结构设计中的总体问题.ppt

2.1概述概述(Introduction)第第2 2章章 结构构设计中的中的总体体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesign2.2建筑建筑结构上的作用力构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.4结构的构的刚度和度和变形形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不房屋不对称的影响称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构构总体系的构成体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.1概述概述(Introduction)2.6结构的构的总体估算体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2/22/202312.1 概述概述(Introduction)建建筑筑功功能能要要求求 (招招标书)工程结构的设计进程工程结构的设计进程初初步步设计施施工工图设计方方案案设计2/22/202322.1 概述概述(Introduction)建建筑筑设设计计方方 案案设设 计计结结构构设设计计 主要是在主要是在总体体规划范划范围内内对房屋的功房屋的功能分区，人流能分区，人流组织，房屋体形，体量，立房屋体形，体量，立面，面，总体效果等提出体效果等提出设计方案。方案。要要对建筑建筑设计方案提供方案提供结构构保障，以求保障，以求结构体系和建筑方案构体系和建筑方案协调统一。在此基一。在此基础上要上要对总体体结构构进行初步估算，以保行初步估算，以保证总体体结构构稳定可靠，定可靠，结构合理，构合理，总体体变形控制在允形控制在允许范范围内。内。2/22/202332.1概述概述(Introduction)功功 能能 要要求求方方案案设计初初步步设计施施工工图设计 结构构总体体问题 此此时各各结构构件尚未构构件尚未设计出来，各构件的出来，各构件的连接接构造也尚未最构造也尚未最终确定，确定，在考在考虑结构构总体体问题时可假可假定定结构构为一个一个刚性的性的块体，即所体，即所谓整体假定整体假定，这样假定假定对房屋房屋总体估算不会引起明体估算不会引起明显误差。差。为此，首先要此，首先要对房屋的荷房屋的荷载作出估作出估计，以估算，以估算结构的构的总承承载力、地基承受的力、地基承受的总荷荷载，验算算总体体结构的高构的高宽比和比和倾覆覆问题，初步估算房屋的，初步估算房屋的总体体变形，形，以及以及结构构总体系的布置方案。体系的布置方案。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力2.3 2.3 房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题2.4 2.4 结构的构的刚度和度和变形形2.5 2.5 房屋不房屋不对称的影响称的影响2.6 2.6 结构的构的总体估算体估算2.7 2.7 结构构总体系的构成体系的构成2/22/202342.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)第第2 2章章 结构构设计中的中的总体体问题 TheGeneralProblemsinStructuralDesignTheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1 2.1 概述概述(Introduction)2.4 2.4 结构的构的刚度和度和变形形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5 2.5 房屋不房屋不对称的影响称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7 2.7 结构构总体系的构成体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3 2.3 房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6 2.6 结构的构的总体估算体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2/22/202352.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力自自 重重结构结构(Structure)(Structure)是建筑物的基本受力骨架是建筑物的基本受力骨架 外部荷外部荷载作用作用 变形作用形作用环境作用境作用 结构自构自身的重量，身的重量，如梁、板、如梁、板、柱及构造柱及构造层重等重等活荷活荷载、风荷荷载、雪荷、雪荷载、地震、地震作用等作用等温度温度变化化引起的引起的变形、形、地基沉降、地基沉降、结构材料的收构材料的收缩和徐和徐变变形等形等阳光、阳光、雷雨、海水、雷雨、海水、大气大气污染作染作用等用等 结构失效将带来生命和财产的巨大损失结构失效将带来生命和财产的巨大损失,因此在设计中对结构有最基本的功能要求。因此在设计中对结构有最基本的功能要求。2/22/202362.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力可可变作用作用荷荷载大大小小可可变对建筑物的建筑物的作用作用偶然作用偶然作用作作用用时间极极短短荷荷载值极极大大塑塑性性变形形来来不不及及发展展永久作用永久作用作作用用位位置置可可变引引起起徐徐变变形形变形形和和裂裂缝增增大大引引起起内内力力重重分分布布常常见荷荷载的的标准准值可可以以从从我我国国现行行建建筑筑结构荷构荷载规范范(GB50092001)中中查到。到。2/22/20237在房屋在房屋设计的方案的方案阶段，段，总体估算体估算时通常需要考通常需要考虑竖向向作作用用的的荷荷载水水平平作作用用的的荷荷载2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力只是估算只是估算不必精确不必精确2/22/20238在在一一般般工工业业与与民民用用建建筑筑中中，竖竖向向作作用用力力主主要要是是重重力力荷荷载载，而而且且主主要要是是房房屋屋的的自自重重。