第四章 土木建筑 工程结构与基本构件

本章主要讲授以下几个方面内容 1.土木建筑工程构造的基本知识 2.多层砌体结构 3.钢筋混凝土构件 4.单层厂房排架结构 5.道路与桥梁构造

第一节 概 述 一、结构的分类 1．结构的概念 结构是指房屋建筑和土木工程的建筑物、构筑物及其相关组成部分的实体，但从狭义上说是指各种工程实体的承重骨架。应用在土木工程中的结构称工程结构，例如桥梁、堤坝等。当局限于房屋建筑中采用的结构则称为建筑结构。 2．结构的分类 根据所用材料的不同，结构有钢结构、钢筋混凝土结构，木结构、砌体混合结构等。 建筑结构按结构的空间形态，有单层、多层、高层和大跨度结构等。 组成结构的基本单元称为基本构件。

二、结构上的作用 1．结构上的作用 结构上的作用是指施加在结构上的集中或分布荷载以及起结构外加变形或约束变形因素的总称。 2.作用效应 施加在结构上的集中荷载和分布荷载称为直接作用。地震、地基沉降、混凝土收缩、温度变化、焊接等因素虽然不是荷载，但可以引起结构的外加变形或约束变形：称为结构上的间接作用。 2.作用效应 施加在结构上的各种作用，将在支座处产生反力，同时还将使结构产生内力与变形，甚至使结构出现裂缝。它们总称为作用效应。 3.结构抗力 土建结构构件的抗力，是指土建结构或构件承受作用效应的能力，如结构构件承载力(轴力、弯矩、扭矩)、变形(刚度)、抗裂等的统称。

三、荷载 （一）荷载分类 荷载是建筑物或构筑物在使用和施工过程中所受到的各种直接作用，如结构自重、人群重量、设备重量以及土压力、水压力、风压力，雪压力等。 1．结构上的荷载按其作用性质分 （1）永久荷载 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载，称永久荷载也叫恒载。如结构自重、土压力等。 （2）可变荷载 在结构使用期间，其值随时间变化，且变化值与平均值相比不可忽略的荷载，称可变荷载，也叫活荷载。如吊车荷载、风荷载、雪荷载等。 （3）偶然荷载 在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间较短的荷载，称偶然荷载。如爆炸力、撞击力等。

2．结构上的荷载按其作用力分布情况不同分 （1）集中荷载 （2）分布荷载

（二）荷载分项系数与荷载设计值 1．荷载分项系数 荷载分项系数是设计计算中反映荷载不确定性并与结构可靠度相关联的分项系数。 2．荷载设计值 荷载代表值乘以荷载分项系数后的值，称为荷载设计值。 结构计算中，按承载力极限状态计算时，采用荷载设计值。按正常使用极限状态设计中，当考虑荷载短期效应组合时，恒载和活荷载都用标准值；当考虑荷载长期效应组合时，恒载用标准值，活荷载用准永久值。

四、材料强度标准值与设计值 1．强度标准值 我国<建筑结构设计统一标准》规定，材料性能的标准值是结构设计时采用的材料性能的基本代表值。保证率为95％。 2．强度分项系数 材料性能分项系数和荷载分项系数，是设计时为了保证所设计的结构或构件具有规定的可靠度而在计算模式中采用的系数。 3．强度设计值与强度标准值的关系 材料强度设计值=材料强度标准值/材料强度分项系数 在验算结构构件的承载力设计值时，材料强度按设计值取值。

设计任何建筑物和构筑物时，必须使其结构满足安全性、适用性和耐久性，它是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。 五、结构的可靠度 1．结构的可靠性 设计任何建筑物和构筑物时，必须使其结构满足安全性、适用性和耐久性，它是结构可靠的标志，总称为结构的可靠性。 （1）安全性：即结构构件能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用，以及在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性，即结构构件的强度和整体稳定性要求。 （2）适用性：即在正常使用时，结构构件具有良好的工作性能，不出现过大的变形和过宽的裂缝。 （3）耐久性：即在正常的维护下，结构构件具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象。

2．结构的可靠度 结构的可靠度是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。 （1）这个规定的时间为设计基准期，我国规定的设计基准期为50年； （2）规定的条件为正常设计、正常施工和正常使用的条件，即不包括错误设计、错误施工和违反原来规定的使用情况； （3）预定功能指的是结构的安全性、适用性、耐久性。因此，结构的可靠度是结构可靠性的概率度量。

六、结构的极限状态 极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态分为以下两类： 1．承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形；当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： （1)整个结构或结构的一部分失去平衡，如倾覆等； （2)由于超过材料的允许强度而导致结构构件或连接的破坏，包括疲劳破坏，或因过度的塑性变形被拉断、压碎，而不适于继续承载； （3)结构由静定、超静定变为机动体系； （4)结构或结构构件丧失稳定，如梁在平面外扭屈、柱压屈等。

