建筑结构名词解释。转帖

发表于2012-06-03    2162人浏览    1人跟帖    总热度:74  

建筑结构
狭义的建筑指各种房屋及其附属的构筑物。建筑结构是在建筑中,由若干构件,即组成结构的单元如梁、板、柱等,连接而构成的能承受作用(或称荷载)的平面或空间体系。建筑结构因所用的建筑材料不同,可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、轻型钢结构、木结构和组合结构等。
《建筑结构设计统一标准(GBJ68-84)》
该标准是为了合理地统一各类材料的建筑结构设计的基本原则,是制定工业与民用建筑结构荷载规范、钢结构、薄壁型钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构等设计规范以及地基基础和建筑抗震等设计规范应遵守的准则,这些规范均应按本标准的要求制定相应的具体规定。制定其它土木工程结构设计规范时,可参照此标准规定的原则。本标准适用于建筑物(包括一般构筑物)的整个结构,以及组成结构的构件和基础;适用于结构的使用阶段,以及结构构件的制作、运输与安装等施工阶段。本标准引进了现代结构可靠性设计理论,采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定,即将各种影响结构可靠性的因素都视为随机变量,使设计的概念和方法都建立在统计数学的基础上,并以主要根据统计分析确定的失效概率来度量结构的可靠性,属于“概率设计法”,这是设计思想上的重要演进。这也是当代国际上工程结构设计方法发展的总趋势,而我国在设计规范(或标准)中采用概率极限状态设计法是迄今为止采用最广泛的国家。
结构可靠度
建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三项要求。结构可靠度是结构可靠性的概率度量,其定义是: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,称为结构可靠度。其“规定的时间”是指设计基准期50年,这个基准期只是在计算可靠度时,考虑各项基本变量与时间关系所用的基准时间,并非指建筑结构的寿命;“规定的条件”是指正常设计、正常施工和正常的使用条件,不包括人为的过失影响;“预定的功能”则是能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用的能力(即安全性);在正常使用时具有良好的工作性能(即适用性);在正常维护下具有足够的耐久性能(耐久性)。在偶然事件发生时及发生后,仍能保持必需的整体稳定性。结构能完成预定功能的概率称为可靠概率p↓s,结构不能完成预定功能的概率称为失效概率P↓f,p↓f=1-Ps,用以度量结构构件可靠度是用可靠指标β,它与失效概率p↓f的关系为p↓f=ψ(-β)。根据对正常设计与施工的建筑结构可靠度水平的校正结果,并考虑到长期的使用经验和经济后果后,《统一标准》给出构件强度的统-β值:对于安全等级为二级的各种构件,延性破坏的,β=3.2;脆性破坏的,β=3.7。影响结构可靠度的因素主要有:荷载、荷载效应、材料强度、施工误差和抗力分析五种,这些因素一般都是随机的,因此,为了保证结构具有应有的可靠度,仅仅在设计上加以控制是远远不够的,必须同时加强管理,对材料和构件的生产质量进行控制和验收,保持正常的结构使用条件等都是结构可靠度的有机组成部分。为了照顾传统习惯和实用上的方便,结构设计时不直接按可靠指标β,而是根据两种极限状态的设计要求,采用以荷载代表值、材料设计强度(设计强度等于标准强度除以材料分项系数)、几何参数标准值以及各种分项系数表达的实用表达式进行设计。其中分项系数反映了以β为标志的结构可靠水平。
建筑结构的安全等级
建筑结构设计时,应根据结构破坏可能产生的后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性,采用不同的安全等级。它以结构重要性系数的形式反映在设计表达式中,如表4-2。建筑物中各类结构构件的安全等级,宜与整个结构的安全等级相同,对其中部分结构构件的安全等级可进行调整,但不得低于三级。
荷载的代表值
是结构或构件设计时采用的荷载取值,它包括标准值、准永久值和组合值等。设计时应根据不同极限状态的设计要求来确定采用哪一种荷载值。1.荷载标准值(G↓K、Q↓K)。荷载的基本代表值,是结构设计按各类极限状态设计时所采用的荷载代表值。2.荷载组合值(ψ↓qQ↓x)。是当结构承受两个或两个以上可变荷载时,承载能力极限状态按基本组合设计及正常使用极限状态按短期效应组合设计所采用的荷载代表值。3.荷载准永久值(ψ↓cQ↓K)。是正常使用极限状态长期效应组合设计时所采用的荷载代表值。因此,永久荷载只有标准值作为它的唯一代表值,而可变荷载的代表值则除了标准值外,还有组合值和准永久值。结构自重的标准值,可按设计尺寸与材料的标准容重计算。可变荷载的标准值Q↓K,应根据荷载的观测和试验数据,并考虑工程经验,按设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定,设计时可按《荷载规范》采用。荷载组合值系数ψ↓c应根据两个或两个以上可变荷载在设计基准期内的相遇情况及其组合的最大荷载效应概率分布,并考虑结构构件可靠指标具有一致性的原则确定。一般情况下,当有风荷载参与组合时,ψc取0.6;当没有风荷载参与组合时,ψc取1.0;对于高层建筑和高耸构筑物,其组合中风荷载效应的Ψ↓c均取1.0;在一般框架、排架结构的简化组合中,当参与组合的可变荷载有两个或两个以上,且其中包括风荷载时,ψ取0.85;其他情况,Ψ均取1.0。荷载准永久值系数Ψ↓q是荷载准永久值与荷载标准值的比值。荷载准永久值应按在设计基准期内荷载达到和超过该值的总持续时间T,与设计基 准期T的比值确定,比值Tq/T可采用0,5。所以荷载准永久值相当于任意时点荷载概率密度函数50%的分位值。
结构上的作用
各种施加在结构上的集中或分布荷载,以及引起结构外加变形或约束变形的原因,均称为结构上的作用。引起结构外加变形或约束变形的原因系指地层、基础沉降、温度变化和焊接等作用。结构上前作用可按下列原则分类:1.按其随时间的变异性和出现的可能性可分为永久作用,如结构自重、土压力、预应力等;可变作用,如楼面活荷载、风、雪荷载、温度等;偶然作用,如地震、爆炸、撞击等。2.按随空间位置的变异分为固定作用,如楼面上的固定设备荷载、构件自重等;可动作用,如楼面上人员荷载、吊车荷载等。3.按结构的反应分为静态作用,如结构自重、楼面活荷重等;动态作用,如地震、吊车荷载及高耸结构上的风荷载等。
结构的作用效应
作用引起的结构或构件的内力和变形即称为结构的作用效应。常见的作用效应有:1.内力。(1)轴向力,即作用引起的结构或构件某一正截面上的法向拉力或压力;(2)剪力,即作用引起的结构或构件某一截面上的切向力;(3)弯矩,即作用引起的结构或构件某一截面上的内力矩;(4)扭矩,即作用引起的结构或构件某一截面上的剪力构成的力偶矩。2.应力。如正应力、剪应力、主应力等。3.位移。作用引起的结构或构件中某点位置改变(线位移)或某线段方向的改变(角位移)。4.挠度。构件轴线或中面上某点在弯短作用平面内垂直于轴线或中面的线位移。5.变形。作用引起的结构或构件中各点间的相对位移。变形分为弹性变形和塑性变形。6.应变:如线应变、剪应变和主应变等。
抗力
结构或构件承受作用效应的能力称为抗力,如强度、刚度和抗裂度等。强度:材料或构件抵抗破坏的能力,其值为在一定的受力状态和工作条件下,材料所能承受的最大应力或构件所能承受的最大内力(承载能力)。刚度:结构或构件抵抗变形的能力,包括构件刚度和截面刚度,按受力状态不同可分为轴向刚度、弯曲刚度、剪变刚度和扭转刚度等。对于构件刚度,其值为施加于构件上的力(力矩)与它引起的线位移(角位移)之比。对于截面刚度,在弹性阶段,其值为材料弹性模量或剪变模量与截面面积或惯性矩的乘积。抗裂度:结构或构件抵抗开裂的能力。
