結構概念和體系

StructuralConceptsandSystems

（電子課件）

編制：計學閏

高等教育出版社高等教育電子音像出版社2/5/20231緒論(Introduction)緒論(Introduction)第1章一些重要的結構概念(SomeImportantConceptsofStructure)

第2章結構設計中的總體問題

(TheGeneralProblemsinStructuralDesign)第3章結構的水平體系(TheHorizontalSystemsofStructure)第5章工程實例簡介(IntroductiontoEngineeringExamples)第4章結構的豎向體系(TheVerticalSystemsofStructure)目錄(Outline)2/5/20232緒論（Introduction）結構概念結構體系課程意義2/5/202330.1本課程的意義隨著科學技術的飛速發展專業之間的聯系常被忽視，使學生的知識變得零碎了專業和學科之間的分工越來越細這對科學技術的發展是非常必要的但過細的分工有時也帶來一些弊病

平時只重視構件的設計計算，而對結構體系的構成及其重要性認識不足。

有的學生雖能求解復雜的力學問題，卻不會從簡單的工程結構中抽象出計算簡圖。

有的學生雖能設計高層或大跨建筑，但對最基本的結構概念理解不深。作為一名合格的建筑師或結構工程師應在設計的最初階段作出結構決定，對結構進行定性判斷，并能夠較快地作出近似的定量分析。2/5/202340.1本課程的意義

招標書工程結構的設計進程初步設計施工圖設計方案設計2/5/202350.1本課程的意義先進的設計思想充分地體現出來通過方案設計結構工程師

在特定的建筑空間中用整體概念來設計結構，并能有意識地利用總結構體系與各基本體系之間力學關系。主要任務

不僅能精確地計算和分析一個給定的體系或構件。同時也要求具備豐富、踏實的整體結構概念和基本體系的相互比較概念。同時

國際上公認的優秀結構，都是由一種或幾種結構體系有機結合而成。2/5/202360.1本課程的意義本課程是一門理論與實際聯系密切，多學科綜合性的專業課

引導學生深入理解結構概念，學會從房屋總體（而不只是結構構件）來分析和理解結構體系。介紹和分析各種常見的水平結構體系、豎向結構體系和工程實例。介紹國內外著名的建筑結構剖析典型工程鋼結構施工技術鋼筋混凝土及砌體結構經濟學等建筑設備力學房屋建筑學

目的在于對各門課程作橫向聯系2/5/202370.1本課程的意義

使學生開闊視野

了解作為建筑功能和形式因素的結構體系的基本類型及組成

了解和掌握建筑方案中空間形式和結構性能的相互關系

理解和體會一些重要的結構概念

學會從工程中抽象出計算簡圖，用近似方法快速估算和比較各種設計方案，使得在房屋設計的最初階段就能保證建筑設計與結構設計的基本協調。了解世界建筑業的現狀以及我國建筑業的發展方向，以提高學生的專業素質。剖析典型工程，介紹國內外著名的建筑結構2/5/202380.1本課程的意義

一棟優秀的現代建筑必然是眾多專業密切配合、創造性合作的成果。建筑物材料經濟設備施工結構建筑其他

要加強各學科之間的相互滲透，使建筑、結構、設備、環境等達到完美統一。2/5/202390.1本課程的意義艾菲爾鐵塔

從力學方面:

鐵塔可看成是嵌固在地上的懸臂梁，對于高聳入云的鐵塔來說，風荷載是其主要荷載，由于鐵塔的總體外形與風荷引起的彎矩圖相似，因此充分利用了塔身材料的強度和剛度，受力非常合理。風荷下的彎矩圖M

以巴黎艾菲爾鐵塔（EiffelTower）為例，它是1889年為紀念法國大革命勝利一百周年及巴黎世博會而建的標志性建筑，高320m，為當時世界第一高度，用鋼達9000t。它不僅滿足了標志性建筑及展覽功能要求，并且由于其精美設計，一直保留至今。

2/5/2023100.1本課程的意義艾菲爾鐵塔

從建筑方面:

現在，艾菲爾鐵塔已成為巴黎和法國的象征。可見一棟優秀的建筑在社會、政治、經濟和文化中所起的重大作用。每年600多萬旅游者登塔觀光，旅游收入也十分可觀。2/5/2023110.1本課程的意義菲爾鐵塔

