各类建筑结构概述汇总 第一讲：建筑结构概述 一、建筑专业学生学习本课程的必要性 1、建筑师素质要求 人类从：天然洞穴→窑洞→草房→木房→石房→砖木→混合结构→钢筋砼→钢结构→对建筑师的要求越来越高。 随着材料科学、计算机科学的不断发展，建筑物的高度、跨度越来越大，工程越来越复杂。建筑师的工作与其它学科的联系起来越密切，素质要求也越来越高。 2、建筑师工作的重要性 建筑设计决定了项目的外部造型、内部空间，决定了功能是否合理、是否经济。 3、国家注册建筑师考试必要课目 一级注册建筑师考试（4小时）《建筑结构》 二级注册建筑师考试（3.5小时）《建筑结构与设备》 二、参考教材 《基本概念体系、建筑结构基础》郑琪 《建筑力学与结构》天津大学 王立雄 《建筑结构》一级注册建筑师考试用书 三、建筑结构的基本概念 1、什么是建筑结构？ 形成一定的内部空间和外部造型，能承受自身及外界施加于建筑物上的各种作用力，并使建筑物得以安全使用的骨架。 2、建筑结构的组成 建筑结构由若干构件组成：梁、柱、板、墙等等。 一般可分为三类： 水平构件：承受竖向荷载的构件，梁板、桁架、网架等； 竖向构件：承受水平构件或水平荷载的构件，柱、墙； 基础：上部建筑物与地基相联系，并把力传至地基中。 3、建筑结构的作用 ①形成外部造型 ②形成内部空间 ③保证建筑物在各种荷载使用下能正常使用不被破坏 4、建筑结构的分类 ①按组成建筑结构的主要构件用材划分： 木结构、砖石结构、钢筋混凝土结构、钢结构等 ②按组成建筑结构的主要结构形式划分 墙体、框架、框一剪、筒体、桁架、网架、空间薄壁、钢索、薄膜结构等等 ③按组成结构的体型划分 单层、多层、高层、大跨度 ④按结构受力特点划分 平面结构体系、空间结构体系 5、建筑结构的基本功能 结构在规定的时间内（即设计使用年限），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用、正常维修）必须完成预定的功能，这些功能包括： ①安全性：在正常施工和正常使用时，建筑结构能够承受可能出现的各种作用（荷载、温度、地基不均匀沉降等），并且能在设计规定的偶然事件（地震、海啸、爆炸等）发生时和发生后保持必需的结构整体稳定性。 ②适用性：在正常使用过程中，建筑结构应保持良好的工作性能：如足够的刚度。 ③耐久性：在正常维修条件下，在规定的使用年限内应能满足安全、适用性能的要求（如裂缝、沉降、锈蚀等） 安全性、适用性、耐久性总称为结构的可靠性； 结构可靠性的概率度量称为结构的可靠度。 可靠度：在规定的时间内和规定的条件下，结构完成预定功能的概率。 四、建筑结构设计准则 1、结构设计使用年限与安全等级 根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068--2001)规定的各项基本原则，应按下表采用。 设计使用年限分类 表1-1 类别 设计使用年限（年） 示例 1 5 临时性结构 2 25 易于替换的结构构件 3 50 普通房屋和构筑物 4 100 纪念性建筑、 特别重要的建筑 建筑结构的安全等级 表1-2 安全等级 破环后果 建筑物类型 一级 很严重 重要的房屋 二级 严重 一般的房屋 三级 不严重 次要的房屋 2、结构设计的二个基本要求 （1）功能要求 安全性：在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。 适用性：在正常使用时具有良好的工作性能。 耐久性：在正常的维护下具有足够的耐久性能。 稳定性：在设计规定的偶然时件发生时和发生后，仍能保持必需的整体稳定性。 （2）经济要求 设计时应满足造价少、维修少、管理费用少等经济要求。 3、两个极限状态设计准则 结构是否可靠或失效，其分界点就是极限状态，超出这一极限，则结构就无法完成某一功能。 （1）承载能力极限状态 a.整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（倾覆）。 b.结构构件或连接件因超过材料强度而破坏。 c.结构变为机动体。 d.结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定。 e.地基丧失承载能力而破坏（失稳）。 （2）正常使用极限状态 a.影响正常使用或出现明显的难以接受的变形。 b.影响正常使用或耐久性能的局部破坏（包括裂缝）。 c.影响正常使用的振动（如楼顶的振幅过大而影响使用）。 d. 影响正常使用的其它特定状态，如基础不均匀沉降过大。 (3)、结构极限状态的设计表达式 ①承载力极限状态设计表达式 （V：重要性系数；S：荷载组合设计值；R：抗力设计值） ②正常使用极限状态表达式 （C结构或构件达到正常使用要求的规定限值） 第二讲 静力学基础 一、力和力系的概念 1、力的概念 力是物体之间的相互作用。