1、第第10章章建筑结构选型建筑结构选型10.1结构选型的总体原则结构选型的总体原则10.2 结构分体系的概念结构分体系的概念10.3 空间结构体系空间结构体系10.4 基础体系基础体系10.110.1结构选型的总体原则结构选型的总体原则o 10.1.1 10.1.1 结构总体系的设计概念结构总体系的设计概念1.1.结构总体系的整体化结构总体系的整体化 即在初设阶段，忽略具体的结构形式，而将建筑结即在初设阶段，忽略具体的结构形式，而将建筑结构视为一个或几个主要实体结构，以确定它所承受的总构视为一个或几个主要实体结构，以确定它所承受的总荷载与所需的总体抵抗能力。荷载与所需的总体抵抗能力。(a)(b)
2、(c)北、南、东、西上北、南、东、西上北、南、东、西上或或1 1、 这个形式要有足够的刚度，并将其固定在地面上；这个形式要有足够的刚度，并将其固定在地面上；2 2、 这个形式具有重量，且重量必须由地面来支撑；这个形式具有重量，且重量必须由地面来支撑；3 3、 这个形式必须能抵抗水平方向的风荷载和（或）地这个形式必须能抵抗水平方向的风荷载和（或）地震作用，必须具有抗倾覆的能力。震作用，必须具有抗倾覆的能力。结构总体系的要求：结构总体系的要求：2 2、结构的竖向荷载估算、结构的竖向荷载估算恒载与活载都是竖向荷载，最恒载与活载都是竖向荷载，最终均将传至地面。终均将传至地面。总自重通常为恒载的主要组成
3、总自重通常为恒载的主要组成部分。部分。上部结构的重力荷载将以线状上部结构的重力荷载将以线状（墙）或点状（柱）的方式作（墙）或点状（柱）的方式作用在基础上。用在基础上。建筑物必须具有刚度向下作用的重力基础位于重力与土土的向上作用力支撑的承载力之间基础传来的重量恒载均匀分布时，建筑物的近似总重主要取决于楼面面恒载均匀分布时，建筑物的近似总重主要取决于楼面面积和结构类型，与建筑形式无关。积和结构类型，与建筑形式无关。当竖向荷载合力与支承反力合力当竖向荷载合力与支承反力合力之间存在偏心时，建筑形式对重之间存在偏心时，建筑形式对重力荷载的分布起决定作用力荷载的分布起决定作用3结构上的水平荷载估算结构上的
4、水平荷载估算o 水平地震作用估算水平地震作用估算结构上的水平地震作用是由于地震地面运动下结构物的惯性作用而结构上的水平地震作用是由于地震地面运动下结构物的惯性作用而产生的，其大小和分布取决于沿建筑物高度的质量的分布、地震烈产生的，其大小和分布取决于沿建筑物高度的质量的分布、地震烈度、场地土条件和建筑物自身的动力特性等。度、场地土条件和建筑物自身的动力特性等。231935.41ovEkMFHH kN m图图10.4 4 水平地震作用沿高度分布水平地震作用沿高度分布(a)(a)水平地震剪力分布；水平地震剪力分布；(b)水平地震作用力分布；水平地震作用力分布；(c)建筑结构剖面；建筑结构剖面；(d)
5、水平地震作用水平地震作用的的合合力力10F9F8F1F2F(a)(b)10F9F8F7F6F5F4F3F2F1FhhhhhhhhhhH= h10(c)EkF =2764.8a= h2/3(d)o 风荷载估算风荷载估算风荷载的大小由场地风速、建筑物体型、建筑物高度及其立面形状、风荷载的大小由场地风速、建筑物体型、建筑物高度及其立面形状、受风面积以及考虑风的动力效应的风振系数等决定，可用建筑物顶受风面积以及考虑风的动力效应的风振系数等决定，可用建筑物顶端的单位面积风荷载以及受风面积进行估算。端的单位面积风荷载以及受风面积进行估算。风速沿建筑物高度增大，对于受风面形状规则的矩形高层建筑，风速沿建筑物
6、高度增大，对于受风面形状规则的矩形高层建筑，风荷载分布可近似视为上大下小的阶梯踏步形分布。风荷载分布可近似视为上大下小的阶梯踏步形分布。图图10.12 风荷载（左）及地震水平作用（右）产生的有关参数沿建筑物高度分布情况风荷载（左）及地震水平作用（右）产生的有关参数沿建筑物高度分布情况(a)长方形建筑物；长方形建筑物；(b)倒三角形建筑物；倒三角形建筑物；(c)正三角形建筑物正三角形建筑物dh1bdh/2h/2h2/3bdbdddh1bdh2/3h3/4bd2345h2/32345dbhAdb2Bh2bd2Chdh1bdh2/3h/2bdh/323452bdbdh/3d2bo 在建筑物总体方案设
