第十章-建筑體型與結(jié)構(gòu)布置給學(xué)生20100412

第一節(jié)建筑體型一、建筑體型的形成從幾何的概念來分類，建筑平面與立體形狀可分為凸形與凹形兩大類。凸形圖形中，任何兩點(diǎn)的連線都不可能穿越圖形界限，稱為簡單圖形；凹形圖形中，用一條穿越圖形界限的直線連接圖形內(nèi)的兩點(diǎn)，稱為復(fù)雜圖形。

簡單圖形復(fù)雜圖形建筑平面分為簡單建筑平面、復(fù)雜建筑平面；建筑立面分為簡單建筑立面、復(fù)雜建筑立面。簡單建筑平面復(fù)雜建筑平面簡單建筑立面復(fù)雜建筑立面

從二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，任何一個建筑體型都可歸納為平面上的兩個基本類型與立面上的兩個基本類型的組合，即一共有四種基本組合。a)簡單平面與簡單立面的組合b)復(fù)雜平面與簡單立面的組合c)簡單平面與復(fù)雜立面的組合d)復(fù)雜平面與復(fù)雜立面的組合二、建筑體型的變化1、簡單平面與簡單立面的組合簡單平面的尺寸變化包括絕對尺寸和相對尺寸兩方面，平面尺寸較大的建筑物的受力顯然比平面尺寸小的建筑物要復(fù)雜的些，這時要考慮到結(jié)構(gòu)整體性，同時又要考慮到溫度應(yīng)力，混凝土收縮等不利因素的影響。而平面的長寬比較大的建筑物顯然比平面為正方形的建筑物更容易受到扭轉(zhuǎn)，不均勻沉降的威脅。

簡單立面的尺寸變化對結(jié)構(gòu)的影響也包括絕對尺寸和相對尺寸兩個方面。建筑物越高，側(cè)向風(fēng)荷載或地震作用的影響越大；建筑物的高寬比H/B越大，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗傾覆穩(wěn)定性就越差；當(dāng)高寬比一定時，降低建筑物的質(zhì)量中心則有利于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)穩(wěn)定性。2、復(fù)雜平面與簡單立面的組合復(fù)雜平面的形狀很多，其基本尺寸對結(jié)構(gòu)受力的影響也可以從絕對尺寸和相對尺寸兩方面考慮，其中主要為肢翼長度和肢翼寬度之比。一般地說，肢翼長度越大，肢翼寬度越小，則結(jié)構(gòu)受力越不利。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜時，可在結(jié)構(gòu)上設(shè)置變形縫把它分成兩個矩形平面。復(fù)雜平面轉(zhuǎn)化成簡單平面3、簡單平面與復(fù)雜立面的組合立面是復(fù)雜立面，整個建筑物在不同的高度有不同的建筑平面。各種收進(jìn)方式及各種尺寸變化時的情況如圖，建筑體型的變化對豎向荷載和水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力都將產(chǎn)生影響。a)兩鄰邊收進(jìn)b)四邊收進(jìn)1）帶小塔樓的建筑：在地震作用下，小塔樓由于鞭稍效應(yīng)產(chǎn)生較大的慣性力，會造成塔樓根部的破壞甚至塔樓的倒塌。設(shè)計中一般是控制b/h值，即小塔樓不能突然內(nèi)收很多，避免剛度發(fā)生突變。2）帶裙房的建筑：由于裙房部分與主樓部分自重相差懸殊，會產(chǎn)生地基的不均勻壓縮，引起建筑物的不均勻沉降，或?qū)е禄A(chǔ)結(jié)構(gòu)的破壞。4、復(fù)雜平面與復(fù)雜立面的組合復(fù)雜的建筑體型使建筑物具有明顯的個性，但卻給結(jié)構(gòu)布置帶來了難題。結(jié)構(gòu)布置：1）限制：限制裙房外伸、小塔樓的高度、內(nèi)收尺寸等；2）加強(qiáng)：設(shè)置剛性基礎(chǔ)、剛性層或其他的構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的整體性；3）當(dāng)上述方法無法令人滿意時，設(shè)置變形縫：把復(fù)雜的建筑體型分成若干個簡單的結(jié)構(gòu)單元。第二節(jié)結(jié)構(gòu)布置一、對稱性對稱性包括建筑平面的對稱，質(zhì)量分布的對稱，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的對稱三方面。最佳的方案是使建筑平面形心，質(zhì)量中心，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中心在平面上位于同一點(diǎn)上，而在豎向則位于同一鉛錘線上，簡稱“三心重合”。1、建筑平面的對稱性建筑平面形狀最好是雙軸對稱的，這是最理想的。但有時也可能只能對一個軸對稱，有時可能是根本找不到對稱軸。

