绪论


绪〓论0.1建筑结构的一般概念
建筑结构是指在建筑物中用来承受和传递各种作用的受力体系，通常被称为建筑物的骨架。组成结构的每一个部件称为构件。在房屋建筑中，组成结构的构件有板、梁、屋架、柱、墙、基础等。
结构上的作用是指能使结构产生效应(内力、变形)的各种原因的总称。作用可分为直接作用和间接作用两类。直接作用是指作用在结构上的各种荷载，如土压力、构件自重、楼面和屋面活荷载、风荷载等，它们能直接使结构产生内力和变形效应。间接作用是指引起结构外加变形或约束变形，如地基不均匀沉降、混凝土收缩、温度变化和地震等。它们在结构中引起外加变形或约束变形，从而产生内力效应。
结构按所用材料分类，可分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构等。由于木材具有强度低、耐久性差等缺点，现已极少使用木结构，因此本书仅介绍前三类结构与设计有关的内容。
建筑结构设计的任务是选择适用、经济的结构方案，并通过计算和构造处理，使结构能可靠地承受各种作用。为使设计人员在一般情况下能有章可循，各国均根据自身的科技发展情况和经济状况不断地制定出符合当时国情的各种设计标准和规范。我国现行的建筑结构设计标准和规范有：《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2001)、《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)、《混凝土结构设计规范（2015版）》（GB 50010—2010）、《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2016)、《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)等。这些标准和规范是新中国成立以来在建筑结构方面的科研成果和工程实践经验的结晶，是我国目前建筑结构设计的重要依据，也是本书编写的主要依据。
0.2砌体结构、钢结构和混凝土结构的
概念及优缺点1. 砌体结构的概念及优缺点
用砂浆把块体连接而成的整体材料称为砌体，以砌体为材料的结构称为砌体结构。它是砖砌体、砌块砌体和石砌体结构的统称。根据需要，有时在砖砌体或砌块砌体中加入少量钢筋，这种砌体称为配筋砌体结构。
与其他结构相比，砌体结构具有以下几项主要的优点。
（1） 容易就地取材，造价低廉。
（2） 耐火性良好，耐久性较好。
（3） 隔热、保温性能较好。
除上述优点外，砌体结构也存在下述缺点。
（1） 承载能力低。由于砌体的组成材料——块体和砂浆的强度都不高，导致砌体结构的承载能力较低，特别是受拉、受弯、受剪承载能力很低。
（2） 自重大。由于砌体的强度较低，构件所需的截面一般较大，因此导致自重较大。
（3） 抗震性能差。由于结构的受拉、受弯、受剪承载能力很低，在房屋遭受地震时，结构容易开裂和破坏。
2. 钢结构的概念及优缺点
钢结构是用钢材制作而成的结构。与其他结构相比，它具有以下优点。
（1） 承载能力高。由于钢材的抗拉和抗压强度都很高，因此钢结构的受拉、受压等承载能力都很高。
（2） 自重小。由于钢材的强度高，构件所需的截面一般较小，因此自重较小。
（3） 抗震性能好。由于钢材的抗拉强度高，并有较好的塑性和韧性，因此能很好地承受动力荷载；另外，由于钢结构的自重较小，地震作用也就较小，因而钢结构的抗震性能很好。
（4） 工厂化生产，工业化程度高，施工速度快，工期短。钢结构构件可在工厂预制，在现场拼装成结构，因此施工速度快。
钢结构存在以上优点的同时，也存在以下缺点。
（1） 钢材需求量大，造价高。
（2） 耐久性和耐火性均较差。一般钢材在湿度大和有侵蚀性介质的环境中容易锈蚀，因此需经常用油漆维护，费用较高。当温度超过250℃时，其材质变化较大；当温度达到500℃以上时，结构会完全丧失承载能力，因此钢结构的耐火性较差。
3. 混凝土结构的基本概念及优缺点
混凝土是由水泥、砂、碎石等加水拌和，经水化结硬的人工组合材料，其抗压强度高，而抗拉强度却很低。混凝土结构是以混凝土为主要材料制成的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构及配置各种纤维筋的混凝土结构。混凝土结构广泛应用于房屋建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、港口等工程中（见图01）。
