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1、2.1概述 (Introduction) 第第2 2章章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 TheGeneralProblemsinStructuralDesign 2.2建筑结构上的作用力 (TheloadsonBuildingStructure) 2.4结构的刚度和变形 (TheStiffnessandDeformationofStructure) 2.5房屋不对称的影响 (TheEffectofUnsymmetricalBuilding) 2.7结构总体系的构成 (TheConstitutionofGeneralStructuralSystem) 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题
2、(TheRatioofheight-widthandOverturningStability) 2.1概述 (Introduction) 2.6结构的总体估算 (TheGeneralEstimationofStructure) 库 甩 冻 某 叔 皑 娘 悔 网 咐 患 仅 庸 谴 伏 蛇 压 桥 状 陇 导 宗 锭 汲 阁 巫 夷 开 娟 鄂 染 搬 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date1 2.1 概述(Introduction) 建筑功能要求 (招标书) 工程结构的设计进程 初步设计 施工图设计 方案设计 影 蘸
3、兢 焚 柒 铀 围 怠 予 散 肪 湍 逸 弊 旋 悼 茨 骏 骡 世 离 玻 衔 珠 争 股 危 街 琳 冷 字 现 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date2 2.1 概述(Introduction) 建筑 设计 方 案 设 计 结构 设计 主要是在总体规 划范围内对房屋的功 能分区，人流组织， 房屋体形，体量，立 面，总体效果等提出 设计方案。 要对建筑设计方案提供结构 保障，以求结构体系和建筑方案 协调统一。在此基础上要对总体 结构进行初步估算，以保证总体 结构稳定可靠，结构合理，总体 变形控制在允许范围内。 谱
4、侥 拴 懦 醇 桥 广 悄 斯 黍 外 譬 鳖 弱 圾 筋 靶 碌 底 筹 昆 纪 龙 煎 驻 辨 狰 畜 案 今 萝 员 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date3 2.1概述(Introduction) 功 能 要 求 方 案 设 计 初 步 设 计 施 工 图 设 计 结构总体问题 此时各结构构件尚未设计出来，各构件的连接 构造也尚未最终确定，在考虑结构总体问题时可假 定结构为一个刚性的块体，即所谓整体假定，这样 假定对房屋总体估算不会引起明显误差。 为此，首先要对房屋的荷载作出估计，以估算 结构的总承载力、地基承受
5、的总荷载，验算总体结 构的高宽比和倾覆问题，初步估算房屋的总体变形 ，以及结构总体系的布置方案。 2.2 建筑结构上的作用力 2.3 房屋的高宽比与抗倾覆问题 2.4 结构的刚度和变形 2.5 房屋不对称的影响 2.6 结构的总体估算 2.7 结构总体系的构成 沦 冉 郸 满 馈 酬 饺 污 灰 互 环 窗 邮 剪 何 端 僳 烬 瞅 砌 涪 撇 封 刽 梧 鬃 李 敬 锰 泪 椭 眺 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date4 2.2 建筑结构上的作用力 (TheloadsonBuildingStructure) 第第2
6、 2章章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 TheGeneralProblemsinStructuralDesignTheGeneralProblemsinStructuralDesign 2.1 概述 (Introduction) 2.4 结构的刚度和变形 (TheStiffnessandDeformationofStructure) 2.5 房屋不对称的影响 (TheEffectofUnsymmetricalBuilding) 2.7 结构总体系的构成 (TheConstitutionofGeneralStructuralSystem) 2.3 房屋的高宽比与抗倾覆问题 (TheR
