第十章-建筑体型与结构布置给学生20100412.pptx

第一节第一节 建筑体型建筑体型一、建筑体型的形成 从几何的概念来分类，建筑平面与立体形状可分为凸形与凹形两大类。凸形图形中，任何两点的连线都不可能穿越图形界限，称为简单图形；凹形图形中，用一条穿越图形界限的直线连接图形内的两点，称为复杂图形。简单图形 复杂图形建筑平面分为简单建筑平面、复杂建筑平面；建筑立面分为简单建筑立面、复杂建筑立面。简单建筑平面 复杂建筑平面简单建筑立面 复杂建筑立面 从二维转变为三维，任何一个建筑体型都可归纳为平面上的两个基本类型与立面上的两个基本类型的组合，即一共有四种基本组合。a)简单平面与简单立面的组合b)复杂平面与简单立面的组合c)简单平面与复杂立面的组合d)复杂平面与复杂立面的组合二、建筑体型的变化1、简单平面与简单立面的组合 简单平面的尺寸变化包括绝对尺寸和相对尺寸两方面，平面尺寸较大的建筑物的受力显然比平面尺寸小的建筑物要复杂的些，这时要考虑到结构整体性，同时又要考虑到温度应力，混凝土收缩等不利因素的影响。而平面的长宽比较大的建筑物显然比平面为正方形的建筑物更容易受到扭转，不均匀沉降的威胁。简单立面的尺寸变化对结构的影响也包括绝对尺寸和相对尺寸两个方面。建筑物越高，侧向风荷载或地震作用的影响越大；建筑物的高宽比H/B越大，结构的抗侧刚度和抗倾覆稳定性就越差；当高宽比一定时，降低建筑物的质量中心则有利于结构的抗侧稳定性。2、复杂平面与简单立面的组合l 复杂平面的形状很多，其基本尺寸对结构受力的影响也可以从绝对尺寸和相对尺寸两方面考虑，其中主要为肢翼长度和肢翼宽度之比。一般地说，肢翼长度越大，肢翼宽度越小，则结构受力越不利。l当结构受力复杂时，可在结构上设置变形缝把它分成两个矩形平面。复杂平面转化成简单平面3、简单平面与复杂立面的组合 立面是复杂立面，整个建筑物在不同的高度有不同的建筑平面。各种收进方式及各种尺寸变化时的情况如图，建筑体型的变化对竖向荷载和水平荷载作用下的结构内力都将产生影响。a)两邻边收进 b)四边收进1）带小塔楼的建筑：l在地震作用下，小塔楼由于鞭稍效应产生较大的惯性力，会造成塔楼根部的破坏甚至塔楼的倒塌。设计中一般是控制b/h值，即小塔楼不能突然内收很多，避免刚度发生突变。2）带裙房的建筑：l由于裙房部分与主楼部分自重相差悬殊，会产生地基的不均匀压缩，引起建筑物的不均匀沉降，或导致基础结构的破坏。4、复杂平面与复杂立面的组合l复杂的建筑体型使建筑物具有明显的个性，但却给结构布置带来了难题。l结构布置：1）限制：限制裙房外伸、小塔楼的高度、内收尺寸等；2）加强：设置刚性基础、刚性层或其他的构造措施来保证结构的整体性；3）当上述方法无法令人满意时，设置变形缝：把复杂的建筑体型分成若干个简单的结构单元。第二节 结构布置一 、对称性 对称性包括建筑平面的对称，质量分布的对称，结构抗侧刚度的对称三方面。最佳的方案是使建筑平面形心，质量中心，结构抗侧刚度中心在平面上位于同一点上，而在竖向则位于同一铅锤线上，简称“三心重合”。1、建筑平面的对称性 建筑平面形状最好是双轴对称的，这是最理想的。但有时也可能只能对一个轴对称，有时可能是根本找不到对称轴。双轴对称 单轴对称 无轴对称 不对称的建筑平面对结构来说有三个问题：l会因其外荷载作用的不均匀，从而产生扭矩；l会在凹角处产生应力集中；l不对称的建筑平面很难使三心重合。因此，对于单轴对称或无轴对称的建筑平面，在结构布置时必须十分小心，应该对结构从各个方向反复进行计算，并考虑结构的空间作用。