任何物体都受到力的作用，在力的作用下，物体可能会产生两种效应：一是使物体的运动状态发生变化（外效应），二是使物体产生变形（内效应）。 要完整地描述一个力，必须讲明力的三要素:力的大小、方向、作用点。力是矢量，表示为。 2、使用力与反作用力 力总是成对出现的，作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。（作用在不同物体上） 3、力系的概念 在现实环境中的物体，往往受到的力不止一个。将物体受到的多个力总称为力系。 4、力的合成与分解（研究作用效果角度） 由于力是矢量，力的合成与分解应符合矢量的运算法则。 A、力的合成 B、力的分解 如下图，：可分解为 如上图所示，同样的可以分解为： 力F向X轴和Y轴的投影，是力的分解中最常用的。 5、二力平衡条件：大小相等、方向相反、作用在同一直线上，同一物体上。（与作用力与反作用力的区别） 6、支座反力 物体放在支座上，物体会对支座产生作用力。同时，支座也给物体一个反作用力。在实际的建筑中，结构的支座形式是多种多样的，下面介绍三种常见的支座形式及其支座反力。 活动铰支座（滚轴支座） 与活动铰支座相连的构件不但可以在水平方向移动还可以绕铰转动。所以，在荷载作用下，活动铰支座只能提供垂直方向的支座反力。图(a)所示 固定铰支座 与固定铰支座连接的构件不能在水平方向移动，也不可以在垂直方向移动，只能绕铰转动。所以，在荷载作用下，固定铰支座可以提供垂直方向和水平方向的支座反力。图（b）所示 (3)固定端支座 与固定端支座连接的构件既不能在水平方向和垂直方向移动，也不能转动。所以，在荷载作用下，固定端支座可以提供垂直方向和水平方向的支座反力，以及构件抵抗转动的力矩M。图（c）所示 7、画受力图 工程结构中，构件都是非自由体，与周边构件相互联系在一起构成整体。要对某一构件进行受力分析，往往需要解除限制该物体的全部约束，单独画出隔离体，然后进行受力分析，并画出受力图，进行解题。 二、力矩 1、力矩的概念 用扳手转动螺帽，与两个因素 有关，力F的大小，力的作用线与 支点O的垂直距离。把力与力臂的乘积称为力矩，记作： 习惯上使物体产生逆时针转动（或转动趋势）为正，反之为负。 2、合力矩 结论：平面内合力对某一点之矩等于其分力对同一点之矩的代数和。 3、力矩的平衡 作用在同一平面内的各力，对支点或转轴之矩的代数和应为零。 （生活中例子：杆枰原理） 三、力偶 1、概念 作用在同一物体上两个大小相等、方向相反、且不共线的平行力叫做力偶。 （例如：双手拧笔套，双手握方向盘等等） 力偶对物体产生转动效应。 2、力偶与力矩的异同 相同点： 对物体都产生转动效应。 量纲相同：[力的单位]×[长度的单位] 区别： 力矩为一个对某一点的矩，只要某一点改变了，力臂就不同，力矩大小就不同。 力偶为一对平行力产生的，在作用平面内对物体的转动效应不会改变。 总力偶： 四、力的平移与作用效应 先体会一下生活中的例子：用手推门，用扳手拧螺帽等等。 如下图所示，力的作用点从A移至B，其对物体的作用效应是不同的。 力平移后等于加上一个力偶，则作用效应保持不变。 五、平面力系的平衡方程 六、解题步骤 1、画脱离体图、并在图中标上所有的力。 2、按第五条列出平衡方程 3解方程 第三讲 静力平衡解题实例 一、求支座反力 1、如图所示（简支梁）（例子） 2、如图所示（悬壁梁） 所求为负，表明与所假设方向相反 3、均布荷载 平面结构求解 第四讲 平面结构的几何组成 一、基本概念 1、刚片：几何形状不变的平面体。 2、链杆：两端铰接于其它刚片上的杆件。 3、单铰、复铰：单铰指连接两个刚片的铰。复铰指连接两个以上刚片的铰。 4、自由度：确定体系位置所需要的独立坐标(参数)的数目。 一点在平面内有x、y方向两个自由度。 一个物体：在平面内有x、y、Q三个自由度。 5、约束：减少体系自由度的装置称为约束。 6、几何可变体：在不考虑材料应变的条件下,结构整体体系位置或形状可以改变。 7、几何不变体：结构整体体系位置或形状不能改变。 8、静定结构:几何不变体的自由度与约束数相等，则称之为静定结构。 9、多余约束：几何不变体增加一个约束，体系的自由度并不因此而减少，则称此约束力为多余约束。 10、超静定结构：存在多余约束的几何不变体。 二、几何构造分析 我们需要的建筑结构必须是几何不变体,如何分析结构是否为几何不变还是几何可变体？ 1、介绍三种连接方式 杆接、铰接、刚接。（参照三种支座形式） 2、几何不变的三个基本规律 ①二元体规则：一个点与一个刚体的连接（三个铰不在一条直线上） ②两刚片之间用一个铰和一根链杆相连，且三个铰不在一条直线上。两刚片用三根 不交于同一点的链杆相连。 ③三个刚片之间相互铰接。 3、瞬变体系与常变体系 瞬变体系： 常变体系： 4、利用几何不变基本单元来分析结构是否为几何不变体系 （1）两种常用的方法： A、扩大刚片法 ①从基础出发进行装配 ②从刚体内部出发进行组合装配 B、减少刚片法 例图a： 例图b： （2）综合分析 图c： 图d： 再看几个图：  第五讲 构件的内力与内力图 一、基本概念 1、变形体与刚体 变形体：材料（构件）在外力作用下都会产生变形——变形体。 刚体：工程中为了研究方便，常常对一些在一定荷载作用下变形很小的变形体理想化成不产生变形的物体。将这种在外力作用下不产生任何变形的物体称为刚体。它是一种理想模型，工程中并不存在。 2、两个基本假设 为了研究方便，在材料力学中对变形体作了两个重要的基本假设。 均匀连续假设： 变形体在其整个体积内毫无空隙地均匀地充满了物体。 ②各向同性假设： 假设材料在各个方向具有相同的力学性能，如钢材、塑料、玻璃、混凝土等。 木材、竹子等具存明显的各向异性性质 3、内力 杆件在外力作用下（温度沉降使用）产生变形，从而在杆件内部各部分之间就产生相互作用力，这种由外力引起的内部的相互作用力称之为内力。 截面中一般情况下有三种内力：拉（压）应力、剪应力、弯矩。 ， 4、变形与应变 变形：杆件在外力作用下，几何形状和尺寸要发生改变，这种改变量就叫变形。 变形大小用位移和应变这两个量来描述。 位移：是指位置改变量的大小，分为线位移与角位移，是个绝对量，如杆件受外力作用后，伸长了，就是位移。 应变：是单位长度或角度中产生的位移，指变形程度的大小，是个相对数。 如：杆件总长为，位移为，则： 线应变，[实际上就是单位长度中的位移量] 5、常见变形的基本形式 拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转五种 6、截面法（内力求法） 二、轴向拉伸和压缩 非常普通的受力形式，杆、钢索、屋架、构件、桁架、网架等杆件。 1、轴力、与轴力图 轴力 应力 2、应力与应变 （虎克定律） 三、剪切与扭转 1、剪切 杆件受一对垂直于杆轴方向的，大小相等、方向相反，作用线相距很近的外力作用产生的变形——剪切。 2、扭转 杆件在垂直于杆轴线的两个平面内作用一对大小相等、方向相反的力偶——产生扭转变形。扭转内力就是扭矩 四、弯曲 当杆件受到垂直于杆轴的外力作用，杆轴将由直线变为曲线，这种变形就叫弯曲。梁的变形就是典型的弯曲变形。悬臂梁、简支梁、外伸架、框架梁等等。 1、剪力与弯矩 截面法求之 先求 任意截面： 2、剪力图与弯矩图 符号 剪力：使梁（隔离本）产生转时针转动为正，反之为负。 弯矩：下侧受拉为正 例2：如图所示 求Q、M并画图 解： = 当时： = 3、梁弯曲时的内力及其破坏过程 梁横截面上正应力分布规律 2、剪应力 S*——所求之点水平线以上部分的面积A*对中性轴的静矩 3、破过过程（受压应力是受拉应力的18/10倍） ①素砼梁：一开裂马上扩展，立即破坏 ②适筋梁：受拉边缘砼开裂→钢筋承拉→中和轴上升→钢筋不断拉长→受压高度变小→受拉筋屈服→受压边缘压碎→破坏 ③少筋梁: 与素砼类似,是脆性破坏. ④超筋梁：受拉钢筋未屈服，压压砼压碎，脆性破坏 二、常见荷载下的剪力图与弯矩图 1、集力荷载下 ①求支座反力 ②截面法求任一截面的剪力 ③用截面法求任一点弯矩 2、均布荷载作用下 ①求支座及力 ②求剪力 ③求弯矩 3、在力偶作用下 ①求支座反力 ②求剪力 ③求弯矩m 4、在集中力、均布力共同作用下 ①求关键点Q ②求关键点M 第六讲 构件的变形 刚度 刚度--物体抵抗变形的能力 对刚度的定量描述： 1、抗拉、抗压刚度 由虎克定理得到： 可见EA越大，越小 E 是弹性模量，A是构件的横截面积。 EA--抗拉、抗压刚度，EA越大构件的刚度就越大 2、抗弯刚度 EI--是抗弯刚度。在相同条件下，EI越大，弯曲变形越小，即抗弯刚度越大。 E 是弹性模量，I为惯性矩，是构件横截面平面图形的几何性质。 矩形截面： 圆形截面： d 为圆形构件直径 圆环截面 相同横截面积的杆件空心的抗弯刚度更大. 再给大家介绍挠度的概念,如图 要减少挠度: ①提高EI, ②减小跨度 3、抗剪刚度：GA G——剪切弹性模量 A——截面积 4、抗扭刚度：G Ip, Ip——极惯性矩 圆形截面 环形截面 构件的变形 轴向拉伸与压缩的变形 设等截面直杆长为,在轴向力作用下，长度变为。绝对变形：变形后的尺寸与变形前的尺寸之差，为。相对变形：绝对变形与初始尺寸之比，也称为线变形。 根据虎克定理，， 剪切变形 切应力作用下，微元体将发生剪切变形，剪切变形的程度用微元体直角的改变量来度量。微元体直角改变量称为切应变，用表示。如上图，，的单位为rad(弧度)。 扭转变形 圆轴扭转变形量是用横截面间绕轴线的相对转角来度量的。 