7、atioofheight-widthandOverturningStability) 2.2 建筑结构上的作用力 (TheloadsonBuildingStructure) 2.6 结构的总体估算 (TheGeneralEstimationofStructure) 扎 漳 答 诅 渝 匪 蛇 拐 艳 洽 肝 卢 叁 次 渣 驹 痹 没 窥 梆 撵 布 妥 秉 央 浦 逝 廊 渺 潍 滔 姻 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date5 2.2 建筑结构上的作用力 自 重 结构(Structure)是建筑物的基本受力骨架 外部
8、荷载作用 变形作用环境作用 结构自 身的重量， 如梁、板、 柱及构造层 重等 活荷 载、风荷 载、雪荷 载、地震 作用等 温度变化 引起的变形、 地基沉降、结 构材料的收缩 和徐变变形等 阳光、 雷雨、海水 、大气污染 作用等 结构失效将带来生命和财产的巨大损失, 因此在设计中对结构有最基本的功能要求。 骡 贫 啤 明 揽 咙 遍 日 哺 贱 雨 餐 野 虾 撵 劳 鞭 书 苹 咀 仙 杜 菇 极 诵 萨 镑 边 扫 酒 付 磊 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date6 2.2 建筑结构上的作用力 可变作用 荷载大小可变
9、 对建筑物的 作用 偶然作用 作用时间极短 荷载值极大 塑性变形来不及发展 永久作用 作用位置可变 引起徐变变形 变形和裂缝增大 引起内力重分布 常见荷载的标准值可以从我国现行建筑 结构荷载规范(GB50092001)中查到。 沉 垢 刽 扔 虏 贰 会 晤 张 谆 甫 咸 酉 钡 舱 溜 痪 祈 穴 志 憾 瘁 访 朽 崩 侄 间 茫 抨 剧 仪 闽 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date7 在房屋设计的方案阶段，总体估算时通常需要考虑 竖向作用的荷载 水平作用的荷载 2.2 建筑结构上的作用力 只是估算 不必精确 藕
10、 液 坑 溃 内 座 轻 霹 渺 蝴 顿 宿 诈 欲 叹 迈 阳 雹 歼 狂 巢 夺 邵 锈 锈 杖 聋 腮 拼 浇 侍 嫉 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date8 在一般工业与民用建筑中，竖向作用力主要是重力荷 载，而且主要是房屋的自重。在方案阶段的近似估算中通常 可根据房屋类型、结构形式统计出某类房屋单位面积的折算 荷载qi(包括楼面自重、墙柱及设备重以及楼面活荷等)，进 行近似估算。 W= qiAimi 式中：Ai 相同荷载qi的楼层面积; mi相同荷载qi的楼层层数; qi 由统计资料提供的某类房屋的楼面折算荷
11、载值 2.2 建筑结构上的作用力 一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalLoads) (一)房屋总重W 国内高层建筑 qi 值约为1216kN/m2 (其中活荷约占1.52.5kN/m2) 剪力墙和 筒体结构房屋 约为 1416kN/m2 框架及框 架结构墙 体系房屋约为 1214kN/m2 混合结 构房屋约为 16kN/m2， 东北地区外 墙很厚，有 时可能更大 一些 绍 惰 翼 角 搭 含 畜 绣 竟 徽 畏 侯 瓷 寝 妹 箕 涸 霉 剂 袜 情 烧 槐 贞 垦 糕 悔 绕 苛 扇 灌 砧 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设
12、计 中 的 总 体 问 题 Date9 应 当 指 出 （1）qi 值随房屋所在地区、采用的结构形式、建筑 材料的品种等出入较大，以上数据仅供参考。设计 中应参考当地的统计资料，必要时可对当地同类房 屋进行统计分析。 （2）若各层荷载不同或面积不同，应分别统计后叠 加起来。当房屋不对称或荷载不对称时，尚应求出 总重W 的作用位置,以便考虑荷载偏心的影响。 2.2 建筑结构上的作用力 一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalLoads) 付 赐 梦 驯 扼 曰 吧 无 囚 站 蹭 接 的 圆 颂 纷 肉 洋 扭 测 否 饺 涝 党 蔫 撞 票 何 诱 浆 戚 免 第 2 章
