1、建筑结构概念设计建筑结构概念设计马人乐同济大学土木工程学院同济大学土木工程学院 教学内容教学内容1.1 概念设计的定义和范畴1.2 概念设计的意义1.3 概念设计的方法第一章 绪论第二章 结构材料选择2.1 结构材料基本特性对比2.2 结构材料选择2.3 结构材料承载能力优化2.4 结构材料的组合优化第三章 结构荷载的选择和调整3.1 恒载的选择和调整3.2 活载的选择3.3 一般动力荷载与作用的选择和调整3.4 疲劳动力荷载的选择和调整教学内容4.1 结构设计发展史4.2 制约结构形式的相关因素4.3 结构形式的优化第四章 结构形式的设计和优化第五章 结构计算的概念和判断5.1 结构计算模式
2、的选择5.2 计算结果的判断第六章 节点概念设计6.1 节点设计的一般概念6.2 节点设计的目标6.3 节点与结构体系的对立统一教学内容教学内容6.4 节点受力的不同阶段及对应的状态6.5 节点内力导引设计第七章 地基基础概念设计7.1 地基基础设计的特点7.2 地基变形及其对策7.3 地基基础特殊抗力的对策7.4 地基基础设计中的优化第八章 工业化建筑结构体系概念设计8.1 工业化建筑结构体系的概念8.2 工业化建筑结构体系的基本构成8.3 工业化建筑结构体系的管理8.4 工业化建筑结构体系的制造8.5 工业化建筑结构体系的安装教学内容教学内容第九章 建筑结构抗震概念设计9.1 抗震设防的目
3、标9.2 结构体系的评价和控制要求9.3 结构构件设计要求9.4 连接设计要求9.5 非结构构件设计要求教学方法1.讲课2.讨论3.思考、总结评分方法每人交一篇小论文，不超过2000字内容：对“概念设计”的理解、思考、质疑、畅想要求：1.独立思考 独立完成 2.结合结构工程设计的实际3.用新的观点思考，提出问题，解决问题 4.在课程结束后一周内上交第一章第一章 绪论绪论建筑结构概念设计1.1 概念设计的定义和范畴1）定义工程结构概念设计是在结构工程设计中利用概念进行判断、推理、创新和决策的方法和过程；2）范畴概念设计包含对材料、荷载、结构方案形体、节点、构造的选择；也包含对计算方法、计算参数和
4、结果的判断、选择和调整。还包括对结构工程制造、安装过程的策划等。3)局限概念设计是工程界提出的新理念，缺乏专门研究。还要在工程实践中不断应用、研究、总结和发展。建筑结构概念设计1.2 概念设计的意义1）对传统教学方法的补充传统教学方法：老师出设计题目，定设计参数，学生计算、绘图，按计算正确性评分；结果：学生掌握了结构设计中许多确定、归一的知识和技能-执行力很强。忽略了对学生主动探索、选择、创新、决策能力的培养-探索、创新、决策能力不足。目标：除了掌握精确的计算方法，还要灵活运用概念设计思想。建筑结构概念设计1.2 概念设计的意义2）对一般设计经验的总结和升华常规设计：一般工程概念设计凭经验 重
5、点工程概念设计总工程师定结果：一般设计人员未自觉进行概念设计经验较难升华为理论目标：每个设计者都自觉地进行概念设计。探索新的设计思想和方法，成为工程界的思想家。建筑结构概念设计1.2 概念设计的意义3）节约造价，节约资源结构设计的安全性和准确性，计算和概念设计的重要性，各占70%和30%结构设计的经济性，计算和概念设计的作用各占30%和70%几乎所有不经济的方案，仍能达到最终的安全概念设计确定后，设计方案的优劣就定型了建筑结构概念设计1.2 概念设计的意义概念设计的意义4）推动设计会的进步，传统发展模式的弊病粗放型发展的社会主要追求发展的速度，忽略质量，只追求工程量（GDP），不注重降低单位产
6、值的资源耗用量。所以概念设计不受重视。比如国企兼并以GDP为衡量指标决定其生存。而对民企，若效率低则生存难。设计费的费率国家统一定，费率乘工程造价即设计费。所以概念设计水平越高，同样使用功能的建筑造价越低，设计费也越少。所以概念设计目前仍然是一种“少赚钱的方法”。巨大的人口总量以粗放的方式超速地发展，造成长期资源的重大缺口和环境问题。客观形成对国际社会威胁。所以：概念设计的问题是生存的问题，收入的问题，战争与和平的问题建筑结构概念设计1.2 概念设计的意义4）推动设计会的进步，改变社会发展模式由主要追求速度和数量为主要追求效率（性价比，性能资源比）和质量；以设计的进步带动工程建设的进步，进而带