弯曲变形 以均布荷载作用下的简支梁为例，在梁的中点产生了最大的挠度,在梁的两端分别产生和的转角。挠度和转角就是梁在荷载作用下的变形。其中： 挠度以向下为正 转角以顺时针为正，单位是弧度 三、压杆的稳定 我们讨论过轴向受拉和受压，应力为 ，理论上当应力小于容许应力时，杆件就不会被破坏。而事实上杆件在受拉和受压这两种情况下，结果是不一样的。受拉杆件上述说法总是正确的，而受压杆件就不一定了。我们的生活经验也告诉我们，当受压杆件又细又长时，杆件首先被压弯了，再受压往往就被折断了，而不是被压碎的。这说明细长杆的破坏不是由于强度不足造成的。压杆保持它原来直线平衡状态的能力称为压杆的稳定性。上述细长压杆的破坏称之为失稳破坏。 由于失稳破坏的压力要比强度破坏的压力小得多，并且压杆的失稳破坏往往没有先兆，当压力达到某个临界值时会突然破坏。这种破坏形式在工程上具有很大的危险性，因此，研究压杆稳定在工程上具有非常重要的意义。 压杆的平衡状态 在研究压杆的平衡状态前，我们先来看看下图中小球的三种平衡状态。 小球在A、B、C三个位置虽然都可以保持平衡，但这些平衡状态却有本质的区别。在图（a）中，小球在A点处于平衡状态时，即使有一个干扰力让小球偏离A点，当这个干扰力一旦消失，小球又会回到原来的平衡位置，小球处于稳定平衡状态。在图 (c)中，处于B点的小球，只要有一点干扰力让小球偏离平衡状态，即使撤除干扰力，小球也不会再回到原来的平衡位置，小球处于不稳定平衡状态。在图(b)中，小球受到干扰力从C点到了点，干扰力消失后，小球既不会回到原来的位置，也不会再向前滚动，而是在新的位置保持新的平衡，这叫随遇平衡。也称为临界平衡状态。 再来看下面的压杆。如图（a）所示为一根两端铰支的细长直杆，在轴向力P作用下保持平衡，给压杆一个微小的横向干扰力后，杆离开直线状态而发生弯曲，如图（b）所示。撤去干扰力后，压杆将随着轴向压力P的不同而出现下述几种情况： （1）当轴向压力P小于某一特定值时，在撤去干扰力后压杆能回到原来的直线平衡状态。如图（c）所示，即原来的平衡状态是稳定的。 （2）当轴向压力P增大到某一特定值时，撤去干扰力后压杆在弯曲状态下保持平衡，不再回复到原来的直线平衡状态，此时杆件处于随遇平衡状态，即临界平衡状态。如图（d）。此时的轴向压力称为临界力，表示为。 （3）当轴向压力P大于临界力时，撤去干扰力后压杆也不能保持平衡，弯曲会不断增大，直至破坏。事实上，由于压杆本身总有各种缺陷，此时即使没有外力干扰，破坏也必将发生。如图（e） 2、临界应力、临界力和容许应力 介绍一个在压杆稳定计算中的重要概念—柔度，也称为长细比，用表示。 --压杆的“相当长度” 是长度系数，与压杆两端的支撑情况有关 是压杆的实际长度 --压杆横截面的回转半径， 临界应力 工程上常用临界应力总图来说明某一根压杆的临界应力。如下图所示是一个临界应力总图的示意图。横坐标为柔度，纵坐标为临界应力。 图中分为三段： 坐标原点至段，这时的压杆为小柔度杆，表现为短而粗，其临界应力为一个常数，其数值等于它的屈服应力。 至段，这时的压杆为中柔度杆，其临界应力与柔度成线性关系，其值小于材料的屈服极限，而大于材料的比例极限。 大于段，这时的压杆为大柔度杆，其临界应力与柔度的关系曲线表现为二次抛物线，其值小于材料的比例极限。 临界力 临界力等于临界应力乘以杆件的横截面积： 临界应力可以通过临界应力总图查表得到。需要说明的是，不同材料的杆件，有不同的临界应力总图与之对应。 容许临界应力 临界应力是一个极限力的概念，工程上还对临界应力除以安全系数的方法来保证压杆的稳定安全，叫做容许临界应力。 --容许临界应力。 --折减系数，根据不同材料查表得到 3、提高压杆稳定的措施 对于不同材料的杆件来说，有着不同的临界应力总图，弹性模量大的材料临界应力大些，当然是有利的。我们要探讨的是，同一种材料甚至是用同样多的材料，如何提高压杆的稳定。 减小长度 改善支撑方式，以减少值 合理选择截面形式，增大横截面的回转半径。 矩形截面， 圆形截面， 第七讲 荷载 作用在建筑结构上的力叫荷载。荷载有两类： 直接作用：自重、家具、设备、人员、风力等等。 间接作用：由于环境因素变化引起结构反应，温度、地基变形、地震冲击波等等 一、荷载分类 1、永久荷载：设计基准期（结构不需大修的使用期）内数值不随时间变化，或其变化可以忽略不计的荷载。自重、土压力等。 设计基准期: 一般工业与民用建筑：50年 公路、沥青高速15年，一级公路10年；水泥高速30年，一级公路20年。 桥梁：100年 2、可变荷载：基准期内，其值随时间变化，且其变化与平均值数比不可忽略的。屋、楼面的活荷载，雪、风、吊车荷载。 3、偶然荷载；基准期内不一定出现，一旦出现量值很大，持续时间短暂（爆炸、海啸），具有不可预见性，设计不考虑。 