2、质量布置得对称性 在建筑平面对称和结构刚度均匀分布的情况下，若建筑物质量分布有较大偏心，当遇到地震作用时，地震惯性力的合力将会对结构抗侧刚度中心产生扭矩，这时也会引起建筑物的扭转和破坏。3、结构抗侧刚度的对称性 抗侧力构件的布置地结构受力有十分重要的影响。在对称的建筑外形中进行了不对称的建筑平面布置，从而导致了结构刚度的不对称布置。l在建筑物的一侧布置墙体，而在其他部位则为框架结构。由于墙体的抗侧刚度要比框架大得多，这样当建筑物受到均匀的侧向荷载作用时，楼盖平面显然将发生图中虚线所示的扭转变位。抗侧墙体的不均匀布置l布置在楼梯间，电梯间四周的墙体所形成的核芯井筒往往能提供较大的抗侧刚度，因此核芯井筒的位置对结构受力有较大的影响。矩形平面中核心筒如为对称布置，容易满足“三心重合”的要求，而L形平面却难以满足“三心重合”的要求，结构布置时须十分小心。例例马拿瓜国家银行结构平面马拿瓜国家银行结构平面l在矩形的建筑平面中，一侧集中布置了实心填充外墙及两个核心筒，而另三边则采用了空旷的密柱框架，楼盖结构为单向密肋板。结构的抗侧刚度中心明显地与建筑平面形心和建筑质量中心偏离，该建筑已在一次地震中倒塌。二、连续性 连续性是结构布置中重要方面，而又常常与建筑布置相矛盾。建筑师往往希望从平面到立面都丰富多变，而合理地结构布置却应该是连续的，均匀的，不应使刚度发生突变。下为框架结构刚度不连续，形成薄弱的几个例子。1）由于底层大空间的要求抽掉了部分柱子，即由于结构构件布置的不连续性形成了薄弱层。l2）由于结构底层层高较高，即由于结构的层高是楼板至楼板的高度，而底层结构的层高是自二层楼板至基础顶面的高度，这样便自然出现了底层层高大于上部层高的情况。l3）是建筑物建于山坡的情况，即由于结构尺寸变化在层平面内的不连续性形成了薄弱层。很显然当柱子截面尺寸相同时，由于短柱具有较大的抗侧刚度，因此将承受较多的侧向地震力而容易首先破坏。下图为剪力墙布置不连续的几个例子。a为框架支承的剪力墙，当底层需要大开间时往往将部分剪力墙在底层改为框架。b，c为不规则布置的剪力墙结构，由于立面造型上的要求或建筑门窗布置的要求使剪力墙布置上下无法对齐。d的布置则常常出现在楼梯间采光的要求使洞口错位布置。很显然，对于上述几种结构刚度沿竖向有突变的剪力墙结构，常常会由于集中而产生裂缝或造成局部的损坏。三、周边作用 下图为建筑平面相同，结构构件形式相同，结构材料用量相同，仅构件布置位置不一样的几种情况。由于墙体具有较大抗侧力刚度，因此墙体位置的变化对整个结构的抗倾覆和抗扭转能力有明显的影响。在材料力学中就知道，材料布置得力中心愈远，它所作用的力臂就愈大，从而产生的抵抗矩就愈大。因此在梁的设计中，广泛地应用工字形截面梁来代替矩形截面梁。高层建筑平面布置时，则应把具有较大抗侧刚度的剪力墙，核心筒布置在建筑物周边。四、角部构件 角部构件往往受到较大的荷载或较复杂的内力，在结构布置时应特别注意。在多层框架结构中，角柱虽然受到的轴力较小，但它为双向受弯构件，当结构整体受扭时所受到的剪力最大，所以角柱在整个柱高范围内，都应采取加密箍筋等构造措施。筒体结构侧向荷载作用下，角柱内会产生比其他柱子更大的轴力，且角柱是形成空间工作的重要构件，因此，筒体结构中的角柱往往均予以加强，有时甚至在建筑平面的四角布置四个角筒。五、多道防御 多道防御的设计概念对抵抗未能预测的灾害有重要意义。在建筑结构的设计中，要求当结构中的某些截面出现塑性铰或一部分构件受到破坏时，整个结构仍能继续工作，承受荷载。多道防御的设计概念可应用于单榀结构，也可应用于整个结构。