7、动全社会的进步-这是概念设计的意义所在。建筑结构概念设计1.3 概念设计的方法1）实践 理论 实践的方法从工程实践中发现问题，在理论指导下分析问题，找出解决问题的方法，然后通过工程实践的改进加以验证。最终总结出新的理论和设计方法，指导工程设计。-实践论2）概念设计的范例概念设计要善于总结中国宋代设计师兼工匠俞皓所著营造法式，根据当时工程实践经验，总结出“模数化”的设计和建造方法。其中有些木结构历经千年留存至今建筑结构概念设计2）概念设计的范例概念设计要善于联想 芭蕉树叶，覆盖面积大，抗风能力强，为什么？折板结构有什么用途？建筑结构概念设计2）概念设计的范例轻钢厂房中国人把芭蕉树叶锁边，当扇子用
8、，发明了芭蕉扇。凉风习习，悠然自得，但没想别的用途。美国人仿照芭蕉树叶把薄壁钢板折成“压型钢板”，作屋面板，重量是钢筋混凝土屋面板的1/10。还把钢板压成轻钢檩条。把压型钢板加保温层墙面，发明了“门式刚架轻钢厂房”，又轻又省钱。建筑结构概念设计2）概念设计的范例对此，中国的审图公司提出：这种结构不符合我们“建筑结构百年大计”的口号。美国人回答说：你看到哪一个工厂会坚持用一套工艺流程生产同一种产品一百年呢？中国开发区的业主都不理睬审图公司。概念设计要求实事求是，兼顾均衡在严酷的条件下，设计方法和理念也是“适者生存”。在我们还不了解自然，对自己的能力过分夸张之时，我们的口号是“征服自然”。至今仍有
9、人夸耀自己发明的建筑结构全部是“9度抗震设防”。但经过“唐山大地震”之后，中国的地震专家提出了“三级设防”的抗震设计思想：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。按此规定设计的建筑基本经受住汶川地震的考验。也使抗震安全与造价这一对矛盾的两个方面达到了阶段性的统一。概念设计要去粗取精，去伪存真汶川地震大量预制板坠落造成人员伤亡。许多地方政府明令不准使用预制板，全部改现浇。但现浇板模板贵，损耗大，施工周期长，现场劳动力耗用量大。建筑结构概念设计建筑工业化还要不要？预制楼板可行吗？答：预制楼板的薄弱环节在于没有防坠落措施，墙上“座灰”放置，墙体变形后错动，坠落。只要有好的“防坠落”措施，即可推广预制板，促
10、进建筑工业化。预应力结构抗疲劳（优化应力性质的概念设计法）内力导引法设计节点（化被动验算为内力导引的节点概念设计法）1预制板花篮梁预埋连接件螺杆泡沫塑料塞螺母预埋连接件螺母螺杆微膨胀混凝土预制板泡沫塑料塞BB图 碗钉法详图图 钢梁混凝土预制板碗钉法防坠落第二章第二章 结构材料选择结构材料选择建筑结构概念设计2.1 结构材料基本特性的对比表2.1 结构材料性能对比表 材料材料性能性能钢钢木木砌体砌体钢筋混凝土钢筋混凝土预应力混凝土预应力混凝土强度强度抗拉抗拉高高顺纹较顺纹较高横纹低高横纹低低低低低较高较高抗压抗压高（受稳定限制）高（受稳定限制）顺纹较高顺纹较高横纹低横纹低高高高高高高抗剪抗剪高高
11、顺纹低顺纹低横纹较高横纹较高压力大则高压力大则高压力低则低压力低则低较高较高较高较高韧性韧性好好较差较差差差较差较差较好较好各向同性各向同性小小较大较大较小较小较小较小较小较小对稳定敏感性对稳定敏感性强强较弱较弱较弱较弱较弱较弱较弱较弱弹性模量弹性模量高高低低较高较高较高较高较高较高强质比强质比高高中中低低较低较低较低较低环保性环保性较好较好好好粘土砖差粘土砖差再生砖好再生砖好较差较差较差较差现场施工便利性现场施工便利性好好好好较差较差较差较差较差较差耐久性耐久性中等中等较差较差较好较好较好较好较好较好耐火性耐火性较差较差差差好好好好较好较好材料单价材料单价高高较低较低低低较低较低中等中等2.