雙軸對稱單軸對稱無軸對稱

不對稱的建筑平面對結(jié)構(gòu)來說有三個問題：會因其外荷載作用的不均勻，從而產(chǎn)生扭矩；會在凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中；不對稱的建筑平面很難使三心重合。因此，對于單軸對稱或無軸對稱的建筑平面，在結(jié)構(gòu)布置時必須十分小心，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)從各個方向反復(fù)進(jìn)行計算，并考慮結(jié)構(gòu)的空間作用。2、質(zhì)量布置得對稱性在建筑平面對稱和結(jié)構(gòu)剛度均勻分布的情況下，若建筑物質(zhì)量分布有較大偏心，當(dāng)遇到地震作用時，地震慣性力的合力將會對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中心產(chǎn)生扭矩，這時也會引起建筑物的扭轉(zhuǎn)和破壞。3、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的對稱性抗側(cè)力構(gòu)件的布置地結(jié)構(gòu)受力有十分重要的影響。在對稱的建筑外形中進(jìn)行了不對稱的建筑平面布置，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)剛度的不對稱布置。

在建筑物的一側(cè)布置墻體，而在其他部位則為框架結(jié)構(gòu)。由于墻體的抗側(cè)剛度要比框架大得多，這樣當(dāng)建筑物受到均勻的側(cè)向荷載作用時，樓蓋平面顯然將發(fā)生圖中虛線所示的扭轉(zhuǎn)變位?？箓?cè)墻體的不均勻布置布置在樓梯間，電梯間四周的墻體所形成的核芯井筒往往能提供較大的抗側(cè)剛度，因此核芯井筒的位置對結(jié)構(gòu)受力有較大的影響。矩形平面中核心筒如為對稱布置，容易滿足“三心重合”的要求，而L形平面卻難以滿足“三心重合”的要求，結(jié)構(gòu)布置時須十分小心。例——馬拿瓜國家銀行結(jié)構(gòu)平面在矩形的建筑平面中，一側(cè)集中布置了實心填充外墻及兩個核心筒，而另三邊則采用了空曠的密柱框架，樓蓋結(jié)構(gòu)為單向密肋板。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度中心明顯地與建筑平面形心和建筑質(zhì)量中心偏離，該建筑已在一次地震中倒塌。二、連續(xù)性連續(xù)性是結(jié)構(gòu)布置中重要方面，而又常常與建筑布置相矛盾。建筑師往往希望從平面到立面都豐富多變，而合理地結(jié)構(gòu)布置卻應(yīng)該是連續(xù)的，均勻的，不應(yīng)使剛度發(fā)生突變。

下為框架結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，形成薄弱的幾個例子。

1）由于底層大空間的要求抽掉了部分柱子，即由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的不連續(xù)性形成了薄弱層。

2）由于結(jié)構(gòu)底層層高較高，即由于結(jié)構(gòu)的層高是樓板至樓板的高度，而底層結(jié)構(gòu)的層高是自二層樓板至基礎(chǔ)頂面的高度，這樣便自然出現(xiàn)了底層層高大于上部層高的情況。

3）是建筑物建于山坡的情況，即由于結(jié)構(gòu)尺寸變化在層平面內(nèi)的不連續(xù)性形成了薄弱層。很顯然當(dāng)柱子截面尺寸相同時，由于短柱具有較大的抗側(cè)剛度，因此將承受較多的側(cè)向地震力而容易首先破壞。下圖為剪力墻布置不連續(xù)的幾個例子。