以框架结构为例，由于梁，柱内塑性铰塑性铰塑性铰塑性铰出现次序的不同而有多种可能的破坏形态，其中最典型的破坏形态如图所示。a,b结构为强梁弱柱型强梁弱柱型强梁弱柱型强梁弱柱型的，即结构在竖向荷载和地震作用下，首先是在柱端截面发生破坏。显然，只要在某一层柱的上下端出现塑性铰，即会造成整个结构的破坏。钢筋砼梁的塑性铰特点：1）只沿弯矩作用方向发生单向转动，普通铰沿任意方向转动；2）能传递一定的弯矩，理想铰不能承受任何弯矩；3）有一定长度，而理想铰集中于一点。种类：1）对于适筋梁，塑性铰形成的起因是受拉钢筋先屈服，称为钢筋铰；2）对于超筋梁，钢筋未屈服，转动主要由受压区砼的非弹性变形引起，称为砼铰。lc的结构为强柱弱梁型强柱弱梁型强柱弱梁型强柱弱梁型的，即结构在竖向荷载和地震作用下，塑性铰首先出现在梁端。可以看出，即使所有的梁端全部出现塑性铰，也部至于造成整个结构的破坏，而要等梁铰出现大变化，以至柱端亦出现塑性铰时，才会引起整个结构的倒塌。l l强柱弱梁型框架结构有两道防线，这对建筑抗御地震作用是十分有效的。强柱弱梁型框架结构有两道防线，这对建筑抗御地震作用是十分有效的。强柱弱梁型框架结构有两道防线，这对建筑抗御地震作用是十分有效的。强柱弱梁型框架结构有两道防线，这对建筑抗御地震作用是十分有效的。第三节 结构构造 在结构设计中，限于目前的计算技术和理论水平，对许多问题尚不能进行准确的分析，如混凝土结硬过程中的收缩在结构内产生的内力，气温的变化或温差对结构内力的影响，地基的变形及对结构的影响，地震对复杂结构的作用等等。因此，结构设计时只能通过一些定性的分析对建筑体型进行某些限制，或通过设置一些变形缝把结构分割成若干个独立的单元。设置变形缝是避免建筑体型与结构受力之间矛盾的有效方法，但设置变形缝也会带来许多弊病，如材料用量增加、结构构筑复杂、建筑立面处理困难、变形缝处易渗漏水等，因此，目前在一些建筑设计中不设或少设变形缝的做法日趋流行。一、温差及混凝土收缩对结构布置的要求l 要准确地计算由于温差或混凝土收缩产生的附加应力较为困难，目前在设计中一般通过设置伸缩缝，来避免在设计中计算结构内的温差应力或收缩应力。而在伸缩缝区段范围内，则认为由于温差或收缩引起的应力已经很小，可以忽略不计。l 为减少温度应力，首先的问题是要减少温差，一般采用保温隔热等措施，如在屋顶层增设保温隔热层，或采用架空通风屋面，也有对外柱采用保温隔热措施。l 伸缩缝应从基础顶面开始，基础可不分开，将两个温度区段的上部结构构件完全分开，并留出一定宽度的缝隙，使上部结构在气温有变化时，水平方向可以自由地发生变形。二、不均匀沉降的要求 沉降缝是为减少不均匀沉降引起的内力而设置的变形缝。当建筑物两部分高差悬殊时，或当建筑物两部分荷载相差悬殊时，或建筑物先后建造且先后间隔时间较长时，都应设置沉降缝，使缝两侧的建筑物可以自由沉降，以免产生裂缝。沉降缝应将建筑物从基础至屋顶全部断开，并有足够的宽度（查规范）。设置沉降缝同样会给结构构造、建筑立面处理、地下室防水等带来麻烦。为避免设置沉降缝，可采用桩基，并将桩端支承在基岩上，减少结构的沉降量；或将主楼与裙房采用不同的基础形式，并调整基础地面的土压力，使主楼与裙房的基底附加压力和沉降量基本一致；也可采用设置施工后浇带的方法。三、防震的要求 需要抗震设防的建筑，结构抗震设计规范对建筑体型有较多的限制条件。主要原则是：建筑的平、立面布置宜规则、对称，建筑的质量分布宜均匀，避免有过大的外挑和内收，结构抗侧刚度沿竖向应均匀变化，楼层不宜错层，构件的截面由下至上逐渐减小，不突变。当建筑物顶层或底部由于大空间的要求取消部分墙柱时，结构设计应采取有效构造措施，防止由于刚度突变击产生的不利影响。