12、1 结构材料基本特性的对比注：表中每一种材料本身有不同的强度和质量等级；表中复合材料（如钢筋混凝土）中不同材料的比率（配筋率）对材料性能有重要影响；同一类材料根据其取材和制造方式的区别，环保性差异很大；在某些条件下，“承载能力和重量之比”比“强质比”更有实际意义。例：钢的强质比比木高3倍左右，但用钢板做楼板因形状限制太薄，抗弯模量太小，而同样重量的木材比钢板厚10倍，抗弯量大100倍，惯性矩大1000倍，所以尽管木材的强度仅为钢材的1/30,但木材的抗弯能力（承载力和刚度）是同重钢板的3倍。建筑结构概念设计2.1 结构材料的选择1）建筑类型与结构材料对城市中的高层建筑或超高层建筑，结构材料的强
13、度、弹性模量、强质比、耐久性是控制性指标。a)强度不足难以承受高层建筑巨大的结构效应；b)弹模不足难以承受非线性变形的累积效应；c)强质比小，恒载引起结构效应大，构件占有效空间大，建筑使用功能下降；d)耐久性差，使用年限下降e)材料经济性受土地价格因素制约退居其次；f)耐火、节能等性能可用其它措施弥补；结论：钢结构和钢筋混凝土结构优先。建筑结构概念设计2.1 结构材料的选择1）建筑类型与结构材料对一般低层或多层民居，材料的经济性（地方性）、环保性、施工便利性特别重要。a)经济性、地方性差则造价高，运输成本高；b)环保性差，能源耗费大，资源耗费大，废弃物多；c)施工便利性差，则建筑工业化难，施工
14、成本高。结论：多层用工业废渣砌体墙，低层用木材或轻钢均可。2）构件所在部位及受力类别与结构材料柱子受集中力大且不希望截面大，所以最好用钢柱，其次用混凝土柱；墙体受力集中不如柱，但起分隔及防火作用，所以高层建筑承重墙或剪力墙用混凝土，多层建筑用砌体；非承重墙不属结构构件，用轻质墙体2.1 结构材料的选择2）构件所在部位及受力类别与结构材料楼面和上人屋面板功能复杂且要求高（刚度、强度、防火、防水、防震动、隔热、隔音、设备兼容性、经济性、自重、建筑空间占有率、维修便利性等）目前：多层用混凝土现浇板，高层钢构用压型钢板复合楼板（图A）或钢筋桁架模板复合楼板（图B）图 A图 B建筑结构概念设计2.1 结
15、构材料的选择2）构件所在部位及受力类别与结构材料现有楼板的缺点：a)湿作业多b)自重大c)造价高改进的可能方向：a)复合木楼板上表面加钢筋网水泥砂浆层，下表面加防火涂料的钢木结构预制楼板；（图A）图 A建筑结构概念设计2.1 结构材料的选择b)带防坠落措施的精制预制预应力多孔板（图B）图 BDD预应力钢筋的张拉锚固D-D建筑结构概念设计2.1 结构材料的选择2）构件所在部位及受力类别与结构材料实例分析：预制混凝土板，压型钢板复合楼板、复合木楼板之对比 类别类别比较项目比较项目防坠落混凝土楼板防坠落混凝土楼板压型钢板复核楼板压型钢板复核楼板复合木楼板复合木楼板强度强度满足要求满足要求满足要求满足
16、要求满足要求满足要求刚度刚度大大大大满足要求满足要求自重自重大大大大为前两者为前两者1/2防水防水加找平砂浆后好加找平砂浆后好最好最好满足要求满足要求现场湿作业现场湿作业表面砂浆层现场表面砂浆层现场全部现场湿作业全部现场湿作业边缘处理现场湿作边缘处理现场湿作业业防火防火最好最好底部钢板要防火底部钢板要防火满足要求满足要求隔热隔热较差较差较差较差好好2.1 结构材料的选择3）荷载的类别与材料选择恒载的大小、方向确定：结构受力不会出现拉压变化。只要按确定的受力选择具备对应抗力（拉、压）的材料。动载大小、方向和作用点三个变化要素，有时构件拉压力可逆，所以材料要既能抗压，也能抗拉。抗拉变抗压要注意稳定
17、问题，抗压变抗拉要注意不能用脆性材料。疲劳动力荷载是反复作用5 次以上的动荷载。且其效应在材料疲劳极限之上。风荷载一般不是疲劳荷载（小风应力不到疲劳极限，大风超过疲劳极限但作用次数少）；机械作用为疲劳荷载（吊车、车辆、风力发电机）；海浪有疲劳作用（超过疲劳极限的作用次数多）；受疲劳荷载的结构多采用韧性好的钢材或预应力钢筋混凝土；韧性好的钢材防脆断好；预应力钢筋混凝土将受拉区变化为受压区，裂缝不开展。410原理：将不同性质的材料组合在一个构件内，并使各自材料的优异性能充分发挥钢筋和混凝土的组合：发挥钢筋受拉强和混凝土受压好的优点，克服了混凝土受拉脆弱和钢筋受压稳定性差的缺点；胶合木板：同种材料，