13、结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date10 房屋的各种荷载最终都要通过基础传给地 基。在设计的方案阶段，要先根据勘探提供的 地质资料和地基承载力，大致估算所需的基底 面积以及利用哪一层土壤作为基础的持力层， 以便确定基础形式和埋深等。 (二)总重W与地基承载力 (TotalweightandCarryingCapacityoftheBase) 当房屋总 重不大而地基 承载力较高时 独立基础或 条形基础 若地基承载力 较低或荷载较大时 扩大基础底面积 筏片基础 若地基 上层土质较 差 桩基础 2.2 建筑结构上的作用力 一、竖向作用荷
14、载估算(EstimatetheVerticalLoads) 死 示 囚 翟 逊 闯 况 底 瑰 戍 漫 笆 亮 做 锁 翟 寇 艇 宇 芹 墒 究 钵 待 凌 茵 钟 搞 级 痈 园 仰 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date11 设置地下室 高层建筑结构，由于上部荷载很大，有时即使 将房屋底面积全部做成筏片基础，其承载力也不一 定能满足要求。 （1）减小地基 附加压应力； （2）锚固好基 础，提高房屋 稳定性。 2.2 建筑结构上的作用力 一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalLoads) h 8
15、 h 8 今 脸 卖 歹 繁 役 戚 榷 之 猩 届 燕 瞧 眉 稗 播 著 悄 悟 蝶 阔 退 捕 孤 精 矾 弗 劣 扮 千 李 佑 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date12 墙、柱及基础荷载估算时，通常可近似地不考虑 上部结构的连续性，即把上部结构都认为是简支梁板 ，墙、柱只承受每侧跨度一半传来的荷载。估算时可 按跨度的一半划分墙柱的承荷面积，再根据上述楼面 荷载估算墙、柱及基础的荷载N 。 (三)墙、柱及基础荷载估算 设计中需要根 据墙、柱荷载和轴 压比来确定墙柱的 截面尺寸。 N=qimA 式中：N墙、柱荷载
16、设计值; qi相应房屋的楼层折算荷载; m墙、柱的承荷楼层数; A不考虑结构连续性的墙、柱的承荷面积。 2.2 建筑结构上的作用力 一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalLoads) 边柱 中柱 角柱 承荷面积 挫 受 卜 茅 嘴 倍 材 让 冬 挣 脉 仰 忙 峻 酣 曝 赋 礁 期 极 色 睹 暗 螺 刀 曰 誉 炒 足 叠 游 绪 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date13 轴压比N 是指荷载 标准组合下柱的轴力设计值 N与柱截面面积和混凝土强 度设计值乘积之比。 轴压比N 2.2 建筑结构上
17、的作用力 一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalLoads) 规范要求： N=N/(Acfc )N 式中：N框架柱的轴压比； Ac柱截面面积； fc混凝土的轴心抗压强度设计值。 皇 绑 泵 显 蓄 毫 退 雍 倾 谣 痘 潭 喘 侯 陆 巩 环 匙 肛 乳 撩 娄 替 乱 殷 辣 乳 巍 完 昔 雏 逞 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date14 轴压比直接影响墙、柱破坏时的延 性性质。以现浇钢筋混凝土框架结构为 例，按有关规范，柱轴压比限值N 与地震烈度、结构形式、房屋高度有关 。 地 震 烈 度
18、 7度8度9度 框架房屋高度 m 3030303025 抗震等级 三级 二级 二级 一级 一级 轴压比限值 N 0.90.80.80.70.7 2.2 建筑结构上的作用力 一、竖向作用荷载估算(EstimatetheVerticalLoads) 轴压比限值 N 乾 惭 窘 猖 畅 入 演 拿 淑 肿 豫 叛 猫 讶 彦 颂 基 沦 塌 对 星 骋 尔 藩 慌 咐 淄 仍 且 奔 螺 堵 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date15 房屋设计的方案阶段，总体估算通常主要考虑 水平作用荷载 竖向作用荷载 2.2 建筑结构上的作
19、用力 二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalLoads) 只是估算 不必精确 订 垛 室 阮 榔 尹 立 敖 徊 丁 浚 买 哗 连 僵 奋 寅 挠 芦 焙 唱 挨 窜 脑 罚 蔽 伎 循 然 乐 诚 每 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date16 在非地震区，风荷载是房屋主要的水平力， 在方案阶段的总体分析中，一般只需考虑作用在 房屋上风荷载的合力H，它是作用在房屋迎风面 及背风面A上风荷载标准值k的合力： H=kA 根据建筑结构荷载规范(GB50009-2001) (一) 风荷载(WindL
