建筑结构基本知识范文.docx

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建筑结构基本知识范文

作用于物体的力与力的作用

单力的基本参数：

作用位置、作用方向、力的大小、作用时间（考虑时间因素时，才可考虑力对物体的作用:

改变物体在某时刻的状态）。

平行的若干单力Fn（方向一样），作用于一几何尺寸较大的物体时，如果单力作用线的横截面S1较物体垂直于力方向的有效截面S2很小时，可简化为作用于物体的单力F（数值为各单力之和，作用点为单力作用线横截面的形心，方向不变）；反之对于一个单力，也可分按上述条件的分解为一组有效截面很小的平行力。

力坐标系：

力坐标系一般分为平面正交坐标系（x、y）与三维正交坐标系（x、y、z）。

平面坐标系：

以某单力的作用点为原点，按一定方向（力向）、比例（N/米）做一直线，则该方向的单力的大小为F2=FX2+FY2；如果坐标系绕坐标中心（0,0）旋转，在新坐标系上的分力仍满足F2=FX2+FY2，方向为原方向；多个单力在坐标系上的组合也一样。

非汇交力系：

（F1、F2的方向线的交点，不在的F1、F2作用点时或F1、F2的方向线不相交时）；此时可以F1的作用点位原点O1,，将F2平移到F1的作用点得到组合力F，还附加一个力矩M=F2xD2的作用，D2等于F2到O1的平移距离，M方向指向合力F的方向。

汇交力系：

指多个单力作用于同一点O的力系；当多个同平面单力作用于一几何尺寸很小的物体不同点，且力的作用线汇交于一点O1时，可简化为汇交力系作用：

可将各力的作用点看做O1点。

多个力的组合作用Fr=F1+F2+F3+…….Fn=∑Fn；其计算方法有：

1、向量几何作图法：

以某一单力1为主力的作用点为起点O（按一定的比例N/米，用长度L1表示力的大小），将另一个作用的单力2按相同方法折换为通过O点的直线L2，将此直线平移到L1的端点；连接O点与L2-1的端点，此直线长度为单力1、2的合力，方向指向L2-1的端点；其他力的作用按相同方法叠加。

2、直角坐标解析法（二维x，y；三维x，y，z）：

各力的作用分解为直角坐标上的某一数值，最终组合后新的点位A（X=x1+x2，Y=Y1+Y2；）与原点O的连线表示新力的方向,长度为力的大小（F2=X2+Y2）；两种方法组合的新力的方向、大小一致。

外力对物体A（具有一定的形态、体积、质量、密度、温度等基本参数）的作用有以下几种常见方式：

1、受拉作用（受一指向物体外侧的外力作用，使物体内部微粒向外力的方向运动）；2、受压作用（受一指向物体内部的外力作用，使物体内部微粒向外力的方向运动）；3、扭转作用（物体受到外力作用时，在力作用方向的横截面内的物体微粒发生转动）4、剪切作用（物体受到外力作用时，在力方向的横截面外的物体微粒发生相对位移）。

5、弯曲（物体受到外力作用时，在力作用垂直方向的横截面内的物体微粒发生位移）。

物体受外力作用时，上述五种作用均会出现，实际分析时可按作用的大小进行取舍、简化：

仅考虑主要作用。

受外力作用物体发生的几何形态变化可称作应变，内部产生的约束力称为应力。

其他非外力作用也可能使物体产生应变、应力，如速度变化、温度变化。

对于物体A；温度变化会使物体的几何形态（固、液、气及形状、尺寸）及内部微粒分布与运动状态发生变化：

对于一般物质，升温时体积会变大、降温体积会变小；此时物体内部会产生抑制此种变化的约束力。

力的组合作用与组合变形：

指物体受到两种以上的力的（拉、压、弯、剪、扭）作用时，按不同的作用进行分解，计算其不同几何方位的应变与应力。

（有多个作用时，如其中某作用的效应远小于其他效应时，可忽略其作用）。

力与物体的运动、静止关系：

物体的运动方式可分为：

1、受外力自由运动（静止物体直接受单个外力作用时产生直线运动（趋势）：

平动；方向与力的方向一致；当物体具有初始速度，并受到与速度方向不一致的方向外力作用时，产生曲线运动：

转动；持续受力物体的速度会越来越快：

一直加速，直到外力作用结束，速度达到Vmax）。

2、被动约束运动（物体A受外力作用被约束在物体B上，当物体B受外力作用产生运动时，会传递部分外力作用到物体A,使物体A产生运动：

当两个物体某时刻运动的方向、速度一致时，物体A相对物体B静止，可将两个物体简并为一组合受力对象C进行分析；当由B物体传递到物体A的外力作用，使两物体在某时刻运动的方向或速度不一致时，物体A会相对物体B运动；最终状态如下：