7、计时，如果改变了受风面的形状，在建筑物总体方案设计时，如果改变了受风面的形状，建筑物所受到的风荷载及其合力作用点就会发生相应变建筑物所受到的风荷载及其合力作用点就会发生相应变化；化；o 如果改变了建筑物重力荷载的分布特征，建筑物所受到如果改变了建筑物重力荷载的分布特征，建筑物所受到的水平地震作用及其合力作用点也会发生相应变化。的水平地震作用及其合力作用点也会发生相应变化。4. 4. 结构的整体抗倾覆能力结构的整体抗倾覆能力o水平作用力引起的倾覆水平作用力引起的倾覆竖向作用力提供抵抗倾覆的力矩。竖向作用力提供抵抗倾覆的力矩。将造成倾覆的力矩称为倾覆力矩。将造成倾覆的力矩称为倾覆力矩。抵抗倾覆的力
8、矩称为抵抗力矩。抵抗倾覆的力矩称为抵抗力矩。o竖向作用力引起的倾覆竖向作用力引起的倾覆 实际建筑结构的体型往往较复杂，但总是可以实际建筑结构的体型往往较复杂，但总是可以将其分解为若干简单的体型。将其分解为若干简单的体型。 估算总荷载时，可以先按简单体型进行分析，估算总荷载时，可以先按简单体型进行分析，而后按照它们之间的结构关系加以组合。而后按照它们之间的结构关系加以组合。 在建筑结构设计时，可以根据总体积不变（即在建筑结构设计时，可以根据总体积不变（即总重力不变）的原则，选择几种不同的方案，分别总重力不变）的原则，选择几种不同的方案，分别估算各种方案的水平荷载及其倾覆力矩，作为判别估算各种方案
9、的水平荷载及其倾覆力矩，作为判别方案优劣的一项依据。方案优劣的一项依据。5 5、结构的总体刚度、结构的总体刚度结构在传力过程中还需具备一定的刚度结构在传力过程中还需具备一定的刚度(a)(b)结构整体的抗弯刚度结构整体的抗弯刚度主要影响因素：结构体系平面形状主要影响因素：结构体系平面形状在受力方向上的宽度在受力方向上的宽度即结构体系上沿主要水平作用力即结构体系上沿主要水平作用力方向的跨度等几何因素有关。方向的跨度等几何因素有关。 材料的弹性模量材料的弹性模量 HHHH- /2如果顶部敞口，水平荷载将使顶部截面严重变形设置水平横隔板可使水平力传至竖向平板H- /2横向平板抗剪力很小(a)(b)(c
10、)10.1.2 构筑荷载路径和结构选型的基本原则构筑荷载路径和结构选型的基本原则o建筑结构形式千差万别，结构使用过程中的荷载也并不建筑结构形式千差万别，结构使用过程中的荷载也并不确定；确定；o所有的荷载都应具有荷载路径；所有的荷载都应具有荷载路径；o结构形式不唯一。结构形式不唯一。荷载的有效快捷传递要求所构筑的荷载路径是连续的荷载的有效快捷传递要求所构筑的荷载路径是连续的。结构的基本功能是传递荷载结构的基本功能是传递荷载 竖向荷载的传递路径是竖向荷载的传递路径是“自上而下自上而下”的。的。作为传递竖向荷载的结构，要求自上而下没有间断作为传递竖向荷载的结构，要求自上而下没有间断 不完全荷载路径机
11、械设备与电梯动力房夜总会客房接待室餐厅停车场客房平面图停车场平面图来自墙的荷载来自柱的反作用力传递结构(a)(b)水平荷载的传递路径也要求连续水平荷载的传递路径也要求连续可将整个建筑视为相对于地面的悬臂结构，则该悬臂结构在传递水平荷可将整个建筑视为相对于地面的悬臂结构，则该悬臂结构在传递水平荷载时不能发生间断载时不能发生间断 不完全荷载路径(a)(b)风1风2不完全荷载路径竖向传力路径和侧向传力路径通常是相互关联的。传递竖向传力路径和侧向传力路径通常是相互关联的。传递水平风荷载与地震荷载的水平构件（楼板、屋盖、梁等）水平风荷载与地震荷载的水平构件（楼板、屋盖、梁等）最终需要通过竖向的悬臂构件（
12、墙体或柱）将荷载传至最终需要通过竖向的悬臂构件（墙体或柱）将荷载传至基础。基础。 构筑荷载路径即为每种荷载组合建立一条结构路径，荷载构筑荷载路径即为每种荷载组合建立一条结构路径，荷载路径的几何形式即意味着结构的具体形式，即梁、柱、框路径的几何形式即意味着结构的具体形式，即梁、柱、框架、桁架、索、拱或组合结构等。架、桁架、索、拱或组合结构等。确定的荷载路径并不意味着确定的荷载路径的几何形式，确定的荷载路径并不意味着确定的荷载路径的几何形式，因此，即使荷载路径确定，结构形式的选择仍是多种多样因此，即使荷载路径确定，结构形式的选择仍是多种多样的。这正是结构选型的不确定性所在。的。这正是结构选型的不确