2．正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态，而失去了正常使用和耐久功能： （1)影响正常使用或外观的变形； （2)影响正常使用或耐久性能的局部破坏，包括裂缝； （3)影响正常使用的震动； （4)影响正常使用的其他特定状态，混凝土受腐蚀、钢材生锈等。

第二节 多层砌体结构 一、概述 1．砌体结构 以砖、石或砌块用砂浆砌筑而成的砌体作为主要承重构件的结构，称为砌体结构。砖狭义指粘土烧结砖，广义也可统称一切人工砌块。由各种天然或人工砌块砌筑而成的砌体结构，习惯上称砖混结构。 2．砌体结构的特点 （1）粘土、砂和石是天然材料，分布较广，砌块可采用工业废料(如矿渣、煤灰)，容易就地取材，且较水泥、钢材和木材的价格便宜； （2）具有良好的耐火性和较好的耐久性；

（3）砌体中尤其是砖砌体保温、隔热、隔音性能好，节能效果明显，既美观又舒适； （4）施工方法简单，不需要模板和特殊的施工设备，且能较好地连续施工。在寒冷地区，冬季可用冻结法施工，不需特殊的保温措施。 砌体结构的主要缺点在于：砌体强度低，构件截面尺寸较大，材料用量多，结构自重大；砌体的抗拉、抗剪强度更低，砌体结构的抗震性能差，应用范围受到限制；此外，砌体基本采用手工方式砌筑，劳动量大，生产率较低。尤其值得注意粘土是制造粘土砖的主要原材料，要增加砖产量，势必过多占用农田，不但严重影响农业生产，对保持生态平衡也很不利。因此，我国已开始使用各种砌块及空心砖代替粘土砖。

二、砌体结构受力分析 按照国家标准规定的方法砌筑的砖砌体试件，轴压试验分三个阶段。第1阶段，从加载开始直到在个别砖块上出现初始裂缝，该阶段属于弹性阶段，出现裂缝时的荷载约为0．5～0．7倍极限荷载。第Ⅱ阶段，继续加载后个别砖块的裂缝陆续发展成少数平行于加载方向的小段裂缝，试件变形增加较快，此时的荷载不到极限荷载的0．8倍。第Ⅲ阶段，继续加载时小段裂缝会较快沿竖向发展成上下贯通整个试件的纵向裂缝。试件被分割成若干个小的砖柱，直到小砖柱因横向变形过大发生失稳，体积膨胀，导致整个试件破坏。

楼、屋盖上的竖向荷载通过板或梁传至横墙，并经横墙基础传至地基的承重体系，称为横墙承重方案。其特点是： 三、砌体结构选型 1．横樯承重体系 楼、屋盖上的竖向荷载通过板或梁传至横墙，并经横墙基础传至地基的承重体系，称为横墙承重方案。其特点是： （1)房屋横向刚度较大，整体性好。 （2)楼盖结构较简单，施工方便，楼盖的材料用量较少，但墙体材料用量较多。 （3)外纵墙不承重，便于设置洞口大的门窗，外墙面的装饰也容易处理。 这种体系适用于横墙间距较密的多层住宅、宿舍和旅馆等建筑。

3．纵横墙承重体系 2．纵墙承重体系 它是由纵墙直接承受屋、楼盖竖向荷载的结构体系，称为纵墙承重方案。其特点是： （1)横墙较少，建筑平面布置较灵活，但纵墙承受的荷载较大，往往要设扶壁柱。且纵墙上门窗洞口尺寸和位置受到一定的限制。 （2)房屋的横向刚度较横向承重体系的要差。 （3)楼盖跨度较大，材料用量较多，但墙体材料用量较少。 这种体系适用于要求空间较大的教学楼、办公楼、实验楼、影剧院和仓库等建筑。 3．纵横墙承重体系 它是由纵墙和横墙混合承受屋盖、楼盖荷载的结构承重体系，兼有上述两种承重体系的优点。

4．底层框架或多层内框架承重体系 它是指底层为钢筋混凝土框架而上面各层仍为混合结构，或由房屋内部的钢筋混凝土框架和外部砌体墙、柱构成的承重体系。其特点是： （1)房屋或房屋底层开间大，平面布置较为灵活，但横墙或房屋底层的横墙较少，房屋刚度或底层刚度较差。 （2)与全钢筋混凝土框架结构承重的房屋相比较，可节省钢材、水泥和木材。 （3)多层内框架房屋由钢筋混凝土和砌体两种性能不同的材料组成，在荷载作用下墙、柱将产生不同的压缩变形，从而在结构中引起较大的附加内力，抵抗地基不均匀沉降能力较弱。对于底层为框架上层为混合结构的房屋，其抗震性能也较差。