1、物体A与物体B分离,物体A按分离时的方向、速度运动，此时两物体间相互约束的力（作用）消失；2、物体A移动到物体B上的新的位置，并对于B静止。

相对（某参照物）静止：

某时间T1内，物体的位移D远小于物体原位距离参照物的距离L时，物体可看做静止；或者某时间T2内，参照物与物体的位置关系不发生改变时，此时物体也可看做静止。

单一物体C运动状态的描述：

例如当某人（参照物）从O点观察某物从A点运动到B点时（一定的时间T、位移D、路径S、路径总长L）：

以O点为原点分别连接直线到OA、OB，分别测量其直线距离与方向，构成一三角形，此时物体相对原位的实际位移D即AB间的连线，方向由A点指向B点）；考虑时间因素物体的相对速度V1=D/T,绝对速度V2=L/T。

物体受外力的作用，在一定时间T1内，运动到其他位置D1（力做功W1），再从D1回到原位时（时间T2，力做功W2），可看做是周期性运动;此过程的时间为一运动周期T=T1+T2：

物体最终位移为零，路径长度按实际运动路径长度之和,使物体移动的力做功W=W1+W2。

按运动路径可分为周期直线、折线运动与周期曲线运动;周期曲线运动的路径一般为一封闭、平滑曲线。

椭圆形运动：

物体具有一初始速度，受到与初始速度成一定角度的恒定力作用时，产生椭圆形运动。

圆周运动：

具有初始速度的物体一直受到垂直于速度方向的力时，产生圆周运动。

建筑结构体系的概念、分析

建筑结构体系：

由多个建筑结构构件相互作用构成的物质体系，可分为整体运动体系与整体稳定体系，一般建筑结构体系为整体稳定体系；整体稳定体系按构成体系的构件的相互关系，可分为基本稳定体系（各构件共同作用且相互间作用相差不大，去掉某部分构件后，体系整体失稳）与附加稳定体系（基本稳定体系各构件间，存在某种作用远大于或远小于其他构件间作用，如去掉产生此类作用的构件后，原结构体系仍然稳定：

去掉的构件可看做附加构件，分析时可不考虑其作用）。

基本稳定体系按体系内部某构件受外力作用时，是否相对其他构件产生较大位移、大变形或此构件破坏后体系失稳，可分为可变体系（大位移、大变形或破坏失稳）与不可变体系。

对不可变体系进行静态分析时（不考虑构件自身内部的应力、应变）可按体系构件几何特征分为空间几何不变体系（四棱锥）和平面几何不变体系（构成体系的构件之间的相互作用线在同一平面（作用面A），受平面内外力作用时A不变形）。

平面几何不变体系的构件受到外力作用后体系可能破坏：

如果受力时N个构件破坏，体系仍维持稳定时,原体系称为为N次平面静定体系。

刚体N次平面静定体系分析方法：

1、构成体系的构件均为刚体（受外力作用变形很小或基本不变形）；2、去除部分附加构件；3；最基本的平面几何不变体系：

单个刚性体不与其他构件连接、三铰互联的三个共面刚体。

等截面匀质杆件的受力、应力、应变的静态分析

某材料构成建筑构件的受力变形特性：

刚性（刚性模量A），构件受持续外力作用时不破坏、在受力方向相对原形态变形很小；弹性（弹性模量E），构件受持续外力作用时不破坏、在受力方向的变形相对原形态成正比关系；塑性（塑性模量B），构件受持续外力作用时不破坏、在受力方向的变形相对原形态成越来越大；脆性（脆性模量C），构件受持续外力作用时，很快破坏。