13、定性所在。结构选型通常遵循以下基本原则：结构选型通常遵循以下基本原则：o 适应建筑功能的要求：根据建筑物对客观空间环境的设适应建筑功能的要求：根据建筑物对客观空间环境的设计要求，大体确定建筑结构的尺度、规模和相互关系。计要求，大体确定建筑结构的尺度、规模和相互关系。尽可能降低结构构件的高度，选择与建筑物使用空间相尽可能降低结构构件的高度，选择与建筑物使用空间相适应的结构形式。适应的结构形式。 如对于某些公共建筑，其功能有视听要求，如体育馆如对于某些公共建筑，其功能有视听要求，如体育馆为保证有较好的观看视觉效果，比赛大厅内不能设柱，为保证有较好的观看视觉效果，比赛大厅内不能设柱，须采用大跨结构；
14、大型超市为满足购物需求，室内空间须采用大跨结构；大型超市为满足购物需求，室内空间应具有流动性和灵活性，因此，需采用平面布置灵活的应具有流动性和灵活性，因此，需采用平面布置灵活的结构。此外，结构选型还应注意结构的几何体型对建筑结构。此外，结构选型还应注意结构的几何体型对建筑物采光照明、声学效果、屋面排水等的影响；物采光照明、声学效果、屋面排水等的影响；o 满足建筑造型的需求：荷载路径的几何形式的改变虽然满足建筑造型的需求：荷载路径的几何形式的改变虽然不会影响荷载的传递效果，但对建筑外观的影响却是深不会影响荷载的传递效果，但对建筑外观的影响却是深远的；而对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的远的
15、；而对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构，应尽可能在结构上形成规则单元，如建筑结构，应尽可能在结构上形成规则单元，如CCTV大楼；大楼；o 考虑材料特性和施工技术条件：结构形式要适用于材料考虑材料特性和施工技术条件：结构形式要适用于材料特性，如砌体结构多可以就地取材，抗压性好，对施工特性，如砌体结构多可以就地取材，抗压性好，对施工技术要求较低，适于底层、多层建筑；钢材轻质、抗拉技术要求较低，适于底层、多层建筑；钢材轻质、抗拉性好，适于高层、大跨结构，但对施工技术及设备要求性好，适于高层、大跨结构，但对施工技术及设备要求高；高；o充分发挥结构自身优势合理造价：每种结构形式都有充分发挥
16、结构自身优势合理造价：每种结构形式都有各自的优势和不足，有其使用范围，要结合建筑设计各自的优势和不足，有其使用范围，要结合建筑设计的具体情况进行选型；当有几种结构形式都可能满足的具体情况进行选型；当有几种结构形式都可能满足建筑设计条件时，经济条件就成为决定性因素。经济建筑设计条件时，经济条件就成为决定性因素。经济因素不仅包括某个方案付诸实施的一次性建造费用，因素不仅包括某个方案付诸实施的一次性建造费用，还包含结构全寿命的费用，如维护、加固、监测等。还包含结构全寿命的费用，如维护、加固、监测等。没有确定的荷载路径没有确定的荷载路径即使对应确定的荷载路径，也没有唯一的荷载路径几何即使对应确定的荷载
17、路径，也没有唯一的荷载路径几何形式，即结构形式形式，即结构形式 荷载弯矩图(a)(b)CCCCCCCCCCTTTTTTCC轴向力(c)(a)(b)(c)荷载路径的几何形状的改变虽然不影响荷载的传递，但荷载路径的几何形状的改变虽然不影响荷载的传递，但对结构和构件形式以及材料的选取却有着深刻的影响。对结构和构件形式以及材料的选取却有着深刻的影响。 10.2 结构分体系的设计概念结构分体系的设计概念o建筑空间可划分为若干个结构分体系建筑空间可划分为若干个结构分体系o每个分体系又可以是局部的整体结构每个分体系又可以是局部的整体结构根据几何特征分为：根据几何特征分为：水平分体系水平分体系竖向分体系竖向分
18、体系 10.2.1 水平分体系水平分体系o结构的水平分体系是指结构总体系中由轴线或大尺寸方向为结构的水平分体系是指结构总体系中由轴线或大尺寸方向为水平方向的构件和分体系部分。水平方向的构件和分体系部分。o水平分体系在结构中的作用：水平分体系在结构中的作用： 在竖直方向在竖直方向通过构件的弯曲来承受屋面和楼面的竖向荷通过构件的弯曲来承受屋面和楼面的竖向荷载（主要是恒载和活载，一般为重力荷载），并将它们传递载（主要是恒载和活载，一般为重力荷载），并将它们传递给竖向结构分体系；给竖向结构分体系； 在水平方向在水平方向起隔板和支承竖向构件的作用，并维持竖向起隔板和支承竖向构件的作用，并维持竖向分体系的