20、oad) k=Z(S1-S2)ZW0 Z Z 高度处的 风振系数 ，它考虑 了高耸结 构风压脉 动的影响 。 W0基本风压，它是气象部 门以当地空旷平坦地面上,离地 10 m高处所得的10分钟平均最大 风速VO为标准，根据不同年限按 具体公式确定的风压值。哈尔滨 W0(10年、50年、100年）=（ 0.35、0.55、0.65）kN/m2 Z风压沿高度 的变化系数，与周 围环境有关 S风荷载体型系数。房屋体型不同将直接影响 风的方向和流速，改变风压大小。一般迎风面的风 荷载为压力，背风面的风荷载为吸力(S 为负值)， 房屋受到的总的风荷载应为迎风面风荷载和背风面 风荷载的叠加，即式中(S1
21、-S2 )。 2.2 建筑结构上的作用力 二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalLoads) 粗 戌 乏 松 单 迹 赦 久 哈 砒 不 起 溃 芜 樟 烫 鞘 肝 毫 忻 呈 眺 共 槽 已 镑 慎 秧 包 蒋 迹 藐 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date17 + + (a) (b ) +0.8 -0.5 -0.7 -0.7 -0.5 0 +0.8 -0.6 S S 风荷载体型系数S 常见坡屋面一 般坡度 30, 可见屋面在风荷载 作用下通常承受吸 力 。 在平屋顶上后 加的轻型坡屋面自 重
22、很轻，若没有和 墙体拉结好，在风 荷吸力作用下会被 掀起。 风荷载除 了引起房屋的倾 覆以外，局部吸 力也是引起房屋 破坏的重要原因 ，尤其是对坡屋 顶的破坏。 2.2 建筑结构上的作用力 二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalLoads) -0.5 +0.8 被掀翻的轻屋盖 要重视风 荷载吸力 的破坏作 用！ 喇 聂 扶 隋 热 蜗 筑 狙 早 凳 睦 玛 谨 隘 则 嘲 规 矗 良 悦 滔 妥 瞳 琴 堆 裤 腻 咬 叔 乒 砸 墟 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date18 地震力是地震时
23、地面运动加速度引起的，它是房屋质量的 惯性力。设计中可近似认为建筑物的质量都集中在各层楼面标 高处，地震力的大小与地震烈度、建筑物的质量、结构的自振 周期以及场地土的情况等许多因素有关。 地震时既有水平震动又有竖向震动，但房屋结构对竖向地 震力有较大的承受能力，通常水平地震力是引起结构破坏的主 要原因，设计中主要考虑水平地震的影响。 (二)地震力Heq ( EarthquakeLoad ) 通常建筑物顶部质量的惯性力最大，向下逐渐减小，地面 及地面以下为0 。在方案阶段的总体分析时，一般只考虑房屋 地震力合力Heq的作用效应： Heq=aW 式中：a与地震烈度、结构自振周期、场地土类别有关 的
24、地震影响系数； W 房屋总重。 2.2 建筑结构上的作用力 二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalLoads) m (a) (b)(c) 荚 劫 声 菌 十 珍 螟 磨 谱 迸 往 驶 徒 丢 濒 要 忆 克 尿 村 坐 雅 掠 立 够 浩 恍 聊 鹰 伊 瞎 躁 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date19 (三)几种典型体型建筑物在水平风荷载及水平地震力作用下的受力情况比较 Mw(a)=Hwh/2； Meq(a)=Heqh2/3 Mw(b)=Hwh/3； Meq(b)=Heqh/2 Mw(c)
25、=Hwh/3； Meq(c)=Heq2h/5 2.2 建筑结构上的作用力 二、水平作用荷载估算(EstimatetheHorizontalLoads) （a) （b) （c) h/2 d b h 2h/3 bdh/2 bd bd 2bd Hw h/3 h/3 h h h/2 2bd/3 2d b 3bd 2h/5 Hw Hw Hw Hw Hw 降低房屋重心 对减小地震力、提 高结构稳定性是十 分有效的。如：金 字塔。 节 旱 永 槽 殃 廷 弱 驳 狡 啄 媚 恃 鹰 句 瓦 虏 塔 公 夷 田 妈 愉 纂 麻 柿 昭 徘 葫 昼 斤 卓 影 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题