1、弹性匀质杆件的轴向受拉与受压平衡状态：

a、同时受两个方向相反的外力作用平衡：

此时物体受力方向的横截面上产生的应力σ=F/A（F物体受到的拉力或压力，单位：

牛顿N；A横截面面积，单位㎡）；应变L=Fl/EA（l杆件长度,单位米；E杆件的横截面弹性模量，单位N/㎡；EA为杆件的横截面抗拉、抗压刚度，单位N。

b、一端固定于一刚体A，另一端受拉或受压：

此时如果拉力、压力F不会引起刚体A产生变形，则相当于在刚体一侧施加一反向平衡力F1（F=F1）;杆件的应力、应变跟同时受一对相反力一样；

对于某种材料构成的建筑构件，存在一仅与其材料构成（构成构件的物质成分、各种组分之间的相互作用力F1）有关的最大应力σ1，当外力作用产生的理论应力σ2=F2/A＞σ1时，构件可能断裂破坏或产生大的变形：

失稳。

当构件受拉、压作用时产生横截面外变形时，需考虑构件的长细比λ=L/I（L构件长度，I截面回转半径）。

2、匀质杆件受剪切作用与受剪平衡状态：

分为直接受两个等值反向剪切力F状态与一端固定于刚体A、一侧受一个剪切力F2作用两种状态；如果F1=F2,两种状态下物体的剪切应力τ、应变φ相同。

对于作用于杆件不同部位的剪切力作用：

此时需考虑杆件的弯曲变形。

3、匀质物体受扭转作用、平衡状态：

分为直接受两个平行反向等值扭矩M1作用与一端固定于刚体A、一端受一个扭矩M2作用两种状态；如果M1=M2，两种状态下物体的扭转应力ξ、应变φ相同。

受扭转物体的附加剪切效应：

一般从物体的中性轴向外越来越大。

.

4、匀质物体受弯曲作用、平衡状态：

分为直接受两个共面反向力矩M1作用与一端固定于刚体A、另一端受一力矩M2作用两种状态；如果M1=M2，两种状态下物体的弯曲应力、应变相同。

一般情况下，受弯曲作用的杆件在中性轴处可认为纵向长度不变，一侧（弯矩指向侧）受压变短、另一侧（弯矩作用侧）受拉变长。

σ=My/I（σ应力，y计算点到中性轴的距离、M受到的弯矩作用、I截面惯性矩）；ε=My/EI（ε应变，y计算点到中性轴的距离、M受到的弯矩作用、I截面惯性矩；EI物体的横截面刚度：

垂直于中性轴的截面刚度）。

5、匀质杆件的截面几何特性：

进行匀质杆件的受弯曲、受剪切、受扭转的应力、应变计算时，需考虑其横截面几何特性；主要有：

面积矩A（与几何形状和计算轴心位置有关，当计算轴心在其几何形心时A=0）；惯性矩B（对于同一截面，截面非中心对称时，不同的受力方向其惯性矩不一样）;形心主轴（某截面几何形心的截面法线）和主惯性矩（杆件截面存在一使其惯性积为零的预设坐标系，截面相对此坐标系的惯性矩为主惯性矩）。

结构构件的材料与构件体系的分析

结构构件的材料：

主要有钢、混凝土、钢筋混凝土、铝、铝合金、硅酸盐制品（含各种砌块、玻璃）、塑料制品、木材、天然石材、各种受约束的气体、液体等，以及多种材料的复合。

按其几何特征（不考虑构件自身重力影响）可分为水平构件：

主要承受竖向荷载，如水平板、水平梁（含格构式组合梁）；竖向构件（主要承受水平荷载，如竖向柱、墙体、竖向构架）、斜向构件（承受水平、竖向或斜向荷载，斜板、斜梁）；基本组合构件体系有：

水平构件组合，如楼板；竖向构件组合，如墙体；斜向构件组合，如斜楼板、屋面，竖向不规则墙体。

建筑结构空间体系可由基本构件、基本组合构件或两者共同组合构成。

结构设计通常采用的结构形式主要有：

墙体砌筑结构（主要材料有各种砌体与粘结砂浆，面状构件组合）、框架结构（线性构件组合而成，材料主要有金属框架、木框架、塑料框架、钢筋混凝土框架）、框架剪力墙结构（线性及面状结构构件组合）、筒体结构（组合线状结构体及框架、墙体构件组成）、拱形结构（单曲线构件组成）、网架结构（各种立体格构构件组成）、空间薄板结构（分直板组合与曲板组合）、悬索结构（高抗拉构件组合支撑其他结构构件）、薄膜结构（预加拉力、点固定的薄曲面）、充气冲液结构（弹性外壳，内充高压液体或气体）。