19、稳定。分体系的稳定。 水平分体系一般由楼盖和屋盖组成，其基本构件有梁、板等，水平分体系一般由楼盖和屋盖组成，其基本构件有梁、板等，此外还有空间网架和网壳等。此外还有空间网架和网壳等。 1. 平板式分体系平板式分体系楼板楼板屋面板屋面板支撑方式：支撑方式：简支、固定支撑简支、固定支撑横向荷载所有板边界上的支撑锥形柱帽型锥形柱帽型 平板式无柱帽型平板式无柱帽型 平板直接支撑在竖向立柱上，这要求平板本身具有较强的承载力平板直接支撑在竖向立柱上，这要求平板本身具有较强的承载力尤其是柱支撑点上的局部抗剪能力尤其是柱支撑点上的局部抗剪能力 托板柱帽(a)(b)世界上第一座无梁楼盖仓库（瑞士工程师世界上第一
20、座无梁楼盖仓库（瑞士工程师 R.Maillart设计设计) 2.梁板分体系梁板分体系o将平板的一部分厚度转化为梁，平板上的竖向荷载通过梁再将平板的一部分厚度转化为梁，平板上的竖向荷载通过梁再传给柱，将平板与梁组成一个完整的体系传给柱，将平板与梁组成一个完整的体系 板荷载门式框架反力典型弯矩图梁和板协同工作原理梁和板协同工作原理 板的受力状况受其支撑条件影响板的受力状况受其支撑条件影响单向板挠度比双向板大单向板挠度比双向板大 (a)(b)中心板带中心板带刚度很大刚度很大任一板带刚度很大(a)(b)(d)(c)(a)单向板肋梁楼盖；单向板肋梁楼盖；(b)双向板肋梁楼盖；双向板肋梁楼盖；(c)井字形
21、楼盖；井字形楼盖；(d)密肋楼盖密肋楼盖o从整体概念上来分析水平分体系，可将水平分体系视为由竖向分从整体概念上来分析水平分体系，可将水平分体系视为由竖向分体系支撑的大平板。体系支撑的大平板。o当平板上的竖向荷载过大，板的弯曲承载力及抗剪能力不足以满当平板上的竖向荷载过大，板的弯曲承载力及抗剪能力不足以满足安全与使用功能要求时，可以增加板厚或增设不同的梁体系来足安全与使用功能要求时，可以增加板厚或增设不同的梁体系来增强板的强度，也可以通过格构化的方式以大幅度地增加板的厚增强板的强度，也可以通过格构化的方式以大幅度地增加板的厚度等方法来使板达到功能要求。度等方法来使板达到功能要求。o水平结构分体系
22、也可统一视为梁结构。水平结构分体系也可统一视为梁结构。o板结构可理解为将高度为板厚板结构可理解为将高度为板厚t的梁密排组成的结构。由此大大的梁密排组成的结构。由此大大提高了水平面内的抗弯强度，但减小了横向刚度。提高了水平面内的抗弯强度，但减小了横向刚度。o网架结构可视为格构化的厚板网架结构可视为格构化的厚板o同一结构分体系中不同的结构形式是可以互相转化的，不是一同一结构分体系中不同的结构形式是可以互相转化的，不是一成不变的。成不变的。10.2.2 竖向分体系竖向分体系o结构的竖向分体系是指结构总体系中以竖向构件为主体而组成结构的竖向分体系是指结构总体系中以竖向构件为主体而组成的分体系。的分体系
23、。o它是使建筑物有足够的空间满足使用功能的必要保障。它是使建筑物有足够的空间满足使用功能的必要保障。o竖向分体系在结构中的作用：竖向分体系在结构中的作用： 在竖直方向承受由水平分体系传来的全部荷载，并把它们传递在竖直方向承受由水平分体系传来的全部荷载，并把它们传递至基础；至基础； 在水平方向抵抗水平荷载的作用，如风荷载、水平地震作用等。在水平方向抵抗水平荷载的作用，如风荷载、水平地震作用等。o相对于水平分体系，竖向分体系承受更为复杂的荷载作用。相对于水平分体系，竖向分体系承受更为复杂的荷载作用。将整个建筑物视为一个实体大柱或简单的筒体式竖向分体系将整个建筑物视为一个实体大柱或简单的筒体式竖向分
24、体系 电梯间BCADABCD(a)(b)平面形状50层66层90层110层1框架式竖向分体系框架式竖向分体系o将单个大柱分成若干小柱，并用水平分体系中的基本单元将单个大柱分成若干小柱，并用水平分体系中的基本单元梁梁将它们刚结成梁柱组合体系即构成框架体系将它们刚结成梁柱组合体系即构成框架体系 纯框架结构中，墙体纯框架结构中，墙体仅起分割和围合的作仅起分割和围合的作用，不承担荷载，但用，不承担荷载，但可以传递一部分水平可以传递一部分水平荷载荷载 屋面板连系梁楼板框架o纯框架结构的优点：建筑平面布置灵活；因采用非承重外墙，可纯框架结构的优点：建筑平面布置灵活；因采用非承重外墙，可使立面设计灵活多变；
25、采用轻质隔墙或外墙，可大大降低结构自使立面设计灵活多变；采用轻质隔墙或外墙，可大大降低结构自重，节省材料。重，节省材料。o框架结构的主要缺点：框架结构的侧向变形大，尤其是底部空间框架结构的主要缺点：框架结构的侧向变形大，尤其是底部空间变形较大变形较大o该缺点限制了框架结构的使用高度。在地震区，易引起非结构构该缺点限制了框架结构的使用高度。在地震区，易引起非结构构件如隔墙、预制楼板等的破坏。但通过合理设计，纯框架结构也件如隔墙、预制楼板等的破坏。但通过合理设计，纯框架结构也可以具备良好的延性以利抗震，即所谓的延性框架，基本设计原可以具备良好的延性以利抗震，即所谓的延性框架，基本设计原则是则是“强