弹性模量(E)、剪变模量(G)、变形模量(Edef)弹性模量:
材料在单向受拉或受压且应力和应变呈线性关系时,截面上正应力与对应的正应变的比值:E:σ/ε。剪变模量:材料在单向受剪且应力和应变呈线性关系时,截面上剪应力与对应的剪应变的比值:G=τ/γ(τ为剪应力,γ为剪切角)。在弹性变形范围内,G=E/2(1+υ) 。υ——泊松比,预料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的比值。如对钢材,=0.3,算得G=0.384E;对混凝土,υ=1/6,则得G=0.425E。变形模量:材料在单向受拉或受压且应力和应变呈非线性(或部分线性和部分非线性)关系时,截面上正应力与对应的正应变的比值。例如混凝土,其应力应变关系只是在快速加荷或应力小于fc/3(fc为混凝土轴心抗压强度)时才接近直线,而一般情况下应力应变为曲线关系。混凝土规范中的Ec是在应力上限为σ:0.5fc反复加荷5~10次后变形趋于稳定,应力应变曲线接近于直线,其斜率即为混凝土的弹性模量Ec。当应力较大时,应力应变曲线上任一点,与原点。的联线oa的斜率称为混凝土的变形模量E=tga↓1。E′c也称为割线模量。变形模量可用弹性模量表示:E′c=,Ec。υ为弹性系数,随应力的增大而减小,即变形模量降低。
几个常用几何参数
1.截面面积矩(又叫静矩s)。截面上某一微元面积到截面上某一指定轴线距离的乘积,称为微元面积对指定轴的静矩;而把微元面积与各微元至截面上指定轴线距离乘积的积分称为截面的对指定轴的静矩Sx= ydF。2.截面惯性矩(I)。截面各微元面积与各微元至截面某一指定轴线距离二次方乘积的积分Ix= y↑2dF。3.截面极惯性矩(Ip)。截面各微元面积与各微元至垂直于截面的某一指定轴线二次方乘积的积分Ip= P↑2dF。截面对任意一对互相垂直轴的惯性矩之和,等于截面对该二轴交点的极惯性矩Ip=Iy+Iz。4.截面抵抗矩(W)。截面对其形心轴惯性矩与截面上最远点至形心铀距离的比值W2= 。5.截面回转半径(i)。截面对其形心轴的惯性矩除以截面面积的商的二次方根 。6.弯曲中心。对矩形、I形梁的纵向对称中面施加垂直(或叫横向力)外,对其他截面梁除产生弯曲外,还产生扭转。欲使梁不产生扭转,就必须使外力P在过某一A点的纵向平面内,此A点就称为弯曲中心,即只有当横向力P作用在通过弯曲中心的纵向平面内时,梁才只产生弯曲而不产生扭转。
脆性破坏和延性破坏 脆性破坏:
结构或构件在破坏前无明显变形或其它预兆的破坏类型。延性破坏:结构或构件在破坏前有明显变形或其它预兆的破坏类型。在冲击和振动荷载作用下,要求结构的材料能够吸收较大的能量,同时能产生一定的变形而不致破坏,即要求结构或构件有较好的延性。例如,钢结构材料延性好,可抵抗强烈地震而不倒塌;而砖石结构变形能力差,在强烈地震下容易出现脆性破坏而倒塌。为此,砖石砌体结构房屋需按抗震规范要求设置构造柱和抗震圈梁,约束砌体的变形,以增加其在地震作用下的抗倒塌能力。钢筋混凝土材料具有双重性,如果设计合理,能消除或减少混凝土脆性性质的危害,充分发挥钢筋塑性性能,实现延性结构。为此,抗震的钢筋混凝土结构都要按照延性结构要求进行抗震设计,以达到抗震设防的三水准要求:小震下结构处于弹性状态;中震时,结构可能损坏,但经修理即可继续使用;大震时,结构可能有些破坏,但不致倒塌或危及生命安全。
压杆稳定
细长的受压杆当压力达到一定值时,受压杆可能突然弯曲而破坏,即产生失稳现象。由于受压杆失稳后将丧失继续承受原设计荷载的能力,而失稳现象又常是突然发生的,所以,结构中受压杆件的失稳常造成严重的后果,甚至导致整个结构物的倒塌。工程上出现较大的工程事故中,有相当一部分是因为受压构件失稳所致,因此对受压杆的稳定问题绝不容忽视。所谓压杆的稳定,是指受压杆件其平衡状态的稳定性。当压力P小于某一值时,直线状态的平衡为稳定的,当P大于该值时,便是不稳定的,其界限值P↓(1j)称为临界力。当压杆处于不稳定的平衡状态时,就称为丧失稳定或简称失稳。显然,承载结构中的受压杆件绝对不允许失稳。由于杆端的支承对杆的变形起约束作用,且不同的支承形式对杆件变形的约束作用也不同,因此,同一受压杆当两端的支承情况不同时,其所能受到的临界力值也必然不同。工程中一般根据杆件支承条件用“计算长度”来反映压杆稳定的因素。不同材料的压杆,在不同支承条件下,其承载力的折减系数也不同,所用的名称也不同,例如钢压杆叫长细比,钢筋混凝土柱叫高宽比,砌体墙、柱叫高厚比,但这些都是考虑压杆稳定问题。
极限状态
整个结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,此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态可分为两类:1.承载能力极限状态。结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态:(1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等);(2)结构构件或连接因材料强度被超过而破坏(包括疲劳破坏),或因过度的塑性变形而不适于继续承载;(3)结构转变为机动体系;(4)结构或结构构件丧失稳定(如压屈等)。2.正常使用极限状态。结构或结构构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。出现下列状态之一时,即认为超过了正常使用极限状态:(1)影响正常使用或外观的变形;(2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝);(3)影响正常使用的振动;(4)影响正常使用的其它特定状态。
结构设计方法
结构设计的基本任务,是在结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡,力求以最低的代价,使所建造的结构在规定的条件下和规定的使用期限内,能满足预定的安全性、适用性和耐久性等功能要求。为达到这个目的,人们采用过多种设计方法。以现代观点看,可划分为定值设计法和概率设计法两大类。1.定值设计法。将影响结构可靠度的主要因素(如荷载、材料强度、几何参数、计算公式精度等)看作非随机变量,而且采用以经验为主确定的安全系数来度量结构可靠性的设计方法,即确定性方法。此方法要求任何情况下结构的荷载效应S(内力、变形、裂缝宽度等)不应大于结构抗力R(强度、刚度、抗裂度等),即S≤R。在20世纪70年代中期前,我国和国外主要都采用这种方法。2.概率设计法:将影响结构可靠度的主要因素看作随机变量,而且采用以统计为主确定的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性的设计方法,即非确定性方法。此方法要求按概率观念来设计结构,也就是出现结构荷载效应3大于结构抗力R(S>R)的概率应小于某个可以接受的规定值。这种方法是20世纪40年代提出来的,至70年代后期在国际上已进入实用阶段。我国自80年代中期,结构设计方法开始由定值法向概率法过渡。
混凝土结构