18、顺纹横纹交叉分层粘合，克服了木材各向异性差别大的缺点；胶合木梁：同种材料，同向粘合，克服了木材尺寸不够大，缺陷多且不均匀的缺点；钢纤维混凝土：钢纤维均匀分布，克服混凝土脆性易裂缺点。2.3.2 构件材料的应力优化原理：对材料的不同部分适当施加预应力，使其在受特定的内力时克服材料本身的缺点钢化玻璃：表面淬火迅速冷却而内部缓慢冷却，内部冷却收缩时受已冷却表面的约束而受拉，表层受压。抵消玻璃受弯时表层拉应力（玻璃抗压富余），克服薄弱环节，提高抗弯能力；预应力混凝土：预拉钢筋混凝土受预压，延迟开裂，提高耐久性，提高抗疲劳性能；2.3.2 构件材料的应力优化预应力砌体：砌体抗剪承载力随受压应力增大而增大
19、（所以女儿墙不受压力地震时先倒）。对已有砖墙做体外预应力加固，可使结构抗震能力提高一倍，预应力也可使砖墙抗弯能力增加。凡是脆性材料均可用预压应力使其抗拉破坏延迟，从而提高抗弯能力，提高韧性。2.3.3结构体系材料的集成优化原理：根据结构体系不同部分不同的效应配置不同性能的建筑材料，集成优化。三角形钢（下弦）木（上弦和腹杆）屋架2.3.3结构体系材料的集成优化钢结构斜拉桥加钢筋混凝土复合桥面板索膜结构（加刚性环平衡）2.3.3结构体系材料的集成优化单元内木结构、单元之间为钢筋混凝土砖石混合结构的多层住宅图 混凝土框架+木楼板+木隔墙混合结构案例第三章第三章 结构荷载的选择和调整结构荷载的选择和调
20、整建筑结构概念设计3.1 恒载在一般人眼中，恒载是恒定的。在智慧的设计者眼中，恒载是可以选择和调整的。3.1.1恒载减轻的优点1）抗震在地震区设计多层建筑，首先要思考如何用较小的代价达到较好的抗震效果？答案是“减轻自重”。因为烈度和场地类别是无法选择的，只有建筑材料的自重是可以由设计者选择的。而地震的惯性力与自重直接相关。3.1.1恒载减轻的优点实例对比：唐山大地震时钢筋混凝土单层工业厂房无一幸免，汶川地震时轻钢厂房受损很小；唐山大地震时砖混结构民居大量倒坍，汶川地震时按抗震规范设计砖混结构有但相对较轻破坏；汶川地震时轻型木结构建筑很少有裂缝。问题：为什么汶川地震后新编的抗震设计规范只规定什么
21、结构应满足怎样的抗震要求，避而不谈“什么结构抗震是最高效的？”这一关键问题。2）跨度结构效应是以荷载与作用为自变量，代入结构效应函数中产生的。弯矩这一主要结构效应与跨度的平方成正比。所以对于大跨度结构，减轻自重因结构效应函数关于跨度的平方成正比而突显其效果。所以大跨度建筑一般采用轻质材料，而小跨度结构则因其它因素占主导地位而不一定采用；3）地基自重减轻后，引起地基沉降的“荷载准永久值”下降比例较大，（活载和风载在其中占比例较小或没有），所以对软土地基区域，可减少基础造价。4）建筑工业化自重减轻后，便于运输和安装，便于建筑工业化，因劳动力价格上涨，工业化可降低造价。建筑结构概念设计3.1.2减轻
22、恒载的副作用1）稳定问题恒载的减轻，结构效率高，杆件纤细稳定问题也突出了。关键是正确应对。2）阻尼比恒载减轻一般阻尼比减小，对减震不利，但影响不大，而且可以通过其他方法弥补。3）隔振恒载减轻对隔振不利，但仅对于有特殊隔振要求的建筑才有影响。4）重力的恒定性：采用轻质材料不能吸水，要保证重力的恒定性。5）结构效应的变异：恒载减轻后，在风吸作用下可能引起结构效应的变异（负弯矩），要考虑相应的抗力对策。6）造价：采用轻质材料要计算综合造价及建筑单位使用面积的平均造价的变化。建筑结构概念设计3.2 活荷载3.2.1活荷载选取的依据活荷载选取的依据是规范和统计。业主不是专业人员，有时提出的要求带有片面性
23、，不能完全照办。要与规范比较，要看统计资料确定合适的活荷载。3.2.2 同一个结构在不同的状态下验算选用的活荷载可以有区别如设计压型钢板混凝土复合楼板：1）验算现浇混凝土时压型钢板抗弯强度，活载为施工荷载，2）验算混凝土凝固阶段压型钢板抗弯刚度：（因为在混凝土凝固阶段不允许有活载）3）验算楼板正常使用极限状态，活载取标准值（结构为复合楼板）；21.5/=1.3kqkN m20/kqkN m建筑结构概念设计3.2 活荷载3.2.2同一个结构在不同的状态下验算选用的活荷载可以有区别4）验算承载能力极限状态，活载取设计值；5）验算火灾偶然作用时，活荷载取抗震组合值，荷载分项系数取1.0，抗力计算中扣
24、除下表面未涂防火涂料的压型钢板；3.2.3活荷载作用位置的影响1）框架结构相邻层，相邻跨的活载配置直接影响不同部位结构内力；2）连续梁相邻跨活载的配置直接影响不同部位结构内力；3）对梁柱铰接，但连接构造偏心较大的情况，柱的计算要考虑两侧梁不等跨或两侧活荷载有、无对柱的偏心压力；4）重大设备如电梯机房曳引机，使用时固定在垫梁上，安装时有可能放在楼面上，维修时悬挂在屋面梁上，要考虑不同部位的结构效应。建筑结构概念设计3.2 活荷载3.2.4活荷载的组合活荷载的组合要考虑实际的可能性（如雪荷载和维修荷载）。3.2.5 活荷载随着社会的发展而变化（如积灰荷载）3.2.6 广义活荷载1）冰雪荷载：必要条
