第三節 結構選型與布置

　　一、建筑結構的分類

　　1.根據建筑結構的體型劃分,可分為:①單層結構;②多層結構(2-7層) ,③高層 結構(一般為8層以上) ;④大跨度結構(跨度在40r----50m以上)。

　　2.根據主要建筑材料劃分,可分為:①鋼筋混凝土結構;②砌體結構;③鋼結構; ④木結構;⑤塑料結構;⑥薄膜充氣結構。

　　3.根據組成建筑結構的主體結構型式劃分,可分為:①墻體結構;②框架結構;③框 架…剪力墻(抗震墻)結構;④筒體結構;⑤拱型結構;⑤網架結構;⑦空間薄壁結構(包括:薄殼、折板、幕式結構) ;③鋼索結構(懸索結構)。

　　4.根據建筑結構的受力特點劃分,可分為:①平面結構體系;②空間結構體系。

　　二、建筑結構形式

　　1.砌體結構

　　砌體結構包括磚砌體、砌塊砌體和石砌體等。磚砌體包括燒結普通磚、燒結多孔磚、 蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚無筋和配筋砌體;砌塊砌體包括混凝土、輕骨料混凝土砌塊元筋和配筋砌體;石砌體包括各種料石和毛石砌體。

　　砌體結構的承重方案和伸縮縫如下所述

　　(1)橫墻承重方案

　　樓層的荷載通過板、梁傳至橫墻,橫墻作為主要承重豎向構件的砌體結構,縱墻僅起 圍護、分隔、自承重及形成整

　　(2)縱墻承重方案

　　其受力特點是:板荷載傳給梁,再由梁傳給縱墻。這時縱墻是主要承重墻。橫墻只承受小部分荷載,橫墻的設置主要為了滿足房屋剛度和整體性的需要,其間距比較大。

　　(3)縱橫墻承重方案

　　根據房間的開間和進深要求,有時需采取縱橫墻同時承重的方案。

　　(4)內框架承重方案

　　在外墻承重的同時,有一部分內墻采用鋼筋混凝土柱代替,以取得較大的空間。

　　(5)伸縮縫

　　為了防止或減輕房屋在正常使用條件下,由溫差和砌體干縮引起的墻體豎向裂縫,應 在墻體中設置伸縮縫。伸縮縫應設在因溫度和收縮變形可能引起應力集中、砌體產生裂縫 可能性最大的地方。伸縮縫的問距可按表2-1采用。

　　砌體房屋伸縮縫的最大間距(m) 表2-1

　　注:①對燒結普通磚、多孔磚、配筋砌塊砌體房屋取表中數值;對石砌體、蒸壓灰砂磚、蒸壓粉煤灰磚和1昆凝土 砌塊房屋取表中數值乘以0. 8的系數。當有實踐經驗并采取有效措施時,可不遵守本表規定; ②在鋼筋混凝土屋面上掛瓦的屋蓋應按鋼筋棍凝土屋蓋采用; ③按本表設置的墻體伸縮縫,一般不能同時防止由于鋼筋混凝土屋蓋的溫度變形和砌體干縮變形引起的墻體局部裂縫; ④層高大于5m的燒結普通磚,多孔磚、配筋砌塊砌體結構單層房屋,其伸縮縫的最大間距可按表中數值乘 以1. 3; ⑤溫度較大且變化頻繁地區和嚴寒地區不采暖的房屋及構筑物墻體的伸縮縫的最大問距,應按表中數值予以 適當減小;

　?、迚w的伸縮縫應與結構的其他變形縫相重合,在進行立面處理時,必須保證縫隙的伸縮作用。

　　2.框架結構

　　(1)框架結構的特點

　　1)框架的連接點是剛節點,是一個幾何不變體。

　　2)在豎向荷載作用下,梁、柱互相約束,從而減少橫梁的跨中彎矩。

　　3)在水平力作用下,梁柱的剛接可提高柱子的抗推剛度,減小水平變形,成為很好 的抗側力結構。

　　(2)框架結構的類型

　　1)按構件組成劃分為二種類型

　　α.梁板式結構:由梁、板、柱三種基本構件組成骨架形成的框架結構。

　　b.無梁式結構:由板和柱子組成的結構。

　　2)按框架的施工方法劃分為四種類型

　　α.現澆整體式框架

　　框架全部構件均在現場現澆成整體,特點是:

　　(α)整體性和抗震性能好;

　　(b)構件尺寸不受標準構件限制。

　　b.裝配式框架

　　框架全部構件采用預制裝配,特點是:

　　(α)可加快施工進度,提高建筑工業化程度;

　　(b)節點構造剛性差,抗震性能差。

　　c.半現澆框架

　　梁、柱現澆,樓板預制或現澆柱,預制梁板,特點是:

　　(α)梁、柱整體性較好,適用于抗震;

　　(b)樓板預制可節約模板,約20%。

　　d.裝配整體式框架

　　預制梁、柱,裝配時通過局部現澆混凝土使構件聯結成整體,特點是:

　　(α)保證了節點的剛接,結構整體性好;

　　(b)可省去連接件;

　　(c)增加了后澆混凝土工序;

　　(d)比全現澆可節省模板及加快進度。

　　(3)框架結構的平面布置方式

　　1)橫向為主要承重框架,縱向為連系梁。

　　2)縱向為主要承重框架,橫向為連系梁。

　　3)主要承重框架縱橫兩個方向布置。

　　(4)框架結構的受力特性

　　3.剪力墻結構

　　(1)剪力墻的概念和結構效能:

　　1)建筑物中的豎向承重構件主要由墻體承擔時,這種墻體既承擔水平構件傳來的豎向荷載,同時承擔風力或地震作用傳來的水平作用力。剪力墻即由此而得名(抗震規范定 名為抗震墻)。

　　2)剪力墻既是建筑物的分隔墻和圍護墻,因此墻體的布置必須同時滿足建筑平面布置和結構布置的要求。

　　3)剪力墻結構體系,有很好的承載能力,而且有很好的整體性和空間作用,比框架 結構有更好的抗側力能力,因此,可建造較高的建筑物。

　　4)剪力墻的間距有一定限制,故不可能開間太大。對需要大空間時就不太適用。靈活性就差。一般適用住宅、公寓和旅館。

　　5)剪力墻結構的樓蓋結構一般采用平板,可以不設梁,所以空間利用比較好,可節 約層高。

　　(2)剪力墻結構體系的類型及適用范圍

　　1)框架-剪力墻結構。是由框架與剪力墻組合而成的結構體系,適用于局部大空間部 分采用框架結構,同時又可用剪力墻來提高建筑物的抗側力能力,從而滿足高層建筑的 要求。

　　2)普通剪力墻結構。全部由剪力墻組成的結構體系。

　　3)框支剪力墻結構。當剪力墻結構的底部需要有大空間,剪力墻無法全部落地時, 就需要采用底部框支剪力墻的框支剪力墻結構。

　　(3)普通剪力墻結構的結構布置

　　1)平面布置

　　a.剪力墻結構中全部豎向荷載和水平力都由 鋼筋混凝土墻承受,所以剪力墻應沿平面主要軸

　　線方向布置。

　　(α)矩形、L形、T形平面時,剪力墻沿兩個

　　正交的主軸方向布置;

　　(b)三角形及Y形平面可沿三個方向布置;

　　(c)正多邊形、圓形和弧形平面,則可沿徑向及環向布置。

　　b.單片剪力墻的長度不宜過大:

　　(α)長度很大的剪力墻,剛度很大將使結構的周期過短,抗地震能力太大不經濟;

　　(b)剪力墻處于受彎工作狀態時,才能有足夠的延性,故剪力墻應當是高窄的,如果 剪力墻太長時,將形成低寬剪力墻,就會有受剪破壞,剪力墻呈脆性,不利于抗震。故同一軸線上的連續剪力墻過長時,應用樓板或小連梁分成若干個墻段,每個墻段的高寬比應 不小于2。每個墻段可以是單片墻,小開口墻或聯肢墻。每個墻肢的寬度不宜大于8. 0m, 以保證墻肢是由受彎承載力控制和充分發揮豎向分布筋的作用。內力計算時,墻段之間的 樓板或弱連梁不考慮其作用,每個墻段作為一片獨立剪力墻計算。

　　c.剪力墻的數量要在方案階段合理地確定,以對稱,均勻,數量適當為好。

　　d.調整剪力墻結構剛度的方法有:

　　(α)適當減小剪力墻的厚度;

　　(b)降低連梁的高度;

　　(c)增大門窗洞口寬度;