以混凝土为主制作的结构。包括素混凝结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。“砼”(音tóng),与“混凝土”同义,可并用,但在同一技术文件、图纸、书刊中,两者不宜混用。1.混凝土是由胶凝材料(水泥)、水和粗、细骨料按适当比例配合,拌制成拌合物,经一定时间硬化而成的人造石材。普通混凝土干表观密度为1900~2500kg/m↑3,是由天然砂、石作骨料制成的。当构件的配筋率小于钢筋混凝土中纵向受力钢筋最小配筋百分率时,应视为素混凝土结构。这种材料具有较高的抗压强度,而抗拉强度却很低,故一般在以受压为主的结构构件中采用,如柱墩、基础墙等。2.当在混凝土中配以适量的钢筋,则为钢筋混凝土。钢筋和混凝土这种物理、力学性能很不相同的材料之所以能有效地结合在一起共同工作,主要靠两者之间存在粘结力,受荷后协调变形。再者这两种材料温度线膨胀系数接近,此外钢筋至混凝土边缘之间的混凝土,作为钢筋的保护层,使钢筋不受锈蚀并提高构件的防火性能。由于钢筋混凝土结构合理地利用了钢筋和混凝土两者性能特点,可形成强度较高,刚度较大的结构,其耐久性和防火性能好,可模性好,结构造型灵活,以及整体性、延性好,适用于抗震结构等特点,因而在建筑结构及其他土木工程中得到广泛应用。3.预应力混凝土是在混凝土结构构件承受荷载之前,利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压,所产生的预压应力可以抵销外荷载所引起的大部分或全部拉应力,也就提高了结构构件的抗裂度。这样的预应力混凝土一方面由于不出现裂缝或裂缝宽度较小,所以它比相应的普通钢筋混凝土的截面刚度要大,变形要小;另一方面预应力使构件或结构产生的变形与外荷载产生的变形方向相反(习惯称为“反拱”),因而可抵销后者一部分变形,使之容易满足结构对变形的要求,故预应力混凝土适宜于建造大跨度结构。混凝土和预应力钢筋强度越高,可建立的预应力值越大,则构件的抗裂性越好。同时,由于合理有效地利用高强度钢材,从而节约钢材,减轻结构自重。由于抗裂性高,可建造水工、储水和其它不渗漏结构。
高强混凝土
一般把强度等级为C60及其以上的混凝土称为高强混凝土。它是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料,经常规工艺生产而获得高强的混凝土。高强混凝土作为一种新的建筑材料,以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性,在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。高强混凝土最大的特点是抗压强度高,一般为普通强度混疑土的4~6倍,故可减小构件的截面,因此最适宜用于高层建筑。试验表明,在一定的轴压比和合适的配箍率情况下,高强混凝土框架柱具有较好的抗震性能。而且柱截面尺寸减小,减轻自重,避免短柱,对结构抗震也有利,而且提高了经济效益。高强混凝土材料为预应力技术提供了有利条件,可采用高强度钢材和人为控制应力,从而大大地提高了受弯构件的抗弯刚度和抗裂度。因此世界范围内越来越多地采用施加预应力的高强混凝土结构,应用于大跨度房屋和桥梁中。此外,利用高强混凝土密度大的特点,可用作建造承受冲击和爆炸荷载的建(构)筑物,如原子能反应堆基础等。利用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强的特点,建造具有高抗渗和高抗腐要求的工业用水池等。
钢筋混凝土梁板结构
板是一种平面构件,主要承受各种作用产生的弯矩和剪力;梁在梁板结构中,一般为直线形(也有曲线形)构件,主要承受各种作用产生的弯矩和剪力,有时也承受扭矩。由梁和板组成的钢筋混凝土梁板结构如楼盖、屋盖、阳台、雨篷和楼梯等,在建筑中应用十分广泛。在特种结构中水池的顶板和底板、烟囱的板式基础也都是梁板结构。钢筋混凝土楼盖是建筑结构的主要组成部分,对于6~12层的框架结构,楼盖用钢量占全部结构用钢量的50%左右;对于混合结构,其用钢量主要在楼盖中。因此,楼盖结构选型和布置的合理性以及计算和构造的正确性,对建筑的安全使用有着非常重要的意义。钢筋混凝土楼盖按其施工方法可分为现浇式、装配式和装配整体式三种:1.现浇钢筋混凝土梁板结构。整体刚性好,抗震性强,防水性能好,适用于布置上有特殊要求的楼面,有振动要求的楼面,公共建筑的门厅部分,平面布置不规则的局部楼面(如剧院的耳光室),防水要求高的楼面(如卫生间、厨房等),高层建筑和抗震结构的楼面等。现浇梁板结构按楼板受力和支承条件的不同,又分为单向板肋式楼盖,双向板肋式楼盖,双重井式楼盖和无梁楼盖等。2.装配式钢筋混凝土楼盖。楼板采用预制构件,便于工业化生产,在多层民用建筑和多层工业厂房中得到广泛应用,此种楼面因其整体性、抗震性及防水性能较差,而且不便于开设孔洞,故对高层建筑及有防水要求和开孔洞的楼盖不宜采用。若在多层抗震设防的房屋使用,要按抗震规范采取加强措施。3.装配整体式钢筋混凝土楼盖:其整体性较装配式好,又较现浇式节省支模。但这种楼盖要进行混凝土二次浇灌,有时还需增加焊接工作量,故对施工进度和造价有不利影响。因此仅适用于荷载较大的多层工业厂房、高层民用建筑及有抗震设防要求的一些建筑。
无粘结预应力混凝土结构
无粘结预应力钢筋由7-Φ↑s5高强钢丝组成钢丝束或用7-Φ↑s5高强钢丝扭结而成的钢铰线,通过防锈、防腐润滑油脂等涂层包裹塑料套管而构成的新型预应力筋。它与施加预应力的混凝土之间没有粘结力,可以永久地相对滑动,预应力全部由两端的锚具传递。这种预应力筋的涂层材料要求化学稳定性高,对周围材料如混凝土、钢材和包裹材料不起化学反应;防腐性能好,润滑性能好,摩阻力小。对外包层材料要求具有足够的韧性,抗磨性强,对周围材料无侵蚀作用。这种结构施工较简便,可把无粘结预应力筋同非预应力筋一道按设计曲线铺设在模板内,待混凝土浇筑并达到强度后,张拉无粘结筋并锚固,借助两端锚具,达到对结构产生预应力效果。由于预应力全部由锚具传递,故此种结构的锚具至少应能发挥预应力钢材实际极限强度的95%且不超过预期的变形。施工后必须用混凝土或砂浆妥加保护,以保证其防腐蚀及防火要求。无粘结预应力结构适用于跨度大于6米的平板。单向板常用跨度为6~9米,跨高比约为45。对跨度在7~12米,活荷载在5KN/m↑2以下楼盖,可采用双向平板或带有宽扁梁的板双向平板的垮高比约为40~45,带柱帽和托板的平板、密肋板或梁支承的双向板,适用于建造更大跨度或活荷载较大的楼盖。无粘结预应力筋也可应用在较大跨度的扁梁上或井字梁和密肋梁上,梁的高跨比:楼层不超过25;屋顶层不超过28。采用无粘结预应力结构有利于降低建筑物层高和减轻结构自重;改善结构的使用功能,楼板挠度小,几乎不存在裂缝;大跨度楼板可增加使用面积,也较容易改变楼层用途;施工方便、速度快;节约钢材和混凝土;可用平板代替肋形楼盖而降低层高等,有较好的经济效益和社会效益,适用于办公楼、商场、旅馆、车库、仓库和高层建筑等。
深梁
一般指梁的跨度与高度之比L/h≤2的简支梁和L/h≤2.5的连续梁,且适用于本身直接承受竖向荷载为主的深梁(剪力墙结构的连系梁虽然尺寸接近深梁,但其支座条件不同,梁的剪切变形较大,故不在本条之列)。深梁因其高度与跨度接近,受力性能与一般梁有较大差异,在荷载作用下,梁的正截面应变不符合平截面假定。为避免深梁出平面失稳,规范对梁截面高宽比(h/b)或跨宽比(L↓0/h)作了限制,并要求简支深梁在顶部、连续深梁在顶部和底部尽可能与其它水平刚度较大的构件(如楼盖)相连接。简支深梁的内力计算与浅梁相同。但连续深梁的弯矩及剪力与一般连续梁不同,其跨中正弯矩比一般连续梁偏大,支座负弯矩则偏小,且随跨高比及跨数的不同而变化。工程设计中,对连续深梁内力按弹性力学方法计算,暂不考虑塑性内力重分布。试验表明,简支深梁在斜裂缝出现后,梁内即发生明显的内力重分布,形成以纵向受拉钢筋为拉杆、斜裂缝上部混凝土为拱肋的拉杆拱受力体系。深梁的受剪承载力主要取决于截面尺寸、混凝土强度等级和剪跨比,其次为支承长度,分布钢筋,尤其竖向分布筋作用较小。深梁支座的支承面和集中荷载的加荷点都是高应力区,易发生局压破坏,应进行局压承载力计算。深梁是较复杂的构件,应遵守规范有关要求。
砌体结构
