房屋建筑学 第9章

结构设计 主要任务： 结构选型； 结构布置； 结构受力分析； 结构构件设计。 根据国家有关建筑方针政策和设计规范、标准，以建筑方案为设计条件进行建筑承重体系的设计，主要任务是: 结构选型； 结构布置； 结构受力分析； 结构构件设计。 由结构工程师来完成。

建筑与结构 的关系： 建筑是功能的空间描述； 结构是空间的表达手段；

明确建筑、结构的统一关系 掌握选择结构体系的方法 培养结构概念设计的能力

各种结构体系包含的承重结构类型 结构体系 承 重 结 构 类 型 墙承重结构 夯土墙建筑、砌体墙结构;、 钢筋混凝土剪力墙结构 骨架承重结构 木构架结构、框架结构、框架-剪力墙结构、板柱结构、钢框架结构 大跨度结构 拱结构、刚架结构、桁架结构、排架结构 骨架结构 网架结构、悬索结构、帐篷薄膜结构、充气薄膜结构、折板结构、薄壳结构 空间结构 筒体结构 筒中筒结构、成束筒结构结构、框筒结构

墙承重结构

墙体承重结构按照墙体施工方法和材料的不同，可分为： 夯土墙、土坯墙 石砌墙 砖砌体墙 混凝土砌块墙 现浇钢筋混凝土墙等。

石砌墙

实心粘土砖 多孔粘土砖 粉煤灰硅酸盐砌块 混凝土空心砌块

常用的墙体承重结构： 砖混结构（砖墙，钢筋混凝土楼板） 剪力墙结构（钢筋混凝土墙） 大板结构（钢筋混凝土墙板、复合墙板）

砖混结构（砖墙，钢筋混凝土楼板） 一、结构特征 1 结构材料：墙体--砖砌体 楼板—现浇或预制钢筋混凝土板 2 力学特性：强度较低，自重大，抗震性能较差； 3 适用范围：房间开间、进深不大。在中小型民用建筑中应 用较为广泛 。

二、 选型要点 1 房屋总高度和层数限值； 2 房屋最大高宽比限值； 3 抗震横墙最大间距限值； 4 房屋局部尺寸限值； 5 结构布置要点： 1 房屋总高度和层数限值； 2 房屋最大高宽比限值； 3 抗震横墙最大间距限值； 4 房屋局部尺寸限值； 5 结构布置要点： 优先采用横墙承重或纵横墙混合承重 纵横墙宜均匀对称，平面对齐，竖向连续。 按要求设变形缝。 楼梯间不宜在尽端和转角。

三、墙体布置： 1 横墙承重； 2 纵墙承重； 3 纵横墙混合承重； 4 部分框架承重（底层或内部部分为框架）

横墙承重： 房间开间尺寸大部分相同，且符合钢筋混凝土梁板经济跨度的小空间建筑 。 纵墙承重： 当房间进深较统一，且符合钢筋混凝土梁板的经济跨度，但开间尺寸多样，要求布置灵活时，可采用纵墙承重； 纵横墙混合承重： 当开间、进深均较多样时，可以考虑采用纵横墙混合承重。 部分框架承重：

转角处构造柱 构造柱不设独立基础 构造柱与砖墙拉结 纵横墙交接处构造柱

脱模后的圈梁、构造柱 圈梁与构造柱整浇

三、剪力墙结构体系构成 1）全现浇墙 2）大型板材墙 3）内浇外砌墙 4）内浇外挂墙 5）框支剪力墙 6）框架 - 剪力墙结构

全现浇钢筋混凝土剪力墙体系的高层住宅楼

内浇外挂

大板结构 一、 结构特征 二、 选型要点 1 结构构成 预制大板：内墙板、外墙板、楼板 2 板材类型 实心板 空心板 复合板 1 结构构成 预制大板：内墙板、外墙板、楼板 2 板材类型 实心板 空心板 复合板 3 建筑特征 空间小： 适用于住宅、旅馆、宿舍 刚度大： 可用于地震和非地震区 二、 选型要点 结构平面力求规则 建筑参数尽量减少 保证构件可靠连接 加强外墙板面防水