事实上要准确计算这些荷载，也并不容易，因此常常引入一些合理的假设和估算。 二、常见荷载介绍 1、结构自重 由于地球引力引起的 ：比重；V：体积 常见材料的比重如下: 水：10KN/ m3；木：8~12KN/ m3；钢材：78KN/ m3；石材：20 KN/ m3；砖：18 KN/ m3；砂：18KN/ m3；钢筋混凝土24KN/ m3； 2、土压力 垂直土压力：上部土体（自重） 侧向土压力有: ①静止土压力：挡土墙不产生任何位移 ②主动土压力：墙体开始转动，土体开始下滑、最小 ③被动土压力：墙体开始向墙背方向转动 是静止土压力系数，在0~1之间，随土中含水率增大而增大。 3、水压力 地下水：上层、潜水、承压水 A点压强： 与侧向土压力比较可以得出,为什么下雨天挡墙容易倒塌。 强调一下地下水位对工程影响： ①基础埋深（小于地下水）或考虑冻土深度 ②施工降水 ③地下水升降造成承载能力下降 ④地下室防水 ⑤空心物体上浮 ⑥水的侵蚀性 ⑦承压水冲坏地基 4、楼面活荷载 由于使用功能的变化使得楼面活荷载有很大差异，应分别考虑. ①民用建筑楼面活荷载 住宅：2KN/㎡，办公：2.5，礼堂、剧院：3.0 商店、展厅、车站：3.5 车库、档案：5.0 密集书库：12 ②工业建筑楼面活荷载 差异更大 ③屋面活荷载 不上人：0.5，上人：2.0；屋顶花园：3.0级以上 ④施工荷载 5.风荷载 台风与季风 台风：大气环流引起的热带海面上的低压气旋 季风：由于气压差引起的。温度高：气压低；温度低：气压高。 ①风速与风压 （W为风压，V为风速） 距地10米高处为标准高度，该处的最大风速为基本风速。 杭州基本风压：0.5KN/㎡ 温州基本风压：0.9KN/㎡ ②风荷载计算 ——高度Z处的风振系数 ——体型系数 ——风压高度变化系数 ——基本风压 6.雪荷载 （杭州0.5KN/㎡) ——标准值 ——屋面积雪分布系数 ——基本雪压 7、吊车荷载与积灰荷载 吊车荷载： 垂直荷载：最大轮压；水平荷载：制动力产生的水平力. 积灰荷载：冶金、铸造，水泥等厂房 0.3~1.0KN/㎡. 8、地震作用 地球目前进入了地震的活跃期。 A、2008年汶川地震（7.8级—8.0级）：死亡68712人，失踪17921人，152万人失业、失地。 B、2010日本仙台地震（9.0级地震）：死亡13127人，失踪14348人，并造成核泄漏.（福岛第一核电站1、2、3、4机组爆炸，核泄漏剂量达到500~700多毫希弗） 核辐射： 胸透一次：0.02毫希 宇宙射线毫希 ①地震成因： 构造地震、火山地震、陷落地震 地球构造 地震分布：亚欧板块、太平洋板块、印度洋 岩石：1200~1700℃；铁：1534℃；铜：1084℃；钨：3410℃；金：1064 ②描述： 震中： 浅源地震：60km，日本：10公里；汶川：10~20公里 地震坡：体坡：纵坡：上下运动；横坡：左右运动。 面坡：次生坡 震级烈度： 震级：M=lgA 1935年里希特，地震仪，A—震幅 LgE=1.5M+11.8（32倍） 相差一级：震幅10倍，能量32倍。 烈度：遭受一次地震宏观现象 ③地震的破坏 A、地裂缝：重力裂缝：震动超过地体抗剪强度引起开裂； 构造裂缝：岩层上下错动 喷砂冒水、地面下沉、陡坡滑坡。 B、建筑物破坏：丧失整体性、强度不足，地基失效。 C、次生灾害：火灾、水灾、污染、传染病、缺水缺电 ④计算 水平作用值： 竖向作用值： 地震影响系数 9、温度作用和变形作用 ①温度作用：固体的温度发生变化时，体内任一点的变形由于受周围相邻单元体的约束，就会形成温度应力。 水泥水化热：基础、地下室、水坝、屋面裂缝、设置温度缝 ②变形作用 外界因素影响：支座移动、不均匀沉降、装配误差等 结构设计是如何防范由于巨大的温度作用和变形作用对工程的影响？ 设置变形缝是消除温度作用和变形作用的好办法, 变形缝有沉降缝和伸缩缝两种。伸缩缝只要在地上结构中设置即可，沉降缝必须结构上下完全断开。 沉降缝设置的位置： a.建筑物平面的转折位置 b.建筑物层数与荷载相差较大的位置 c.长高比过大的钢筋砼框架的适当位置 d.天然地基、土体压缩性有显著变化处 e.基础类型不同处 f.分期建造房屋的交界处 10、荷载组合 上述荷载同时存在，但同时达到最大值的可能性很小,因此设计是应可以进行组合。 ①分项系数； ②动力系数； ③荷载组合；  第八讲：主要建筑材料 建筑材料品种多，常用的结构用材料有：木材、砖、砂石、钢材、水泥、混凝土等等等等。 一、木材 木材优点：使用木材历史悠久，轻质高强，有较好的弹性与塑性，能承受冲击与震动，容易加工，在干燥或水中均有很长的耐久性。 缺点：构造不均匀，各向异性、易吸湿吸水而变形，干湿交替时耐久性差，易燃、易腐、易受虫害。 