以砌体为主制作的结构称为砌体结构。它包括砖结构、石结构和其它材料的砌块结构。分为无筋砌体结构和配筋砌体结构。砌体结构在我国应用很广泛,这是因为它可以就地取材,具有很好的耐久性及较好的化学稳定性和大气稳定性,有较好的保温隔热性能。较钢筋混凝土结构节约水泥和钢材,砌筑时不需模板及特殊的技术设备,可节约木材。砌体结构的缺点是自重大、体积大,砌筑工作繁重。由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱,因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很快。由于其组成的基本材料和连接方式,决定了它的脆性性质,从而使其遭受地震时破坏较重,抗震性能很差,因此对多层砌体结构抗震设计需要采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施以提高其延性和抗倒塌能力。此外,砖砌体所用粘土砖用量很大,占用农田土地过多,因此把实心砖改成空心砖,特别发展高孔洞率、高强度、大块的空心砖以节约材料,以及利用工业废料,如粉煤灰、煤渣或者混凝土制成空心砖块代替红砖等都是今后砌体结构的方向。
木结构
是单纯由木材或主要由木材承受荷载的结构。这种结构因为是由天然材料所组成,受着材料本身条件的限制,因而木结构多用在民用和中小型工业厂房的屋盖中。木屋盖结构包括木屋架、支撑系统、吊顶、挂瓦条及屋面板等。木材易于取材,加工方便,质轻且强。缺点是各向异性,有木节、裂纹等天然缺陷,易腐易蛀、易燃、易裂和翘曲。木屋架适用于跨度不超过15米,钢木屋架适用跨度不超过18米,室内空气相对湿度不超过70%,室内温度不超过50℃,吊车起重量不超过5↑t,悬挂吊车不超过1↑t的工业与民用建筑。钢木屋架采用钢下弦和钢拉杆,受力合理,安全可靠。木屋盖还可采用胶合梁作为承重构件,它是用胶将木板胶合而成,外形美观,受力合理,是一种有前途的结构。前苏联还研究使用过板肖梁、多种型式的空间结构如网状筒拱等。由于木材资源的限制及木材本身的缺点,近年来在大量房屋建筑中,木屋盖的应用较少,一般被钢筋混凝土结构及钢结构所代替。
钢结构
以钢材为主制作的结构,是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜;材料匀质性和各向同性好,属理想弹性体,最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好,可有较大变形,能很好地承受动力荷载;其工业化程度高,可进行机械化程度高的专业化生产;加工精度高、效率高、密闭性好,故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和飞机库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材,大大提高其屈服点强度;此外要轧制新品种的型钢,例如H型钢(又称宽翼缘型钢)和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。
轻型钢结构
系指由圆钢或小角钢(L45×4或L56×36×4)组成的钢结构(不采用圆钢,有个别次要杆件采用小角钢的仍属普通钢结构)。轻型钢结构主要用于跨度L≤18m、吊车起重量Q≤5t的无高温、高湿和侵蚀环境的厂房以及一些采用轻型屋面材料(石棉瓦、瓦楞铁、压型板或其它轻质材料)的不重要的或临时建筑的屋盖结构中。柱子和吊车梁不宜采用轻型钢结构。
薄壁型钢结构
是采用1.5~5毫米的薄钢板或带钢冷弯加工成各种截面的型钢所构成的结构,其待点为:1.用钢量一般较普通热轧钢结构节省25%左右,有时还可以做到比同等条件下的钢筋混凝土结构(如大型屋面板)的用钢量少。2.结构重量轻,运输安装方便,可降低结构及基础的造价。3.同截面面积相同的热轧型钢相比,薄壁型钢回转半径要大50%~60%,惯性矩和截面抵抗矩也大为加大,因而更能充分地利用材料的力学物理性能,增加了结构的刚度和稳定性。4.成型灵活性大,可根据不同需要设计出最佳的截面形状。薄壁型钢结构的缺点是其刚度和稳定性较差,防腐要求较严,维护费用较高。此种结构一般用于民用建筑和跨度不大、屋面荷载较小、设备较轻的工业厂房。除用做承重结构构件外,也可用于楼、屋面板、幕墙结构等。使用时构件均需彻底除锈和涂刷防腐性能良好的涂料。
组合结构
同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。1.钢与混凝土组合结构:用型钢或钢板焊(或冷压)成钢截面,再在其四周或内部浇灌混凝土,使混凝土与型钢形成整体共同受力,通称钢与混凝土组合结构。国内外常用的组合结构有:(1)压型钢板与混凝土组合楼板;(2)钢与混凝土组合梁;(3)型钢混凝土结构(也叫劲性混凝土结构);(4)钢管混凝土结构;(5)外包钢混凝土结构等五大类。钢管混凝土结构在轴向压力下,混凝土受到周围钢管的约束,形成三向压力,抗压强度得到较大提高,故钢管混凝土被广泛地应用到高轴压力的构件中。外包钢结构在前苏联研究最早,应用最广泛,近年来我国主要在电厂建筑中推广使用了这种结构,取得不少工程经验和经济效益。现浇混凝土多层框架结构及楼板需满堂红脚手架和满铺模板,而采用组合结构柱、型钢混凝土梁和压型钢板与混凝土组合楼板等足以克服这些缺点,有较好的技术经济效益。由于组合结构有节约钢材、提高混凝土利用系数,降低造价,抗震性能好,施工方便等优点,在各国建设中得到迅速发展。我国对组合结构的研究与应用虽然起步较晚,但发展较快,目前有些已编入规范,有些已编成规程,对推动组合结构在我国的发展起到积极作用。2.组合砌体结构:是由砖砌体和钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层组成的组合砖砌体构件,适用于轴向力偏心距,超过0.7y(y为截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离),或e较大,无筋砌体承载力不足而截面尺寸又受到限制时的情况。
薄壳结构
壳,是一种曲面构件,主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构为曲面的薄壁结构,按曲面生成的形式分筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等,材料大多采用钢筋混凝土。壳体能充分利用材料强度,同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合,形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑,但较为费工和费模板。1.筒壳(柱面薄壳):是单向有曲率的薄壳,由壳身、侧边缘构件和横隔组成。横隔间的距离为壳体的跨度l↓1,侧边构件间距离为壳体的波长l↓2。当l↓1/l↓2≥1时为长壳,l↓1/l↓22<1为短壳。2.圆顶薄壳:是正高斯曲率的旋转曲面壳,由壳面与支座环组成,壳面厚度做得很薄,一般为曲率半径的1/600,跨度可以很大。支座环对圆顶壳起箍的作用,并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。3.双曲扁壳(微弯平板):一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面,其顶点处矢高f与底面短边边长之比不应超过1/5。双曲扁壳由壳身及周边四个横隔组成,横隔为带拉杆的拱或变高度的梁。适用于覆盖跨度为20~50米的方形或矩形平面(其长短边之比不宜超过2)的建筑物。4.双曲抛物面壳:一竖向抛物线(母线)沿另一凸向与之相反的抛物线(导线)平行移动所形成的曲面。此种曲面与水平面截交的曲线为双曲线,故称为双曲抛物面壳。工程中常见的各种扭壳也为其中一种类型,因其容易制作,稳定性好,容易适应建筑功能和造型需要,故应用较广泛。
折板结构与幕结构