设置抗震缝，将建筑物划分为若干个独立的结构单元。宽度，应保证在考虑基础转动和上部结构变形的情况下，防震缝两侧的结构仍能不发生碰撞，最小宽度应满足规范要求。四、结构高宽比的要求四、结构高宽比的要求l 从整体上看，建筑物如一个顶部自由、底部嵌固于地基上的悬臂柱，承受竖向荷载和侧向荷载的共同作用。l在抗震设计中，该悬臂柱的长细比对结构的内力和侧移有较大的影响，建筑物的高度与宽度的比值（高宽比）可能比它的绝对尺寸更重要。建筑物越细长，地震的倾覆作用越厉害，外侧柱子由于地震作用而产生的内力也越大，建筑物的侧向位移也越大。l规范中提出了高宽比的限制值，当建筑物高宽比超出表中限值时，结构设计中应予以特别注意。将上部结构荷载传递给地将上部结构荷载传递给地基土、连接上部结构与地基基土、连接上部结构与地基土的下部结构称为土的下部结构称为基础基础基础基础。地基地基地基地基是指承托土木工程基是指承托土木工程基础的这一部分很小的场地础的这一部分很小的场地。第四节第四节 基础基础一、地基与基础二、浅基础的定义 通常把位于天然地基上、埋置深度小于5m的一般基础（柱基或墙基）以及埋置深度虽超过5m，但小于基础宽度的大尺寸（如箱形基础），统称为天然地基上的浅基础。优点：埋置深度较浅，用料较省，无需复杂的施工设备，工期短、造价低。二、浅基础的类型 按基础刚度分类：刚性基础、扩展基础按基础刚度分类：刚性基础、扩展基础 1、刚性基础、刚性基础 刚性基础是由砖、石、素混凝土或灰土等材料做成的基础。石基础砖基础素混凝土基础2 2、扩展基础、扩展基础 当刚性基础不能满足力学要求时，可以做成钢筋混凝土基础，称为扩展基础,亦称延性基础。扩展基础1、单独基础 在建筑中，柱的基础一般都是单独基础。在建筑中，柱的基础一般都是单独基础。亦称独立基础亦称独立基础。柱下单独基础按构造分类：2 2、条形基础、条形基础墙的基础通常连续设置成长条形，称为条形基础。墙的基础通常连续设置成长条形，称为条形基础。墙下条形基础3 3、筏板基础、筏板基础 当柱子或墙传来的荷载很当柱子或墙传来的荷载很大，地基土较软弱，用单独基大，地基土较软弱，用单独基础或条形基础都不能满足地基础或条形基础都不能满足地基承载力要求时，往往需要把整承载力要求时，往往需要把整个房屋底面（或地下室部分）个房屋底面（或地下室部分）做成一片连续的钢筋混凝土板，做成一片连续的钢筋混凝土板，作为房屋的基础，称为筏板基作为房屋的基础，称为筏板基础。础。带形基础、十字形基础、筏式基础 箱形基础4 4、箱形基础、箱形基础 为了对筏板基础进行加强，增加基础板的刚度，以减小为了对筏板基础进行加强，增加基础板的刚度，以减小不均匀沉降，高层建筑往往把地下室的底板、顶板、侧墙不均匀沉降，高层建筑往往把地下室的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构，称为箱形基础。凝土箱形结构，称为箱形基础。箱形基础三、深基础三、深基础 位于地基深处承载力较高的土层上，埋置深度大于5m或大于基础宽度的基础，称为深基础。桩基础桩基础桩基础的分类：（1）按桩身材料分类）按桩身材料分类木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩、其它组合材料桩。水泥土搅拌桩(2)(2)按施工方法分类按施工方法分类预制桩钻孔灌注桩按施工方法可分为预制桩、灌注桩两大类。按施工方法可分为预制桩、灌注桩两大类。(3)(3)按承载性状分类按承载性状分类:端承型桩和摩擦型桩。端承型桩摩擦型桩