26、柱弱梁强柱弱梁”，梁设计为，梁设计为“强剪弱弯强剪弱弯”。o纯框架结构可预制装配也可整体现浇。纯框架结构可预制装配也可整体现浇。o一般采用框架梁柱整体现浇，楼板预制装配。一般采用框架梁柱整体现浇，楼板预制装配。o抗震区应优先采用现浇框架。抗震区应优先采用现浇框架。o我国纯框架结构一般做到我国纯框架结构一般做到1520层，国外严格按延性设层，国外严格按延性设计施工，采用轻质隔断，可做到计施工，采用轻质隔断，可做到30层。层。2、墙式竖向分体系、墙式竖向分体系o将多个独立柱密排，即可将多个独立柱密排，即可得到墙体系。得到墙体系。o墙体系起维护和分割空间墙体系起维护和分割空间的作用，同时，还可以成的
27、作用，同时，还可以成为承受竖向和水平荷载的为承受竖向和水平荷载的主要承重体系。主要承重体系。o剪力墙体系是多高层建筑剪力墙体系是多高层建筑中常用的一种竖向分体系，中常用的一种竖向分体系，尤其在抗震要求较高的地尤其在抗震要求较高的地区。区。o墙的几何特征与板相似，其承载机制类似于高度较大的深梁墙的几何特征与板相似，其承载机制类似于高度较大的深梁o墙体主要承受沿墙体平面的荷载，可视为扁平的大梁墙体主要承受沿墙体平面的荷载，可视为扁平的大梁梁板墙梁结构墙板H/6H/6H2/3H0.172H0.154H0.674梁墙梁H=L/2H0.382H0.093H0.525墙板墙体平面尺寸远大于厚度方向的尺寸，
28、故可以很好地抵抗作用于墙平面墙体平面尺寸远大于厚度方向的尺寸，故可以很好地抵抗作用于墙平面内的竖向和水平荷载，而对垂直于墙体平面的水平荷载则抵抗力较弱内的竖向和水平荷载，而对垂直于墙体平面的水平荷载则抵抗力较弱 抵抗任意方向水平荷载的需要合理的墙体布置抵抗任意方向水平荷载的需要合理的墙体布置 y方向荷载设不能抵抗x方向荷载抵抗剪力合力作用线y(a)y方向荷载x方向荷载y(b)y方向荷载x方向荷载y(c)x抗剪中心exy方向荷载x方向荷载y(d)y方向荷载x方向荷载y(e)y方向荷载x方向荷载y(f)xxex剪力墙布置原则：剪力墙布置原则：应避免某一个方向上抗剪或抗扭刚度过小，应尽量使抗剪中心接
29、近建应避免某一个方向上抗剪或抗扭刚度过小，应尽量使抗剪中心接近建筑物风荷载或水平地震作用产生的侧向荷载中心，否则结构会在水平筑物风荷载或水平地震作用产生的侧向荷载中心，否则结构会在水平荷载作用下产生水平扭转。荷载作用下产生水平扭转。剪力墙成对布置，使结构具有抗扭的能力。剪力墙成对布置，使结构具有抗扭的能力。y方向荷载x方向荷载y(g)xy方向荷载x方向荷载y(h)x底部框支剪力墙体系：部分剪力墙落地，而部分剪力墙在底部改为框底部框支剪力墙体系：部分剪力墙落地，而部分剪力墙在底部改为框架，可在底层或底部若干层形成平面灵活的大空间架，可在底层或底部若干层形成平面灵活的大空间底层往往是结构抗底层往往
30、是结构抗震的薄弱环节震的薄弱环节剪力墙框架剪力墙3、筒体式竖向结构分体系、筒体式竖向结构分体系(a) 实腹筒； (b)框筒； (c)桁架筒； (d)筒中筒将墙板围合成相将墙板围合成相对封闭的环就构对封闭的环就构成筒体结构，成筒体结构，相当于竖向放置相当于竖向放置的悬臂箱型梁，的悬臂箱型梁，除需承受自重及除需承受自重及其它竖向荷载外，其它竖向荷载外，还要承受来自不还要承受来自不同方向的水平荷同方向的水平荷载作用，且刚度载作用，且刚度在各方向应一致。在各方向应一致。 (a)(b)(c)(d)影响筒体结构特性的重要参数是其高宽比。影响筒体结构特性的重要参数是其高宽比。当筒体的高宽比小于当筒体的高宽比
31、小于3时，它主要表现为抗剪；时，它主要表现为抗剪；当高宽比大于当高宽比大于5时，以抗弯为主；时，以抗弯为主；高宽比大于高宽比大于7时，则单筒结构就过分柔软，侧向位移将时，则单筒结构就过分柔软，侧向位移将过大，可采用连系梁将两个或两个以上的筒体连接起来，过大，可采用连系梁将两个或两个以上的筒体连接起来，以满足整体抗弯刚度的需要。以满足整体抗弯刚度的需要。o 结构的竖向分体系不仅要考虑竖向承载问题，还要考虑结构的竖向分体系不仅要考虑竖向承载问题，还要考虑水平荷载作用时的侧向刚度问题。水平荷载作用时的侧向刚度问题。o 与水平分体系一样，各种类型的竖向分体系之间是可以与水平分体系一样，各种类型的竖向分