1、木材的分类： 按形状：针叶树和阔叶树 针叶树:树干高而直，纹理顺直，木质较软，如杉木，松木. 阔叶树:材质坚硬，胀缩变形大，易翘曲、开裂。如榆木，水曲柳、柞木。多用于家具与装饰，不宜作为承重结构. 2、木材的构造 宏观构造，肉眼看得清楚的。 三个切面： 横切面：年轮、髓线（质软、与周围细胞结合力弱，干燥易沿髓线开裂）、髓心（质松软、强度低、易腐朽）、树皮。 径切面 弦切面：木纹 微观构造，显微镜下可观察到木材是管状细胞结合而成。纵向连接较横向牢固，纵向强度高。横向强度低。细胞壁的纤维之间有微小的空隙。能渗透和吸附水分。 3、物理性质 ①含水率，从周围环境中吸收水分（吸湿性） 根据其存在形式，可以分为三类：自由水、吸附水、化合水。 自由水：细胞腔和细胞间隙间的水，干燥时，首先蒸发。 吸附水：细胞壁中的水份，开始蒸发，木材收缩，受潮时，细胞壁首先吸水。是影响木材强度和湿胀干缩的主要因素。 化合水：化学组成中的结合水。 ②湿胀干缩性：顺纹、横纹、径向、弦向、翘曲变形（由于收缩不均匀引起的）、干缩性差异。 ③木材的密度（1.55）、表现密度（0.5~0.8） 4、力学性质 ①强度：各向异性，顺纹方向比横纹方向强得多。 抗压：顺纹，30~70mpa（300~700kg/m2），（钢材1/10）。 横纹：只有顺纹的10~30%。 抗拉：顺纹抗拉是最高的，可达到80~200mpa。 抗弯：1.5~2倍顺纹抗压，因此，常用于抗弯。 抗剪：顺纹剪切，横纹剪切，横纹切断是顺纹剪切的4~5倍。 ②影响强度的因素 含水率：影响很大，当细胞壁中水分增多时，纤维相互间连接力减小，使细胞壁软化。对顺纹受拉、弯曲、顺纹受压、受剪的影响程度不相同。 长期荷载的影响：是短时强度的50~60%。 温度的影响：温度升高、强度降低。（胶合物质处于软化状态）。＞50℃，强度大为下降。150℃：开始碳化，275℃：开始燃烧。 疵点的影响（缺陷）：木节、斜纹、裂纹、腐蚀、虫害 木节：使顺纹抗拉强度显著减弱，对顺纹抗压影响小，对横纹抗压、抗剪反而有利。 5、木材的连接 榫卯连接 现代木结构中：齿接 螺栓连接和钉连接：双剪、单剪。 胶接，钉接。 二、砖石、砌体 石材，是最古老的建筑材料。 赵州桥（河北赵县），石拱桥，公园595~605年建成（距今1400多年） 古埃及金字塔，公元前约3000年建成（距今5000多年）。 砖：秦砖汉瓦。（公元前221~206年，距今2200多年）。 石材 分布广，就地取材，价廉物美。 分类：火成岩、沉积岩、变质岩三大类； 火成岩（又称岩浆岩）特点：密度大，强度高、吸水率小、抗冻性好。有深层岩、喷出岩、火山岩等三种。深层岩：地壳深处岩浆上升，受上部覆盖层压力，缓慢均匀冷却而成，花岗岩。喷出岩：岩浆喷出地面，迅速冷却而成（玄武岩、辉绿岩、骨料）火山岩：岩浆喷到空中，急速冷却而成（骨料、火山灰、水泥辅料） 沉积岩：地表岩石经长期风化，成为碎屑颗粒或粉尘，经风、水搬运，通过沉积再生而成（几亿年）。呈层状、密度小、孔隙率大、吸水率大、强度低、耐久性差。有机械沉积岩、化学沉积岩、生物沉积岩等三种。机械沉积岩：经水、风搬运沉积而成、页岩、砂岩、粗石材等。化学沉积岩：岩石中的矿物溶于水后，经沉淀，沉积而成，石膏。生物沉积岩：各种有机体残骸经沉淀而成，石灰岩，石灰，骨料。 变质岩：高温、高压下，矿物再结晶生成的新矿物。 如石灰岩和白云石变成大理石。（比原岩石坚硬、性能更好） 性质 表观密度：花岗岩、大理石2500~3100kg/m3。孔隙率大的石材在500~1700kg/m3左右。其中＞1800 kg/m3叫重质石材。 吸水性：与孔隙率有关，花岗岩＜0.5%。吸水后强度降低，抗冻性差。 抗压强度：抗压强度高，抗拉强度是1/10~1/20的抗压强度。 应用：毛石、料石，、石板（墙面装饰、台阶）、碎石。基础、墙身、堤坝、混凝土骨料等等。 2、砖 ⑴分类 烧结砖：熔烧而成，黏土砖、粉煤灰砖。标准砖：240×115×53。（小青砖、土青砖）多孔砖：孔洞率大小或等于15%，孔的尺寸小，数量多，可承重。空心砖：孔洞率大于35%，孔大而少。 蒸养（压）砖：硅酸盐制品，以石灰和含硅原料加水拌合，经成型蒸养而成，粉煤灰，灰砂砖，炉渣砖。 ⑵性质 强度等级、外形尺寸（棱角、变形）、外观质地、耐久性、抗风化、抗冻、吸水率。 砌块 按规格分，高180~350，小型砌块；高360~900，中性砌块。 分类：空心砌块，实心砌块。 性质：强度，mu3.5~mu20.0五个等级（mu3.5、5、10、15、20）五级。 密度：普通1100~1500kg/m3。轻质700~1000kg/m3 吸水率与软化系数 收缩性 导热系数：多孔、导热分数小，煤渣、火山渣、浮石等砌块导热系数小。 4、砂浆 砌筑砂浆：水泥砂浆，混合砂浆。 分类 抹灰砂浆：石灰砂浆，混合砂浆。 