　　(d)對較長的墻肢設置施工洞,分為二個墻肢。超過8.0m長時都應用施工洞劃分為 小墻肢。

　　2)豎向布置

　　α.剪力墻應在整個建筑的豎向連續,上到頂,下到底,中間樓層也不要中斷。剪力 墻不連續會造成剛度突變,對抗震非常不利。

　　b.頂層取消部分剪力墻時,其余剪力墻應在構造上予以加強。

　　c.底層取消部分剪力墻時,應設置轉換層。

　　d.為避免剛度突變,剪力墻的厚度應按階段變化,每次厚度減小宜為50-100mm, 不宜過大,使墻體剛度均勻連續改變。厚度改變和混凝土強度等級的改變宜錯開樓層。

　　e.厚度變化時宜二側同時內收。外墻及電梯間墻可只單面內收。

　　f.剪力墻上的洞口宜上下對齊,并列布置,這種墻傳力直接,受力明確,內力分布清楚,抗震性能好。錯洞口上下不對齊,受力復雜,洞邊容易產生應力集中,配筋大,地震時容易破壞。

　　g.相鄰洞口之間及洞口與墻邊緣之間要避免小墻肢。當墻股的寬度與厚度之比小于 3的小墻肢,在反復荷載作用下,容易早開裂,早破壞,故墻肢 寬度不宜小于3bω(bω為墻厚) ,且不應小于500mm。

　　h.刀把形剪力墻會使剪力墻受力復雜,應力局部集中,而 且豎向地震作用會產生較大的影響,宜十分慎重。

　　4.框架剪力墻結構

　　(1)框架剪力墻結構的受力特點及適用范圍

　　1)框架剪力墻(或稱框剪結構) ,廣泛應用于高層辦公和公共建筑,也大量應用于高 層旅館建筑。

　　框架剪力墻結構是由框架構成自由靈活的使用空間,來滿足不同建筑功能的要求;同 時又有足夠的剪力墻,具有相當大的剛度,從而使結構具有較強的抗震能力,大大減少了 建筑物的水平位移,避免填充墻在地震時嚴重破壞和倒塌。所以在有抗震設計要求時,宜 優先采用框剪結構代替框架結構。

　　2)框剪結構的受力特點

　　a.水平力通過樓板傳遞分配到剪力墻及框架。

　　b.水平力產生的剪力在底部主要由剪力墻承擔,因剪力墻在水平力作用時,底部變 形小。但到頂部時,剪力主要由框架承擔。即框架在頂部時變形較小。

　　(2)框剪結構中剪力墻的數量

　　1)剪力墻的多少直接影響抗震能力,震害調查發現墻數量增加震害減少,日本福井 和十勝沖地震中,鋼筋混凝土墻每平方米樓面平均剪力墻長度少于50mm時,震害嚴重, 每平方米樓面平均剪力墻長度多于150mm時,破壞輕微,甚至元害。

　　但是剪力墻過多也會造成不經濟,因剪力墻增多,結構的剛度增大,周期縮短,地震 作用加大,內力增大材料用量增加,基礎造價也相應提高。

　　2)水平位移限值和舒適度要求

　　α.在正常使用條件下,高層建筑結構應具有足夠的剛度,避免產生過大的位移而影 響結構的承載力、穩定性和使用要求。

　　b.按水平位移限值決定。

　　3)剪力墻的布置

　　α.剪力墻宜均勻布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、樓電梯間處、平面形狀變化及恒載較大的部位,剪力墻的問距不宜過大;

　　b.平面形狀凸凹較大時,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻;

　　c.縱、橫剪力墻宜組成L形、T形和槽形等形式;

　　d.單片剪力墻底部承擔的水平力不宜超過結構底部總水平剪力的40%;

　　e.剪力墻宜貫通建筑物的全高,宜避免剛度突變;剪力墻開洞時,洞口宜上下對齊;

　　f.樓、電梯間等豎井宜盡量與靠近的抗側力結構結合布置;

　　g.抗震設計時,剪力墻的布置宜使結構各主軸方向的側向剛度接近;

　　h.長矩形平面或平面有一部分較長的建筑中,剪力墻的布置尚宜符合下列要求:

　　(α)橫向剪力墻沿長方向的間距宜滿足表2-2的要求。

　　剪力墻間距表 表2-2

　　注:B一一一建筑物的寬度。

　　(b)縱向剪力墻不宜集中在房屋的兩盡端。

　　框架-剪力墻結構應設計成雙向抗側力體系?？拐鹪O計時,結構兩主軸方向均應布置剪力墻?？蚣?剪力墻結構中,主體結構構件之間除個別節點外不應采用餃接;梁與柱或 柱與剪力墻的中線宜重合。