板材装配式建筑中所用的一些预制墙板

板材装配式建筑

1967年蒙特利尔世界博览会展出的预制装配式盒子住宅

框架 - 剪力墙结构体系 1 体系构成 2 体系特点 框架 + 剪力墙 1）建筑特点 综合体建筑的功能要求 1）建筑特点 综合体建筑的功能要求 ① 框 架：提供大空间，建筑布置灵活。 ② 剪力墙：间距较密，空间小，建筑布置不灵活。 2）结构特点 ① 框 架: 结构延性好，主要承担竖向荷载。但抗推刚度小。 ② 剪力墙：抗推刚度大，抗侧承载力高，承担大部分水平荷载。 3）变形特点 ① 变形协调 a 刚性楼盖 b 非刚性楼盖 ② 最大层间侧移角的减小 楼盖对侧移变形的协调

3 构件受力状态 1）并联体的连杆内力 ① 框 架：剪切型侧向变形。 ② 剪力墙：弯曲型侧向变形。 ③ 并联体：弯剪型侧向变形。 ① 框 架：剪切型侧向变形。 ② 剪力墙：弯曲型侧向变形。 ③ 并联体：弯剪型侧向变形。 2）框架和抗震墙的内力 ① 框 架剪力: 连杆使框架水平剪力上下分布均匀。 ② 抗震墙弯矩：连杆减小抗震墙底部弯矩。 3）水平荷载和剪力分布规律 ① 框架水平荷载上正下负，顶端受正向集中力。 ② 抗震墙水平荷载上小下大，顶端受反向集中力。 ③ 框架和抗震墙顶端水平剪力均不为零。 ④ 框架楼层剪力最大值在(0.3--0.6)H 之间。 ⑤ 抗震墙顶端一段的水平剪力为负值。 ⑥ 抗震墙承担 80% 的水平荷载。

4 抗震墙布置原则 1）抗震墙的设置 ① 沿结构平面主轴线方向布置 ② 抗震墙的数量要适当 ③ 按照“分散 均匀 周边 对称”四准则布置 ④ 不宜布置单肢墙 2）抗震墙的平面布置 ① 每个方向沿两条以上相距较远的轴线设置抗震墙 ② 抗震墙的设置部位： a 竖向荷载较大处 b 平面形状变化或楼盖水平刚度剧变处 c 楼梯电梯间及楼板较大洞口两侧 ③ 抗震墙应避开需要开大洞口的墙体位置 ④ 在独立结构单元端部，抗震墙距外墙<=8米 ⑤ 防震缝两侧不宜设成对的抗震墙 ⑥ 纵向抗震墙不宜设在独立结构单元的两端 ⑦ 抗震墙宜用 L T H 口 形

骨架承重结构

骨架承重结构骨架材料的不同，主要可分为： 木骨架结构 钢筋混凝土框架结构 钢框架结构

骨架承重结构： 木构架结构 檩式 屋架式 人字叉手构架、 抬梁式构架、 穿斗式构架、 密肋平顶式、 干栏式、 井干式 等形式。 在中国的民居中，屋面及整体结构体系有： 檩式 屋架式 人字叉手构架、 抬梁式构架、 穿斗式构架、 密肋平顶式、 干栏式、 井干式 等形式。

大跨度结构

拱结构

② 拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩； ③ 拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大。 一、拱结构特征、优缺点和适用范围 （1） 拱结构的特点 ① 拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力； ② 拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩； ③ 拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大。

刚架结构

一、 刚架结构特征、优缺点和适用范围 刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。由于梁和柱是刚性节点，在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用，因而能减少梁的跨中弯矩；同样，在水平荷载作用下，梁对柱也有约束作用，能减少柱内的弯矩。 由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因而应用非常广泛。一般用于体育馆、礼堂、食堂、菜场等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑。

排架结构，桁架结构

由屋架（或屋面梁）、柱、基础等组成，柱顶与屋架为铰接，柱底与基础顶面为固接。在单层工业厂房中有着广泛的应用。根据生产工艺和使用要求不同，排架结构可设计成等高或不等高、单跨或多跨及其它多种形式。