25、件-50，小风（）累积放大作用（屋面排水快速定向或减少累积）断线冲击作用（以主体结构变形消解冲击）2）温度作用约束刚度大，延续长度长，内外结构连续但温差大，这三种条件会引起较大的温度效应。解决办法：抵抗：对于小的温度效应，为结构的整体性可抗（计算法）释放：对于大的温度累积效应，可以释放结构分离（布置法）分散：对于大的温度效应，而结构又不能分离者，可在结构内部分散释放（构造法）014W3.3 风荷载的选择和调整3.3.1风的体型系数 取值1）规范法：风荷载规范中列出的体形系数直接选用，由各种构件组合而成的体型考虑前后遮挡后参照高耸结构规范选用 ；2）风洞试验法：凡规范中没有的体型，或多种体型构件
26、多层次组合的体型通过风洞试验确定 ，一般对圆管结构结果偏保守；3）判断法：依据伯努利原理判断风压方向，依据规范数据相似性确定数值范围，略偏保守采用；伯努利原理：一个容器壁两侧流体流速不等，流速慢的一侧压力大，流速快的一侧压力小；以此判断风压方向如坡15以内变化封闭屋面，风吸；坡15以内变化的体育场屋面（单向开，三向封闭）风吸；坡15以内变化下凹屋面，下部开敞，风压；水平挑檐无法判断，敏感结构：对前两种情况为大部分，实际上就不考虑风压了。因为一般屋面重减去风吸后仍为向下力，即使为向上力数值也很小。只要注意杆件反向受力稳定性即可。对于后两种情况，很少，但风压和自重叠加很危险。其数值怎么也不会大于0
27、.8+0.5。sss1.0s s3.3 风荷载的选择和调整3.3.2风的体形系数 调整调整结构外表形状，即可调整体形系数，以至调整风荷载值。把矩形截面改成圆筒截面，即使迎风面增大了，风荷载总量却减小了。3.3.3风压分布空间相关性1）对于主体结构，相关性降低整体受力；2）对于局部次要受力构件，荷载分布的变化会造成内力的较大变异（相对于原来受力）。结论：受力大的构件变异小，受力小的构件变异大。对策：1）以最小长细比，最小壁厚定构件的最小受力；2）以最小受力（不以计算受力）定节点受力。s3.4 疲劳动力荷载的选择和调整疲劳荷载对结构的危害的评价标准是疲劳应力幅。疲劳应力幅大于相应的允许疲劳应力幅则
28、发生疲劳破坏。减少疲劳应力幅即减少结构应力的变化幅度；这有两类方法：1）用简支结构代替连续结构简支结构没有负弯矩，弯矩在零到最大疲劳弯矩之间变化；连续结构有负弯矩。当轮压到相邻跨时，原来轮压在本跨时最大弯矩处又受负弯矩，应力变化幅度大，对疲劳不利；2）用预应力结构代替非预应力结构预应力结构的受拉区工作机理类似高强螺栓受拉，并非全部外力都变成高强螺栓的拉力增量，而是把一小部分变成拉力的增量，把一大部分变成预压力的负增量（压应力松弛）。只要预压力不下降到零，这种特征都能保持。所以一般预应力结构的偏劳应力幅仅为非预应力结构的20%左右；对于预应力钢筋混凝土结构，混凝土永远受压，没有疲劳问题，预应力主
29、筋疲劳应力幅比非预应力混凝土受疲劳荷载则很差（广州海珠桥引桥段）对于重级工作制钢结构行车大梁，为减轻长期运行自重，节约资源，考虑用高强材料。但高强钢材的允许疲劳应力幅不增加，所以无效。若对钢梁下翼缘用钢绞线加预应力，则钢梁下翼缘永远处于受压状态，无疲劳问题，高强度可以发挥，钢绞线强度是一般钢材的5倍，拉力变化类似高强螺栓，疲劳应力幅也较小。可解决疲劳建筑结构概念设计3.4 疲劳动力荷载的选择和调整2）用预应力结构代替非预应力结构问题，大大减轻行车大梁自重，减少行车运行的长期能源消耗。3）桥梁钢结构中，斜拉桥钢梁较少有疲劳问题，悬索桥钢梁则常见有疲劳裂缝，为什么？第四章第四章 结构形式的设计及优
30、化结构形式的设计及优化建筑结构概念设计4.1 发展史1）人类在自然界生存竞争，施法自然（从形似到神似）人类住宅的发展建筑结构概念设计4.1 发展史高耸结构、高层建筑4.1 发展史自然规律：优胜劣汰警示：一个群体对自然资源、社会资源利用效率的低下会导致灭亡。2）人类在社会实践中不断磨练进步，实现自身需求，以欧洲教堂建筑的发展为例。早期古希腊神庙梁柱结构，跨度小。(帕提农神庙)2）人类在社会实践中不断磨练进步，实现自身需求，以欧洲教堂建筑的发展为例。为了接纳更多信徒，做穹顶建筑。（罗马万神殿）建筑结构概念设计2）人类在社会实践中不断磨练进步，实现自身需求，以欧洲教堂建筑的发展为例。为了实现教堂的综
