第10章混凝土结构分析方法

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1、【教学要求教学要求】上册中介绍了混凝土结构的材料性能和各种基本构件的设计方法及构造要求。下册中将对混凝土结构的分析方法以及混凝土梁板结构、单层厂房结构和多层房屋框架结构的设计计算方法进行介绍。第1页，共32页。一、结构的定义一、结构的定义u广义的结构是指房屋建筑和土木工程的建筑物、构筑物及其相关组成部分的实体；u狭义的结构是指各种工程实体的承重骨架。第2页，共32页。u任何一栋建筑物都可能包含承重结构、围护结构、装饰结构等，本课程中的结构是特指其承重结构。第3页，共32页。二、二、混凝土结构的分类方法（一）按结构构件的几何形状尺寸和受力特点分类1.杆系结构 由杆件组成的结构称为杆系结构，如连续

2、梁、桁架、框架、排架结构等。他们是实际工程中数量最多、使用面最广的一类结构。连续梁连续梁第4页，共32页。5 桁架桁架（truss）: : 由直杆组成的一般具有由直杆组成的一般具有三角形三角形单元单元的平面或空间结构。在房屋建筑中的平面或空间结构。在房屋建筑中, ,桁架常用来作为桁架常用来作为屋盖承重结构屋盖承重结构, ,又称为又称为屋架屋架。第5页，共32页。6 桁架桁架（truss）: : 由直杆组成的一般具有由直杆组成的一般具有三角形三角形单单元的平面或空间结构。在房屋建筑中元的平面或空间结构。在房屋建筑中, ,桁架常用来作为桁架常用来作为屋盖承重结构屋盖承重结构, ,又称为又称为屋架屋

3、架。第6页，共32页。7 组成桁架的所有各杆都是直杆，所有组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线各杆的中心线 ( (轴线轴线) )都在同一平面内。都在同一平面内。第7页，共32页。8桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。接节点。第8页，共32页。9鲁班锁第9页，共32页。排架结构排架结构排架结构由屋架（或屋面排架结构由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成梁）、柱和基础组成柱与屋架铰接柱与屋架铰接第10页，共32页。框架结构框架结构承受荷载：既能承受竖向重力荷载又能承受侧向水平荷载，承受荷载：既能承受竖向重力荷载又能承受侧向水平荷载，不需另设不需另设支撑构件

4、支撑构件特点：组成的空间宽敞，可以灵活进行建筑布置特点：组成的空间宽敞，可以灵活进行建筑布置应用：适用于多种建筑物，对办公楼、商业或科教建筑更为适宜应用：适用于多种建筑物，对办公楼、商业或科教建筑更为适宜第11页，共32页。第12页，共32页。2.板板壳结构壳结构特点：两个方向的尺寸远大于第三个方向尺寸。特点：两个方向的尺寸远大于第三个方向尺寸。平者为板，曲者为壳。板以弯曲为主，壳以压力为主。平者为板，曲者为壳。板以弯曲为主，壳以压力为主。第13页，共32页。 无梁楼盖无梁楼盖单向板肋梁楼盖单向板肋梁楼盖 双向板肋梁楼盖双向板肋梁楼盖板板第14页，共32页。壳体壳体组成：壳壁、边缘构件（直梁、

5、组成：壳壁、边缘构件（直梁、 曲梁、拱）曲梁、拱）应用：可作为屋盖应用：可作为屋盖 单层建筑物的覆盖结构单层建筑物的覆盖结构 （形式新颖，多用于各类（形式新颖，多用于各类中小型可供观赏的建筑物中小型可供观赏的建筑物以及以及 大跨度的公共建筑物）大跨度的公共建筑物） 第15页，共32页。国家大剧院国家大剧院 总建筑面积近总建筑面积近1515万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，是万平方米，该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴半椭圆球形，东西长轴212.2m212.2m，南北短轴，南北短轴143.64m143.64m，总高度，总高度46.285m46.285m。设。设计为法国

6、巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，整体结构用钢量达67506750吨。吨。 第16页，共32页。3.块体结构块体结构特点：三个方向的尺寸为同量级的结构。特点：三个方向的尺寸为同量级的结构。柱下独立基础和设备基础、桥台和桥墩。柱下独立基础和设备基础、桥台和桥墩。第17页，共32页。4.索结构索结构主要受力构件为柔性的缆索及其支承构件。缆索只能承受主要受力构件为柔性的缆索及其支承构件。缆索只能承受拉力，不能承受压力。拉力，不能承受压力。索结构可以跨越很大的空间，特别适合于在大跨结构中使用。索结构可以跨越很大的空间，特别适合于在大跨结构中使用。第18页，共3