排架结构——某单层厂房室内

一、结构特征、优缺点和适用范围 桁架在实际工程中常为排架结构的屋架。桁架是由杆件组成的一种格构式结构体系，杆件与杆件的结合假定为铰接，所以在外力作用下，杆件内力为轴向力（拉力或压力），而且分布均匀，故桁架结构比梁结构受力合理。 桁架内力分布均匀，材料强度能充分利用，减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。所以桁架结构是大跨度建筑常用的一种结构形式。

网架结构

平板网架和网壳结构，还包括一些未能单独归类的特殊形式，如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等，总起来可称为空间网格结构。 这类结构在我国发展很快，且持续不衰。

一、网架结构特征、优缺点和适用范围 网架是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构，它具有下列优点： （1）杆件之间相互起支撑作用，形成多向受力的空间结构， 故其整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震； （2）当荷载作用于网架各节点上时，杆件主要承受轴向力， 故能充分发挥材料的强度，节省材料； （3） 网架结构高度小，可以有效地利用空间； （4） 结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产； （5） 网架形式多样，可创造丰富多彩的建筑形式。

（二） 网架结构形式 网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状，如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面的建筑。 按外形分为平板网架和曲面网架； 按建造材料可分为钢网架、木网架、钢筋混凝土网架； 按网架本身的构造又可分为单层网架和双层网架。 平板网架都是双层的，曲面网架可以是单层网架或双层网架。平板网架多采用钢管或角钢制作。曲面网架可采用木、钢、钢筋混凝土，我国受木材资源少的限制，很少用木材制作网架，而多采用钢网架，有时也采用钢筋混凝土网架。 平板网架自身不产生推力，支座为简支，构造比较简单，可以适用于各种形状的建筑平面，所以应用最广泛。 曲面网架多数是有推力的结构，支座条件比较复杂，但外形美观，建筑造型独具特色。

按外形： ① 平板网架 a.交叉桁架体 系 b.角锥体系 ② 曲面网架 a.球面网壳 b.柱面网壳 c.双曲面网壳

由网架结构覆盖的交通空间

空间网架在建筑物入口处的运用

悬索结构

悬索结构屋面覆盖的世博会展厅

尽管十余年来我国悬索结构取得了可喜的发展，但与网架和网壳结构比较其发展相对较慢，分析起来可能有两方面的原因： （1）悬索结构的设计计算理论相对复杂一些，又缺少具有较高商品化程度的实用计算程序，因而难于为一般设计单位普遇采用； （2）尽管悬索结构的施工并不复杂，但一般施工单位对它不够熟悉，更没有形成专业的悬索结构施工队伍，这也影响建设单位和设计单位大胆采用这种结构形式。

帐篷薄膜结构

张拉式膜（或索-膜）结构自80年代以来在发达国家获得极大发展。 这种体系与索网结构类似，张紧在刚性或柔性边缘构件上，或通过特殊构造支承在若干独立支点上，通过张拉建立预应力，并获得确定形状。 膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从上世纪七十年代以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。

帐篷薄膜结构是利用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成建筑空间的一种结构。它的历史仅有几十年，是在悬索结构的基础上发展起来的。 柔软的薄膜不能承受荷载，只有将它绷紧后才能受力，所以这种结构只能承受拉力，而且在任何情况下都必须保持受拉状态，否则就会失去稳定。 帐篷薄膜结构的主要优点是：轻巧柔软、透明度高、采光好、省材料、构造简单、安装快速、便于拆迁、外形千姿百态、这种结构易出现的弊病是抗风能力差而易失去稳定，设计时必须合理选择拉索的支点、曲率和预应力值。 这种结构适用于各种建筑平面，主要用于临时性或半永久性建筑，如供短期使用的博览会建筑、体育建筑、文娱演出建筑和进行其他活动的临时性建筑。

美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（Geogia Dome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。