折板结构是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系。跨度不宜超过30米,适宜于长条形平面的屋盖,两端应有通长的墙或圈梁作为折板的支点。常用有V形、梯形等型式。我国常用为预应力混凝土V形折板,具有制作简单、安装方便与节省材料等忧点,最大跨度可达24米。幕结构是双曲薄壳和折板结构的变体所形成的空间薄壁体系,由三角形或梯形薄板整体结合组成。适用于柱距为8~10米的建筑。其型式基本上可分为两种:1.幕结构支承在有柱帽的柱上,柱帽的尺寸为(0.1~0.2)L,柱帽之间有水平板(边梁)相接。2.幕结构支承在无柱帽的柱上,柱帽之间无水平板,只有集中肋形边梁相连。幕结构的矢高取(1/8~1/12)L。其有效矢高可较折板结构和柱形薄壳为小,且可以在两个方向上做成连续的。因此,在工业与民用建筑中采用幕结构屋盖或层间楼盖代替肋形楼盖结构,可以节省很多钢材和水泥。
网格结构
由很多杆件从两个方向或几个方向按一定的规律布置,通过节点连接而成的一种网状空间杆系结构。外形呈平板状的叫平板网架,简称网架;外形呈曲面状的叫曲面网架,简称网壳。网格结构空间刚度大,整体性和稳定性好,有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果,适用于各种支承条件和各种平面形状、大小跨度的工业和民用建筑。由于网格结构具有多向受力性能和内力重分布的持点,可用于地基条件较差而可能出现不均匀沉降的建筑。网格结构杆件和节点比较单一,便于制作,安装也较方便。此种结构主要采用钢材,结构自重轻。缺点是用钢量大;需采取防火及防腐措施;造价较高。
网架
平板网架平面形状灵活,可设计成各种形状。按腹杆的设置不同可分为:交叉桁架体系、四角锥体系、三角锥体系和其它一些体系。网架的弦杆与边界相垂直时称为正放网架,与边界斜交时称为斜放网架。世界各国在大、中型屋盖中都已成功地建造很多网架结构,例如加拿大和日本的博览会、美国芝加哥国会大厅及英国伦敦的飞机库等,平面尺寸都很大,总用钢量也比较经济,前苏联还在网架中采用了预应力。总之,网架结构已成为现代世界应用较普遍的新型结构之一。我国从20世纪60年{REPLACE}始研究和采用,近年来,由于电子计算技术的迅速发展,解决了网架结构高次超静定结构的计算问题,促使网架结构无论在型式方面以及实际工程应用方面,发展都很快。目前主要用于大、中跨度的公共建筑中,例如体育馆、飞机库、俱乐部、展览馆和候车大厅等,中小型工业厂房也开始推广应用。跨度越大,采用此种结构的优越性和经济效果也就越显著。
网壳(曲面网架)
与平板网架相比,网壳的受力性能好,刚度大,自重小,用钢量省,是适用于中、大跨度建筑屋盖的一种较好的结构型式。缺点是曲面外形增加了屋盖表面积和建筑空间,构造处理、支承结构和施工制作均较复杂。从构造上网壳分为单层与双层两大类。单层网壳的跨度不宜超过40米。网壳结构常见型式有圆柱面网壳、圆球网壳和双曲抛物面网壳。1.圆柱面网壳:外形呈圆柱形曲面的网状结构,兼有杆系和壳体结构的受力特点,只在单方向上有曲率,常覆盖矩形平面的建筑。单层网壳按排列有四种:单向斜杆正交正放网格、交叉斜杆正交正放网格、联方网格、三向网格。双层网格可参照平板网架的型式布置不同的网格。壳体高度与波长之比一般在1/6~1/8之间。双层网壳的厚度宜取波长的1/20~1/30。2.圆球网壳:用于覆盖较大跨度的屋盖,常见网格形式有:肋型、施威德肋型、联方网格、短程线型、三向网格。通过对壳面的切割,圆球网壳可以用于多边形、矩形和三角形平面建筑的屋盖。3双曲抛物面网壳:将一直线的两端沿两根在空间倾斜的固定导线(直线或曲线)上平行移动而构成。单层网壳常用直梁作杆件,双层网壳采用直线衍架,两向正交而成双曲抛物面网壳。这种网壳大都用于不对称建筑平面,建筑新颖轻巧。
高层建筑的结构体系
结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中,抵抗水平力是设计的主要矛盾,因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。高层建筑中基本的抗侧力单元是框架、剪力墙、实腹筒(又称井筒)、框筒及支撑由这几种单元可以组成多种结构体系。1框架结构体系。由梁、柱构件组成的结构称为框架。整幢结构都由梁、柱组成就称为框架结构体系(或称纯框架结构)。2.剪力墙结构体系。利用建筑物墙体作为承受竖向荷载和抵抗水平荷载的结构,称为剪力墙结构体系。3.框架-剪力墙结构(框架-筒体结构)体系。在框架结构中,设置部分剪力墙,使框架和剪力墙两者结合起来,取长补短,共同抵抗水平荷载,这就是框架-剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体,可称为框架-筒体结构体系。4.筒中筒结构。筒体分实腹筒、框筒及桁架筒。由剪力墙围成的筒体称为实腹筒,在实腹筒墙体上开有规则排列的窗洞形成的开孔筒体称为框筒;筒体四壁由竖杆和斜杆形成的衍架组成则称为衍架筒。筒中筒结构由上述筒体单元组合,一般心腹筒在内,框筒或桁架筒在外,由内外筒共同抵抗水平力作用。5.多筒体系——成束筒及巨型框架结构。由两个以上框筒或其他筒体排列成束状,称为成束筒。巨形框架是利用筒体作为柱子,在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连,这样的筒体和巨型梁即形成巨型框架。这种多筒结构可更充分发挥结构空向作用,其刚度和强度都有很大提高,可建造层数更多、高度更高的高层建筑。
高层建筑结构计算的基本假定
高层建筑是一个复杂的空间结构。它不仅平面形状多变,立面体型也各种各样,而且结构形式和结构体系各不相同。高层建筑中有框架、剪力墙和筒体等竖向抗侧力结构,又有水平放置的楼板将它们连为整体。这样一种高次超静定、多种结构形式组合在一起的三维空间结构,要进行内力和位移计算,就必须进行计算模型的简化,引入不同程度的计算假定。简化的程度视所用的计算工具按必要和合理的原则决定。结构计算的基本假定为:1.计算高层建筑结构的内力和位移时,用弹性方法及取用结构的弹性刚度,并考虑各抗侧力结构的共同工作。2.框架梁及剪力墙的连梁等构件,可按有关规定考虑局部塑性变形的内力重分布。3.计算结构的内力和位移时,一般情况下可假定楼板在自身平面内为绝对刚性,但在设计中应采取保证楼面整体刚度的构造措施。4.下列情况宜考虑楼板在自身平面内的变形影响:(1)楼板整体性较弱;(2)楼板有很大的开洞或缺口,宽度削弱;(3)楼板平面上有较长的外伸段;(4)作为结构转换层的楼板,对于上述情况,须考虑楼板实际刚度,对采用刚性楼面假定算得的结果进行调整。5.结构计算中,各类构件均需考虑弯曲变形,构件其他变形按有关规定考虑。对竖向荷载还宜考虑施工过程中逐层加载的影响。6.构件刚度的取用。(1)框架梁的惯性矩:
现浇板边框架梁I=1.5I↓r
现浇板中部框架梁I=2.0I↓r
式中I↓r——梁截面矩形部分的惯性矩。
(2)连梁刚度。框剪结构或剪力墙结构中的连梁刚度,可乘≥0.55的折减系数。(3)剪力墙的有效翼缘宽度。剪力墙可考虑纵墙或横墙的翼缘作用,其有效翼缘宽度可按有关规定取用。(4)错位剪力墙的等效刚度。错位剪力墙(错位值a≤2.5m,a≤8t,t为墙厚)的等效刚度应乘以折减系数0.8。(5)折线形剪力墙的简化处理。当折线形剪力墙的各墙段总转角≤15°时,可按平面剪力墙考虑。(6)壁式框架的刚域长度及杆件的等效刚度,按有关规定取用。
结构转换层