图01素混凝土与钢筋混凝土梁
素混凝土是不放钢筋的混凝土。由于混凝土材料的抗拉强度很低，所以素混凝土结构的应用受到很大限制。如图01（a）所示，承受集中荷载的素混凝土梁随着荷载的逐渐增大，梁中拉应力及压应力不断增大。当荷载达到一定值时，弯矩最大截面受拉边缘的混凝土首先被拉裂，而后由于该截面高度减小致使开裂截面受拉区的拉应力进一步增大，于是裂缝迅速向上伸展并立即引起梁的断裂破坏。这种梁的破坏很突然，其受压区混凝土的抗压强度未充分利用，且由于混凝土抗拉强度很低,因此其极限承载力也很低。所以，尽管它的抗压强度比砌体高，但其抗拉强度很低。素混凝土构件只适用于受压构件，且破坏比较突然，因此在工程中极少采用。
与混凝土材料相比，钢筋的抗拉强度高。如果将混凝土和钢筋这两种材料结合在一起，使混凝土主要承受压力，而钢筋主要承受拉力，这就形成钢筋混凝土结构。与素混凝土构件相比，钢筋混凝土构件的受力性能大为改善。如图01（b）所示，条件相同的钢筋混凝土梁在截面受拉区配有适量的钢筋。当荷载达到一定值时，梁受拉区仍然开裂,但开裂截面的变形性能与素混凝土梁大不相同。因为钢筋与混凝土牢固地黏结在一起，因此在裂缝截面原由混凝土承受的拉力现转由钢筋承受。由于钢筋强度和弹性模量均很高，所以此时裂缝截面的钢筋拉应力和受拉变形均很小，有效地约束了裂缝的扩展，使其不至于无限制地向上延伸而使梁产生断裂破坏。这样钢筋混凝土梁上的荷载可继续加大，直至其受拉钢筋应力达到屈服强度，随后截面受压区混凝土被压坏，这时梁才达到破坏状态。由此可见，在钢筋混凝土梁中钢筋与混凝土两种材料的强度都得到了较为充分的利用，破坏过程较为缓和，从而使这种梁的极限承载力和变形能力远超过同样条件的素混凝土梁，如图01（c）所示。
混凝土的抗压强度高，常用于受压构件。钢筋的抗压强度也很高，所以在轴心受压构件中，通常也配置一定数量的钢筋来协助混凝土分担一部分压力以提高构件的承载能力和变形能力，从而可以减小构件的截面尺寸。此外，钢筋还可以改善构件受压破坏的脆性性质。钢筋与混凝土这两种力学性能不同的材料能够有效地结合在一起而共同工作，主要基于下述三个条件。
（1） 钢筋与混凝土之间存在着黏结力，使两者能结合在一起。在外荷载作用下，结构中的钢筋与混凝土协调变形、共同工作。因此，黏结力是这两种不同性质的材料能够共同工作的基础。
（2） 钢筋与混凝土的温度线膨胀系数接近\[钢筋为1.2×10-5/℃，混凝土为(1.0～1.5)×10-5/℃\]，当温度变化时，不致产生较大的温度应力而使两者之间的黏结力遭到破坏。
（3） 钢筋埋置于混凝土中，混凝土对钢筋起到了保护和固定作用，使钢筋不容易发生锈蚀，且使其受压时不易失稳，在遭受火灾时不致因钢筋很快软化而导致结构整体破坏。因此，在混凝土结构中，钢筋表面必须留有一定厚度的混凝土作保护层，这是保持两者共同工作的必要措施。
与其他材料的结构相比，混凝土结构的主要优点如下。
（1） 就地取材。砂、石是混凝土的主要成分,均可就地取材。在工业废料比较多的地方，可利用工业废料制成人造骨料用于混凝土结构中；也可使用建筑垃圾制作骨料，配置再生混凝土。
（2） 耐久性和耐火性均比钢结构好。在混凝土结构中，钢筋因受到保护不易锈蚀，所以混凝土结构具有良好的耐久性。混凝土为不良导热体，埋置在混凝土中的钢筋受高温影响远较暴露的钢结构小。只要钢筋表面的混凝土保护层具有一定厚度，当发生火灾时钢筋不会很快软化，可一定程度上避免结构倒塌。
（3） 整体性好。现浇或装配整体式的混凝土结构具有良好的整体性,从而使结构的刚度及稳定性都比较好。这有利于抗震、抵抗振动和爆炸冲击。
（4） 具有可模性。新拌和的混凝土为可塑的，可根据需要制成任意形状和尺寸的结构，有利于建筑造型。
（5） 比钢结构节约钢材。钢筋混凝土结构合理地利用了材料的性能，发挥了钢筋与混凝土各自的优势，与钢结构相比能节约钢材、降低造价。
混凝土结构有较多的优点，但也有下列缺点。
（1） 比钢结构自重大。与钢结构相比,混凝土结构自身重力较大，因此它所能承担的有效荷载相对较小。这对大跨度结构、高层建筑结构及抗震都是不利的，以及会给运输和施工吊装带来困难。