第三节 混凝土受弯构件基本原理和基本构件 一、概述 1、钢筋混凝土结构的优点 （1）耐久性和耐火性较好，混凝土保护钢材以免高温软化； （2）整体性好，延性好，与其他材料构成的结构构件相比，混凝土结构构件可整体浇注，提高了刚度，抗震能力较强； （3）可模性好，可以较多地满足建筑体型要求支模进行浇注，可以做成多种几何形态； （4）取材容易，混凝土原材料中大量的砂、碎石以及工业废料如矿渣、粉煤灰、陶粒等均为地方性材料，多而易得，毁土地少。 水泥和钢材用量相对较少，以上诸多优点使其有利于发展。但钢筋混凝土结构仍有缺点：自重大，限制结构往高度及大跨发展；隔音隔热性能稍差；结构加固维修较难；支模、绑扎、焊接钢筋与混凝土浇注施工比较复杂，技术性较高，现场作业量大，施工连续性要求高，易受季节性影响，比较费工费时。

2．钢筋和混凝土的材料性能 （1)钢筋的力学性能： 建筑钢筋分两类，一类为有明显流幅的钢筋，另一类为没有明显流幅的钢筋。 （2)混凝土的强度： 1）立方体抗压强度fCU：立方体抗压强度fCU是确定混凝土强度等级的标准，它是混凝土各种力学指标的基本代表值，混凝土的其他强度可由其换算得到。立方体抗压强度系指按照标准方法制作养护的边长为150 mm的立方体试件在28天龄期，用标准试验方法测定的抗压强度。 2）轴心抗压强度fc；实际工程中的受压构件并非立方体而是棱柱体。棱柱体的抗压强度比抗压强度低，因此计算时应采用棱柱体轴心抗压强度。 3）轴心抗拉强度ft是计算抗裂的重要指标。混凝土的抗拉强度很低；

（3）钢筋与混凝土的共同工作。 钢筋与混凝土的相互作用叫粘结。钢筋与混凝土能够共同工作依靠它们之间的粘结强度。混凝土与钢筋接触面的剪应力称粘结应力。 影响粘结强度的主要因素有混凝土的强度、保护层的厚度和钢筋之间的净距离等。

二、钢筋混凝土梁的配筋原理 （一）梁的破坏形式 1．适筋梁 是指含有正常配筋的梁。其破坏的主要特点是受拉钢筋首先达到屈服强度，受压区混凝土的压应力随之增大，当受压区混凝土达到极限压应变时，构件即告破坏这种破坏称为适筋破坏。这种梁在破坏前，钢筋经历着较大的塑性伸长，从而引起构件较大的变形和裂缝，其破坏过程比较缓慢，破坏前有明显的预兆，为塑性破坏。适筋梁因其材料强度能得到充分发挥，受力合理，破坏前有预兆，所以实际工程中应把钢筋混凝土梁设计成适筋梁。

2．超筋梁 是受拉钢筋配得过多的梁。由于钢筋过多，所以这种梁在破坏时，受拉钢筋还没有达到屈服强度，而受压区混凝土却因达到极限压应变先被压碎，而使整个构件破坏这种破坏称为超筋破坏。超筋梁的破坏是突然发生的，破坏前没有明显预兆，为脆性破坏。这种梁配筋虽多，却不能充分发挥作用，所以是不经济的。由于上述原因，工程中不允许采用超筋梁。 3．少筋梁 梁内受拉钢筋配得过少时的梁称为少筋梁。由于配筋过少，所以只要受拉区混凝土一开裂，钢筋就会随之达到屈服强度，构件将发生很宽的裂缝和很大的变形，甚至因钢筋被拉断而破坏这种破坏称为少筋破坏。这也是一种脆性破坏，破坏前没有明显预兆，工程中不得采用少筋梁。

(二)适筋梁工作的三个阶段 适筋梁的工作和应力状态，自承受荷载起，到破坏为止，可分为三个阶段： 第I阶段：当开始加荷时，弯矩较小，截面上混凝土与钢筋的应力不大，混凝土基本上处于弹性工作阶段，应力应变成正比，受压区及受拉区混凝土应力分布可视为三角形。受拉区的钢筋与混凝土共同承受拉力。荷载逐渐增加到这一阶段的末尾时，受拉区边缘混凝土达到其抗拉强度，而即将出现裂缝：此时用Ia表示。 第Ⅱ阶段：M增大，拉区混凝土开裂，逐渐退出工作。中和轴上移。压区混凝土出现塑性变形，压应变（单位杆件的纵向伸长ΔL/L）呈曲线，应力刚到达屈服时，Ⅱ阶段结束。此阶段梁带裂缝工作，这个阶段是计算正常使用极限状态变形和裂缝宽度的依据。 第Ⅲ阶段：钢筋屈服后，应力不再增加。应变迅速增大，混凝土裂缝上移。中和轴迅速上升，混凝土压区高度减小，梁的挠度急剧增大。当混凝土达到极限压应变时，混凝土被压碎，梁即破坏。第Ⅲa阶段是承载能力的极限状态计算的依据。