现代高层建筑向多功能和综合用途发展,在同一竖直线上,顶部楼层布置住宅、旅馆,中部楼层作办公用房,下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层,需要大小不同的开间,采用不同的结构形式。建筑要求上部小开间的轴线布置、较多的墙体,中部办公用房要小的和中等大小的室内空间,下部公用部分,则希望有尽可能大的自由灵活空间,柱网要大,墙尽量少。这种要求与结构的合理、自然布置正好相反,因为结构下部楼层受力很大,即正常应当下部刚度大、墙多、柱网密,到上部逐渐减少。为了满足建筑功能的要求,结构必须以与常规方式相反进行布置,上部小空间,布置刚度大的剪力墙,下部大空间,布置刚度小的框架柱。为此,必须在结构转换的楼层设置转换层,称结构转换层。按结构功能,转换层可分为三类:1.上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构,它将上部剪力墙转换为下部的框架,以创造一个较大的内部自由空间。2.上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变,但是通过转换层使下层柱的柱距扩大,形成大柱网,并常用于外框筒的下层形成较大的入口。3.同时转换结构形式和结构轴线布置。即上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时,柱网轴线与上部楼层的轴线错开,形成上下结构不对齐的布置。转换层的结构形式:当内部要形成大空间,包括结构类型转变和轴线转变时,可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层;当框筒结构在底层要形成大的入口,可以有多种转换层的形式,如梁式、桁架式、墙式、合柱式和拱式等。目前,国内用得最多的是梁式转换层,它设计和施工简单,受力明确,一般用于底部大空间剪力墙结构。当上下柱网、轴线错开较多,难以用梁直接承托时,可以做成厚板或箱式转换层,但其自重较大,材料耗用较多,计算分析也较复杂。
底部大空间剪力墙结构
剪力墙结构有较多的墙体,室内不露梁、柱,适合住宅、旅馆客房的建筑功能要求。但是,住宅、旅馆底层需设置商店、大门厅及餐厅等大空间,这就形成底部大空间剪力墙结构,对上部与底部之间要设置转换层进行转换。底部大空间剪力墙结构的布置,主要考虑两个关键问题:1.保证大空间层有充分的刚度,防止沿竖向刚度过于悬殊。为此,大空间楼层应有落地剪力墙或落地筒体,其数量满足规范规定。对于一般平面,令转换层的上下层刚度比γ(其公式和符号见规范)在非抗震设计时,γ应尽量接近于1,不应大于3;抗震设计时,γ应尽量接近于1,不应大于2。即大空间层的刚度尽可能与上部标准层接近,以防止变形集中而产生震害。2.加强转换层的刚度与承载力,保证转换层可以将上层剪力可靠地传递到落地墙上去。因转换层楼面受很大内力,楼板变形显著,故其厚度不宜小于180毫米,混凝土强度等级不宜低于C30,并应采用双向上下层配筋。楼板开洞位置要远离外侧边,不要在大空间范围内将楼板开大洞,如需设楼、电梯间时,应用钢筋混凝土剪力墙围成筒体。除上述外,底部大空间剪力墙结构还有很多设计要求,规范中都有规定。
大底盘大空间剪力墙结构 高层住宅往往在下部楼层设置商业用房,因而形成底部大空间剪力墙结构。这些商业用房往往扩大其面积,形成大面积裙房,裙房多采用框架结构。这种具有大空间裙房作为底盘,上层为一个或多个剪力墙塔楼的建筑,称为大底盘大空间剪力墙结构,是高层商住楼的一种广泛应用的体系。静力试验表明:杆系-薄壁杆系三维空间分析方法可用于大底盘大空间剪力墙结构的工程设计;主体结构的竖向荷载基本上由主体结构本身承受,故竖向荷载内力计算时可不考虑裙房的作用;水平荷载作用下主体结构承受总弯矩90%以上,承受总剪力80%以上;裙房柱刚度很小,裙房所承担的剪力和弯矩主要由裙房剪力墙所承担。动力试验表明:底盘逐渐加大时,上部结构与底盘的偏心距逐渐增加,由于扭转和刚度的变化,地震反应也逐渐加大。此外,大底盘存在楼板变形和扭转的影响。目前高层建筑资料对此种结构的适用范围、结构布置(如大底盘的长宽与主体结构的长度比例、主体结构刚度与大底盘刚度的变化控制、转换层应设在底盘顶层等)、构造措施、截面设计以及结构计算等均有详细规定,可作设计参考。
后浇带(后浇施工缝)
这是通过高层建筑或其它构筑物的工程实践,表明在总体布置上或构造上采取相应措施而避免设置变形缝,而后浇带是既可解决沉降差又可减少收缩应力的有效措施,故在工程中应用较多。1.解决沉降差。高层建筑和裙房的结构及基础设计成整体,但在施工时用后浇带把两部分暂时断开,待主体结构施工完毕,已完成大部分沉降量(50%以上)以后再浇灌连接部分的混凝土,将高低层连成整体。设计时基础应考虑两个阶段不同的受力状态,分别进行强度校核。连成整体后的计算应当考虑后期沉降差引起的附加内力。这种做法要求地基土较好,房屋的沉降能在施工期间内基本完成。同时还可以采取以下调整措施:(1)调压力差。主楼荷载大,采用整体基础降低土压力,并加大埋深,减少附加压力;低层部分采用较浅的十字交叉梁基础,增加土压力,使高低层沉降接近。(2)调时间差。先施工主楼,待其基本建成,沉降基本稳定,再施工裙房,使后期沉降基本相近。(3)调标高差。经沉降计算,把主楼标高定得稍高,裙房标高定得稍低,预留两者沉降差,使最后两者实际标高相一致。2.减小温度收缩影响。新浇混凝土在硬结过程中会收缩,已建成的结构受热要膨胀,受冷则收缩。混凝土硬结收缩的大部分将在施工后的头1~2个月完成,而温度变化对结构的作用则是经常的。当其变形受到约束时,在结构内部就产生温度应力,严重时就会在构件中出现裂缝。在施工中设后浇带,是在过长的建筑物中,每隔30~40米设宽度为700~1000毫米的缝,缝内钢筋采用搭接或直通加弯做法。留出后浇带后,施工过程中混凝土可以自由收缩,从而大大减少了收缩应力。混凝土的抗拉强度可以大部分用来抵抗温度应力,提高结构抵抗温度变化的能力。后浇带保留时间一般不少于一个月,在此期间,收缩变形可完成30%~40%。后浇带的浇筑时间宜选择气温较低(但应为正温度)时,可用浇筑水泥或水泥中掺微量铝粉的混凝土,其强度等级应比构件强度高一级,防止新老混凝土之间出现裂缝,造成薄弱部位。
地基处理
建筑物的地基问题可概括为四个方面:1.强度及稳定性问题。地基的抗剪强度不足,地基会产生局部或整体剪切破坏。2.压缩及不均匀沉降问题。在上部结构自重及外荷载作用下产生过大变形,影响正常使用或因不均匀沉降使结构开裂破坏。3.地基的渗漏量或水力比降超过容许值时,会发生水量损失,或因潜蚀和管涌而可能导致失事。4.地震机器以及车辆的振动、波浪作用和爆破等动力荷载可能引起地基土特别是饱和无粘性土的液化、失稳和震陷等危害。当建筑物的天然地基存在上述问题时,即须采用地基处理措施以保证建筑物的安全与正常使用。地基问题的处理恰当与否,关系到整个工程质量、投资和进度,因此其重要性日益明显。我国地域辽阔,在各种地基土中,不少为软弱土和不良土,因此新建工程中越来越多地遇到不良地基,地基处理的要求也就越来越迫切和广泛。地基处理的方法很多,大致可分为排水固结法、振密挤密法、置换拌入法、灌浆法、加筋法、冷热处理法、托换技术及其它。可根据不同地基情况进行选用。
浅基础
1.墙下条形基础。(1)刚性条形基础:是墙基础中常见的形式,通常用砖或毛石砌筑。为保证基础的耐久性,砖的强度等级不能太低,在严寒地区宜用毛石;毛石需用未风化的硬质岩石。砌筑的砂浆,当土质潮湿或有地下水时要用水泥砂浆。刚性基础台阶宽高比及基础砌体材料最低强度等级的要求,有规范规定。(2)墙下钢筋混凝土条形基础:当基础宽度较大,若再用刚性基础,则其用料多、自重大,有时还需要增加基础埋深,此时可采用柔性钢筋混凝土条形基础,使宽基浅埋。如果地基不均匀,为增强基础的整体性和抗弯能力,可采用有肋梁的钢筋混凝土条形基础,肋梁内配纵向钢筋和箍筋,以承受由不均匀沉降引起的弯曲应力。2.独立基础。是柱基础中最常用和最经济的形式。也可分为刚性基础和钢筋混凝土基础两大类。刚性基础可用砖、毛石或素混凝土,基础台阶高宽比(刚性角)要满足规范规定。一般钢筋混凝土柱下宜用钢筋混凝土基础,以符合柱与基础刚接的假定。3.柱下梁式基础。同一排上若干柱子的基础联合在一起,就成为柱下条形基础。此种基础有相当大的抗弯刚度,不易产生太大的挠曲,故基础上各柱下沉较均匀。当土的压缩性或柱荷载分布在两个方向上都很不均匀,为了扩大底面积和加大基础空间刚度以调整不均匀沉降,可在柱网下纵横两个方向设梁,成为柱下交叉梁基础。4.筏形基础。用于多层与高层建筑,分平板式和梁板式。由于其整体刚度相当大,能将各个柱子的沉降调整得比较均匀。5.箱形基础。由钢筋混凝土底板、顶板和纵横墙体组成的整体结构,其抗弯刚度非常大,只能发生大致均匀的下沉,但要严格避免倾斜。箱形基础是高层建筑广泛采用的基础形式。但其材料用量较大,且为保证箱基刚度要求设置较多的内墙,墙的开洞率也有限制,故箱基作为地下室时,对使用带来一些不便。因此要根据使用要求比较确定。