（2） 抗裂性差。钢筋混凝土结构在正常使用情况下，构件截面受拉区通常存在裂缝。如果裂缝过宽，则会影响结构的耐久性和应用范围；尤其对要求防渗漏的结构，如容器、管道等，它的使用会受到一定的限制。
（3） 比砌体结构造价高。因为混凝土结构的制作需要用模板予以成型。如果采用木模板，模板不能重复利用，进而会增加工程的造价。
（4） 现场浇筑施工工序复杂，需要养护，工期较长，并受施工环境和气候条件影响。
（5） 隔热、隔声性能也比较差。
此外，对于现浇混凝土结构，如遇损伤则比较困难。随着科学技术的不断发展，混凝土结构的缺点正在被逐渐克服或其性能有所改进。如采用轻质高强混凝土及预应力混凝土，可减小结构自身重力并提高其抗裂性；采用可重复使用的钢模板会降低工程造价；采用预制装配式结构，可以改善混凝土结构的制作条件，少受或不受施工环境和气候条件的影响，还能提高工程质量、加快施工进度等。
0.3建筑结构的应用及主要形式
1. 建筑结构的应用
石结构、砖结构和钢结构已有悠久的历史，并且我国是世界上最早应用这三种结构的国家。
早在五千年前，我国就建造了石砌祭坛和石砌围墙(先于埃及金字塔)。我国隋朝在公元595—605年由李春建造的河北赵县安济桥（赵州桥）是世界上现存最早、跨度最大的空腹式单孔圆弧石拱桥。该桥净跨37.37m，拱高7.2m，宽9m；外形美观，受力合理，建造水平较高。
我国生产和使用烧结砖也有三千年以上的历史。早在西周时期(公元前1134—前771年)已有烧制的砖瓦。在战国时期(公元前403—前221年)便有烧制的大尺寸空心砖。至秦朝和汉朝，砖瓦已广泛应用于房屋结构。
我国早在汉明帝(公元60年前后)时便用铁索建桥，比欧洲早70多年。用铁造房的历史也比较悠久。例如现存的湖北荆州玉泉寺的13层铁塔便建于宋代，已有1500多年历史。
与前面三种结构相比，砌块结构出现较晚。其中应用较早的混凝土砌块问世于1882年，仅百余年历史。而利用工业废料的炉渣混凝土砌块和蒸压粉煤灰砌块在我国仅有30多年的历史。
混凝土结构最早问世于18世纪40年代的欧洲，仅有280多年的历史，在这280多年里，混凝土结构广泛应用于土木工程的各个领域。
混凝土强度随生产的发展不断提高，目前C50～C80级混凝土，甚至更高强度混凝土的应用已较普遍。我国已制成C100的混凝土，美国已制成C200的混凝土。这为混凝土在超高层建筑、大跨度桥梁等方面的应用创造了条件。各种特殊用途的混凝土不断研制成功并获得应用，例如超耐久性混凝土的耐久年限可达500年；耐热混凝土可耐1800℃的高温；钢纤维混凝土和聚合物混凝土以及防射线、耐磨、耐腐蚀、防渗透、保温等有特殊要求的混凝土也应用于实际工程中。
2. 建筑结构的主要形式
1） 砖混结构
砖混结构选材方便、施工简单、工期短、造价低，是我国在多层建筑中使用较多的建筑形式。砖混结构的住宅承重结构是楼板和墙体。“砖”是指竖向承重的砌体，“混”是指楼板、楼梯、圈梁、阳台、挑檐采用钢筋混凝土构件。
2） 排架结构
排架结构（见图02）多用于单层工业厂房，主要结构构件有基础、柱子、吊车梁、屋架或屋面梁。排架结构的柱与基础为刚接，屋架与柱顶为铰接。柱子是厂房中的主要承重构件，屋架和吊车梁分别将屋面荷载和吊车荷载传给柱子，基础承担柱子和基础梁传来的荷载，然后传至地基。
图02排架结构
3） 框架结构
框架结构是由梁、柱构件组成的刚架结构，又称纯框架。它的优点是：平面布置灵活，能提供较大的室内空间，使用比较方便。缺点是：构件截面尺寸都不能太大，否则影响使用面积。因此，框架结构的侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移大，承受水平荷载能力较差。办公楼、高层住宅、教学楼、宾馆、写字楼、多层厂房等建筑常采用框架结构的结构形式。纽约帝国大厦（见图03）高381m，共102层，为全钢框架结构，1931年建成，曾雄踞世界最高建筑宝座达40年之久。它在建筑史上创造了每周修建4层半、410天建成的施工纪录。
图03纽约帝国大厦
4） 剪力墙结构