a為框架支承的剪力墻，當(dāng)?shù)讓有枰箝_間時往往將部分剪力墻在底層改為框架。

b，c為不規(guī)則布置的剪力墻結(jié)構(gòu)，由于立面造型上的要求或建筑門窗布置的要求使剪力墻布置上下無法對齊。

d的布置則常常出現(xiàn)在樓梯間采光的要求使洞口錯位布置。很顯然，對于上述幾種結(jié)構(gòu)剛度沿豎向有突變的剪力墻結(jié)構(gòu)，常常會由于集中而產(chǎn)生裂縫或造成局部的損壞。三、周邊作用下圖為建筑平面相同，結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式相同，結(jié)構(gòu)材料用量相同，僅構(gòu)件布置位置不一樣的幾種情況。由于墻體具有較大抗側(cè)力剛度，因此墻體位置的變化對整個結(jié)構(gòu)的抗傾覆和抗扭轉(zhuǎn)能力有明顯的影響。在材料力學(xué)中就知道，材料布置得力中心愈遠(yuǎn)，它所作用的力臂就愈大，從而產(chǎn)生的抵抗矩就愈大。因此在梁的設(shè)計中，廣泛地應(yīng)用工字形截面梁來代替矩形截面梁。高層建筑平面布置時，則應(yīng)把具有較大抗側(cè)剛度的剪力墻，核心筒布置在建筑物周邊。四、角部構(gòu)件角部構(gòu)件往往受到較大的荷載或較復(fù)雜的內(nèi)力，在結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)特別注意。在多層框架結(jié)構(gòu)中，角柱雖然受到的軸力較小，但它為雙向受彎構(gòu)件，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體受扭時所受到的剪力最大，所以角柱在整個柱高范圍內(nèi)，都應(yīng)采取加密箍筋等構(gòu)造措施。筒體結(jié)構(gòu)側(cè)向荷載作用下，角柱內(nèi)會產(chǎn)生比其他柱子更大的軸力，且角柱是形成空間工作的重要構(gòu)件，因此，筒體結(jié)構(gòu)中的角柱往往均予以加強(qiáng)，有時甚至在建筑平面的四角布置四個角筒。五、多道防御多道防御的設(shè)計概念對抵抗未能預(yù)測的災(zāi)害有重要意義。在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，要求當(dāng)結(jié)構(gòu)中的某些截面出現(xiàn)塑性鉸或一部分構(gòu)件受到破壞時，整個結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)工作，承受荷載。多道防御的設(shè)計概念可應(yīng)用于單榀結(jié)構(gòu)，也可應(yīng)用于整個結(jié)構(gòu)。以框架結(jié)構(gòu)為例，由于梁，柱內(nèi)塑性鉸出現(xiàn)次序的不同而有多種可能的破壞形態(tài)，其中最典型的破壞形態(tài)如圖所示。

a,b結(jié)構(gòu)為強(qiáng)梁弱柱型的，即結(jié)構(gòu)在豎向荷載和地震作用下，首先是在柱端截面發(fā)生破壞。顯然，只要在某一層柱的上下端出現(xiàn)塑性鉸，即會造成整個結(jié)構(gòu)的破壞。

鋼筋砼梁的塑性鉸特點(diǎn)：1）只沿彎矩作用方向發(fā)生單向轉(zhuǎn)動，普通鉸沿任意方向轉(zhuǎn)動；2）能傳遞一定的彎矩，理想鉸不能承受任何彎矩；3）有一定長度，而理想鉸集中于一點(diǎn)。種類：1）對于適筋梁，塑性鉸形成的起因是受拉鋼筋先屈服，稱為鋼筋鉸；2）對于超筋梁，鋼筋未屈服，轉(zhuǎn)動主要由受壓區(qū)砼的非彈性變形引起，稱為砼鉸。c的結(jié)構(gòu)為強(qiáng)柱弱梁型的，即結(jié)構(gòu)在豎向荷載和地震作用下，塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端?？梢钥闯?，即使所有的梁端全部出現(xiàn)塑性鉸，也部至于造成整個結(jié)構(gòu)的破壞，而要等梁鉸出現(xiàn)大變化，以至柱端亦出現(xiàn)塑性鉸時，才會引起整個結(jié)構(gòu)的倒塌。強(qiáng)柱弱梁型框架結(jié)構(gòu)有兩道防線，這對建筑抗御地震作用是十分有效的。第三節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，限于目前的計算技術(shù)和理論水平，對許多問題尚不能進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，如混凝土結(jié)硬過程中的收縮在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力，氣溫的變化或溫差對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，地基的變形及對結(jié)構(gòu)的影響，地震對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的作用等等。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時只能通過一些定性的分析對建筑體型進(jìn)行某些限制，或通過設(shè)置一些變形縫把結(jié)構(gòu)分割成若干個獨(dú)立的單元。設(shè)置變形縫是避免建筑體型與結(jié)構(gòu)受力之間矛盾的有效方法，但設(shè)置變形縫也會帶來許多弊病，如材料用量增加、結(jié)構(gòu)構(gòu)筑復(fù)雜、建筑立面處理困難、變形縫處易滲漏水等，因此，目前在一些建筑設(shè)計中不設(shè)或少設(shè)變形縫的做法日趨流行。