32、体系之间是可以相互转化与合并的。这种转化与组合，可创造出多种实相互转化与合并的。这种转化与组合，可创造出多种实用的竖向分体系。用的竖向分体系。承重和开洞墙开洞面积50%剪力墙和柱柱和抗剪核心筒柱框架开孔墙或框架填充框架跳层桁架+柱框架有支撑的核心筒井筒巨型框架筒中筒桁架墙有支撑的框架多层支撑核心筒框架 大型柱巨型框架成束框筒o 曲线形体系是对结构形状敏感的体系。曲线形体系是对结构形状敏感的体系。o 为选择恒载效应的最佳状态，曲线形结构应该有与其为选择恒载效应的最佳状态，曲线形结构应该有与其固有压力线（即横截面轴压力迹线，合理拱轴线就是固有压力线（即横截面轴压力迹线，合理拱轴线就是拱在给定荷载下
33、的压力线）相接近的形状，这样可使拱在给定荷载下的压力线）相接近的形状，这样可使得曲线构件的截面上无弯矩或弯矩很小，体系中只有得曲线构件的截面上无弯矩或弯矩很小，体系中只有轴力且所需材料用量最少。轴力且所需材料用量最少。o 曲线形结构的受力效率很高。曲线形结构的受力效率很高。10.3 拱和悬索结构体系拱和悬索结构体系o 曲线形结构的不足在于：建筑高度空间的利用率不如平曲线形结构的不足在于：建筑高度空间的利用率不如平直体系高，施工技术较复杂。直体系高，施工技术较复杂。o 为便于实际使用，可在原曲线形结构体系上附加一个平为便于实际使用，可在原曲线形结构体系上附加一个平面体系。面体系。o 拱结构的外形
34、多为抛物线、圆弧或折线。拱结构的外形多为抛物线、圆弧或折线。o 拱在外荷载和支承点水平推力和竖向反力作用下，本身拱在外荷载和支承点水平推力和竖向反力作用下，本身拱肋上基本处于受压或较小的偏心受压状态。拱肋上基本处于受压或较小的偏心受压状态。o 若采用合理的拱轴线形式，则整个拱将直接承压，而无若采用合理的拱轴线形式，则整个拱将直接承压，而无弯矩和剪力弯矩和剪力 拱是一种特殊的分体系，与其他水平、竖向分体系相比，拱是一种特殊的分体系，与其他水平、竖向分体系相比，拱结构具有较明显的水平、竖向分体系共同特性，即拱拱结构具有较明显的水平、竖向分体系共同特性，即拱本身就是一个完整的传力体系。本身就是一个完
35、整的传力体系。 1、拱结构体系、拱结构体系o 拱结构的受力机制与拱的形状密切相关，即拱结构的跨拱结构的受力机制与拱的形状密切相关，即拱结构的跨度和矢高是拱的主要控制尺寸。度和矢高是拱的主要控制尺寸。o 拱结构的矢高与建筑物的外形、使用要求、屋面结构处拱结构的矢高与建筑物的外形、使用要求、屋面结构处理以及结构内力计算等因素有关。理以及结构内力计算等因素有关。o 矢跨比矢跨比f/l愈大，拱脚的推力越小，拱的内压力也越小；愈大，拱脚的推力越小，拱的内压力也越小；o 矢跨比矢跨比f/l愈小，拱内压力越大，所需的水平推力也越大。愈小，拱内压力越大，所需的水平推力也越大。o 一般屋盖结构可取矢跨比为一般屋
36、盖结构可取矢跨比为1/7-1/5，且不应小于，且不应小于1/10。 o 拱结构的截面形状与梁类似。拱结构的截面形状与梁类似。o 钢结构和木结构拱可采用格构形式，钢结构和木结构拱可采用格构形式，o 钢筋混凝土拱一般采用实体形式，截面有矩形、工字型、钢筋混凝土拱一般采用实体形式，截面有矩形、工字型、箱型等。箱型等。o 大跨屋盖和桥梁中常采用箱型截面。大跨屋盖和桥梁中常采用箱型截面。o 拱身一般可采用等截面，无铰拱一般采用在拱脚处增大拱身一般可采用等截面，无铰拱一般采用在拱脚处增大截面的变截面形式以抵抗拱脚处的剪力。截面的变截面形式以抵抗拱脚处的剪力。提供水平推力的方式：提供水平推力的方式： HHH
37、H(a)(b)HH端头拉杆拉杆拉杆边跨屋盖HHHH(c)(d)框架两铰拱(e)800032000800036003600HV拱(d)框架两铰拱(e)800032000800036003600HV拱2、悬索结构体系、悬索结构体系利用抗拉材料特性利用抗拉材料特性(a)(b)(c)pFpFpFpFpFpFpF(d)(e)(f)均布荷载悬索结构的稳定性悬索结构的稳定性 不会产生压曲失稳，整体的跨高比可达到不会产生压曲失稳，整体的跨高比可达到10左右。左右。须保持结构自身一定的刚度，以避免在风荷载和局部荷载作用下的过大须保持结构自身一定的刚度，以避免在风荷载和局部荷载作用下的过大柔性变形。柔性变形。 (