深基础
当浅层土质不良,无法满足建筑物对地基变形和强度方面的要求时,可以利用下部坚实土层或岩层作为持力层,采取有效的施工方法建造深基础。1.桩基础。由基桩和联接于桩顶的承台共同组成。若桩身全部埋于土中,承台底面与土体接触,则称为低承台桩基;若柱身上部露出地面而承台底位于地面以上,则称为高承台桩基。建筑桩基通常为低承台桩基础。高层建筑中,桩基础应用广泛,其特点为:(1)桩支承于坚硬的(基岩、密实的卵砾石层)或较硬的(硬塑粘性土、中密砂等)持力层,具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力,足以承担高层建筑的全部竖向荷载(包括偏心荷载)。(2)桩基具有很大的竖向单桩刚度(端承桩)或群刚度(摩擦桩),在自重或相邻荷载影响下,不产生过大的不均匀沉降,并确保建筑物的倾斜不超过允许范围。(3)凭借巨大的单桩侧向刚度(大直径桩)或群桩基础的侧向刚度及其整体抗倾覆能力,抵御由于风和地震引起的水平荷载与力矩荷载,保证高层建筑的抗倾覆稳定性。(4)桩身穿过可液化土层而支承于稳定的坚实土层或嵌固于基岩,在地震造成浅部土层液化与震陷的情况下,桩基凭靠深部稳固土层仍具有足够的抗压与抗拔承载力,从而确保高层建筑的稳定,且不产生过大的沉陷与倾斜。常用的桩型主要有预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、钢管桩等,其适用条件和要求在《建筑桩基技术规范》中均有规定。2.沉井基础。沉井是用混凝土(或钢筋混凝土)等建筑材料制成的井筒结构物。施工时,先就地制作第一节井筒,然后用适当的方法在井筒内挖土,使沉井在自重作用下克服阻力而下沉。随着沉井的下沉,逐步加高井筒,沉到设计标高后,在其下端浇筑混凝土封底,如沉井作为地下结构物使用,则在其上端再接筑上部结构;如只作为建筑物基础使用的沉井,常用素混凝土或砂石填充井筒。3,地下连续墙。按顺序在土中钻、挖、冲孔成槽,安放钢筋网(笼),浇灌混凝土而逐步形成的墙称为地下连续墙,这种施工工艺开始用作为截水止漏的防渗墙,逐渐演变为新的地下墙体和基础类型。它承担侧壁的土压力和水压力,又起着把上部结构的荷载传递至地基持力层的作用。既可用于高层建筑的多层地下室,又可用于船坞工程和各种地下结构中。
地震及震源和震中
地壳是由各种岩层组成的。由于地球在其运动和发展过程中内部存在大量的能量,地壳中的岩层在这些能量所产生的巨力作用下,使原来成水平状态的岩层发生形变,出现褶皱;随着地应力的逐渐加剧,岩层构造变动也逐渐加剧,当岩层薄弱部位的岩石强度承受不了强大力作用时(或者说其应变已超过了岩石所能容忍的应变时),岩层发生了突然的断裂和猛烈的错动,此时,岩层在构造变动过程中累积起来的应变能突然得到释放,并以弹性波的形式传到地面,产生强烈的地面运动,此即为构造地震。因其在各种地震中占绝大多数,且影响最大,故一般把构造地震简称为地震。除构造地震外,还有由于火山爆发、溶洞塌陷、水库蓄水、核爆炸等原因引起的地震,这些地震和构造地震相比,其影响小、频度低。地壳岩层发生断裂产生剧烈的相对运动的地方叫震源。震源正上方向的地面位置叫震中。由震中到观测点的距离叫震中距。一般把震源距地面的深度小于60km的地震称为浅源地震,深度为60~300km的地震称为中源地震,深度大于300km的地震称为深源地震。我国除黑龙江省和吉林省的个别地区有深度为400~600km的深源地震外,绝大部分属于浅源地震。一般说对于同样大小的地震,浅源地震波及面小而破坏程度大,深源地震则相反。多数破坏性地震发生于较浅的地方,深度大于100km的地震在地面上不致引起灾害。由于我国地震2/3发生在大陆地区,而且绝大多数是震源深度为20~30km的浅源地震,故对地面建筑物和工程设施的破坏较重,给人民生命财产和国民经济造成十分严重的损失。
震级 是反映一次地震大小的级别。震级M的原始定义是的1935年里希特给出的:
M=logA
A是标准地震仪(周期为0.8秒、阻尼系数为0.8、放大倍数为2800倍的地震仪)在距震中100km 处记录的以μm(10↑(-3)mm)为单位的最大水平地动位移。例如,在上述条件下测得的A值为10000μm,取其对数等于4,这次地震即定义为4级。震级直接与震源释放出来的能量大小有关。不同震级M与所释放出来的能量E(尔格,1尔格:10↑(-7)焦耳)有如下关系:
log10E=11.8+1.5M
按此式推算,震级每增加一级,地震波能量增加32倍。2级以下地震称为微震,人们感觉不到;2~4级地震称为有感地震;5级以上地震统称为破坏性地震;7级以上的称为强烈地震;8级以上的称为特大地震。至今已发生的最大震级为8.9级。
基本烈度、众值烈度及罕遇烈度 基本烈度指某一地区今后一定时期内在一般场地条件下可能遭受的较大烈度。其实质是某地区今后一定时间内的震害预报,同时也是抗震设防设计的依据。基本烈度的确定是地震主管部门以我国的地震危险区为基础,考虑了地震烈度随震中距增加而衰减的统计分析,结合历史地震调查,制定了我国的地震烈度区划图,烈度区划图中划定的烈度即为基本烈度。一个地区发生的地震是随机事件,而地震烈度更是随机变量。随机变量只能用概率分布规律来描述。我国地震烈度区划图上标定的基本烈度,其概率上的定义为50年设计基准期内具有超越概率为10%的保证率。众值烈度又称常遇烈度或多遇烈度,是该地区出现频度最高的烈度,相当于概率密度曲线上峰值时的烈度,故称众值烈度。具有超越概率为63%的保证率。多遇烈度(众值烈度)比基本烈度低1.5度(严格地说低1.55度)。罕遇烈度:在设计基准期内,遭遇大于基本烈度的大烈度震害的小概率事件还是可能发生的。随着基本烈度的提高,大震烈度增加的幅度有所减少,不同基本烈度对应的大震烈度的定量标准也不应相同。通过对43个城市地震危险性的分析,并结合我国经济实况,可粗略地将50年超越概率2%~3%的烈度作为罕遇地震的概率水平:当基本烈度为6度时为7度强,7度时为8度强,8度时为9度弱,9度时为9度强。
近震和远震
在相同烈度和相同场地条件下的某一地区,当处在中等地震(例如震级M:5.5)的震中区和处在大地震(例如震级M:7.5)距震中较远处(例如震中距为50km),其所受到的破坏作用很不相同。这是因为长周期地震波比短周期地震波随距离增加衰减得轻,刚性结构在震中的破坏大于震中距远的地方,而高柔结构则相反。此外,同一烈度而地震持续时间不同,震害也不同。例如震级为8级,震中距远的8度区,地震持续时间常达40s以上,而震级为6级,震中区附近的8度区,地震持续时间仅几秒,两者震害很不相同。相同烈度下这种不同地震破坏作用,实质上反映了频谱特性或反应谱的差异。故有必要区分在相同烈度条件下震级或震中距不同时的反应谱差异。经统计,不同震级M时,地震烈度I与震中距D(以km计)的关系为:
I=0.92+1.63M-3.49logD
而在震中区为:
I=0.24+1.29M
规范规定:当某地区是受震中烈度与该地区给定的基本烈度相等或比它大一度的地震影响时,称为近震;当某地区是受震中烈度比该地区给定的基本烈度大二度或二度以上的地震影响时,称为远震。按现行烈度区划图,我国绝大多数地区只考虑近震影响。
场地