31、合功能，并抵抗穹顶的水平推力，做“十”字形平面的教堂建筑结构概念设计2）人类在社会实践中不断磨练进步，实现自身需求，以欧洲教堂建筑的发展为例。在城市中心，“十”字形平面受限制，抵抗穹顶水平推力较困难，选用半球形穹顶，减少推力。为减小穹顶裂缝，在穹顶上加小塔，增加压力。（佛罗伦萨教堂）建筑结构概念设计2）人类在社会实践中不断磨练进步，实现自身需求，以欧洲教堂建筑的发展为例。“十”字形教堂做大，其长条矩形平面也用拱形结构，抗水平推力两侧墙加厚；再墙顶压塔抗拉应力。（米兰大教堂）2）人类在社会实践中不断磨练进步，实现自身需求，以欧洲教堂建筑的发展为例。两侧墙推力下，墙体倾斜，加支撑。发现支撑做得好也
32、是一种建筑的美飞拱。（巴黎圣母院）总结：实践的发展打破了平衡，实践和创新又达到了更高层次的平衡-人类结构工程的发展史。建筑结构概念设计4.2制约结构形式的相关因素1）结构形式和使用功能的关系住宅建筑：小跨度，小分隔，小高度，占地紧凑，多层，重合空间；结构：人口稠密地区多层砖混结构 人口密度较小地区轻型木结构 人口密度高、劳力价格高地区多层钢框架办公建筑：空间要求比住宅大，人群集中，交通量大，空间有一定灵活性；结构：框架或框筒体系单层厂房：较大跨度，较大高度规整空间结构：轻型门式刚架单层公共建筑：大跨度、大高度、异形空间结构：拱、穹顶、空间桁架、索、膜或交叉结构建筑结构概念设计4.2制约结构形式
33、的相关因素2）结构形式和尺度的关系小跨度用梁等受弯构件，大跨度用桁架（轴向受力构件组合）小层高的用柱抗侧力，大层高用支撑抗侧力例A:郑州绿地中央广场钢构，内筒加带支撑外框架方案；高283.9m，地上63层，层高4.5m 钢筋混凝土核心筒32mX32m，外柱20根，2.42.5m型钢混凝土柱 自振周期7.515.58secT 150112secT 15.15secT 建筑结构概念设计4.2制约结构形式的相关因素2）结构形式和支承状态的关系挡水墙结构的变化兵来将挡，水来土掩（沙包垒堤）建筑结构概念设计4.2制约结构形式的相关因素2）结构形式和支承状态的关系悬臂柱插入式挡水墙原理：板传力给柱，悬臂柱
34、插入基础为主体结构建筑结构概念设计4.2制约结构形式的相关因素2）结构形式和支承状态的关系自平衡式挡水墙原理：水压力垂直作用于挡水板，挡水板斜置，把水压力分解为水平推力和垂直压力。压力乘摩擦系数为摩擦力，自平衡水平力。特点：a)轻 约30kg/b)可折叠，运输安装方便c)适应性广（地形、坡度、地面材料）d)可累计加高（防水位变化大）自平衡式挡水墙建筑结构概念设计4.3结构形式的优化 结构形式的优化包括整体结构的优化和单根杆件的优化。后者的优化也牵涉到结构形式的改变。4.3.1 整体结构的优化1）整体结构优化的目的是提高结构效率。2）结构的效率理论上可以用结构全部构件，所有截面上所有点，在各自的
35、控制性极限状态中的最大应力水平作加权平均得到的百分比来衡量。3）任何结构没有绝对的高效率，只有相对的高效率。4）整体结构的优化可分步走，先根据大量的经验作判断，定大方向，然后根据具体条件分析定详细方案。例：一大跨屋面：大方向：轻钢屋面、压型钢板、铝镁锰合金板细部：桁架还是H型钢分析 跨度较小用变截面H型钢梁 跨度大用桁架（网架）分析 跨度大，平面接近方形用双向桁架 平面边长差别大时用单向桁架建筑结构概念设计4.3.2 单根杆件的优化1）单根杆件的优化包括应力性质的优化和应力水平的优化；2）应力性质的优化指根据构件控制性的极限状态和材料抗力特性调整构件的应力方向；如：压变拉：长度较大、拉压交变、
36、受力绝对值较小、长细比控制的支撑或桁架斜腹杆，材料强度利用率低。采用柔性交叉斜腹杆并施加预拉力后，杆件不可能受压，也不受长细比的限制，材料利用率大大提高。拉变压：疲劳控制的重级工作制吊车梁（简支钢梁），下翼缘疲劳应力幅不能大于允许疲劳应力幅。由于允许疲劳应力幅只和构造有关，和材料强度无关，所以为了减轻钢梁重量，用高强钢材后，抗疲劳问题无法解决。改变应力幅可以解决问题。对下翼缘施加预拉力（用钢绞线拉），使其不出现拉应力，则没有疲劳问题。控制性极限状态改为强度，使用高强材料可大大减少。高强钢材加预压力前后抗疲劳能力变化高强钢材加预压力前后抗疲劳能力变化钢材Q345Q390Q420强度/MPa295
37、335360连接类别232323/MPa144118144118144118p/MPa246246279279300300p/1.712.081.942.362.082.54钢绞线面积比0.0750.0750.0850.0850.0910.091钢绞线应力幅比0.0940.0940.1050.1050.1110.111钢绞线应力幅124124139139147147材料消耗7.5%7.5%8.5%8.5%9.1%9.1%抗疲劳提高71%108%94%136%108%154%建筑结构概念设计 应力流途径改变：开口截面受扭时剪力流在钢板厚度方向方形范围形成小涡流，称为“分散抗扭”。若将开口截面改为
