点与构件截面的形心重合时，则构件横截面产生的应力为均匀 分布，这种构件称为轴心受力构件。可分为：

1.轴心受拉构件

如图2-1所示构件，外力F使构件横断面仅产生均匀拉应力时即为轴心受拉构件。常用于桁架的下弦杆及受拉斜腹杆。

图2-1

如图构件内的应力

（2-1）

此构件的承载能力为 σ1≤[σ]

[σ]—材料的允许应力。这种构件最能充分发挥材料的强度。 2.轴心受压构件

图2-2

外力以压力的方式作用在构件的轴心处，使构件产生均匀压应力时，即为轴心受压构件。 其截面应力为：

（2-2）

轴心受压构件截面应力σ1尚未达到材料的强度设计值[σ]前就会因弯折而失去承载能力这种现象称为丧失稳定性。因此其际承载力是由稳定性控制，稳定系数φ<1，故其承载力的表达式为：

（2-3）

式（2-3）中的φ即为按稳定考虑构件临界应力时的承载力与强度承载力的比值，称为稳定系数。由此可见相同材料的拉杆与压杆受同样的荷载F作用时，拉杆所需的截面尺寸要比压杆小。

拉杆所需截面为：

压杆所需截面为：

[σ]—材料的强度设计值(即允许应力)。 φ<1， 故A2>A1

φ值与杆件的长细比λ有关；λ=l0/i l0—杆件计算长度，

ii——截面的回转半径；

IA

λ越大，φ越小。则实际承载力越小。 一般提高压杆承载力的措施为：

(1)选用有较大i值的截面，即面积分布尽量远离中和轴； (2)改变柱端固接条件或增设中间支承以改变杆件计算长度l0。 二、偏心受力构件

偏心受力构件分为两种：偏心受拉和偏心受压构件。 1．偏心受拉构件

偏心受拉构件又称拉弯构件，如图2-3示，拉力F作用点与构件的轴心偏离，使构件产生既受拉又受弯。偏心受拉构件截面应力是由两种应力叠加的，其边沿应力公式为： (2)构件的受力状态

图2-3 偏心受拉构件

（2-4）

构件的承载能力应满足σmax≤[σ] σmax—边沿最大拉应力； σmin—边沿最小拉应力； W——截面抵抗矩。

由（2-4）可见在受同样的外拉力时，偏心受拉构件应力要比轴心受拉构件，增大许 多，因此在结构设计应尽量避免出现这种构件。

2．偏心受压构件

如图2-4所示，构件承受的压力作用点与构件的轴心偏离，构件既受压又受弯，这样的构件称为

偏心受压构件(亦称压弯构件)。常见于屋架的上弦杆、框架结构柱，砖墙及砖垛等。

图2-4 偏心受压构件

截面产生的边沿应力公式为：

（2-5）

σmax—边沿最大压应力； σmin—边沿最小压应力。

由式（2-5）知，在受同样的压力F时，由于偏心，截面内受压一侧的压应力增加，而且当偏心引起的弯矩M距较大时，截面内除压应力外将产生一部分拉应力。若压力作用点在构件截面的两个方向上均有偏心，则称为双向偏心构件。

三、受弯构件

水平构件在跨间承受荷载，构件发生弯曲且产生弯矩和剪力，从而使构件截面内产 生弯曲应力和剪应力。这种构件即称为受弯构件。这是结构设计中最常见的单跨梁和多跨梁就属于受弯构件。

(1)简支梁在不同荷载作用下的弯矩图及剪力图见图2-5

图2-5 简支梁在不同荷载作用下的弯矩及剪力

（2）多跨连续梁在均布荷载作用下的弯矩和剪力见图2-6。

图2-6 多跨连续梁在均布荷载作用下的弯矩和剪力 （3）梁截面内的应力分布 1）弯曲应力（图10-8）

（2-6）

2）边沿最大应力：

（2-7）

式中 y—距中和轴的距离； +σmax—边沿最大拉应力； —σmax—边沿最大压应力。

弯曲应力沿截面高度为三角形分布，中和轴处应力为零；顺时针弯曲时中和轴以上为压应力，中和轴以下为拉应力；逆时针弯曲时，中和轴以上为拉应力，以下为压应力。见图2-7.

图2-7 弯曲压力分布

3）剪应力

剪应力在截面上的分布也是不均匀的，其分布规律如图2-8。

图2-8 剪应力分布 平均剪应力：

（2-8）

截面上的剪应力

（2-9）

I——截面惯性矩；

S——计算点以上截面对中和轴的面积矩； b——截面宽度。

剪应力沿截面分布具有如下特征：剪应力在梁高方向的分布是中和轴处最大，以近抛物线的形状分布，在截面边沿处剪应力为零。沿梁长度方向，支座处剪力最大，剪应力也最大；截面的抗剪主要靠腹板（即梁的截面中部）。

（4）受弯构件的变形

受弯构件在荷载作用下要产生弯曲，于是将产生弯曲变形，使梁产生挠度。 1）梁的挠度跨中最大。 2）挠度的大小与正弯矩成正比。

3）跨度相同、荷载相同时，简支梁的挠度比连续梁、二端固定或一端固定一端简支的梁要大。 4）挠度的大小与梁的EI成反比。 （5）受弯构件的设计要点

1）要满足弯曲应力不超过材料的强度设计值。即最大弯矩处的最大弯曲应力必须小于强度设计值。

（2-10）

2）梁内最大剪力的断面平均剪应力不超过材料抗剪的设计值。 3）梁的最大挠度值不得超过规范规定的数值。

四、几种基本构件的比较

上述几种基本构件的合理应用，就能取得合理的结构设计。 1．轴心受拉构件是受力最好的构件

（1）最能充分发挥材料性能。因在外力作用下，沿构件全长及截面的内力及应力都是均匀分布。 （2）在承受相同的荷载下，与受压和受弯构件相比所需的断面最小。

（3）只有具有最多数量的轴拉构件和较少轴压和受弯构件组成的结构体系才是最省材料和经济合理的体系。

2．轴压构件

承载力受稳定的影响，故应避免长杆受压，设计时要特别注意侧向稳定。 3．偏心受压构件

在相同截面下，因受偏心弯矩的影响，其承载力将随偏心距的加大而大为减小。而且也要考虑侧向稳定的影响。

4．受弯构件

（1）构件内的内力不均匀分布，因此不能充分发挥材料的作用。

（2）还存在变形能否满足要求的问题，有时虽已满足强度要求，变形不能满足时，则应按变形要求增大构件断面尺寸。