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建筑结构基础知识建筑结构基础知识 1 0.1 建筑结构的基本概念建筑结构的基本概念 建筑物中由若干构件连接而成的能承受“作用”的平面或空间体系称为建筑结构，在不致混淆时可简称结构。作用分为直接作用和间接作用。直接作用习惯上称为荷载，系指施加在结构上的集中力或分布力系。间接作用指引起结构外加变形或约束变形由温度变化、材料胀缩等引起的受约束结构或构件中潜在的变形称为约束变形，由地面运动、地基不均匀变形等引起的结构或构件的变形称为外加变形。2 建筑结构由水平构件、竖向构件和基础组成。水平构件包括板、梁等，用以承受竖向荷载；竖向构件包括柱、墙等，用以支承水平构件或承受水平荷载；基础用以将建筑物承受的荷载传至地基。按照所用的材料不同，建筑结构可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构等类型。3 （1）混凝土结构 混凝土结构是钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和素混凝土结构的总称，其中钢筋混凝土结构应用最为广泛。钢筋混凝土结构具有以下优点：易于就地取材。耐久性好。抗震性能好。4 可模性好。耐火性好。刚度大，承载力较高。（2）砌体结构 由块体（砖、石材、砌块）和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构称为砌体结构，它是砖砌体结构、石砌体结构和砌块砌体结构的统称。5 砌体结构主要有以下优点：取材方便，造价低廉。具有良好的耐火性及耐久性。具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好。施工简单，技术容易掌握和普及，也不需要特殊的设备。砌体结构的主要缺点是自重大，强度低，整体性差，砌筑劳动强度大。6 （3）钢结构 钢结构系指以钢材为主制作的结构。钢结构具有以下主要优点：材料强度高，自重轻，塑性和韧性好，材质均匀；便于工厂生产和机械化施工，便于拆卸；具有优越的抗震性能；无污染、可再生、节能、安全，符合建筑可持续发展的原则。7 （4）木结构 木结构是指全部或大部分用木材制作的结构。这种结构易于就地取材，制作简单，但易燃、易腐蚀、变形大，并且木材使用受到国家严格限制，因此已很少采用。8 0.2 建筑结构的历史和发展趋势建筑结构的历史和发展趋势 我国黄河流域的仰韶文化遗址就发现了公元前5000年前3000年的房屋结构痕迹。金字塔、万里长城都是结构发展史上的辉煌之作。17世纪工业革命后，资本主义国家工业化的发展推动了建筑结构的发展。17世纪开始使用生铁，19世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋。自19世纪中叶开始，钢结构得到了蓬勃发展。9 1824年水泥的发明使混凝土得以问世，20多年后出现了钢筋混凝土结构。1928年预应力混凝土结构的出现使混凝土结构的应用范围更为广泛。目前，最高的钢结构房屋的高度已达450m（马来西亚吉隆坡国营石油公司大厦），钢筋混凝土结构房屋的高度达305.4m（朝鲜平壤柳京饭店），钢索桥的跨度达1410.8m（英国亨伯钢索桥）。10 我国建筑结构领域也取得了辉煌成就。1998年建成的矗立在我国上海浦东陆家嘴的金茂大厦高420.5m，地上88层，地下3层，其高度居全国第一，亚洲第二，世界第三；上海环球金融中心，高492m，共101层，其高度居世界第一，如图0.1所示。建筑结构的发展趋势主要表现在以下几个方面：11 （1）理论方面 一是随着研究的不断深入、统计资料的不断积累，结构设计方法将会发展至全概率极限状态设计方法。二是衡量结构安全的可靠度理论不断发展，目前有学者提出全过程可靠度理论，将可靠度理论应用到工程结构设计、施工与使用的全过程中，以保证结构的安全可靠。三是随着计算机的发展，工程结构计算正向精确化方向发展，结构的非线性分析是发展趋势。12 （2）材料方面 混凝土将向轻质高强方向发展。高强钢筋发展较快。砌体结构材料的发展方向也是轻质高强。钢结构材料主要是向高效能方向发展。13 （3）结构方面 空间钢网架、悬索结构、薄壳结构成为大跨度结构发展的方向。高层砌体结构也开始应用。组合结构也是结构发展的方向。14 （4）施工技术方面 预应力混凝土楼盖和预应力混凝土框架结构有较快发展。