38、闭口截面，剪力流沿闭口截面周边形成大涡流，称为“合力扭矩”，结构抗扭效果提高很多。开口截面开口截面局部应力进入可控的塑性，如抗震结构中的偏心支撑是可控地使梁的某一段进入塑性变形，增加结构耗能。又如蕊杆屈曲而外套筒不屈曲的“防屈曲支撑”，是通过蕊杆的屈曲增加结构耗能。而套筒则控制了蕊杆的屈曲程度。使屈曲处在可接受的范围的。应力性质的优化还可以创造出奇幻的结构造型。如在一般空间桁架中，压杆多于拉杆。但在“张拉结构”中，压杆少于拉杆，成为在拉力的海洋中漂浮着一个独立受压的小岛。建筑结构概念设计4.3.2 单根杆件的优化3）应力水平的优化是将所有构件的应力比调整到合理而均衡的水平。合理：a 符合规范要
39、求，不超上限 b 符合经济性要求，应力水平不取太低均衡：a 总体应力水平接近 b 根据结构各部分的特点，适当微调，达到相对的均衡第五章第五章 结构计算的概念与判断结构计算的概念与判断建筑结构概念设计5.1 结构计算的前期准备1）结构计算模式的选择从杆件和节点的实际情况出发；从加工、运输、安装的便利性与可能性出发从调整结构刚度及提高结构效率出发2）结构刚度的选择结构整体刚度：单元刚度的集成，如空间桁架杆件刚度：为保证杆件对总体刚度的有效作用而规定的“另类”刚度标准，如单杆 EAl 建筑结构概念设计2）结构刚度的选择广义刚度：按变形类别区分：抗弯刚度、抗剪刚度、抗扭刚度 按变形的程度分：弹性变形刚
40、度、弹塑性变形刚度 动刚度：与自振特性有关的刚度及分布 地基刚度：与地基长期沉降或不均匀沉降有关的刚度3）计算方法的分类宏观力学方法：求名义应力，抗力为设计强度；宏观力学方法加统计参数修正；求统计名义应力，抗力为修正后的设计强度；弹性有限元法：求弹性范围内微观单元应力状态（按强度理论），抗力为屈服强度；弹塑性有限元法：求弹塑性范围内的微观单元应力状态及变化过程，评价指标为塑性发展深度；有限元法加外推法：求特殊部位的“热点应力”，抗力为允许疲劳应力幅。建筑结构概念设计4）计算方法选择：（对应于3）的方法）对延性材料杆系结构用对非延性材料杆系结构用对非杆系结构弹性阶段用对非杆系结构弹塑性阶段用对焊
41、接部位的疲劳分析用5.2 计算结果的判断1）正常使用极限状态计算结果判断变形的连续性是计算结果可信的必要条件；由结构动力参数（频率分析、振型）可见结构各方向刚度的均衡性恒载引起的变形直接反映结构刚度；构筑物与建筑物的变形限制条件不同。若无具体使用变形限制条件，可放宽变形限制。但变形若超出线弹性范围，应做非线性分析；有人活动的结构部位要满足加速度限制条件，对应的荷载取频遇值；根据所设计结构的各种特点分析其特殊要求及广义变形限制条件，选用合适的对策。建筑结构概念设计5.2 计算结果的判断2）承载能力极限状态计算结果判断轻质薄壁结构按边缘屈服控制强度；并考虑与局部稳定相关的有效截面参数；非薄壁结构可
42、适当考虑塑性发展深度，可按10%以内控制；对于延性材料组成的结构，可用名义应力对比强度设计值，但还要符合规范规定的构造要求；对承受疲劳动力荷载的结构，按宏观力学方法计算时不允许边缘屈服；按有限元方法计算时，在疲劳荷载下不允许边缘屈服，在极限荷载下允许边缘屈服，但相应部位计算疲劳时构造等级可考虑下降一级；整体稳定的控制首先通过适当的支撑布置解决，平面内刚度好的楼面可代替永久支撑；空间结构要有对应的空间分布的支撑；跨内无支撑构件的整体稳定若不满足规范限制条件应作验算。支座抗扭为其先决条件，规范限定整体稳定免验算条件仅对应于满应力状态，降低应力水平可放松整体稳定限制；无支撑框架，有支撑框架（包括强支
43、撑和弱支撑）柱的计算长度系数可超2.0，按规范量化计算；竖向悬臂空间桁架结构（塔架）等同于强支撑空间框架，原则上其斜腹杆的抗侧刚度与立柱抗侧刚度之比应与强支撑框架的支撑与柱的抗侧刚度之比相当；建筑结构概念设计5.2 计算结果的判断2）承载能力极限状态计算结果判断结构变形（包括整体变形和层间变形）超过规范限定值后应按非线性分析其对结构受力的影响，且最大位移不能超过建筑抗震设计规范中罕遇地震下的位移限制；结构局部稳定的规范限制是以满足应力为条件的，在适当条件下为提高结构效率可降低应力水平以放松局部稳定要求，（如高耸结构设计规范）对单管塔径厚比的规定。3）非极限状态问题的判断疲劳问题按允许疲劳应力幅