性质： A、和易性：和易性包括两个方面，流动性和保水性。 流动性：在自重和外力作用下能够流动的性质，用稠度来表示。胶凝材料，用水量，砂的质量，搅拌时间，放置时间都要影响稠度。 保水性：新拌砂浆保持水分的能力。反映了砂浆中各种组成材料不易分离的性质。同时，保水性差，影响胶凝材料的正常硬化，容易失水，影响粘结。 B．强度： 分M2.5~M20 ，6个等级（M2.5、5、7.5、10、15、20）。用70.7mm×70.7×70.7mm立体试块经标准养护后测得强度。 C．耐久性：冻融试验，质量损失率＜5%，抗压强度损失率＜25%。 5、砌体 ⑴分类 砖砌体：承重墙、砖柱、围护墙、隔墙等。 砌块砌体：小、中型砌块砌体，内外墙、隔墙等。 石砌体：干砌、浆砌 配筋砌体：砌体中配置细钢筋，可提高强度，减小开裂。 ⑵性质 抗压强度 不同标号的砂浆与砖砌筑而成的砌体，其强度受诸多因素影响。影响砌体强度的主要因素有： 块体与砂浆强度。 砂浆的性能，如和易性的好坏。 外形与灰缝厚度：8~12mm 砌筑质量：砂浆饱和度。等等 b．抗拉、抗弯、抗剪的性能。 砖砌体抗压强度比抗拉、弯、剪强度好得多，因此，砌体通常均用于抗压。但也有其它受力情况：圆形水池壁砌体受拉、挡土墙受弯等等。 三、钢材 1.分类 ⑴按化学成份分类： 碳素钢：含碳量，1.4%（低0.25%，中0.25~0.6%，高0.6~1.4%） 低合金钢：加入少量合金元素：锰、硅、矾、钛，提高强度，增加塑性。 优质碳素钢：热处理，有害杂质少（冷加工回火，冷轧而成）。 ⑵按工艺分：热扎钢、热处理钢，冷轧，冷拉，冷弯等。 ⑶按规格分：钢筋（螺纹，带肋钢筋），钢板，型钢，槽钢，钢管，钢丝，钢绞线、性能 ⑴强度：屈服强度，极限强度。 HPB235 热轧 光圆 钢筋 ⑵塑性：伸长率： ⑶可焊性 ⑷耐火性：热轧最好，冷轧次之，预应力钢筋最差。 ⑸影响性质的因素： a．化学成份：碳，提高强度，减小塑性，韧性，可焊性。 硅、锰、矾，提高品质，强度，减少冷脆。 硫、磷、氧，减小强度、塑性。 b．时效影响：塑性降低。 c．温度：超过300℃，屈服强度明显下降。达600℃，下降2/3。 3、连接：焊接、铆接、螺栓。 四、混泥土 19世纪传入中国，1899年在上海、广州首先出现。 组成材料：水泥、砂、石子、水。 砂、石子起骨架作用，成为骨料。 水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。 硬化前：水泥浆起润滑作用，具有一定的和易性。 硬化后：将骨料胶结成一个坚实的整体。 1、水泥 组成：石灰石、粘土、铁矿粉和添加材料石膏、矿渣等经两磨一烧而成。其熟料主要由：硅酸三钙3cao·SiO2和硅酸二钙2cao·SiO2组成。 ⑵机理 水化——加水后，熟料颗粒与水反应，生成水化物，放出热量。产生胶体状水化物。包裹在颗粒表面，减缓水化反应，具有流动性。 凝结：水化物不断产生，逐渐使浆体失去流动性。 硬化：水化物不断增多，网状——结晶——充实——具有强度——水泥石。 ⑶技术要求 a．不溶物：（杂质）I型硅酸盐水泥＜0.75%，II型硅酸盐水泥＜0.75%。 b．细度：水泥磨细的程度。细度大，水化快，利于强度发展，但太细会增加成本，（用比表面积或筛分法测定）容易受潮。 c．凝结时间：初凝，加水拌和到水泥浆失去塑性。45min。 终凝，太迟会影响工期。390min（6各半小时）。 d．安定性：凝结硬化过程中体积均匀变化的性质。 膨胀过大、膨胀不均匀，会破坏构件，引起严重事故。 原因：游离的氧化钙；氧化镁过多，或石膏掺合过多。 e．强度：3天强度，28天强度。根据强度划分525#，425#等水泥标号。 f．碱含量：碱含量是引起碱——骨料反映的条件，会降低强度。 初凝时间，安定性不合格即为废品，强度达不到还可降低标号使用。 ⑷分类： 硅酸盐水泥，加入不同的掺合物、天然矿物、工业废料会形成不同性质的水泥。 A．普通硅酸盐水泥：硅酸盐水泥加入6~15%混合材料和适量石膏。 早期色度高，耐冻好，耐腐较差，水化热大。 B．矿渣硅酸盐水泥：加高炉矿渣（20~70%），适量石膏（掺量比较大）。早期强度低、水化热低，干缩大，耐腐好，适用于大体积混凝土。 C．火山灰质硅酸盐水泥：20~50%抗渗好，耐热差。 D．粉煤灰硅酸盐水泥：20~40%粉煤灰，干缩小，抗裂好。 还有快硬水泥，白水泥（白色熟料）等。 根据不同特点选用水泥。 2、细骨料。0.16~5mm之间的骨料称细骨料——砂。 要求：干净（杂质少，含泥低），强度好，级配好，不同粒径。节约水泥，提高强度，降低成本。 3、粗骨料：碎石，卵石。 要求：杂质少，强度（表面形状），级配。 4、水，拌合要用水，养护用水，含水量的控制。水偏少：流动性差，施工难，影响质量；偏大：孔隙率大，影响强度。 