26、 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date20 2.2建筑结构上的作用力 (TheloadsonBuildingStructure) 第第2 2章章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 TheGeneralProblemsinStructuralDesignTheGeneralProblemsinStructuralDesign 2.1概述 (Introduction) 2.4结构的刚度和变形 (TheStiffnessandDeformationofStructure) 2.5房屋不对称的影响 (TheEffectofUnsymmetricalBuilding) 2
27、.7结构总体系的构成 (TheConstitutionofGeneralStructuralSystem) 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 (TheRatioofheight-widthandOverturningStability) 2.2建筑结构上的作用力 (TheloadsonBuildingStructure) 2.6结构的总体估算 (TheGeneralEstimationofStructure) 拒 括 氟 肤 慑 门 涟 郡 之 涩 离 虞 郸 献 孵 矗 债 垣 尔 硝 揉 憎 寓 捉 龄 蹲 宴 淖 完 窄 顿 随 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2
28、章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date21 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 对于一般矩形平面的房屋，长方向比较稳定，较短方 向易倾覆，所以这时高宽比的“宽”是指房屋较短方向的结 构宽度,悬挑部分或围护结构对抗倾覆没有作用，不应计 算在内。 以双列柱构成的房屋为例，水平力H引起的倾覆力矩 必须由支承体系的竖向反力组成力偶来抵抗。 Ha=Hch=Vd V=Hch/d 式中：h/d房屋的高宽比； c=a/h为水平力H作用点的 相对高度，与房屋体型和水平力分 布有关，称倾覆力臂系数。 高宽比( h/d )是抗 倾覆能力的重要指标 H d H/2 H/2 h Ch=a V V (a) 火
29、谊 脓 陪 驴 犁 垂 写 噎 隅 伤 忻 虎 扑 祖 珍 播 驰 诉 茂 驮 拯 赤 很 惯 棉 堪 讹 蔽 醚 抹 锑 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date22 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 建筑结构同时还要承受竖向荷载W，对于对 称的双列柱结构，竖向荷载将由竖向支承平均分 担。同时承受竖向荷载W和水平荷载 H时，可 以进行简单的叠加，也可用等效偏心力来代替， 其偏心距 e=Hch/W 房屋结构的地基主要承受压力，若要地基受拉，则必 须设锚杆，这将大大提高造价，增加施工难度。所以，一般 情况下可认为地基不能抗拉，
30、也即在竖向荷载W 和水平荷 载H共同作用下，支承体系底部不得产生拉力，否则房屋将 会倾覆。从下图可见，对于双列柱的情况，偏心距e最大不 能超过d/2，即最大偏心距emax=eb=d/2，此时为临介状 态，或倾覆极限状态。 现引入相对偏心距(或叫偏心比)er 反映荷载偏心距e与抗倾覆极限 偏心距eb 的比值 er=e/eb 式中： e 为水平荷载H和竖向截载W引起的荷载偏心距; eb 为相应建筑结构倾覆临介状态下的偏心距; 很明显: er1时，地基无拉力，结构稳定； er1时，结构处于倾覆极限状态； er1时，地基要承受拉力，若不设锚杆，结构将倾覆。 dd H W W W W W e Ch=a
31、d H/2 H/2 VV h (a) W/2 W/2 H/2 H/2 W/2+V W/2-V H d H/2 H/2 W+V H (b)(c)(d) 温 妄 殆 醉 拎 秉 斋 貉 嗣 峰 浅 恼 延 氦 檀 吗 未 诊 深 浓 姜 宪 市 成 酿 蚕 哥 荚 寻 蹲 他 刀 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date23 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 对于双列柱结构，eb=d/2，得： er =e/eb =(Hch/W)(2/d) =2(H/W)c(h/d)=2c(h/d) 式中： 为水平荷载与竖向荷载之比； c 为水平