剪力墙结构体系是利用在纵、横方向设置的钢筋混凝土墙体组成抗侧力结构体系。现浇剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧移小，一般震害程度轻，非结构构件损坏程度轻。例如，1997年罗马尼亚地震时，布加勒斯特的几百幢高层剪力墙结构仅有一幢的一个单元倒塌。因此，住宅、旅馆等建筑广泛采用剪力墙结构。剪力墙结构体系自重较大、基础处理要求较高，不容易布置大房间。如图04所示的广州白云宾馆地上33层、地下1层，高112.4m，采用钢筋混凝土剪力墙结构，是我国第一座超过100m的高层建筑。
图04广州白云宾馆5） 框架剪力墙结构
框架结构侧向刚度差，抵抗水平能力较低，但具有空间大、平面布置灵活、使用方便等优点，而剪力墙的侧向刚度和承载力均高，但平面布置不灵活。因此，在框架结构中设置部分剪力墙，框架与剪力墙协同受力，剪力墙承担绝大部分水平力，框架承担竖向荷载，这样既有较大侧向刚度和承载力，又有较大空间。其中，钢筋混凝土框架剪力墙结构高度一般为80～130m，框架剪力墙结构一般为200～260m。1997年建成的广州中信大厦（见图05），高391m，为框架剪力墙结构，它是由一幢80层的商业大楼和两幢38层的酒店式公寓组成，集写字楼、公寓、商场、会所于一体的甲级综合智能型大厦。
图05广州中信大厦
6） 筒体结构
随着房屋层数的进一步增加，结构需要具有更大的侧向刚度，以抵抗风荷载和地震作用，因而出现了筒体结构。筒体结构利用房屋四周墙体组成一个或多个封闭筒体，主要用来抵抗水平荷载，具有很好的抗弯和抗扭刚度，适用于超高层建筑。
图06所示为上海金茂大厦，于1998年建成，是典型的框筒结构。该建筑地上88层、地下4层，高420m，利用钢筋混凝土作核心筒，外框架则为钢筋混凝土柱和钢柱、钢梁组合的混合结构。如图07所示，于1990年建成的广东国际大厦高200.18m，地上63层、地下4层，外筒为31.1m×37m的矩形平面，典型的钢筋混凝土筒中筒结构，6层以上楼板采用无黏结预应力平板。如图08所示，建成于1973年的美国世界贸易中心由两座方柱形塔楼组成，边长均为63.5m。北楼高417m，南楼高415m，均为地上110层、地下6层，全钢结构，也是典型的筒中筒结构。1974年建于美国芝加哥的西尔斯大厦高443m，共110层，建筑面积41.38万平方米，它的底部是正方形，边长68.8m，为9个23m×23m的方形框筒组成，在50层、66层和90层各改变一次断面，最后只有两个筒井至顶层，如图09所示。
图06上海金茂大厦图07广东国际大厦
图08美国世界贸易中心图09美国西尔斯大厦7） 网架结构
网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而成的空间结构。具有空间受力合理、重量轻、用料省、刚度大、跨度大、抗震性能好等优点。其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。网架可按外形分为平面网架、双曲网架和单曲网架，如图010所示。
图010网架结构
8） 薄壳结构
薄壳结构是由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构体系。它能以较薄的板面形成承载能力高、刚度大的承重结构。如广州星海音乐厅（见图011）建筑面积11296m2，其交响乐演奏大厅采用48m×48m双曲抛物面钢筋混凝土薄壳结构，是亚洲最大的钢筋混凝土壳体工程。
图011广州星海音乐厅
9） 悬索结构
悬索结构是以受拉钢索作为主要承重构件的结构体系，这些钢索按一定规律组成各种不同形式的结构。它是充分发挥高效能钢材的受拉作用的一种大跨度结构。这种结构自重轻、材料省、施工方便，但结构刚度及稳定性较差，必须采取措施以防止结构在风力、地震力及其他动荷载作用下因产生很大变形、波动及共振等而遭到破坏。悬索结构一般用于60m以上的大跨度建筑。悬索结构按其曲面形式可分为单曲面和双曲面。1958年建成的美国耶鲁大学溜冰馆（见图012）就是典型的组合悬索结构，它的中央大拱跨度近100m，两片索网的承重索锚挂在钢筋混凝土大拱上，另一端索锚挂在墙顶端的钢筋混凝土曲梁上，索网施加预应力后使索网形成极为美观的造型。1999年建成的江阴长江大桥（见图013）是我国首座跨度超千米（跨度1385m）的特大型钢箱梁悬索桥，也是20世纪“中国第一、世界第四”跨度的钢筋混凝土桥塔和钢悬索组成的大型钢箱梁悬索桥。
图012美国耶鲁大学溜冰馆
图013江阴长江大桥