5、普通混凝土的主要性质 优：硬化前具有可塑性，硬化后高强抗压，耐久。 缺：自重大，易开裂，脆性。 ⑴和易性：流动性（成型），黏聚性（黏聚力），保水性（不泌水），三方面含义。 强度： 立方体抗压标准强度。150×150×150试块，强度等级：分C7.5，C10~C60等十二级。 轴心抗压强度。150×150×300棱柱体作为标准试件。 抗拉强度，1/10~1/20抗压强度。 影响混凝土强度的因素： A．水灰比和水泥强度等级。水泥强度高， 混凝土强度 就高；水灰比大，混凝土强度就低。 B．养护的温度与湿度。温度高，前期强度发展快。温度低，后期强度发展快。在冰点以下，不但不能水化，而且有被冻坏的可能。湿度也是保证混凝土水化的必要条件。 C．龄期：随着时间的增加，强度不断发展。开始快，后来慢。28天后基本达到设计值。 ⑶混凝土的变形。 A．化学收缩：由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小，而使混凝土收缩，其收缩称为化学收缩。 前40天收缩较快，逐步稳定，不能恢复。 B．干湿收缩，干燥收缩。 C．温度变形，热胀冷缩，硬化初期：内部放热、膨胀；外部已冷却收缩。使用水化热低的水泥， D．荷载作用下的变形，短期荷载作用下的变形。 长期荷载下，变形随时间增加（0.35~1.5ww/m）减小拉力。 ⑷耐久性，抗渗，抗冻，抗腐蚀，碳化（石灰中氢氧化钙与二氧化碳反应Ca(oH)2+Co2——CaCo3+H2O），碱骨料反应。 五、 钢筋混凝土结构 混凝土的最大优势是价格低廉，抗压能力强。缺点是抗拉能力低，容易开裂。钢筋的优点是抗拉能力强，并且有很好的延性，不容易开裂。钢筋混凝土把两者的优点都集中起来，能充分发挥钢筋和混凝土的各自优势，因此得到了广泛应用。 但是这两种材料的物理性质差异很大，为何能共同作用呢？ 一是两者线/度 二是能很好地粘结，只要有一定的搭接长度，锚固长度，钢筋间距，两者就能粘结在一起。 1、钢筋混凝土受弯构件 钢筋混凝土受弯构件主要指各种类型的梁与板。梁主要有普通矩形梁、T形梁、工字梁、异形梁等等。板有实心板、空心板、槽形板等等。 普通矩形梁的梁高是梁宽的2~3.5倍，梁的高跨比在。 2、钢筋混凝土受压构件 柱，轴心受压、偏心受压。 六、预应力混凝土 1.预应力的概念 混凝土是抗压强度高，抗拉强度低，易开裂的脆性材料。 素混凝土（承压）——钢筋混凝土（受压、弯、拉）——预应力钢筋混凝土（受压、弯、拉、抗裂好）。 混凝土受拉应变为（0.1~0.15）×10-3，此时钢筋应力仅有20~30N/mm2。 对于允许带裂缝工作的混凝土，缝隙控制0.2-0.3 mm 时，钢筋应力在50%~60%的屈服强度，相应钢筋应力只有150~210 N/mm2。钢筋强度得不到发挥。如何才能发挥出钢筋的强度？ 预先加一应力：N N 偏心力，使得混凝土构件产生反向弯曲。 2、施工方法。 ⑴先张法，先张拉钢筋，固定好，再浇混凝土，待75%以上强度松开锚具。 后张法，先浇混凝土，再张拉钢筋，固定，灌浆防锈。 第十讲 地基和基础 概念 基础——建筑结构最下面的部分（与地基相连），即±0.00以下部分。 地基——基础下面的土层，有天然地基和人工地基。 对地基要求：强度、刚度（变形小）、耐久性（地基失稳）、要满足要求。 二、土的组成与分类 1、土的组成：气、液、固体 2、土的分类 岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土、填土。 三、浅基础 能用普通基坑开挖和敞坑排水方法施工，不考虑基础与土的摩擦力的基础称为浅基础。从埋置深度角度去划分，浅基础埋深小于5米的为浅基础，5米为深基础。 选用何种基础形式，取决于上部结构和下部土层 两个因素。按形式分浅基础有以下几种： 独立基础。一般用于独立柱下面。 条形基础。墙承重，成排的柱下承重。 筏形基础。软土地基，要增大基础底面积，一定程度时就形成满堂基础。 4、箱形基础。与筏形比，抗震好，抗不均匀沉降好。按基础材料性质分：刚性基础，柔性基础。 埋置深度 埋置深度：室外地坪至基底的高差。要满足： 1、稳定性要求，要达到1/18~1/20房屋高度。 2、土质因素：持力层要有足够承载力，并满足变形要求。 3、地下水：地下水以上，如不满足，井点降水，减小浮力。 4、冻土深度：哈尔滨：以下2米。满洲里：以下2.5米。 5、相邻建筑基础的影响。比原基地浅，如不满足，则应做好围护。 五、深基础（与围护） 1、 2、地下连续墙 3、沉井和沉箱——地下管网、窑井，为减少大量开挖土方对周边建筑的影响。 六、地基承载力 七、地基变形 八、地基处理 夯实、换土、混凝土搅拌桩、线ae;

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