体育场张拉膜结构顶盖

张拉膜结构的连廊

空间结构支承系统所适用的建筑类型 张拉膜结构的展示空间

充气薄膜结构

这种结构是利用薄膜材料制成气囊，充气后形成建筑空间，并承受外力，故称为充气薄膜结构。它在任何情况下都必须处于受拉状态才能保持结构的稳定，所以它总是以曲线和曲面来构成自己的独特外形。 充气薄膜结构兼有承重和围护双重功能，故大大简化了建筑构造。薄膜充气后均匀受拉，能充分发挥材料的力学性能，省材料，加之薄膜本身很轻，因而可以覆盖巨大的空间。这种结构的造型美观，且能适用于各种形状的平面。薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑不设天窗也能满足采光要求。 由于充气薄膜结构具有上述优点，一些国家在最近40年已先后建成充气结构的体育馆、展览馆、餐厅、医院等多种类型的建筑，而且特别适用于防震救灾等临时性建筑和永久性建筑。 充气薄膜结构形式分为气承式和气肋式两种。另外，还可将充气薄膜结构与网索结合起来运用，这样可增大结构的刚度，提高结构的稳定性和抗风能力。

某体育场由半透明的充气膜结构覆盖，可根据不同球队的比赛改变外观的颜色。

充气膜结构的植物园穹顶

膜结构的空间研究大楼

折板结构

折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。折板结构通常用钢筋混凝土建造，也可用钢丝网水泥建造。 折板结构由折板和横隔构件组成。在波长方向，折板犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板，折板的波峰和波谷处刚度最大，可视为连续板的各支点， 折板结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄，省材料，省模板，可预制装配，构造简单。折板结构可用来建造大跨度屋顶，也可用作外墙。

2）横隔构件：可用横隔板、横隔梁、横隔桁架 折板结构的组成 1）折板：由钢砼或钢网水泥平板组成 2）横隔构件：可用横隔板、横隔梁、横隔桁架 3）边梁：当跨度较大时设边梁，以减小折板倾角

L B 折板结构的主要尺寸 ①长折板：L/B>1，f≥(1/10～1/15)L ②短折板：L/B≤1，f≥1/8L 1）折板类型 ①长折板：L/B>1，f≥(1/10～1/15)L ②短折板：L/B≤1，f≥1/8L 2）跨度：普通砼可达到21米，预应力砼可达到27米 3）一般尺寸：B=2～3米，f=0.5～1.2米，板厚≥B/40 L≥24米，B=1～2米，板厚25～45 f≥L/40 L B

折板薄壳结构建筑

薄壳结构 自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。

一、结构特征、优缺点和适用范围 薄壳结构是用混凝土、塑料等刚性材料以各种曲面形式构成的薄壳结构，呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴向力，而弯矩和扭距很小，所以混凝土强度能得到充分的利用。 由于是空间结构，强度和刚度都非常好。薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一。而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一。所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑屋顶。 但大多数薄壳结构的形式较复杂，多采用现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载,这些缺点在一定程度上影响了它的推广使用。

各种空间结构类型中，钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所发展，当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳，在理论研究方面还投入过许多力量，制定了相应的设计规程。 但这种结构类型日前应用较少，主要原因可能是施工比较费时费事。

二、薄壳结构的形式 薄壳结构形式很多，常用的有筒壳、圆顶壳、双曲扁壳、鞍形壳等四种。 筒壳由壳面、边梁、横隔构件三部分组成，为单曲面薄壳，形状较简单，便于施工，是最常用的薄壳形式。 圆顶壳由壳面和支承环两部分组成具有很好的空间工作性能，很薄的圆顶可以覆盖很大的空间，可用于大型公共建筑，如天文馆、展览馆、体育馆、会堂等各种建筑。 双曲扁壳由双向弯曲的壳面和四边的横隔构件组成，它受力合理，厚度薄，可覆盖较大的空间，较经济，适用于工业与民用建筑的各种大厅或车间。 双曲抛物面壳由壳面和边缘构件组成，外形特征犹如一组抛物线倒悬在两根拱起的抛物线之间，形如马鞍，故又称鞍形壳。倒悬方向的曲面如同受拉的索网，向上拱起的曲面如同拱结构，拉压相互作用，提高了壳体的稳定性和刚度，使壳面可以做得很薄。