按施工顺序可分为基础与上部主体结构；按上部主体的楼层、高度可分为：

单层结构、多层结构、高层结构（10层以上或高度超过28米时）；当某体系中连接两竖向构件的水平构件的跨度较大时可看做大跨度结构（跨度在40米以上时）。

按构件受力特征可分为平面结构体系（受某方向的力的构件在同一平面：

水平、竖向、斜向；）与空间结构体系（受多向力作用或受力构件组成空间立体）。

结构设计基本知识

结构设计可靠性要求：

按正常要求设计的结构体系，在限定的时间周期内（即设计使用年限），在限定的条件下（按要求正常施工、按要求正常使用、按要求正常维护），按一定的概率能满足预定的各种功能需求。

结构体系的功能需求主要有体系安全性：

在施工、使用、维护期内，结构整体构造能抵御各种破坏性较大的不良作用（不超出正常设计要求，例如地震、爆炸、大风等自然作用），不产生体系内主要受力构件结构性断裂破坏或体系整体失稳；功能适用性：

在限定的时间周期内，能满足预设的各种正常活动的要求，能承担部分类似的其他活动需求，以及按要求附加在结构构件上的附属物出现影响建筑使用的断裂、破坏、失稳等不良后果；构件、材料耐久性：

在限定的时间周期内，受到一些非安全性不良作用后，仍能满足一般性使用功能需求。

一般来讲，结构的设计使用年限指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按其预定目的的使用时期。

现行设计规范分为4类：

1类，设计使用年限5年，如临时性结构；2类，设计使用年限25年，如易于替换的结构构件；3类，设计使用年限50年，普通房屋和构筑物；4类，设计使用年限100年，纪念性建筑和特别重要的建筑结构。

通常的建筑结构的使用年限是50年。

为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数为设计基准期（不同于结构设计使用年限），按《建筑结构可靠度设计统一标准》规定设计基准期为50年。

结构构件的功能：

受力（外力或内力）与变形（具有方向性）。

结构的功能是否可靠与失效，取决于构件承受超越其受力极限或变形极限的作用（具体研究时常取某一时间点时的构件状态，实际上部分结构构件具有延性：

在达到其承载极限状态后，如受反向作用或去掉原作用，构件能恢复或部分恢复原始（非承载极限）状态。

结构设计时，构件的极限状态如下：

1、承载能力极限状态；即当结构体系或结构构件达到了最大承载力状态（超载）或产生了不能继续承载的过大几何变形时;对于结构体系或结构构件而言，不同的材料构成（脆性、延性、弹性、刚性）会影响构件、体系的安全性；不同的构件、体系在超载或过大几何变形状态时，有一定的几率发生完整破坏：

构件断裂、构件间连接失效、结构体系局部或整体失稳。

例如：

结构体失稳，如烟道在风载作用下倒塌；构件及其连接超越材料强度破坏（瞬时或一段时间后），如受压柱中的混凝土达到抗压极限破坏，或构件发生不可恢复的长期塑性变形；结构失稳、体系静平衡变为可动体系，如简支梁去掉另一端的铰支座；地基丧失承载能力,如天然地基发生过大的变形，人工地基构件破坏。

在进行结构分析、计算时，一般按构件的材料组成、构件间的连接方式、结构体系的几何组成等因素，按一定的极限荷载、极限变形进行对比，判断结构的安全性。

2、正常使用极限状态，即结构体系上附加的各种使用活动在结构受力、变形时，不产生过大的不良影响；使用活动按时序可分为偶然活动、短暂临时活动与长期持续活动；判定某种活动是否适宜及受影响程度，与活动主体及评价方式、体系有关。

例如：

梁的挠度变形过大影响附加在上面的面砖脱落；梁表面裂缝引起附加的面砖开裂；梁上的吊灯在梁受振动时摇摆；基础受承载的主体建筑发生不均匀沉降，带来主体建筑构件断裂、整体偏斜甚至失稳。

