建筑力学与结构第一章

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1、第1章 绪 论教学目标 通过本章的学习，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，知道极限状态的概念，掌握两 种极限状态，知道建筑结构抗震的基本术 语。 教学要求能力目标相关知识权重自评分数 掌握建筑结构的 组成及分类。建筑结构按所用材料可分为混凝土结构、砌 体结构，钢结构和木结构。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。30%理解建筑结构的 功能要求结构的功能要求是指结构的安全性 、适用性 和耐久性。10%掌握极限状态的 概念和分类极限状态共分两类：承载能力极限状态和正 常使用极限状态20%

2、掌握建筑结构抗 震的基本术语地震的震级、烈度、抗震设防目标40%推荐阅读资料1、建筑结构荷载规范（GB50009-2001） 2、建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001） 3、混凝土结构设计规范（GB50010-2002） 4、砌体结构设计规范（GB50003-2001） 5、建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） 6、钢结构设计规范（GB5005-2003） 7、建筑抗震设计规范（GB50011-2001 2008年版） 8、建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2008） 9、混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图（ 03G101） 10、中国建筑科

3、学研究院 黄世敏讲座：汶川地震建筑物典型震害探 讨 11、建筑力学与结构，胡兴福主编，武汉理工大学出版社， 2007.8 12、建筑抗震，张小云主编，高等教育出版社，2008.12 13、钢筋混凝土结构，罗向荣主编，高等教育出版社，2004，6学习重点 建筑结构的组成、功能要求，极限状态， 抗震设防引例一两层办公楼如图1.1a示（实例一），一两层教学楼如图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）a.实例一：办

4、公楼（砖混结构）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 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）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

5、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

6、（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粘土砖建造，粘土砖的用量十分 巨大，而生产粘土砖要毁坏农

7、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

8、 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46

9、8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1.1

10、1）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

11、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

12、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，

13、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）

14、。 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

15、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

16、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 ）。图1.17 承载能力极限状态破坏2）正常使用极限状态 超