7、2页。第19页，共32页。5.膜结构膜结构用膜材制作的结构，称为膜结构。用膜材制作的结构，称为膜结构。与缆索一样，只能承受拉力，不能承受压力与缆索一样，只能承受拉力，不能承受压力膜材常配合钢索、钢支柱、钢桁架及其支撑系统组成。膜材常配合钢索、钢支柱、钢桁架及其支撑系统组成。膜结构具有造型自如、形式多样、白天透光、夜间发亮、耐久性膜结构具有造型自如、形式多样、白天透光、夜间发亮、耐久性强、自洁性高、结构轻巧、施工快捷等优点，近年来在许多体育场强、自洁性高、结构轻巧、施工快捷等优点，近年来在许多体育场馆的屋盖结构中被广泛采用。馆的屋盖结构中被广泛采用。第20页，共32页。第21页，共32页。（二）

8、按结构所在空间位置分类1.水平承重结构 房屋中的楼盖结构和屋盖结构。2.竖向承重结构 如房屋结构中的框架结构、排架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构第22页，共32页。剪力墙结构剪力墙结构第23页，共32页。金茂大厦平面金茂大厦平面金茂大厦立面金茂大厦立面第24页，共32页。3.底部承重结构 房屋中的地基和基础。水平承重结构竖向承重结构底部承重结构 水平承重结构，竖向承重结构，底部承重结构之间的荷载传递关系如上图所示。它们是一个整体，它们相互作用、相互影响，构件可能有交叉，影响可能反向作用。第25页，共32页。第二节 结构分析应遵循的原则一、结构分析的步骤 结构选型和布置确定之后，可以

9、进行结构分析。步骤如下：l（1）假定结构构件截面尺寸，选择材料的品种和级别。l（2）确定结构计算简图。l（3）计算荷载的大小。l（4）选择合适的结构分析方法。l（5）进行结构的内力和变形计算。 进行配筋计算，验算变形和裂缝。第26页，共32页。二、结构分析的基本原则l（1）所有情况下均应对结构进行整体分析。 在所有的情况下，设计计算、验收前均应对结构的整体进行分析。必要时，结构中的重要部位、形状突变部位以及内力和变形有异常变化的部分（例如较大孔洞周围、节点及其附近区域、支座和集中荷载附近等）应另作更详细的局部分析。l（2）当结构在施工和使用期间有多种受力状况时，应分别进行受力分析。 结构在不同

10、的工作阶段，例如结构的施工期、检修期和使用期，预制构件的制作、运输和安装阶段等，应确定其可能的不利作用效应组合。对于重要的结构，应考虑偶然作用可能带来的严重后果，进行相应的结构防倒塌分析。第27页，共32页。l（3）结构分析所需的各种几何尺寸，以及所采用的计算图形、边界条件，作用的取值与组合、材料性能的计算指标、初始应力和变形状况等，应符合结构的实际工作状况，并应具有相应的构造保证措施。l（4）结构分析应符合下列要求： 1）应满足力学平衡条件； 2）应在不同程度上符合变形协调条件； 3）应采用合理的材料或构件单元的本构关系。 4）结构的分析方法应根据结构类型、构件布置、材料性能和受力特点等进行

11、选择。 5）结构分析所采用的电算程序应经过考核和验证，其技术条件应符合有关标准的要求。第28页，共32页。第三节 分析方法及其适用范围混凝土结构的分析方法可归纳为五类：l（1）线弹性分析方法；l（2）考虑塑性内力重分布的分析方法；l（3）塑性极限分析方法；l（4）非线性分析方法；l（5）实验分析方法。第29页，共32页。条文说明： 现有的结构分析方法可归纳为五类。各类方法的主要特点和应用范围如下：1 弹性分析方法是最基本和最成熟的结构分析方法，也是其他分析方法的基础和特例。它适用于分析一般结构。大部分混凝土结构的设计均基于此方法。结构内力的弹性分析和截面承载力的极限状态设计相结合，实用上简易可

12、行。按此设计的结构，其承载力一般偏于安全。少数结构因混凝土开裂部分的刚度减小而发生内力重分布，可能影响其他部分的开裂和变形状况。考虑到混凝土结构开裂后刚度的减小，对梁、柱构件可分别取用不同的折减刚度值，且不再考虑刚度随作用效应而变化。在此基础上，结构的内力和变形仍可采用弹性方法进行分析。第30页，共32页。2 考虑塑性内力重分布的分析方法设计超静定混凝土结构，具有充分发挥结构潜力，节约材料，简化设计和方便施工等优点。但应注意到，结构的变形和裂缝可能相应增大。3 弹塑性分析方法以钢筋混凝土的实际力学性能为依据，引入相应的本构关系后，可进行结构受力全过程的分析，而且可以较好地解决各种体型和受力复杂结构的分析问题。但这种分析方法比较复杂，计算工作量大，各种非线性本构关系尚不够完善和统一，至今应用范围仍然有限。主要用于重要、复杂结构工程的分析和罕遇地震作用下的结构分析。第31页，共32页。4 塑性极限分析方法又称塑性分析法或极限平衡法。此法主要用于周边有梁或墙支承的双向板设计。工程设计和施工实践经验证明，按此法进行计算和构造设计简便易行，可以保证结构的安全。5 对体型复杂或受力状况特殊的结构或其部分，可采用试验方法对结构的材料性能、本构关系、作用效应等进行实测或模拟，为结构分析或确定设计参数提供依据。第32页，共32页。