结构极限状态的设计表达：

1、结构构件的重要性系数γo；结构设计时，根据结构破坏产生的后果严重程度（人员安全、经济损失、社会影响等），建筑结构的安全等级分为三级：

一级，后果很严重，适用于重要建、构筑物；二级，后果严重，适用于一般建、构筑物；三级，后果不严重、一般，适用于要的建、构筑物。

对于不同安全等级的建筑结构和使用年限的建筑物，构构件的重要性系数γo设计取值如下：

安全等级一级或设计使用年限100年及以上的结构构件、体系，γo取值≮1.1；

安全等级二级或设计使用年限50年的结构构件、体系，γo取值≮1.0；

安全等级三级或设计使用年限5年及以下的结构构件、体系，γo取值≮0.9；

结构抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数γo；结构体系中的部分构件、次级体系，可按其对结构整体体系的影响程度，对其安全等级进行调整（升级或降级）；一般来说各类构件、次级体系的安全等级与整个体系的安全等级相同。

2、结构承载极限状态的数学表达：

γoS≤R（S结构作用效应组合的设计值，R结构构件抗力的设计值，包括受力和变形，结构安全时一般R-S≥0，或R≥S）。

结构荷载一般分为永久荷载G、可变荷载Q（含偶然荷载）,S=γGG+γQQ;

γG永久荷载的分项系数，一般取值如下：

当荷载效应对结构有利时，γG=1.0；当荷载效应对结构不利时，由可变效应控制的组合：

γG=1.2，由永久荷载效应控制的组合：

γG=1.35；γQ可变荷载的分项系数；一般取1.4，对荷载较大的可变荷载，γQ=1.3。

作用和作用效应

结构构件产生各种被动效应的原因，统称为结构上的作用；分析上，结构上的作用分为直接作用与间接作用。

直接作用指外部直接作用在结构构件上的集中力或分布力，如结构自重、设备自重（重力）、楼面活荷载（重力、振动、运动摩擦）、地震作用、风力、水力等；间接作用指的是引起结构构件本体产生变形或约束变形的非直接作用，如结构温度变化、（材料）混凝土的收缩或徐变、地基的变形（与主体建筑一起考虑时）、（材料）焊接变形等；这类作用不是以直接外加在结构上的形式出现的，但同样引起结构产生效应。

作用在结构构件上的直接或间接作用，会引起结构构件产生内力（如轴力、剪力、扭矩等）和变形（如挠度、转角、侧移、裂缝等）及局部运动；这些内外力、变形、局部运动总称为荷载效应S，结构构件承受内外力、变形、局部运动的能力，统称为结构的抗力R。

结构构件设计时承受的直接作用的分类（在设计基准期内，如50年内；荷载（作用）不仅在数值上是变化的、作用在结构上的时间也是变化的、作用在结构构件的位置也是变化的）；因此，在《荷载规范》中，按下述原则进行分类：

1、按时间分布分类：

a、永久荷载（恒载），具有以下特性:

在设计基准期内，其数值（基准值）、作用位置、作用时间不变的荷载，如结构自重；或一些变化值相对基准值可以忽略不计的荷载，如土压力的变化相对其重力很小时，只考虑土压力（重力）；或其效应变化是单向的作用，最终效应趋于失效时，如结构构件施加的预应力，在使用过程中逐渐失效，设计时不考虑此作用。

b、可变荷载（活荷载），具有以下特性：

在设计基准期内，其数值、位置、作用时间有变化，且其变化相对其基准值不能忽略不计的荷载；如楼面活荷载（可移动家具、人员）、屋面积雪荷载（下雪的时间占设计基准期比例小）、风荷载（吹风的方向、时间、大小有变化）、吊车荷载等（负载时和空载时）。

