模块1 力学结构的概念,教学目标,通过本模块的学习，掌握建筑结构的组成，会对建筑结构进行分类，理解建筑结构的功能要求，掌握极限状态的概念，掌握两种极限状态，掌握建筑结构抗震的基本术语。 学习重点 ：建筑结构的组成、功能要求，极限状态，抗震设防,教学要求,引例,一两层办公楼（砖混结构）如图1.1a示（实例一），一两层教学楼（钢筋混凝土框架结构）如图1.1b示（实例二），如何保证该楼在正常使用时是安全的？两栋楼的结构型式有何不同？楼层的梁和板有何区别？板里有钢筋吗？如何放置？梁又如何设计？墙体用什么样的材料建造？基础怎样？该楼如何考虑抗震？,实例一：办公楼（砖混结构）,引例中的问题就牵涉该结构和构件受多大的内力，要靠结构知识去解决板、梁的设计和墙体计算，基础的大小等。,b.实例二：教学楼（钢筋混凝土框架结构） 图1.1 实例一和二的建筑效果图,11 建筑力学与结构概述,建筑物在施工和使用过程中受到各种力的作用结构自重、人及设备重、风、雪、地震等。这些力的作用形式怎样，大小是多少？对建筑物会产生什么样的效应？这些问题都要靠建筑力学和结构来解决。,111建筑结构的概念和分类,建筑中，由若干构件（如板、梁、柱、墙、基础等）连接而构成的能承受荷载和其他间接作用（如温差伸缩、地基不均匀沉降等）的体系，叫做建筑结构（图1.2）。建筑结构在建筑中起骨架作用，是建筑的重要组成部分。,图1.2 建筑结构,1、按材料分 根据所用材料的不同，建筑结构可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构和木结构。 1）混凝土结构 混凝土结构可分为钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、素混凝土结构。其中应用最广泛的是钢筋混凝土结构（图1.3），它具有强度高、耐久性好、抗震性能好、可塑性强等优点；也有自重大、抗裂能力差、现浇时耗费模板多、工期长等缺点。 混凝土结构在工业与民用建筑中应用极为普遍，如多层与高层住宅、写字楼、教学楼、医院、商场及公共设施等。,图1.3 钢筋混凝土结构施工现场,2）砌体结构 砌体结构是指各种块材（包括砖、石材、砌块等）通过砂浆砌筑而成的结构（图1.4）。砌体结构根据所用块材的不同，又可分为砖结构、石结构和其它材料的砌块结构。砌体结构的主要优点是能就地取材、造价低廉、耐火性强、工艺简单、施工方便，所以在建筑中应用广泛，主要用作七层以下的住宅楼、旅馆，五层以下的办公楼、教学楼等民用建筑的承重结构；在中、小型工业厂房及框架结构中常用砌体作围护结构。其缺点是自重大、强度较低、抗震性能差、施工速度缓慢、不能适应建筑工业化的要求，有待进一步改进和完善。,图1.4 砌体结构施工现场,特别提示： 传统的砌体结构房屋大多采用黏土砖建造，黏土砖的用量十分巨大，而生产黏土砖要毁坏农田，且污染环境。砌体结构材料应大力发展新型墙体材料，如：蒸压粉煤灰砖，蒸压灰砂砖，混凝土砌块，混凝土多孔砖和实心砖等。,我国古代就用砌体结构建造城墙、佛塔、宫殿和拱桥。如闻名中外的“万里长城”、“西安大雁塔”等均为砌体结构建造（图1.5）；隋代李春所造的河北赵县安济桥迄今1400多年，桥净跨37.37米,为世界上最早的单孔空腹式石拱桥（图1.6）。,图1.5 万里长城与大雁塔,图1.6 河北赵县安济桥,3）钢结构 用钢材制作的结构叫钢结构。钢结构具有强度高、重量轻、材质均匀、制作简单、运输方便等优点；但也存在易锈蚀、耐火性差、维修费用高等缺点。而且，钢材是国民经济各部门中不可缺少的重要材料，使用量大，价格比较昂贵，因此，钢结构在基本建设中主要用于大跨度屋盖（如体育厂馆）、高层建筑、重型工业厂房、承受动力荷载的结构及塔桅结构中。2008年北京奥运会国家体育馆-鸟巢（图1.7）即为钢结构建筑。,图1.7 2008年北京奥运会国家体育馆-鸟巢,1935年中国工农红军长征途中强渡的大渡河铁索桥-泸定桥（图1.8），是清康熙44年（公元1705年）建造的，该桥由条石砌成的东西桥台和13根横亘的铁索组成，桥长101.67米，宽2.9米，13根铁索由12164个熟铁锻造扣环连结而成，重约21吨。