從結構方面：

底部斜框架輕易地跨越了大街，塔下暢通無阻，更顯鐵塔的雄偉壯觀。艾菲爾鐵塔可謂建筑、結構完美統一的代表。2/5/2023120.1本課程的意義

艾菲爾鐵塔

2/5/2023130.1本課程的意義艾菲爾鐵塔2/5/202314例：雙曲拋物面冷卻塔（CoolingTowerwithHyperbolic

ParaboloidShell）從工藝方面：

汽輪機的效率和進汽溫度與出汽溫度之差有關，溫差越大，效率越高，所以要用水來冷卻汽輪機。冷卻水被加熱后，用管道送到冷卻塔頂部噴灑下來，并通過滴水板盡量延長熱水下落的路程，同時冷空氣從冷卻塔下部進入塔內，與熱水進行熱交換，被加熱的冷空氣體積膨脹，容重減輕，緩緩上升。

人們在世界各地的火電廠附近常見到鋼筋混凝土雙曲拋物面冷卻塔（ReinforcedConcreteCoolingTowerwithhyperbolicparaboloidShell），其功能是要冷卻汽輪機中被加熱了的冷卻水。

雙曲拋物面冷卻塔塔身中部略細，加速了空氣上升速度，形成上拔力，加速空氣流動。到塔身上部，上升的空氣被繼續加熱，體積更加膨脹。此時，上部塔身略為放寬，減少了上升空氣的阻力，有利于空氣流動。可見，雙曲拋物面冷卻塔在冷卻工藝上是很合理的。熱水冷空氣滴水板2/5/202315例：雙曲拋物面冷卻塔(CoolingTowerwithHyperbolic

ParaboloidShell)從結構方面：

圓形平面與矩形平面相比風荷載可減少約30%;

塔身下部外形與風荷載作用下的彎矩圖相似，逐漸加大的直徑對塔身穩定性十分有利，使自上而下逐漸增大的結構自重均勻分布。從施工方面：

雙曲拋物面是一個旋轉曲面，可由一根傾斜母線繞縱軸旋轉而成，曲面上存在兩個母線方向。即曲面上任一點都存在兩根曲面上的直線，施工比較方便。軸線母線2/5/202316例：雙曲拋物面冷卻塔（

CoolingTowerwithhyperbolicparaboloidShell）

雙曲拋物面冷卻塔可謂建筑造型、結構形式和使用功能的完美結合，世界各地到處都可看到雙曲拋物面冷卻塔。可見，即使設計像冷卻塔這樣一種工程構筑物也要求設計者具有淵博的知識。

雙曲拋物面冷卻塔優美的結構形式，加上冉冉升起的水氣形成地平線上一道美麗的風景線，十分壯觀。采用雙曲拋物面殼這種薄壁空間結構，受力合理，自重輕，不但安全可靠，也經濟合理。進氣口2/5/202317例:聲音聚焦

SonicFocussing

球形或拋物面形的屋蓋結構(殼體或拱結構)，若曲面的焦點位置處理不當，會形成聲聚焦。在焦點附近，強大的噪音音會使人難以忍受，嚴重影響使用功能。

改變曲率或加設吊頂，可以減少或消除這種聲聚焦的現象。可見，在設計的方案階段，應注意基本的建筑功能、空間形式與結構體系的協調一致。(b)(a)(b)(a)

拱形天棚的聲音聚焦現象2/5/2023180.1本課程的意義更深入地理解和體會一些重要的結構概念本課程的意義

了解作為建筑功能和形式因素的結構體系的基本類型及組成

了解和掌握建筑方案中空間形式和結構性能的相互關系學會用近似方法快速估算和比較各種設計方案

學會從工程中抽象出計算簡圖

使得在房屋設計的方案階段就能保證建筑設計與結構設計的基本協調。2/5/202319概述（Introduction）

結構概念結構體系課程意義2/5/2023200.2

結構概念

自重結構(Structure)是建筑物的基本受力骨架

外部荷載作用

變形作用環境作用

結構自重，如梁、板、柱、墻及構造層荷重等

活荷載、風荷載、雪荷載、地震作用等

溫度變化引起的變形、地基沉降、結構材料的收縮和徐變變形等

陽光、雷雨、海水、大氣污染作用等結構失效將帶來生命和財產的巨大損失。因此在設計中對結構要有最基本的功能要求。2/5/2023210.2

結構概念可靠Safety

適用Serviceability耐久Durability

在偶然事故后

(afteranaccident)仍能保持結構的整體穩定性（GeneralStability）影響因素1.失效（破壞）后果是否嚴重2.失效（破壞）預兆是否明顯3.失效（破壞）概率的大小在結構局部遭到破壞后，仍能保持有足夠的承載能力，不產生傾覆或失穩，不產生過大的變形和裂縫，使損失控制在局部范圍內。結構的基本功能要求TheBasicPerformanceofStructure世界上沒有絕對的安全可靠！所謂安全就是失效概率小到人們可以接受的程度。2/5/2023220.2