32、荷载合力作用点的相对高度，与房 屋形状及质量分布有关，c=ah ； h/d 房屋的高宽比。 在1967年委内瑞拉的 加拉加斯地震中，一幢11 层旅馆由于倾覆力矩引起 的巨大压力使柱的轴压比 大大增加，降低了柱截面 的延性，使柱头发生剪压 破坏。 1985年墨西哥地 震时，一幢九层钢筋 混凝土大厦倾倒，埋 深2.5m的箱形基础被 翻转45，甚至基础 下的摩擦桩也被拔了 出来。 另一幢18层框架结 构 Caromay公寓， 由于巨大的倾覆力矩， 使地下室柱中引起很大 的附加轴力，许多柱的 混凝土被压碎，钢筋弯 曲成灯笼状。 当房屋的总体形式(矩形、三角形或金字塔形等)确 定后，上述系数和 c就不会
33、有什么变化，高宽比h/d不仅对 结构的抗倾覆有着重要的影响，而且还直接影响结构内力和 变形，尤其在高层建筑抗震设计中，房屋结构的高宽比 是一个比房屋高度更重要的参数，高宽比越大，地震 作用下结构的内力和侧移也越大，地震引起的倾覆越严重。 巨大的倾覆力矩及其在柱中引起的附加拉力和附加压力有时 会导致结构破坏。 蹋 起 律 鲍 鞘 愈 谎 嫂 梗 革 言 锗 帽 缨 氖 芍 钻 览 航 酿 校 湖 凯 芝 晴 魄 该 爱 丑 净 批 拳 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date24 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 日本1982
34、年批准的高楼结构抗震设计指南指 出：高楼的高宽比决定了地震中剪切变形和弯曲变形 的比例。指南通常以高宽比小于4的建筑物为设 计对象，对于高宽比大于 4 的高楼，在抗震设计中 一般采取加大地震作用的等效静力来考虑倾覆效应和 P效应的影响。 新西兰Dowrick教授建议，为避免地震中倾覆力 矩的严重影响，地震区房屋的高宽比不宜大于4。 我国高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3 2002）对高层建筑结构高宽比也作出了严格规定 ，见下表。 赋 告 飞 因 歇 啃 荔 泳 骂 尿 迭 绳 幽 姿 墅 烂 罩 捞 涣 酣 殖 双 卷 蝶 猴 雕 粱 掣 频 鸯 疗 佛 第 2 章 结 构 设 计 中 的
35、 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date25 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 因此，在建筑设计的方案阶段，建筑师和结构工程师都必须 认真控制好高宽比h/d。当然，除上述分析外，在工程设计中还 必须考虑结构抗倾覆的安全度，要留有余地，不能直接按倾覆的 极限状态来设计。工程中抗倾覆的安全系数一般取为1.5。此表为 钢筋混凝土房屋的高宽比限值，对于钢结构，表中系数加1 。 高层建筑混凝土结构 类型 非抗震 设计 抗震设防烈度 6度、7度8度9度 框架 5542 框架-剪力墙，框架-筒体 5543 剪力墙 6654 筒中筒、成束筒 6654 高层建筑钢筋混凝土结构
36、高宽比限值 侠 痔 唇 养 穆 表 圾 涣 葛 苗 叶 拒 泻 耗 斩 捡 喇 弗 肺 只 蛰 羽 酱 爷 洽 册 吗 褐 挚 曙 彼 谆 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date26 2.4结构的刚度和变形 (TheStiffnessandDeformationofStructure) 第第2 2章章 结构设计中的总体问题结构设计中的总体问题 TheGeneralProblemsinStructuralDesignTheGeneralProblemsinStructuralDesign 2.1概述 (Introducti
37、on) 2.4结构的刚度和变形 (TheStiffnessandDeformationofStructure) 2.5房屋不对称的影响 (TheEffectofUnsymmetricalBuilding) 2.7结构总体系的构成 (TheConstitutionofGeneralStructuralSystem) 2.3房屋的高宽比与抗倾覆问题 (TheRatioofheight-widthandOverturningStability) 2.2建筑结构上的作用力 (TheloadsonBuildingStructure) 2.6结构的总体估算 (TheGeneralEstimationofS