在高层建筑中，大模板、滑模等施工方法得到广泛推广和应用。碾压混凝土也是近年来发展较快的新型混凝土，它可用于大体积混凝土结构、公路路面及机场道面，其特点是施工机械化程度高、效率高、劳动条件好、工期短。15 1、按所用材料的不同分类 (1)混凝土结构 (2)砌体结构 (3)钢结构 (4)木结构 建筑结构的类型及应用 2、按承重结构类型分类 两大方面。一方面是解决跨度问题的结构，另一方面解决高度问题的结构。解决跨度问题的结构包括：16 17 18 19 20 21 （1）钢筋表面与混凝土之间的粘结作用由三部分组成：一是混凝土结硬时体积收缩，将钢筋紧紧握住而产生的摩擦力；二是由于钢筋表面凹凸不平而产生的机械咬合力；三是混凝土与钢筋接触表面间的胶结力。（2）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数几乎相同，在温度变化时，二者的变形基本相等，不致破坏钢筋混凝土结构的整体性。（3）钢筋被混凝土包裹着，从而使钢筋不会因大气的侵蚀而生锈变质。钢筋与混凝土的共同工作钢筋与混凝土的共同工作 22 为了增加钢筋在混凝土内的抗滑移能力和钢筋端部的锚固作用，绑扎钢筋骨架中的受拉光面钢筋末端应做弯钩。标准弯钩的构造要求。钢筋的弯钩钢筋的弯钩 图2.4 光面钢筋端部的弯 (a)手工弯半圆弯钩；(b)23 钢筋混凝土构件中，某根钢筋若要发挥其在某个截面的强度，则必须从该截面向前延伸一个长度，以借助该长度上钢筋与混凝土的粘结力把钢筋锚固在混凝土中，这一长度称为锚固长度。钢筋的锚固长度取决于钢筋强度及混凝土强度，并与钢筋外形有关，它可根据钢筋应力达到屈服强度时钢筋才被拔动的条件确定。（1）当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，普通受拉钢筋的锚固长度la按下式计算：2.3.3.3 钢筋的锚固钢筋的锚固 24 yatfldf 按式（2.6）计算的锚固长度应按下列规定进行修正，但经修正后的锚固长度不应小于计算值的0.7倍，且不应小于250mm：对HRB335、HRB400和RRB400级钢筋，当直径大于25mm时乘以系数1.1，在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配有箍筋时乘以系数0.8 对HRB335、HRB400和RRB400级的环氧树脂钢筋乘以系数1.25；25 当钢筋在混凝土施工中易受扰动（如滑模施工）时乘以系数1.1；除构造需要的锚固长度外，当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，如有充分依据和可靠措施，其锚固长度可乘以设计计算面积与实际配筋面积的比。当HRB335、HRB400和RRB400级纵向受拉钢筋末端采用机械锚固措施（图2.5）时，包括附加锚固端头在内的锚固长度可取按式（2.6）计算的锚固长度的0.7倍。26 （2）当计算中充分利用钢筋的抗压强度时，其锚固长度不应小于按式（2.6）计算的锚固长度的0.7倍。27 图2.5 钢筋机械锚固的形式及构造要求 (a)末端带135弯钩；(b)末端与钢板穿孔塞焊；(c)末端与短钢筋双面贴焊 28 在施工中，常常会出现因钢筋长度不够而需要接长的情况。钢筋的接头形式有绑扎搭接接头、焊接接头和机械连接接头。规范规定，轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头；直径大于28mm的受拉钢筋及直径大于32mm的受压钢筋不宜采用绑扎搭接接头。2.3.3.4 钢筋的接头钢筋的接头 29 （1）绑扎搭接接头 绑扎搭接接头的工作原理，是通过钢筋与混凝土之间的粘结强度来传递钢筋的内力。因此，绑扎接头必须保证足够的搭接长度，而且光圆钢筋的端部还需做弯钩(图2.6)。纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度ll应根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率按下式计算，且在任何情况下均不应小于300mm。ll=la300mm (2.7)30 纵向受压钢筋采用搭接连接时，其受压搭接长度不应小于按式（2.7）计算的受拉搭接长度的0.7倍，且在任何情况下均不应小于200mm。