44、判断（采用允许应力法），无荷载分项系数；对变形敏感结构，如网壳结构，桅杆结构的稳定计算用安全系数法。规范分别确定安全系数；对于一些实践证明有问题的结构破坏方式要分析具体原因，寻找解决方法；建筑结构概念设计3）非极限状态问题的判断对于一些实践证明有问题的结构破坏方式要分析具体原因，寻找解决方法；例1：重级工作制吊车梁加劲板与上翼缘间焊缝“A”断裂（图A）建筑结构概念设计3）非极限状态问题的判断疑问：当轮压经过时，轮压扩散到轨道底面，作用在上翼缘表面。但按照B-B图，上翼缘受弯属单向板受弯，按单边支承悬臂板计算。加劲板与上翼缘之间焊缝不受力。为什么破坏？原因：单向板的假定只是简化假定，在计算上翼缘
45、受弯时偏安全。在计算加劲肋支承点受力时，此假定导致不安全。实际加劲肋支承点受力仍不大。但两侧的焊缝当轮压滚过时正好拉压变号。所以应力幅比应力加大一倍。而此角焊缝无法连续成围焊，属5类构造。允许应力幅很低。（），所以发生疲劳破坏。对策：顶紧，不焊 按有限元方法计算此焊缝疲劳应力幅，按规范验算疲劳。例2：重级工作制吊车梁腹板受压受剪区疲劳裂缝1，2（见图A）原因：用剪应力互等定理可知，当轮压滚过某截面时，正截面剪应力的变号会造成斜截面的正应力变号。所以：抗剪强度满足，疲劳应力幅不满足。特别是加劲板附近腹板，先破坏62 1090max+左右62 10t=170144(2)90 v对Q345（20），
46、f类（5类）左左右右建筑结构概念设计3）非极限状态问题的判断分析：但这类破坏与下翼缘受拉疲劳破坏不同。开裂后，开裂点处应力为零。重新找点开裂，属于“渐进性”疲劳破坏。而下翼缘处一旦开裂，开裂处应力集中加剧，促进开裂过程。属于突发型。受压只改变正截面方向，不改变趋势。对策：验算剪应力幅：例3：桅杆纤绳拉耳疲劳断裂。max 建筑结构概念设计3）非极限状态问题的判断例3：桅杆纤绳拉耳疲劳断裂疑问：纤绳拉力和焊缝A处于同一平面，焊缝A在纤绳拉力作用下应力水平很低。按疲劳验算通过。为何破坏？原因：桅杆结构属结构力学中的“瞬变结构”（所有支座反力延长线通过杆轴）。桅杆在微风作用下绕杆轴扭转瞬变。变形后产生
47、回复力。反复扭转振动，对拉耳产生平面外弯矩。对其焊缝产生疲劳应力幅（未作计算）。超过允许疲劳应力幅后断裂。对策：采取抗扭措施，改变其抗扭瞬变结构特点。建筑结构概念设计3）非极限状态问题的判断例4：预应力抗疲劳钢梁应力目标：受力状态加预应力时疲劳荷载标准值极限荷载钢绞线脆断疲劳荷载标准值上翼缘应力(N/mm2)00.65f（压）f（压）0.65f（压）下翼缘应力(N/mm2)f（压）0.05f（压）0.54f（拉）f（拉）注：1、须保证梁不失稳，也不腹板剪坏；2、表中0.65=1/()=1/(1.41.1)，表中0.54=-1；3、上翼缘抗横向刹车力通过连接制动桁架解决。截面及参数截面及参数 1
48、2.00 4IWAhh压.11 3330.6IWAhh拉.11011.5/20.45AhAhxhA221150.40.8IAhAh12.00.4IWAhh压11.3330.6IWAhh拉0.4xih分析1)钢绞线加预拉力P后，上翼缘拉应力为0的条件为：预拉力P作用下，下翼缘压应力为f：15PPefAW拉110.451.33PPhfAAh11.3326.665hh PAhf12PA f1-05PPeAW压111-052eAAh1120.45AhehA2)当疲劳弯矩Mp作用时，下翼缘应力由压应力变为0.05f（压），则：此时上翼缘应力为：3)极限弯矩Mu作用时：下翼缘应力由0.05f（压）变为 此
49、时上翼缘应力为：111 0.051.330.951.26pMWfAhfAhf拉1 211.20.632pMbAhffWAh上压111.541.54 1.261.94upMMAhfAhf u0.540.050.46()pMffW下拉拉30.631.540.97ff上4)当钢绞线破断时，荷载为标准值弯矩Mp，上翼缘 下翼缘1411.260.632AhffAh上1411.260.951.333AhffAh下结论结论1)由应力目标设计达到了疲劳承载力和极限承载力的全截面协调，两者比值为1:1.54。2)疲劳承载力提高到相当于将允许应力幅提高到0.95f。对于以下3种材料，疲劳允许应力幅提高的倍数：材料
50、Q345Q390Q420f295335360提高倍数2类构造1.952.212.383类构造2.382.702.90注：i)板厚在1635mm以内；ii)构造为2类=144N/mm2，构造为3类=118N/mm2；3)将疲劳的脆性破坏变为强度问题，杜绝了脆性破坏。第六章第六章 节点设计节点设计建筑结构概念设计6.1 节点设计的一般概念6.1.1 基本概念1）结构体系由构件和节点共同构成；2）节点使交汇于它的构件连成一体，传导构件之间的内力，并与节点上的外力相平衡；3）节点按受力特征可分为铰接、刚接和半刚接。铰接中又可分滑动铰接和固定铰接；4）节点按杆件汇聚的方向特征分为平面节点和空间节点。建筑