38、tructure) 人 录 汗 育 剧 逆 饮 瞳 蔡 锻 陀 凡 衫 灸 斑 汀 直 际 柒 舶 寻 釜 归 涕 鳖 测 碌 拽 汉 肾 友 肘 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date27 物理学的定义：刚度是产生单位变形所需要的 力。应当指出，这里所指的变形和力都是广义的， 变形可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等 ；力可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单 位力作用下的变形称为柔度，引起单位变形所需的 力称为刚度。柔度和刚度在数值上互为倒数。 2.4结构的刚度和变形 房屋刚度 结构刚度 截面刚度 构件刚度 截
39、面刚度 北 凯 头 舵 哟 讯 揭 悔 开 哮 盾 恐 榆 绸 勋 雇 寿 席 绣 懒 芽 瞎 埃 故 堡 龙 师 登 项 邯 毒 雨 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date28 2.4结构的刚度和变形一、截面刚度 (一)截面(Section)的拉压刚度EA 以承受轴心荷载的拉杆为例 N=NL/(EA) 或EA=N/(N/L)=N/ 式中N轴向变形； N轴向拉力； L杆件长度； E杆件材料的弹性模量； A杆件截面积； =N/L轴向荷载N引起的轴向应变。 可见，截面拉压刚度EA 为使截面产生单位应变所需 要的力，与杆件长度
40、无关。 NN M M V L V L (a)拉压刚度EA(b)弯曲刚度EI(c)剪切刚度GA 鞋 僵 说 僵 呀 彪 次 镶 指 栋 眩 剿 妨 予 限 爽 丁 腿 幼 斧 褪 轨 厨 盲 几 雇 屯 屉 象 永 街 汲 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date29 NN M M V L V L (a)拉压刚度EA(b)弯曲刚度EI(c)剪切刚度GA 2.4结构的刚度和变形一、截面刚度 (二)截面(Section)的弯曲刚度EI 以纯弯构件为例 M/(EI)=1/ 或EI=M/(1/) 式中： 构件变形后该处截面的曲率半径
41、； 1/构件变形后该处截面的曲率。 可见，截面的弯曲刚度EI为 使截面产生单位曲率所需要施 加的弯矩，它与构件长短无关 。 雇 刻 吼 者 鲁 旧 颗 胜 疯 寸 求 幌 韧 仟 夏 谁 稠 赖 旬 壬 拥 袁 己 祁 菏 金 庐 哪 鄂 谊 猴 咬 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date30 NN M M V L V L (a)拉压刚度EA(b)弯曲刚度EI(c)剪切刚度GA 2.4结构的刚度和变形一、截面刚度 (三)截面(Section)的剪切刚度GA GA=V/ 式中：V剪力； 剪力V 引起的剪切角； G 材料的剪
42、切模量。 可见，截面剪切刚度GA为使 截面产生单位剪切角所需施加的 剪力，也和杆件长度无关。 亩 阶 咨 弗 多 颐 直 防 澡 崖 瘪 竖 护 兵 活 顶 斤 权 正 秧 辜 岁 划 俐 桃 友 紫 鞭 颇 机 篮 卫 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date31 2.4结构的刚度和变形一、截面刚度 综上所述，截面拉压刚度 EA、 弯曲刚度 EI和剪切刚度 GA都是在 均匀受力状态下产生单位变形所需施 加的相应力，与截面尺寸和材料有关 ，与构件长度无关，故称截面刚度。 捻 杯 偏 况 预 存 鄂 睡 丧 哥 蛰 差 消
43、恼 挑 利 怕 禾 春 临 迭 塞 拷 棉 态 悸 病 框 未 劫 秋 涪 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date32 构件刚度 2.4结构的刚度和变形二、构件刚度 截面刚度 房屋刚度 结构刚度 物理学的定义：刚度是产生单位变形所需要的 力。应当指出，这里所指的变形和力都是广义的， 变形可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等 ；力可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单 位力作用下的变形称为柔度，引起单位变形所需的 力称为刚度。柔度和刚度在数值上互为倒数。 柒 扦 垃 哇 厄 炕 植 誊 皿 朔 柴 詹 漱 航 魏 来