38、a)(b)悬索结构在房屋建筑中的应用悬索结构在房屋建筑中的应用索网式屋盖索网式屋盖 o悬索结构的的关键是边缘支撑方式，一般用钢量大于索网部分，悬索结构的的关键是边缘支撑方式，一般用钢量大于索网部分，施工也较复杂。施工也较复杂。o边缘构件一般可采用钢筋混凝土梁、环梁、拱等，必须具有一定边缘构件一般可采用钢筋混凝土梁、环梁、拱等，必须具有一定的刚度以有效承担索网的内拉力，边缘构件的支承构件一般为柱、的刚度以有效承担索网的内拉力，边缘构件的支承构件一般为柱、支架或基础。支架或基础。 悬索支撑结构(a)悬索水平桁架山墙受压(c)悬索锚索(b)承重索侧边构件下部支撑结构(圆环)(d)双曲双层悬索体系双曲
39、双层悬索体系 设置承重索和稳定索，承重索承担屋盖重力荷载设置承重索和稳定索，承重索承担屋盖重力荷载 稳定索上施加预应力，以提高屋面的自重和刚性稳定索上施加预应力，以提高屋面的自重和刚性 内环稳定索外环承重索柱(a)内环稳定索外环承重索(b)内环稳定索外环承重索柱(c)外环柱外环(a)(b)(c)增加重力荷载以提高索的稳定性增加重力荷载以提高索的稳定性10.3空间结构体系空间结构体系o 如果荷载传递的方式为向四周传递而非单一的线如果荷载传递的方式为向四周传递而非单一的线性路径，对应的结构即为空间结构。性路径，对应的结构即为空间结构。o 空间结构包括网架、壳体、穹顶以及其他空间曲空间结构包括网架、
40、壳体、穹顶以及其他空间曲面形式及其组合。面形式及其组合。 10.3.1 壳结构体系壳结构体系o 壳结构体系是拱结构向空间的延展，是拱轴线旋转产生壳结构体系是拱结构向空间的延展，是拱轴线旋转产生的曲面结构。的曲面结构。o 又称薄壳，具有厚度远小于另外两个方向尺寸的显著特又称薄壳，具有厚度远小于另外两个方向尺寸的显著特点。点。 a 球面 b椭圆抛物面 c柱筒面 d 双曲抛物面 e 菱形平面 f 组合平面 o壳的受力特点：与拱类似，内力以压力为主，沿厚度方向的弯矩壳的受力特点：与拱类似，内力以压力为主，沿厚度方向的弯矩可以忽略。可以忽略。o壳体结构的基本组成单元：壳面和边缘支承构件。边缘构件是壳壳体
41、结构的基本组成单元：壳面和边缘支承构件。边缘构件是壳的边界和支座，为壳面提供明确的受力边界条件。的边界和支座，为壳面提供明确的受力边界条件。o壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需载力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重和围护的双重结构作用，从而节约结构材料。中间支柱，能兼承重和围护的双重结构作用，从而节约结构材料。壳体结构是由拱和环箍构件组成的组合体系壳体结构是由拱和环箍构件组成的组合体系拱内弯矩的大小决定了环箍力的大小拱内弯矩的
42、大小决定了环箍力的大小拱的弧线越接近理想拱轴线，环箍力就越小拱的弧线越接近理想拱轴线，环箍力就越小理想的双曲拱壳的壳面既能起到连续的拱肋的作用，又能起到周边环理想的双曲拱壳的壳面既能起到连续的拱肋的作用，又能起到周边环梁的作用，环梁既能受压又能受拉。梁的作用，环梁既能受压又能受拉。 标准的=W支座数量在边缘：当用拉环来抵抗向外的拱推力时，可以利用竖向支座当压力线位于上方，环箍抵抗拱的向里弯曲(a)(b)标准的=W支座数量P如果没有环箍的约束力，壳面将裂开悬索、拱、壳体这类曲线和曲面形式的结构均为对形状敏感的结悬索、拱、壳体这类曲线和曲面形式的结构均为对形状敏感的结构构。这类结构自身抵抗弯矩的能
43、力差，仅当其具有接近压力线或索链这类结构自身抵抗弯矩的能力差，仅当其具有接近压力线或索链线的形状时才能发挥结构的优势。线的形状时才能发挥结构的优势。这类结构的整体承载力和变形主要由曲线或曲面的形状来控制，这类结构的整体承载力和变形主要由曲线或曲面的形状来控制，而不是由构件截面的高度或厚度来控制。而不是由构件截面的高度或厚度来控制。悉尼歌剧院悉尼歌剧院为钢筋混凝土结为钢筋混凝土结构，外部造型与构，外部造型与内部功能无直接内部功能无直接联系。联系。三角形壳瓣是以三角形壳瓣是以Y形、形、T形的钢筋形的钢筋混凝土肋骨拼结混凝土肋骨拼结而成。而成。由于结构计算复由于结构计算复杂和施工困难，杂和施工困难，