(三)梁的正截面受力简图与配筋原理 1．梁的正截面受力简图 正截面承载力的计算是依靠上述第Ⅲ阶段的截面受力状态建立的。 2．梁的正截面承载力计算原理 根据静力平衡条件，建立平衡方程式。对梁的配筋量在规范中明确地作出规定，不允许设计成超筋梁和少筋梁，它们的破坏是没有预兆的脆性破坏。

(四)梁的斜截面强度保证措施 受弯构件截面上除作用弯矩M外，通常还作用有剪力V。在弯矩M和剪力V的共同作用下，有可能产生斜裂缝，并沿斜裂缝截面发生破坏。 为了防止斜截面的破坏，通常采用下列措施： (1)限制梁的截面最小尺寸，其中包含混凝土强度等级因素； (2)适当配置箍筋，并满足规范的构造要求； (3)当上述两项措施还不能满足要求时，可适当配置弯起钢筋，并满足规范的构造要求.

三、钢筋混凝土梁板结构 （一）梁板结构的分类 1．按结构布置分类 (1)单向板肋梁楼板： (2)双向板肋梁楼板： (3)井式梁楼盖： (4)密肋楼盖： (5)无梁楼盖： 2．按施工方式分类 (1)现浇结构：梁板全现浇，整体性好，刚性强，抗震性能和防水防渗较好；开间、进深尺度可灵活选择。 (2)预制结构：又分为梁板全部预制装配、梁现浇板预制的半装配和在预制楼板上现浇钢筋混凝土面层的装配整体式三种。

（二）梁板结构构造要求 1．梁的构造要求 梁的截面尺寸应根据设计计算确定。 2．板的构造要求 （1）板的厚度 板的厚度主要由设计计算确定，即除应满足承载力、变形和裂缝宽度要求外，还应注意使用要求、施工方便和经济等方面的要求。 （2）板的支承长度 现浇钢筋混凝土楼板或屋面板伸进纵、横墙内的长度，均不应小于120mm。装配式钢筋混凝土楼板或屋面板，当圈梁未设在板的同一标高时。板端伸进外墙的长度不应小于120mm，伸进内墙的长度不应小于lOOmm，在梁上不应小于80mm。

（3）板的配筋要求 板中受力钢筋一般采用I级钢HPB235，常用直径Ф8、Ф10、Ф12，II级钢HRB335Ф12、Ф14、Ф16，III级钢Ф8、Ф10等。板中受力钢筋的间距≥70 mm，当板厚h≤150mm时，不宜大于200mm；当板厚h>150mm时，不宜大于1．5h，且不宜大于250mm。简支板或连续板下部纵向受力钢筋伸入支座的锚固长度不应小于5d，d为下部纵向受力钢筋的直径。

第四节 单层厂房排架结构 一、单层厂房排架结构的组成及受力特点 (一)单层厂房排架结构的组成 第四节 单层厂房排架结构 一、单层厂房排架结构的组成及受力特点 (一)单层厂房排架结构的组成 装配式单层厂房的主要承重结构是屋架(或屋面梁)、柱和基础。当柱与基础为刚接，屋架与柱顶为铰接时，这种结构叫排架。 装配式钢筋混凝土单层厂房排架结构，是一种由横向排架和纵向连系构件以及支撑系统等组成的空间体系。它通常由屋盖结构、吊车梁、柱子、支撑和基础和维护结构组成，并相互连接成一个整体。

1．屋盖结构 屋盖结构分无檩体系及有檩体系两种，常用无檩体系：即将大型屋面板直接支承在屋架上。屋盖包括如下构件： (1)屋面板——支承在屋架或天窗架上，直接承受屋面的荷载，并传给屋架或天窗架。 (2)天窗架——支承在屋架上，承受天窗上的屋面荷载及天窗重，并传给屋架。 (3)屋架(或屋面梁)——支承在柱上，承受屋盖结构的全部荷载(包括有悬挂吊车时的吊车荷载)并将它们传给柱子。当设有托架时，屋架则支承在托架上。 (4)托架——当柱子间距比屋架间距大，例如柱距≥12m时，则用托架支承屋架，并将其上的荷载传给柱子。 2．吊车梁 吊车梁支承在柱子牛腿上，承受吊车荷载(包括吊车的竖向荷载和水平荷载)，把它传给柱子。

3．柱子 柱子承受由屋架(或托梁)、吊车梁、连系梁和支撑等传来的竖向荷载和水平荷载把它们传给基础。 4．支撑 支撑体系包括屋盖支撑及柱间支撑两部分。 5．基础 承受柱子和基础梁传来的荷载，亦即整个厂房在地面以上的荷载，并将它们传给地基。单层厂房的基础，一般采用独立基础，其形式随上部荷载的大小和地基条件而定。 6．围护结构 包括纵墙、山墙以及由墙梁、抗风柱和基础梁等组成的墙架。这些构件所承受的荷载主要是墙体和构件的自重以及作用在墙上的风荷载。