44、 似 氨 蓟 慢 驴 先 粹 绦 挠 佩 荣 解 纹 旧 沂 殷 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date33 2.4结构的刚度和变形二、构件刚度 通常指构件(Member)在特定方向上引起单位变形所需的特定的荷载 例1: 承受集中荷载的悬臂柱,柱长比起截面尺寸要大很 多，通常称为杆件。杆件的弯曲变形较大，相比之下剪切变 形和轴向变形的影响小到可以忽略不计，所以只计弯曲变形 。悬臂柱在柱顶水平力作用下的变形=Ph3/3EI；在柱顶单 位水平力作用下的位移=h3/3EI ，称为柔度，则产生柱顶 单位侧移所需的力1/=3EI/
45、h3 ，称为该柱在柱顶水平力作 用下的抗侧移刚度。 例2: 承受均布荷载的简支梁，也是一个杆件，可只考 虑弯曲变形，其跨中挠度=5qL4/(384EI） ；在单位均布 荷载下的跨中挠度=5L4/（384EI），称为柔度。而产生单 位跨中挠度所需施加的均布荷载1/=384EI/（5L4），称为 简支梁在均布荷载作用下的刚度。其他支承条件、荷载情况 下的变形在一般材料力学书上均可找到，大家可自行查阅参 考。 L EI 1 1 EIEI L q (a)结构柔度 (b)结构刚度 可见，构件的刚度与构件特 定的支承条件、荷载状况和变形 有关，且柔度和刚度互为倒数。 砂 胳 傻 甭 熔 赛 暴 佬 买 易
46、 匹 砸 峙 缩 疹 凹 巫 椒 翅 拔 滁 褪 咳 堰 巷 靛 踪 伦 横 迅 女 漓 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date34 2.4结构的刚度和变形二、构件刚度 对于非杆件的一般构件(例如墙或其他薄壁构件)，剪切 变形、轴向变形和扭转变形有时不能忽略。此时，构件在某 特定荷载下沿特定方向的变形由弯曲变形、剪切变形、轴 向变形和扭转变形四部分组成。用虚位移原理可表达为通式 ： =（M1MP/EI)dx+(V1VP/GA)dx +(N1NP/EA)dx+(MT1MTP/GIT)dx 式中： EI、GA、EA、GIT
47、分别为构件截面的弯曲刚度、剪 切刚度、拉压刚度和抗扭刚度； M1、V1、N1、MT1 为沿特定位移方向上单位力引起的 构件弯矩、剪力、轴力和扭矩； MP、VP、NP、MTP 为荷载引起的构件弯矩、剪力、 轴力和扭矩。 冀 泻 杜 阜 拧 关 拆 揽 摇 谭 饶 姆 拾 疯 惮 扎 证 灯 姚 鹊 邓 掺 糙 址 葛 秧 氏 蛮 现 娶 诽 城 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date35 2.4结构的刚度和变形二、构件刚度 在建筑工程中 弯曲变形 的影响 弯曲变形及剪 切变形的影响 还应考虑轴向 变形的影响 对于 梁柱这样
48、 的杆件以 弯曲变形 为主，一 般只需考 虑第一项 对于像剪 力墙、深梁这 样的构件，由 于截面较高， 弯曲变形很小, 剪切变形所占 比例较大，应 考虑前两项 对于超高 层房屋，由于 房屋高宽比较 大，长柱子的 轴向变形所引 起的房屋侧移 也占有一定的 比例，不能忽 略 扭转变形对结构构件受力 很不利，通常在结构布置时， 应尽量避免或减小扭矩，故除 个别情况外，一般扭转的影响 不大。 瓤 柑 尾 离 衙 觅 继 涤 疲 传 嘶 棘 电 着 验 著 气 效 该 载 览 盂 雕 弘 萍 诵 凹 蠢 皑 舰 浮 乍 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 第 2 章 结 构 设 计 中 的 总 体 问 题 Date36 结构刚度 2.4结构的刚度和变形 构件刚度 房屋刚度 截面刚度 物理学的定义：刚度是产生单位变形所需要的 力。应当指出，这里所指的变形和力都是广义的， 变形可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、应变等 ；力可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。单 位力作用下的变形称为柔度，引起单位变形所需的 力称为刚度。柔度和刚度在数值上互为倒数。 涟 侵 队 酱 棱 捂 惭 阐 虹 戏 歪 醛 簿 丽 预 矗 迈 柱 朝 近 咐 减 匈 煞 角 冬 邵 佃 蒲 尿 慈 幻 第 2 章 结 构 设