44、工期长达工期长达17年，年，造价超过预算的造价超过预算的十几倍。十几倍。10.3.2 空间网架结构体系空间网架结构体系o网架是由许多短直杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接网架是由许多短直杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的网状结构。起来的网状结构。o可视为格构化的板，即将板的厚度加大并进行格构化处理，就形可视为格构化的板，即将板的厚度加大并进行格构化处理，就形成了网架结构。成了网架结构。o网架结构是高次超静定的空间结构体系，网架与壳体的结合，可网架结构是高次超静定的空间结构体系，网架与壳体的结合，可使其造型更趋轻巧、美观和多变，宜于建造大跨度建筑的屋盖。使其造型更趋轻巧、美观和
45、多变，宜于建造大跨度建筑的屋盖。 o 平板式单层网架平板式单层网架网架结构按外形可分为平板网架和壳形网架网架结构按外形可分为平板网架和壳形网架(a)(b)(c)(d)(e)(f)p 平板平板式双层或多层的网架式双层或多层的网架壳形网架有单层、双层、单曲等各种形状。壳形网架有单层、双层、单曲等各种形状。将平板网架弯曲就形成了壳形网架，即格构化的壳体将平板网架弯曲就形成了壳形网架，即格构化的壳体(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)短程线球形网壳短程线球形网壳-加拿大摩纳哥特里尔世界博览会美国馆加拿大摩纳哥特里尔世界博览会美国馆筒壳筒壳 (a)(b)(c)(d)(
46、e)(f)(g)其他空间结构形式其他空间结构形式 折板结构折板结构 巴黎联合国科教文总部巴黎联合国科教文总部 P.L.奈尔维奈尔维气囊式膜结构气囊式膜结构 1976年大阪博览会富士馆年大阪博览会富士馆 索索-网壳组合结构网壳组合结构 东京代代木体育馆东京代代木体育馆 丹下健三丹下健三 国家体育馆国家体育馆-双向张弦梁双向张弦梁国家体育场 鸟巢10.4 基础体系基础体系o各种建筑结构最终都将通过基础将荷载传至地基。各种建筑结构最终都将通过基础将荷载传至地基。o基础的作用就是改变应力分布形式，减小应力强度。基础的作用就是改变应力分布形式，减小应力强度。o增大结构与地基的接触面，即将点式的传力方式改
47、为线式或面式，增大结构与地基的接触面，即将点式的传力方式改为线式或面式，o将基础加深，采用桩基的方式，将基础柱向下延伸至更牢固的地基将基础加深，采用桩基的方式，将基础柱向下延伸至更牢固的地基层或岩石层，并依靠土壤和岩层的摩擦力抵抗上部荷载层或岩石层，并依靠土壤和岩层的摩擦力抵抗上部荷载 柱下独立基础柱下独立基础 当建筑物上部为框架结构或单独柱子时，常采用独立基础 (a)柱独立基础柱杯口杯形基础(b)(c)图图10-54 柱下独立基础（图片来源：地基与基础）柱下独立基础（图片来源：地基与基础）(a)柱下独立台阶式基础；柱下独立台阶式基础；(b)柱下独立锥形基础；柱下独立锥形基础；(c)杯形基础杯
48、形基础条形基础条形基础 当建筑物采用砖墙承重时，墙下基础常连续设置，形成通长的条形基础；或当地基承载力不满足要求时，将柱下独立基础以梁连接形成柱下交叉条形基础。 墙条形基础(a)(b)图图10-55（图片来源：地基与基础）（图片来源：地基与基础）(a)柱下交叉条形基础；柱下交叉条形基础；(b)墙下条形基础墙下条形基础满堂基础满堂基础 当上部结构传下的荷载很大、地基承载力很低、独立基础不能满足地基要求时，常将这个建筑物的下部做成整块钢筋混凝土基础，成为满堂基础。 阀形基础阀形基础 箱型基础箱型基础 梁板平面本章小结本章小结结构选型即为荷载的传递路径选择合理的几何形式。结构选型即为荷载的传递路径选
49、择合理的几何形式。在结构选型及设计中，整体与局部之间的转换贯彻始终。在结构选型及设计中，整体与局部之间的转换贯彻始终。结构整体可被划分为若干个结构分体系，每个分体系又可以是结构整体可被划分为若干个结构分体系，每个分体系又可以是局部的整体结构。局部的整体结构。从力的传递关系上看，基本的分体系包括水平分体系、竖向分从力的传递关系上看，基本的分体系包括水平分体系、竖向分体系以及基础体系。体系以及基础体系。曲线结构或曲面的空间结构则兼具水平体系和竖向体系的传力曲线结构或曲面的空间结构则兼具水平体系和竖向体系的传力特性，可以自成结构。特性，可以自成结构。各种建筑结构最终都将通过基础将荷载传至地基。各种建筑结构最终都将通过基础将荷载传至地基。