指建筑物所在地,其范围大体相当于厂区、居民点和自然村的区域,并具有相近的反应谱特性;场地类别系按场地土类型和场地覆盖层厚度对场地地震效应的一种划分,作为表征场地条件的指标。场地土指场地范围内的地基土;场地土类型系场地上刚度的一种划分,不能单独作为表征场地条件的指标。场地覆盖层厚度指地面至剪切波速大于500m/s土层或坚硬土层面的距离。场地土类型可采用剪切波速分类法或近似分类法,当为多层土时用土层平均剪切波速值划分。场地类别按场地土类型和场地覆盖层厚度划分成I~Ⅳ四类,按规范表格划分。当有充分依据时可以适当调整。当用桩基或深基础时不改变原有场地类别。建筑场地的选择应根据工程需要,掌握地震活动情况和工程地质的有关资料,作出综合评价;宜选择对建筑抗震有利的地段,避开对建筑抗震不利的地段,不应在对建筑抗震危险的地段建造甲、乙、丙类建筑。
土层的卓越周期
设基岩为弹性半无穷体,其剪切模量为G↓岩,密度为P↓岩,横波在其中通过的波速为V↓(s岩);其上覆盖厚度为H的水平土层,土层的剪切模量为G↓土,密度为P↓土,横波在其中通过的波速为V↓(s土)。根据理论分析,假如有个自基岩发射出来的正弦波形的弹性波,经过土层到达地面的振幅与基岩振幅的比值可用下式表达:
式中 为岩土阻抗比。当表土层刚度比基岩小,即K<1时,一般情况下β>1,地面振幅比基岩中的大;当表土层刚度比基岩大,即K>1时,一般情况下β<1,地面振幅比基岩中的小。当岩基上覆盖着软土层时,振幅放大系数β有些类似于单质点系共振曲线,在ωH/V↓(s土)=π/2时,β出现峰值,相应的周期为:
一般称此为土层卓越周期,是场地的重要动力特性之一。一般来说,地基上土卓越周期只是在土层数少、相邻土层的波传播速度差别较大时才较明显。至于考虑土的阻尼作用以及强震时土的变形非线性关系之后,问题就更加复杂。尽管如此,卓越周期公式说明,地震对结构的破坏作用除了地震烈度大小之外,所在地的地基土质情况如土的刚度及土层覆盖厚度是很重要因素。一般软弱地基地面运动振幅大,卓越周期长,持续时间亦长,对柔性结构不利,建筑物震害有加重趋势,这是由于建筑物发生类共振现象所致,在结构抗震设计中,应使结构的自振周期避开卓越周期,以免产生共振现象。
地基液化
地震时饱和砂土地基会发生液化现象,造成建筑物的地基失效,发生建筑物下沉、倾斜甚或倒塌等现象。地基土的承载能力主要来自土的抗剪强度,而砂土或粉土的抗剪强度主要取决于土颗粒之间形成的骨架作用。饱和状态下的砂土或粉土受到振动时,孔隙水压力上升,土中的有效应力减小,土的抗剪强度降低。振动到一定程度时,土颗粒处于悬浮状态,土中有效应力完全消失,土的抗剪强度为零。土变成了可流动的水土混合物,此即为液化。饱和砂土或粉土液化除了地震的振动特性外,还取决于土的自身状态:1.土饱和,即要有水,且无良好的排水条件;2.土要足够松散,即砂土或粉土的密实度不好;3.土承受的静载大小,主要取决于可液化土层的埋深大小,埋深大,土层所受正压力加大,有利于提高抗液化能力。此外,土颗粒大小,土中粘粒含量的大小,级配情况等也影响到土的抗液化能力。在地震区,一般应避免用未经加固处理的可液化土层作天然地基的持力层。
三水准的地震设防目标
为贯彻执行地震工作以预防为主的方针,使建筑经抗震设防后,减轻建筑的地震破坏,避免人员伤亡,减少经济损失,结合我国目前的经济能力,规范提出地震设防的三个水准是,第一水准:当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,建筑一般不受损坏或不需修理仍可继续使用,即“小震不坏”。第二水准:当遭受本地区设防烈度的地震影响时,建筑可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用,即“中震可修”。第三水准:当遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震时,建筑不致倒塌或发生危及生命的严重破坏,即“大震不倒”。
抗震的二阶段设计
用此二阶段设计来实现三水准的设防目标。第一阶段设计是为了保证在设防烈度地震影响下结构满足预定的设计要求。采用按第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用和相应的地震作用效应作为标准值,采用分项系数表达式进行结构构件的截面设计。这样,既满足了在第一水准下有必要的强度可靠度,又满足第二水准的设防要求(损坏可修)。对大多数结构来说,可只进行第一阶段设计,而通过概念设计和抗震构造要求来满足第三水准的设计要求。第二阶段设计,即薄弱部位和地震时易倒塌的柔性建筑物,除进行第一阶段设计外,尚需进行第二阶段设计,以找出薄弱部位,采取相应构造措施,以防止倒塌,实现第三水准的设防要求。
抗震概念设计
概念设计是指一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题,必须由工程师运用“概念”进行分析,作出判断,以便采取相应的措施。例如结构破坏机理的概念,力学概念以及由震害试验现象等总结提供的各种宏观和具体的经验等,这些概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中,也体现在计算简图或计算结果的处理中。建筑结构的抗震设计,是以现有科学水平和经济条件为前提的。目前地震及结构所受地震作用还有许多规律未被认识,人们在总结历次大地震灾害经验中认识到:一个合理的抗震设计,在很大程度上取决于良好的“概念设计”。抗震概念设计主要有如下几点:1.建筑的体型力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀。2.抗震结构体系,应符合以下要求:(1)具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径;(2)具有多道抗震防线,避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力;(3)应具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力;(4)具有合理的刚度和强度分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中;对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高抗震能力。3.抗震结构的各类构件应具有必要的强度和变形能力(或延性)。4.抗震结构的各类构件之间应具有可靠的连接。5.抗震结构的支撑系统应能保证地震时结构稳定。6.非结构构件(围护墙、隔墙、填充墙)要合理设置。
抗震结构体系
是抗震设计应考虑的最关键问题,对安全和经济起决定性的作用,是综合的系统决策。体系的选择要符合抗震概念设计的几条基本原则。主要的抗震结构体系有:1.多层砌体房屋。是以砌体(无筋砌体或配筋砌体)抗震墙为抗震结构体系,其中以横墙承重为主的结构体系较有利,承重横墙兼作横向抗震墙,纵向自承重墙作为纵向抗震墙,必要时也可以采用纵、横墙混合承重。2.多层内框架房屋。指外墙为砖墙垛(或壁柱)承重,内柱为钢筋砼柱承重的房屋,适用于工艺上需要较大空间或使用上要求有较空旷的大厅的轻工厂房和民用公共建筑等。3.底层框架砖房。底层要求有较大空间作商店、服务大厅等,上部则为隔墙较多的住宅或办公楼,是一种上下材料不同、强度和刚度不连续的结构体系,在抗震设计中有较严格的要求。4.框架结构。多应用于多层及高层民用建筑和多层的工业建筑,建筑平面布置灵活,易于布置较大房间。但纯框架结构侧向刚度小,属柔性结构,故其层数和高度都受到一定限制。5.框架-抗震墙结构。在多层和高层钢筋混凝土房屋的纵向和横向布置适当的抗震墙,并与框架结构形成框架-抗震墙协同工作的结构体系。在地震作用下层间位移比纯框架结构显著减小,故其建筑高度可以高很多。6.抗震墙结构。是全部由纵、横抗震墙组成的结构体系,其抗震性能较好,在高层住宅、公寓、旅馆等建筑中广泛应用。
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