(二)单层厂房的荷载 单层厂房所承受的主要荷载如下： 1．永久荷载 长期作用在厂房结构上的不变荷载(恒载)，如各种构件和墙体的自重等。 2．可变荷载 即作用在厂房结构上的活荷载，主要有：雪荷载；风荷载，包括风压力与风吸力；吊车荷载，包括吊车竖向荷载即吊车自重及最大起重量引起的轮压和吊车水平荷载即吊车制动时作用于轨顶的纵向和横向水平制动力；积灰荷载，大量排灰的厂房及其邻近建筑应考虑屋面积灰荷载；施工荷载，即厂房在施工或检修时的荷载。

第五节 高层建筑结构 高层建筑所采用的结构主要是钢筋混凝土结构和钢结构。 钢筋混凝土高层建筑结构可供选择的结构体系有：框架结构、剪力墙结构、底层大空间剪力墙结构、框架一剪力墙结构、筒体结构、伸臂结构、悬挂结构和巨型结构等，我国目前采用较多的是前5种结构体系。

一、钢筋混凝土高层建筑结构体系 (一)框架结构 框架结构由梁、柱构件通过节点连接构成；框架梁和柱既承受垂直荷载，又承受水平荷载。框架结构最主要的优点是具有开阔的空间，使建筑平面布置灵活，便于门窗设置，常用于体型较规则、刚度较均匀的公共建筑，如在学校、办公楼、医院和旅馆建筑中广泛采用。框架结构的主要缺点是抗侧刚度较小，侧向变形较大，结构的使用高度受到限制，特别是在地震作用下，非结构构件破坏比较严重。因此，钢筋混凝土框架结构的建筑高度，一般宜控制在15层以下。

(二)剪力墙结构 由纵横方向的竖向连续墙体组成的抗侧体系，称为剪力墙结构体系。在这种体系中竖向连续墙既可以构成隔墙，同时又作为结构承担重力和水平力。 剪力墙结构的抗侧刚度要比框架结构大得多，在水平力作用下侧向变形小，同时抗震能力强，空间整体性能好。从经济上分析，剪力墙结构以30层左右为宜。剪力墙结构的缺点是：结构自重大，建筑平面布置局限性大，难以满足建筑内部大空间的要求。它适用于墙体布置较多的旅馆、住宅、公寓、办公楼等建筑。这类建筑各层平面重复，允许墙体竖向连续，并且能够同时满足各房间之间的隔音和防火的要求。

(三)底层大空间剪力墙结构 当建筑物的底层需要布置商店、门厅、大厅、会议室和餐厅等大房间时，可把墙的底层做成框架，称为“框支剪力墙”。框支剪力墙底层的抗侧刚度突然变小，形成上下刚度突变，在地震作用下引起反应的显著改变，底层柱会产生应力和变形集中，致使结构破坏。 为了满足住宅、公寓、旅馆、写字楼等需要在底层设置商店或大的公共空间的要求，可以采用部分框支剪力墙、部分落地剪力墙，形成底层大空间的剪力墙结构。

对于超过50层的高层建筑，其最理想的结构体系是筒体结构。筒体结构可分为框筒结构、框架一筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构等。 (四)框架一剪力墙结构 在框架结构中的适当部位设置一些剪力墙就形成框架一剪力墙结构。剪力墙可以单片分散布置，也可以集中布置，将它们与框架组合在一起，通过相互作用，具有剪力墙结构刚度大、抗侧力能力强、抗震性能好和框架结构布置灵活、方便使用的双重优点。我国10~20层的旅馆和办公楼、医院、科研教学楼等公共建筑采用框架一剪力墙结构的很多。 (五)筒体结构 对于超过50层的高层建筑，其最理想的结构体系是筒体结构。筒体结构可分为框筒结构、框架一筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构等。

二、高层建筑结构的高度及高宽比 高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，水平荷载对结构引起的弯矩与高度的平方成正比，水平位移与高度的四次方成正比。因此，随着建筑高度及体量的增加，倾覆力矩和稳定问题将变为高层建筑结构设计中的重要问题。 (一)房屋适用的最大高度 结构体系不同，其承载力和抗侧刚度是不同的，因而他们适用高度的范围也不一样。各种结构体系适用的最大高度见表4-5。

结构类型 烈 度 6 7 8 9 框架 60 55 45 25 框架一抗震墙 130 120 100 50 抗震墙 140 部分框支抗震墙 表4-5 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度 结构类型 烈 度 6 7 8 9 框架 60 55 45 25 框架一抗震墙 130 120 100 50 抗震墙 140 部分框支抗震墙 80 不应采用 框架一核心筒 150 70 筒中筒 180 板柱一抗震墙 40 35 30 注：1房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分)