,图1.8 大渡河铁索桥-泸定桥,上海东方明珠塔（图1.9），高468米，建成时居亚州第一，世界第三。上海金贸大厦（图1.10）地上88层，高420.5米， 97年竣工，居当时世界第三高楼。,图1.9上海东方明珠塔,图1.10 上海金贸大厦,4）木结构 以木材为主制作的结构叫木结构。木结构是以梁、柱组成的构架承重，墙体则主要起填充、防护作用。木结构的优点是能就地取材，制作简单、造价较低、便于施工；缺点是木材本身疵病较多、易燃、易腐、结构易变形。因此不易用于火灾危险性较大或经常受潮又不易通风的生产性建筑中。 木结构是我国最早应用的建筑结构。早在新石器时代末期（约45006000年前），就出现了地面木架建筑和木骨泥墙建筑。北京故宫（图1.11）等建筑物，重檐庑殿，歇山攒尖，斗拱飞檐，充分反映了我国古代木结构的高超水平，直到现代还应用于古典园林建筑。但由于木材用途广泛，而其产量又受到自然条件的限制，在建筑中采用木结构已越来越少。,图1.11 北京故宫太和殿梁架结构示意图,2按受力分 建筑结构按受力和构造特点的不同可分为：混合结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构、大跨结构等。其中大跨结构多采用网架结构、薄壳结构、膜结构、以及悬索结构。 1）混合结构，是指由砌体结构构件和其他材料构件组成的结构。如垂直承重构件用砖墙、砖柱，而水平承重构件用钢筋混凝土梁板（图1.12），这种结构就为混合结构，也叫承重墙结构。该种结构形式具有就地取材，施工方便，造价便宜等特点。,图1.12 混合结构（实例一）,2）框架结构，是由纵梁、横梁和柱组成的结构，这种结构是梁和柱刚性连接而成骨架的结构（图1.13）。框架结构的优点是强度高、自重轻、整体性和抗震性能好。框架结构多采用钢筋混凝土建造，一般适用于10层以下、以及10层左右的房屋结构。框架结构建筑平面布置灵活，可满足生产工艺和使用要求，且比混合结构强度高，延性好，整体性好，抗震性能好。 3）剪力墙结构，是由纵向、横向的钢筋混凝土墙所组成的结构，即结构采用剪力墙的结构体系（图1.14）。墙体除抵抗水平荷载和竖向荷载外，还为整个房屋提供很大的抗剪强度和刚度，对房屋起围护和分割作用。这种结构的侧向刚度大，适宜做较高的高层建筑，但由于剪力墙位置的约束，使得建筑内部空间的划分比较狭小，不利于形成开敞性的空间，因此较适宜用于宾馆与住宅。剪力墙结构常用于2530层房屋。,图1.13 钢筋混凝土框架结构（实例二）,图1.14 剪力墙结构,4）框架剪力墙结构，又称框剪结构，它是在框架纵、横方向的适当位置，在柱与柱之间设置几道钢筋混凝土墙体（剪力墙）（图1.15）。在这种结构中，框架与剪力墙协同受力，剪力墙承担绝大部分水平荷载，框架则以承担竖向荷载为主。这种体系一般用于办公楼、旅馆、住宅以及某些工艺用房，一般用于25层以下房屋结构。 如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架筒体结构体系。筒体的承载能力，侧向刚度和抗扭能力都较单片剪力墙大大提高。在结构上，这是提高材料利用率的一种途径，在建筑布置上，则往往利用筒体作电梯间、楼梯间和竖向管道的通道，也是十分合理的。,图1.15 框架剪力墙结构,5）筒体结构，是用钢筋混凝土墙围成侧向刚度很大的筒体的结构形式。筒体在侧向风荷载的作用下，它的受力特点就类似于一个固定在基础上的筒形的悬臂构件。迎风面将受拉，而背风面将受压。筒体可以为剪力墙，可以采用密柱框架，也可以根据实际需要采用数量不同的筒。筒体结构多用于高层或超高层公共建筑中（图1.16）。,图1.16 筒体结构,筒体结构用于30层以上的超高层房屋结构，经济高度以不超过80层为限。,特别提示 1、从造价的角度来讲：砌体结构最为经济，混凝土结构次之，钢结构最贵。 2、从抗震的角度来讲：砌体结构最差，混凝土结构次之，钢结构最好。 3、实际工程中，建造房屋的用途、层数及当地经济发展状况等决定了应采用何种结构型式。,1.1.2 建筑结构的功能,1结构的功能要求 不管采用何种结构形式、也不管采用什么材料建造，任何一种建筑结构都是为了满足所要求的功能而设计的。