　　5.簡體結構

　　當高層建筑結構層數多,高度大時,由平面抗側力結構所構成的框架,剪力墻和框剪 結構已不能滿足建筑和結構的要求,而開始采用具有空間受力性能的簡體結構。簡體結構的基本特征是:水平力主要是由一個或多個空間受力的豎向簡體承受。簡體 可以由剪力墻組成,也可以由密柱框筒構成。

　　(1)簡體結構的類型有

　　1)筒中簡結構——由中央剪力墻內簡和周邊外框筒組成。框筒由密柱(柱距3m)、高梁 組成;

　　2)簡體-框架結構;

　　3)框筒結構;

　　4)多重筒結構;

　　5)成束筒結構J;

　　6)多簡體結構。

　　(2)簡體結構的受力性能和工作特點

　　1)筒體是空間整截面工作的,如同一豎在地面上的懸臂箱形梁。框筒在水平力作用下不僅平行于水平力作用方向上的框架(稱為腹板框架)起作用,而且垂直于水平方向上的 框架(稱為翼緣框架)也共同受力。薄壁筒在水平力作用下更接近于薄壁桿件,產生整體彎 曲和扭轉。

　　2)框筒雖然整體受力,卻與理想筒體的受力有明顯的差別。理想筒體在水平力作用下,截面保持平面,腹板應力直線分布,翼緣應力相等,而框筒則不保持平截面變 形,腹框架柱的軸力是曲線分布的,翼緣框架柱的軸力也是不均勻分布:靠近角柱的 柱子軸力大,遠離角柱的柱子的軸力小。這種應力分布不再保持直線規律的現象稱為剪力滯后。由于存在這種剪力滯后現象,所以筒體結構不能簡單按平面假定進行內力 計算。

　　3)在簡體結構中,剪力墻筒的截面面積較大,它承受大部分水平剪力,所以柱子承 受的剪力很小;而由水平力產生的傾覆力矩,則絕大部分由框筒柱的軸向力所形成的總體 彎矩來平衡,剪力墻和柱承受的局部彎矩很小。由于這種整體受力的特點,使框筒和薄壁 筒有較高的承載力和側向剛度,而且比較經濟。

　　4)當外圍柱子間距較大時,則外圍柱子不能形成框筒,中央剪力墻內筒往往將承受 大部分外力產生的剪力和彎矩,外柱只能作為等效框架,共同承受水平力的作用,水平力 在內筒與外柱之間的分配,類似框剪結構。

　　5)成束筒由若干個簡體并聯在一起,共同承受水平力,也可以看成是框筒中間加了 一框架隔板。其截面應力分布大體上與整截面簡體相似,但出現多波形的剪力滯后現象, 這樣,它比同樣平面的單個框筒受力要均勻一些。

　　(3)筒體結構布置

　　1)平面宜選用方形、圓形;

　　2)可用對稱形的三角形或人字形;

　　3)外框筒柱的柱距宜不大于4. 0m;

　　4)矩形平面時,長寬比不宜大于2.0;

　　5)四角的柱子宜適當加大,一般截面加大2-3倍,可做成L形,八字形;

　　6)簡體結構只有在細高的情況下才能近似于豎向懸臂箱形斷面梁,發揮其空間整體 作用,一般情況下H/B宜大于4;

　　7)由于框筒是空間整體受力,主要內力沿框架平面內分布,所以,框筒宜采用扁寬 矩形柱,柱的長邊位于框架平面內。也可采用一字形柱。一般不宜采用圓形柱和方形柱, 因為加大框筒柱壁厚對受力和剛度的增大效果遠不如加大柱寬有效;

　　8)裙梁的截面,宜采用窄而高的梁。梁高一般為0. 6-1.5m,寬度取同墻厚小于 250mm。梁高hb可取hb≥( 1/3-1/4) lo, h b≥(0.2-'0.25)h;

　　式中lo柱距;

　　h層高。

　　9)內筒的尺寸一般應爭取內筒邊長為外筒邊長的1/3為好;

　　10)可以在框筒頂部設置1-2層高的剛性環梁來提高整個框筒的空間整體性。

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