結構概念武漢長江大橋

工程中通常采用多次超靜定結構。當某個桿件遭到破壞后結構會產生內力重分布，保證結構整體不倒塌。2/5/202323概述（Introduction）

結構概念結構體系課程意義2/5/202324結構體系：是由許多結構構件有效地組合起來的結構的整體，用以承受各種可能的外部作用。0.3結構體系和其他體系（系統）

僅僅為人類提供一個擋風避雨的場所不僅要為人們提供有效的空間和環境，還提供良好的設備和其它環境保障系統早期房屋現代建筑2/5/2023250.3結構體系和其他體系（系統）水(WaterandWastewater)一幢現代建筑中的其他設施系統主要有:

暖(Energy)電(ElectricalandInformationworks)

上水系統、排水系統、消防水系統等能源系統包括煤氣、燃油、蒸汽、熱水、采暖或空調系統等動力電和照明電系統、應急照明系統、電報、電傳、電話、電視、信息網絡系統、信息傳感系統、安全監控系統等

這些系統都有其各自的特殊要求，又必須統一安置在房屋內部。既要保證這些設施正常有效地運行，又要滿足房屋的使用功能，有時會發生一些矛盾，這就要求設計人員在建筑設計的最初階段協調好各個系統的基本要求。2/5/2023260.3結構體系和其他體系（系統）

例如，設備系統往往需要豎井，通風管道，這些豎井和通風管道難免與建筑使用功能或結構構件發生矛盾，這就需要在總體方案中給予充分考慮，一旦方案確定，各專業系統的設計已完成，再作修改就很困難了，有時會造成設計工作的大量返工，或嚴重影響使用功能。

圖示為鋸齒形紡織廠中風道與結構構件的結合，使車間內部整齊美觀。

左圖為在多層廠房中利用梁間空間作通風和排風道，使結構系統和通風系統有機地結合在一起。

風道梁風道天溝出風口送風道回風道梁2/5/202327以單層工業廠房中的屋架為例0.3結構體系和其他體系（系統）結構體系荷載結構構件構件設計內力構件設計配筋計算結構設計在結構體系中構件的受力狀態與構件設計時的計算簡圖不完全相同

設計屋架時我們只考慮用屋架來承受作用在屋架平面內的荷載，屋架在豎向能承受很大的豎向荷載，也有很大的抗彎剛度。但屋架在其出平面方向(垂直屋架平面方向)的剛度和承載力都非常小，甚至小到可以忽略不計。

但是，完成屋蓋支撐系統和蓋上屋面板以后，屋蓋就成為一個剛度很大的“剛性盤體”，可以承受各個方向的荷載，協調各柱的變形，屋蓋體系在水平方向還可以承受很大的水平彎矩和水平剪力。此時，屋架只是屋蓋體系的一部分，甚至只相當于整個屋蓋系統的“加勁肋”。由于結構體系的有效高度很大，按結構體系工作時附加給各個構件的內力一般都很小，在設計中常忽略不計，不會影響各構件的承載力。2/5/2023280.3結構體系和其他體系（系統）如何將各結構構件組合成有效的結構體系，對結構設計人員來說，是十分重要的。在高層建筑和抗震結構設計中顯得尤其重要。

結構設計中都要求解結構內力，可是在許多情況下，引起內力的荷載是含糊不清的。

例如，地基不均勻下沉引起的結構內力。由于地基和結構的交互作用，實際結構內力的大小，很難準確求得。

再如，抗震設計中，地震本身就是個隨機量，地震荷載是個慣性力，它與結構剛度有關，隨著地震的發展，結構剛度也在變化。盡管我們對地震已進行了許許多多的調查研究，但至今房屋的抗震主要還依靠“概念設計”，即提高結構的整體性，形成可靠的結構體系，以抵抗各種可能的不利作用。把房屋組成可靠的結構體系顯得尤為重要2/5/2023290.3結構體系和其他體系（系統）

以常見的混合結構房屋為例，設置圈梁和構造柱對形成結構體系十分有利。當地基產生不均勻沉降時，房屋就會有較大的整體變形，如圖所示。

我們可把整個房屋看作一受彎的“梁”，當房屋中部下沉時，設在基礎頂面的圈梁就像“梁”的配筋一樣承受拉力。盡管圈梁的配筋很少(一般只配4φ10或4φ12)，然而這根“梁”的有效高度相當于房屋總高，內力臂很大，很少的幾根鋼筋就可以承受很大的彎矩，阻止砌體開裂，并減少不均勻沉降。

當房屋兩端下沉時，設在房屋頂部的圈梁，作用完全相同