高层建筑结构的高宽比不宜超过表4—6的限值。 (二)高宽比的限值 高层建筑结构的高宽比不宜超过表4—6的限值。 表4-6 高宽比的限值 结构类型 非抗震设计 抗震设防烈度 6度、7度 8度 9度 框 架 框架一剪力墙、框架一筒体 剪力墙 筒中筒、成束筒 5 6 4 2 3 符合表4-10规定的高层建筑结构，可以不进行整体稳定验算和抗倾覆验算。

第六节 建筑结构抗震基本知识 一、地震震级和烈度 1.地震成因 地震的成因主要有三种：构造地震、火山地震和陷落地震。 第六节 建筑结构抗震基本知识 一、地震震级和烈度 1.地震成因 地震的成因主要有三种：构造地震、火山地震和陷落地震。 构造地震是由于地质构造作用，使岩层的薄弱部位突然错动断裂而引起的。构造地震约占地震总数的90％，震源可深可浅。20世纪70年代我国唐山、海城所发生的地震，均属构造地震。火山地震是由于火山爆发所引起的，其分布范围同火山分布相一致，它的影响范围小，约占地震总数的7％。陷落地震是由于地层内石灰岩溶洞陷落或矿山巷道塌下而引起的，为数很少，约占地震总数的3％，且震源浅影响范围小。 房屋结构抗震主要研究构造地震发生时房屋结构的抗震设防能力。地震发生后，它的能量以波的形式向各个方向传播，称为地震波。地震波从震源传播到地球表面，由地基土把地震波传递给建筑物。当建筑物接收地基土所输入的地震波，会引起建筑物左右摇晃和上下颠动(持续时间很短)，造成不同程度的破坏。

2． 震级与烈度 （1）震级 地震是用震级M来表示其能量的大小。也是地震规模的指标。震级的大小采用1935年美国加州理工学院的里克特提出的震级定义，即：震级大小是用标准地震仪在距震中lOOkm处记录的，以µm(1µm=10-3mm)为单位的最大水平地面位移A(振幅)的常用对数值M=lgA来表示的。震级小于2的地震，人们感觉不到，称做微震；2—4级地震称有感地震；5级以上地震统称破坏性地震；7级以上地震称强烈地震；8级以上地震称特大地震。

（2）烈度 地震发生后，各地区的地震灾害一般不相同，通常用地震烈度来描述地震的宏观现象，如人的感觉、器物反应、地表现象、建筑物破坏程度。世界上多数国家使用的基本上是12等级划分的烈度表。 对应于一次地震，震级只有一个，而地震烈度在不同地区却是不同的。通常震中的地震烈度最高，随着震中距的增加，地震烈度逐渐降低。 一个地区的基本烈度是指该地区今后一定时间内，在一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。根据我国有关单位对华北、西南、西北45个城镇的地震烈度所作出的概率分析，基本烈度大体为在设计基准期内超越概率为10％的地震烈度。 地震设防的依据是抗震设防烈度，它是按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防的地震烈度，在一般情况下采用基本烈度。

二、抗震设防的基本思想和抗震构造措施 （一）抗震设防的基本思想： 抗震设防是以现有的科技水平和经济条件为前提的。以北京地区为例，抗震设防烈度为8度，超越8度的概率为10％左右。 我国规范抗震设防的基本思想和原则是“三个水准”为抗震设防目标。简单地说是“小震不坏、大震不倒”。 “三个水准”的抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不会倒塌或发生危及生命的严重破坏。

（二）抗震结构的概念设计： 在强烈的地震作用下，建筑物的破坏机理和过程是十分复杂的。对一个建筑物要进行精确的抗震计算也是非常困难的。因此，在对建筑物进行抗震设防的设计时，根据以往地震灾害的经验和科学研究的成果首先进行“概念设计”。概念设计可以使我们提高建筑物总体上的抗震能力。 概念设计内容主要包括有：选择对抗震有利的场地；建筑形状力求简单、规则；建筑物平面上的质量中心和刚度中心尽可能地靠近；选择技术先进、经济上合理的抗震结构体系，传力明确，并有多道抗震防线；选用抗震性能较好的建筑材料；非结构构件应满足抗震要求。

（三）抗震构造措施 1．多层砌体房屋的抗震构造措施： 砖石砌体房屋，除满足抗震计算要求外，还必须针对砌体结构的弱点，从提高结构的整体稳定性、延性和砌体的抗拉、抗剪强度，采取如下的抗震增强措施。 （1）抗震设计对砌体结构的高度与横墙间距的限制 （2）结构布置 震害表明，横墙承重房屋破坏率最低，破坏程度也轻，纵横墙承重情况居中，纵墙承重方案最重。因此，砌体结构布置时，应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系。 （3）设置钢筋混凝土构造柱 (4) 设置钢筋混凝土圈梁 (5) 楼盖及屋盖构件应有足够的支承长度和可靠的连接 （6）加强楼梯间的整体性。 楼梯间没有楼盖作墙的水平支承，因此不宜将楼梯间布置在转角等薄弱环节。