建筑结构在规定的设计使用年限内，应满足下列功能要求： 1）安全性 即结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定。 2）适用性 即结构在正常使用条件下具有良好的工作性能。例如不发生过大的变形或振幅，以免影响使用，也不发生足以令用户不安的裂缝。 3）耐久性 即结构在正常维护下具有足够的耐久性能。例如混凝土不发生严重的风化、脱落，钢筋不发生严重锈蚀，以免影响结构的使用寿命。 2结构的可靠性 结构的可靠性是这样定义的：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性。 结构可靠度是可靠性的定量指标，可靠度的定义是：“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率”。,3极限状态的概念 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求， 此特定状态为该功能的极限状态。极限状态实质上是一种界限，是有效状态和失效状态的分界。极限状态共分两类： 1）承载能力极限状态 超过这一极限状态后，结构或构件就不能满足预定的安全性的要求。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： （1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如阳台、雨篷的倾覆）等； （2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载； （3）结构转变为机动体系（如构件发生三角共线而形成体系机动丧失承载力）； （4）结构或结构构件丧失稳定（如长细杆的压屈失稳破坏等）； （5）地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）。 （6）结构因局部破坏而发生连续倒塌。,图1.17 承载能力极限状态破坏,2）正常使用极限状态 超过这一极限状态，结构或构件就不能完成对其所提出的适用性或耐久性的要求。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态： （1）影响正常使用或外观的变形（如过大的变形使房屋内部粉刷层脱落，填充墙开裂）； （2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（如水池、油罐开裂引起渗漏，裂缝过宽导致钢筋锈蚀）； （3）影响正常使用的振动； （4）影响正常使用的其它特定状态（如沉降量过大等）。,图1.18 正常使用极限状态破坏,特别提示 1、承载能力极限状态是保证结构安全性的，而正常使用极限状态是保证结构适用性和耐久性的。 2、结构设计年限分四类：一类（临时性建筑）：设计使用年限5年；二类（易于替换的结构构件）：设计使用年限25年；三类（普通房屋）：设计使用年限50年；四类（纪念性和特别重要的建筑）：设计使用年限100年。,由上述两类极限状态可以看出，结构或构件一旦超过承载能力极限状态，就可能发生严重破坏、倒塌，造成人身伤亡和重大经济损失。因此，应该把出现这种极限状态的概率控制得非常严格。而结构或构件出现正常使用极限状态的危险性和损失要小得多，其极限状态的出现概率可适当放宽。所以，结构设计时承载能力极限状态的可靠度水平应高于正常使用极限状态的可靠度水平。,4结构极限状态方程 结构和结构构件的工作状态，可以由该结构构件所承受的荷载效应S和结构抗力R两者的关系来描述，即：Z=R-S 上式称为结构的功能函数，用来表示结构的三种工作状态： 当Z0时（即RS），结构处于可靠状态； 当Z=0时（即R=S），结构处于极限状态； 当Z0时（即RS），结构处于失效状态。,特别提示 1、荷载效应S与施加在结构上的外荷载有关，其计算方法见模块五。 2、要保证结构可靠，所有的结构计算要满足SR。,1.1.3 建筑结构的发展趋势,1、墙体材料改革 墙体材料总的发展趋势是：走节能、节土、低污染、轻质、高强度、配套化、易于施工、劳动强度低的发展道路。我国墙体材料的发展趋势： 1)以黏土为原料的产品大幅度减少，向空