钢筋绑扎搭接接头连接区段的长度为1.3倍搭接长度，凡搭接接头中点位于该长度范围内的搭接接头均属同一连接区段（图2.7）。同一构件中相邻纵向的绑扎搭接接头宜相互错开。在纵向受力钢筋搭接长度范围内应配置箍筋，其直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍。31 当钢筋受拉时，箍筋间距s不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm（图2.8）；当钢筋受压时，箍筋间距s不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm。当受压钢筋直径大于25mm时，还应在搭接接头两个端面外100mm范围内各设置两个箍筋。32 （2）机械连接接头 纵向受力钢筋机械连接接头宜相互错开。钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）。在受力较大处设置机械连接接头时，位于同一连接区段内纵向受拉钢筋机械连接接头面积百分率不宜大于50%，纵向受压钢筋可不受限制；在直接承受动力荷载的结构构件中不应大于50%。33 （3）焊接接头 纵向受力钢筋的焊接接头应相互错开。钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d（d为纵向受力钢筋的较大直径）且不小于500mm。位于同一连接区段内纵向受拉钢筋的焊接接头面积百分率不应大于50%，纵向受压钢筋可不受限制。34 图2.6 钢筋的绑扎接头 (a)光面钢筋；(b)35 图2.7 同一连接区段内的纵向受拉钢筋绑扎搭接接头 36 图2.8 受拉钢筋搭接处箍筋设置 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 图3.23 梁的正截面破坏 （a）适筋梁；（b）超筋梁；（c）少筋梁 47 图3.27 T形梁示例 48 表4.1 纵向受力构件类型 类别 轴心受力构件（e0=0）轴心受拉构件 轴心受压构件 简图 变形特点 只有伸长变形 只有压缩变形 举例 屋架中受拉杆件、圆形水池等 屋架中受压杆件及肋形楼盖的中柱、轴压砌体等 49 类别 偏心受力构件(e00)偏心受拉构件 偏心受压构件 简图 变形特点 既有伸长变形，又有弯曲变形 既有压缩变形，又有弯曲变形 举例 屋架下弦杆（节间有竖向荷载，主要是钢屋架）、砌体中的墙梁 框架柱、排架柱、偏心受压砌体、屋架上弦杆（节间有竖向荷载）等 50 4.2 钢筋混凝土受压构件钢筋混凝土受压构件 钢筋混凝土受压构件分为轴心受压构件和偏心受压构件，它们在工业及民用建筑中应用十分广泛。轴心受压柱最常见的形式是配有纵筋和一般的横向箍筋，称为普通箍筋柱。箍筋是构造钢筋，这种柱破坏时，混凝土处于单向受压状态。当柱承受荷载较大时，增加截面尺寸受到限制时，普通箍筋柱又不能满足承载力要求时，横向箍筋也可以采用螺旋筋或焊接环筋，这种51 螺旋箍筋是受力钢筋，这种柱破坏时由于螺旋箍筋的套箍作用，使得核心混凝土（螺旋筋或焊接环筋所包围的混凝土）处于三向受压状态，从而间接提高柱子的承载力。所以螺旋箍筋也称间接钢筋，螺旋箍筋柱也称间接箍筋柱。螺旋箍筋柱常用的截面形式为圆形或多边形。52 混凝土宜采用C20、C25、C30或更高强度等级。钢筋宜用HRB335、HRB400或RRB400级。为了减小截面尺寸，节省钢材，宜选用强度等级高的混凝土，而钢筋不宜选用高强度等级的，其原因是受压钢筋与混凝土共同工作，钢筋应变受到混凝土极限压应变的限制，而混凝土极限压应变很小，所以钢筋的受压强度不能充分利用。混凝土规范规定受压钢筋的最大抗压强度为400N/mm2。构造要求构造要求 材料要求材料要求 53 轴压柱常见截面形式有正方形、矩形、圆形及多边形。矩形截面尺寸不宜小于250mm250mm。为了避免柱长细比过大，承载力降低过多，常取l0/b30，l0/h25，b、h分别表示截面的短边和长边，l0表示柱子的计算长度，它与柱子两端的约束能力大小有关。4.2.1.2 截面形式及尺寸截面形式及尺寸 54 （1）纵筋及箍筋构造（见表4.2）（2）纵向钢筋的接头 受力钢筋接头宜设置在受力较小处，多层柱一般设在每层楼面处。当采用绑扎接头时，将下层柱纵筋伸出楼面一定长度并与上层柱纵筋搭接。同一构件相邻纵向受力钢筋接头位置宜相互错开，当柱每侧纵筋根数不超过4根时，可允许在同一绑扎接