一、溫差及混凝土收縮對結(jié)構(gòu)布置的要求要準(zhǔn)確地計算由于溫差或混凝土收縮產(chǎn)生的附加應(yīng)力較為困難，目前在設(shè)計中一般通過設(shè)置伸縮縫，來避免在設(shè)計中計算結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫差應(yīng)力或收縮應(yīng)力。而在伸縮縫區(qū)段范圍內(nèi)，則認(rèn)為由于溫差或收縮引起的應(yīng)力已經(jīng)很小，可以忽略不計。為減少溫度應(yīng)力，首先的問題是要減少溫差，一般采用保溫隔熱等措施，如在屋頂層增設(shè)保溫隔熱層，或采用架空通風(fēng)屋面，也有對外柱采用保溫隔熱措施。伸縮縫應(yīng)從基礎(chǔ)頂面開始，基礎(chǔ)可不分開，將兩個溫度區(qū)段的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全分開，并留出一定寬度的縫隙，使上部結(jié)構(gòu)在氣溫有變化時，水平方向可以自由地發(fā)生變形。二、不均勻沉降的要求沉降縫是為減少不均勻沉降引起的內(nèi)力而設(shè)置的變形縫。當(dāng)建筑物兩部分高差懸殊時，或當(dāng)建筑物兩部分荷載相差懸殊時，或建筑物先后建造且先后間隔時間較長時，都應(yīng)設(shè)置沉降縫，使縫兩側(cè)的建筑物可以自由沉降，以免產(chǎn)生裂縫。沉降縫應(yīng)將建筑物從基礎(chǔ)至屋頂全部斷開，并有足夠的寬度（查規(guī)范）。設(shè)置沉降縫同樣會給結(jié)構(gòu)構(gòu)造、建筑立面處理、地下室防水等帶來麻煩。為避免設(shè)置沉降縫，可采用樁基，并將樁端支承在基巖上，減少結(jié)構(gòu)的沉降量；或?qū)⒅鳂桥c裙房采用不同的基礎(chǔ)形式，并調(diào)整基礎(chǔ)地面的土壓力，使主樓與裙房的基底附加壓力和沉降量基本一致；也可采用設(shè)置施工后澆帶的方法。三、防震的要求需要抗震設(shè)防的建筑，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范對建筑體型有較多的限制條件。主要原則是：建筑的平、立面布置宜規(guī)則、對稱，建筑的質(zhì)量分布宜均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度沿豎向應(yīng)均勻變化，樓層不宜錯層，構(gòu)件的截面由下至上逐漸減小，不突變。當(dāng)建筑物頂層或底部由于大空間的要求取消部分墻柱時，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采取有效構(gòu)造措施，防止由于剛度突變擊產(chǎn)生的不利影響。設(shè)置抗震縫，將建筑物劃分為若干個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。寬度，應(yīng)保證在考慮基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動和上部結(jié)構(gòu)變形的情況下，防震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)仍能不發(fā)生碰撞，最小寬度應(yīng)滿足規(guī)范要求。四、結(jié)構(gòu)高寬比的要求

從整體上看，建筑物如一個頂部自由、底部嵌固于地基上的懸臂柱，承受豎向荷載和側(cè)向荷載的共同作用。在抗震設(shè)計中，該懸臂柱的長細(xì)比對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移有較大的影響，建筑物的高度與寬度的比值（高寬比）可能比它的絕對尺寸更重要。建筑物越細(xì)長，地震的傾覆作用越厲害，外側(cè)柱子由于地震作用而產(chǎn)生的內(nèi)力也越大，建筑物的側(cè)向位移也越大。規(guī)范中提出了高寬比的限制值，當(dāng)建筑物高寬比超出表中限值時，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以特別注意。

將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞給地基土、連接上部結(jié)構(gòu)與地基土的下部結(jié)構(gòu)稱為基礎(chǔ)。地基是指承托土木工程基礎(chǔ)的這一部分很小的場地。

第四節(jié)基礎(chǔ)一、地基與基礎(chǔ)二、淺基礎(chǔ)的定義通常把位于天然地基上、埋置深度小于5m的一般基礎(chǔ)（柱基或墻基）以及埋置深度雖超過5m，但小于基礎(chǔ)寬度的大尺寸（如箱形基礎(chǔ)），統(tǒng)稱為天然地基上的淺基礎(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)：埋置深度較淺，用料較省，無需復(fù)雜的施工設(shè)備，工期短、造價低。二、淺基礎(chǔ)的類型

按基礎(chǔ)剛度分類：剛性基礎(chǔ)、擴(kuò)展基礎(chǔ)1、剛性基礎(chǔ)剛性基礎(chǔ)是由磚、石、素混凝土或灰土等材