2．框架结构的构造措施： ①框架柱中纵筋、箍筋及弯钩等应满足规范构造要求； ②框架梁截面尺寸、顶筋、底筋、箍筋的构造应满足规范要求； ③框架节点核心区应满足规范构造措施要求。

第七节 道路工程设计 一、柔性路面设计 柔性路面设计可分为结构设计和厚度设计两个部分。 1.柔性路面结构设计 第七节 道路工程设计 一、柔性路面设计 柔性路面设计可分为结构设计和厚度设计两个部分。 1.柔性路面结构设计 路面结构设计就是根据任务要求，全面考虑当地的各种条件，选择路面结构，拟定几种可能的路面结构组合，并根据技术经济的原则，选择合理的结构设计方案，并据此进行厚度设计。 （1）路面结构的强度组合和最小厚度 （2）路面结构组合要有良好的稳定性 2．柔性路面厚度设计。柔性路面设计是以双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状体系理论为基础，以路面容许弯拉值作为路面整体强度的控制指标，进行厚度计算，并对整体性材料结构层的弯拉应力进行验算。城市道路还要对面层进行容许剪应力计算。

二、刚性路面设计 1.基层、垫层和路基 刚性路面是指水泥混凝土路面，其路面由水泥混凝土板、基层、垫层所组成，三者形成统一整体，共同承受行车荷载和自然因素的作用。 （1）基层。水泥混凝土板刚性大，整体性强，在荷载作用下变形很小，基本上处于弹性工作状态。另外，板体在垂直荷载作用下产生的挠度很小，因而支承它的基层和土基的变形也很小。因此，路基应具有足够的强度和稳定性，整体性好，透水性小，断面正确，表面平整。基层的作用不仅能给水泥混凝土板提供均匀而稳定的基础；，而且要能防止唧泥和错台、抵御冰冻作用、防止水渗入路基。 （2）垫层。在水温状况不良路段的路基与基层之间宜设置垫层。垫层应具有一定的强度和较好的水稳定性，在冰冻地区尚需具有较好的抗冻性。垫层的最小厚度为15 cm。在季节性冰冻地区，当路面结构总厚度小于表2-6规定的最小厚度时，应通过设置垫层补足。

（3）路基。水泥混凝土路面下的路基必须坚实、稳定和均质，排水良好。一般要求路基处于干燥或中湿状态。路基必须有足够的压实度。 2．水泥混凝土面板的尺寸和厚度 （1）板的平面尺寸。水泥混凝土面板一般采用矩形。其纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得互相错位。纵向缩缝间距(即板宽)可按路面宽度和每个车道宽而定，其最大间距不得大于4．5 m。横向缩缝间距(即板长)应根据当地条件、板厚和已有经验确定，一般采用4～5 m，最大不得超过6 m。 （2）板的厚度。《公路水泥混凝土路面设计规范》规定，混凝土板的厚度，按行车产生荷载疲劳应力迭加温度疲劳应力(因板底和板顶温差产生的翘曲应力)之和不大于混凝土设计弯拉强度的条件确定板厚。板的最小厚度为18 cm。

第八节 桥梁结构 桥梁的墩台及基础部分称为下部结构或下部构造；墩、台以上的部分称为上部结构或上部构造。桥梁的形式有很多种，按照体系划分，有梁、拱、刚架、悬吊和组合体系等五种。 一、梁式桥 梁式体系的承重结构是以它的抗弯能力来承受荷载的，桥跨结构在垂直荷载作用下，支座只产生垂直反力而无推力。按静力特性分为简支梁、悬臂梁、固端梁和连续梁等。后三者都是利用支座上的卸载弯矩去减少跨中弯矩，使梁跨内的内力分配更合理，以提高梁的跨越能力。梁式桥的建筑高度较小，特别适用于对建筑高度要求严格的平原区。

(一)梁桥纵断面布置 梁桥的纵断面布置，亦称为立面布置。其内容包括桥梁体系的选择、桥长及分跨、桥面标高的确定、梁高选择、桥梁下部结构和基础式等。这里着重介绍梁式桥上部结构的梁高、跨径及其相互关系。 1.简支梁桥体系 目前国内外简支梁桥中所采用的钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁，一般为装配式结构。装配式钢筋混凝土简支梁常用的跨径为8．0--20．Om。梁的高跨比一般为1／11～1／18， 当跨径超过20m时，一般采用预应力混凝土。我国装配式后张法预应力混凝土简梁的标准设计有25m、30m、35m、40m四种，其高跨比为1／17--1／20。