c、偶然荷载，具有以下特性：

在设计基准期内，以一定的几率出现，出现时持续的时间较短，但其量值很大的荷载；如地震作用、爆炸力、撞击力等，设计时需考虑其出现几率。

2、按空间位置的变化分类

a、固定荷载：

在结构构件上具有固定空间位置分布的荷载，如结构自重、楼面上的固定设备荷载等；

b、自由荷载：

在结构构件上的一定范围内可以改变位置的荷载，如民用建筑楼面上的活荷载、工业建筑中的可动吊车荷载等；

3、按结构的动力（运动）反应分类：

（不考虑结构构件内部微粒运动时，涉及对运动、位移的主观评价）

a、静态荷载，使结构构件不产生位移或产生的位移很小可以忽略不计，如结构的自重、楼面的活荷载等；

b、动态荷载，使结构构件产生不可忽略的位移；如吊车荷载、地震作用、作用在高层建筑上的风荷载等。

注：

上述三种基本分类会产生4种组合分类：

1+2,2+3,1+3，及1+2+3。

活荷载的设计取值：

1、活荷载标准值：

荷载在设计基准期内，正常状态下经计算、验证可能出现的最大荷载值，如住宅楼面的均布活荷载为2.0KN/㎡；活荷载标准值组合系数取1；

2、活荷载组合值，当结构上作用两种或两种以上的活荷载时，考虑到同时以最大值作用于结构的可能性有一定的几率；在设计取值时，以荷载的组合值作为其代表值（各自按活荷载标准值乘以一定的组合值系数Ψc，小于1）；

3、活荷载频遇值：

对活荷载，在设计基准期内，其出现的几率超越规定的较小几率或出现几率的频率为规定频率时，活荷载频遇值取活荷载标准值乘以荷载频遇值系数Ψf，小于1）；

4、活荷载准永久值：

对活荷载，在设计基准期50年内，其超越时间超过25年的荷载值，超越几率为25/50=50%；其取值为活荷载标准值乘以荷载频遇值系数Ψq，小于1）；

设计荷载的组合就是恒载加上上述活荷载；组合时按其关系取不同的荷载分项系数进行组合。

不确定性越高，上述取值越小；且1＞2＞3＞4。

材料强度指标的取值：

1、强度标准值A：

材料强度标准值为结构设计时采用的材料性能的基本代表值（资料、规范数据、实验数据），应具有95%以上的同等条件的保证率。

2、材料分项系数B：

材料强度分项系数是在各种极限状态设计计算时，按结构构件可靠度指标<β>在计算中所采用的系数值。

同时按要求考虑材料特性、构件几何参数、受外力作用状态等因素。

3、材料强度设计值：

指材料强度标准值除以材料分项系数后的取值,C=A/B;例如对混凝土B=1.4;对HRB335、HRB400、RRB400级钢筋取B=1.10；（材料可靠度高，B值取值偏小；均≥1.0）。

民用建筑的均布活荷载：

不同功能的房间、不同的功能活动有大小不一样的活荷载标准值；同一功能区域，按使用活动的强度、安全性因素等，可以对一般荷载标准值进行调整；多种活动、有可变设施、设备的功能房间，实际设计计算时，按标准分别计算其组合值、频遇值、准永久值，并进行适当简化、组合。

按外加荷载的作用方向，一般有如下分类：

竖向荷载，主要包括作用于地面、楼面、屋顶重力荷载（斜屋顶按一定的规定分解、换算）、地震竖向作用；水平荷载，主要有风荷载、地震水平作用、直接作用与结构构件的外加水平力；斜向荷载，一般按三维空间坐标（某轴对应某主要作用方向）进行分解。

雪荷载：

与当地的积雪大小及气候条件有关（部分地区可不考虑其作用），其基准值（基本雪压）是按当地一般空旷平坦地面上50年一遇的最大雪量的统计数据取得，按荷载规范的规定采用；屋面雪荷载标准值Sk=UrS0；S0基本雪压KN/㎡，Ur屋面积雪分布系数（模拟积雪在屋面的分布情况，不同的屋面坡度、组合方式有不同的分布系数）。

风荷载（风压）：

与空气流动的方向、速度及空气密度有关（低速气流主要考虑放向，高速气流需考虑密度），作用于一般表面的风力作用对作用面产生压力；一般而言，风压随距地面高度增加增大（风速增大），随地面粗糙度增加减小（风速减小）。

当风压作用于（多栋）建筑时，需考虑建筑对风的反作用；对于高宽比较大的房屋（竖向高耸建筑），设计时需考虑风的动力效应（使建筑产生位移、变形）；建筑物的几何体形与尺寸不同，作用于建筑的实际风压值不同。