梁式桥横截面布置主要是确定横截面型式，包括主梁截面型式、主梁间距和主梁各部尺寸等。梁式桥的横截面型式一般有板式、肋梁式和箱形截面三种。 2.悬臂体系 悬臂梁桥常用的几种纵向布置：(a)为双悬臂梁桥；(b)为三跨带挂梁的单悬臂梁桥(c)为多孔带挂梁的双悬臂梁桥； 3．连续体系 钢筋混凝土连续梁桥因需要用支架施工，除在城市立交桥中采用外，在跨河流的桥梁中很少采用。一般多采用预应力混凝土连续梁桥。 (二)梁桥横截面布置 梁式桥横截面布置主要是确定横截面型式，包括主梁截面型式、主梁间距和主梁各部尺寸等。梁式桥的横截面型式一般有板式、肋梁式和箱形截面三种。

1．板式截面 板式截面包括矩形实心板和空心板。施工方法分整体现浇和装配式两种。 2．肋梁式截面 肋梁式截面中梁肋(或称腹板)与顶部的钢筋混凝土桥面板结合在一起作为承重结构。由于肋与肋之间处于受拉区域的混凝土挖空大，显著减轻了结构自重。特别对仅承受正弯矩作用的简支梁来说，既充分利用了扩展的混凝土桥面板的抗压能力，又有效地发挥了集中布置在梁肋下部的受力钢筋的抗拉作用。目前，中等跨径(13～15m以上)的梁桥．通常多采用肋梁式桥。我国用得最多的是装配式T型简支梁桥。

3．箱形截面 当梁式桥的跨径较大时，一般多采用箱形截面。常见的箱形截面基本形式有：单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等(图4-23)。这种闭合薄壁截面抗扭刚度远大于开口的肋板式截面。同时，因其顶板和底板都具有较大的面积，所以能够有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋的要求。因此，箱形截面特别适用于大跨径的悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构、斜拉桥等，也可用来修建全截面均参与受力的预应力混凝土简支梁桥。

二、拱式体系 拱桥在竖向荷载作用下，拱的两端支承处除有竖向反力外，还存在水平推力。正是由于这个水平推力的作用，使拱内弯矩大大减小，拱圈截面以承压为主。对于大跨径拱桥，由于恒载比例大，一般以压应力控制设计。 拱桥的矢跨比对内力的影响很大，拱的恒载水平推力与垂直反力之比值，随矢跨比的减小而增大。当矢跨比减小时，拱的推力增大，相应地拱圈内轴力也大，且轴力分布较均匀。这对拱圈本身受力有利，但对基础不利。 拱式体系的主要承重结构是主拱圈，以承压为主，可采用抗压能力强的圬工材料来修建。拱分无铰拱、双铰拱和三铰拱。无铰拱刚度大，内力均匀，但温变、墩台变位等引起的附加内力较大。拱是有推力结构，对地基要求较高。在拱桥设计中，必须寻求合理的拱轴线型式。

三、刚架桥 刚架桥是介于梁、拱之间的一种体系，它是由受弯的上部梁(或板)结构与承压的下部柱(或墩)整体结合在一起的结构；整个体系是压弯结构，墩底有水平推力。刚架分直腿刚架和斜腿刚架。刚架桥施工较复杂，其桥下净空比拱桥大，一般用于跨径不大的城市公路高架桥和立交桥。 吊桥由大缆、塔架、吊杆、加劲梁和锚锭五部分组成。吊桥的主要承重结构是大缆，大缆由高强度钢丝编制而成。由于钢丝大缆具有优异的抗拉性能，从而使吊桥获得比任何桥型都无法得到的特大跨度。吊桥自重轻，刚度小，抗风能力较弱。

四、组合体系桥梁 1．梁和刚架相结合的体系。包括：T型刚构和连续刚构。这是由悬臂施工法发展起来的一种体系，梁以受弯为主。T型刚构由于桥面接缝过多，不利行车，已较少采用。连续刚构桥因墩上不设支座和伸缩缝，施工方便，使用效果好。但连续刚构需建于高墩场合，保证桥墩有足够柔性以适应温度变形。 2．梁、拱组合体系。有系杆拱，桁架拱、多跨拱梁结构等。它们利用梁的受弯与拱的承压特点组成联合结构，可在梁体内施加预应力来承受拱的水平推力，使这类结构既具有拱的特点，而又非推力结构，对地基要求不高。这种体系因造型美观，常用于城市跨河桥上。

3．斜拉桥。它是由承压的塔、受拉的索与受弯的梁体组合起来的一种结构体系。梁体用拉索多点拉住，相当于多跨弹性支承连续梁，使梁体内弯矩大大减小，从而使其跨越能力大幅度地提高。斜拉桥在跨径1000m以内，可与吊桥竞争。 关于桥型方案的选定，应当根据工程条件(包括桥位、水文、地形地质、通航、施工场地和运输、建筑材料等)，本着因地制宜，实用经济美观的要求予以论证。对较大规模的桥梁工程，应当首先确定几个方案，分别作出有一定深度的方案设计，对各桥型方案作详细周密的技术经济比较，使桥梁在建造时省材料、省机具和省劳动力，加快施工进度，建成后经久耐用，减少维护费用。在条件允许的情况下，尽可能采用新技术和新工艺。