在在方方案案阶阶段段的的近近似似估估算算中中通通常常可可根根据据房房屋屋类类型型、结结构构形形式式统统计计出出某某类类房房屋屋单单位位面面积积的的折折算算荷荷载载q qi i(包包括括楼楼面面自自重重、墙墙柱柱及及设设备备重重以以及及楼楼面面活活荷荷等等)，进进行近似估算。行近似估算。W=qiAimi 式中：式中：Ai 相同荷载相同荷载qi的楼层面积的楼层面积;mi相同荷载相同荷载qi的楼层层数的楼层层数;qi 由统计资料提供的某类房屋的楼面折算荷载值由统计资料提供的某类房屋的楼面折算荷载值2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)(一一)房屋总重房屋总重W国内高国内高层建筑建筑 q qi i 值约为1216kN/m2(其中活荷其中活荷约占占1.52.5kN/m2)剪力剪力墙和和筒体筒体结构房屋构房屋约为1416kN/m2框架及框框架及框架架结构构墙体体系房屋系房屋约为1214kN/m2混合混合结构房屋构房屋约为16kN/m2，东北地区外北地区外墙很厚，有很厚，有时可能更大可能更大一些一些2/22/20239应应 当当 指指 出出（1）qi 值随随房房屋屋所所在在地地区区、采采用用的的结构构形形式式、建建筑筑材材料料的的品品种种等等出出入入较大大，以以上上数数据据仅供供参参考考。设计中中应参参考考当当地地的的统计资料料，必必要要时可可对当当地地同同类房房屋屋进行行统计分析。分析。（2 2）若若各各层荷荷载不不同同或或面面积不不同同，应分分别统计后后叠叠加加起起来来。当当房房屋屋不不对称称或或荷荷载不不对称称时，尚尚应求求出出总重重W 的作用位置的作用位置,以便考以便考虑荷荷载偏心的影响。偏心的影响。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)2/22/202310房房屋屋的的各各种种荷荷载最最终都都要要通通过基基础传给地地基基。在在设计的的方方案案阶段段，要要先先根根据据勘勘探探提提供供的的地地质资料料和和地地基基承承载力力，大大致致估估算算所所需需的的基基底底面面积以以及及利利用用哪哪一一层土土壤壤作作为基基础的的持持力力层，以便确定基以便确定基础形式和埋深等。形式和埋深等。(二二)总重总重W与地基承载力与地基承载力(TotalweightandCarryingCapacityoftheBase)当房屋当房屋总重不大而地基重不大而地基承承载力力较高高时独立基独立基础或或条形基条形基础若地基承若地基承载力力较低或荷低或荷载较大大时扩大基大基础底面底面积筏片基筏片基础若地基若地基上上层土土质较差差桩基基础2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)2/22/202311设置地下室设置地下室高高层建建筑筑结构构，由由于于上上部部荷荷载很很大大，有有时即即使使将将房房屋屋底底面面积全全部部做做成成筏筏片片基基础，其其承承载力力也也不不一一定能定能满足要求。足要求。（1 1）减小地基）减小地基附加附加压应力；力；（2 2）锚固好基固好基础，提高房屋，提高房屋稳定性。定性。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)h8h82/22/202312墙、柱柱及及基基础荷荷载估估算算时，通通常常可可近近似似地地不不考考虑上上部部结构构的的连续性性，即即把把上上部部结构构都都认为是是简支支梁梁板板，墙、柱柱只只承承受受每每侧跨跨度度一一半半传来来的的荷荷载。估估算算时可可按按跨跨度度的的一一半半划划分分墙柱柱的的承承荷荷面面积，再再根根据据上上述述楼楼面面荷荷载估算估算墙、柱及基、柱及基础的荷的荷载N 。(三三)墙、柱及基础荷载估算墙、柱及基础荷载估算设计中中需需要要根根据据墙、柱柱荷荷载和和轴压比比来来确确定定墙柱柱的的截面尺寸。截面尺寸。N=qimA式中式中：N墙、柱荷、柱荷载设计值;qi相相应房屋的楼房屋的楼层折算荷折算荷载;m墙、柱的承荷楼、柱的承荷楼层数数;A不考不考虑结构构连续性的性的墙、柱的承荷面、柱的承荷面积。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)边柱边柱中柱中柱角柱角柱承荷面积承荷面积2/22/202313轴压比比N N 是是指指荷荷载标准准组合合下下柱柱的的轴力力设计值N与与柱柱截截面面面面积和和混混凝凝土土强度度设计值乘乘积之比。之比。轴压比轴压比N2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)规范要求：范要求：N=N/(Acfc)N式中式中：N框架柱的框架柱的轴压比比；Ac柱截面面柱截面面积；fc混凝土的混凝土的轴心抗心抗压强度度设计值。2/22/202314轴压比比直直接接影影响响墙、柱柱破破坏坏时的的延延性性性性质。以以现浇钢筋筋混混凝凝土土框框架架结构构为例例，按按有有关关规范范，柱柱轴压比比限限值 N N 与地震烈度、与地震烈度、结构形式、房屋高度有关。构形式、房屋高度有关。地地 震震 烈烈 度度7度度8度度9度度框架房屋高度框架房屋高度m3030303025 抗震等级抗震等级 三级三级 二级二级 二级二级 一级一级 一级一级轴压比限值轴压比限值 N 0.90.80.80.70.72.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 一、一、竖向作用荷向作用荷载估算估算(EstimatetheVerticalLoads)轴压比限比限值 N 2/22/202315房屋房屋设计的方案的方案阶段，段，总体估算通常主要考体估算通常主要考虑水水平平作作用用荷荷载竖向向作作用用荷荷载2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 二、水平作用荷二、水平作用荷载估算估算(EstimatetheHorizontalLoads)只是估算只是估算不必精确不必精确2/22/202316在非地震区，在非地震区，风荷荷载是房屋主要的水平力，是房屋主要的水平力，在方案在方案阶段的段的总体分析中，一般只需考体分析中，一般只需考虑作用在作用在房屋上房屋上风荷荷载的合力的合力H，它是作用在房屋迎，它是作用在房屋迎风面面及背及背风面面A上上风荷荷载标准准值k k的合力：的合力：H=kA 根据建筑根据建筑结构荷构荷载规范范(GB50009-2001)50009-2001)(一一)风荷载风荷载(WindLoad)k=Z(S1-S2)ZW0Z Z高高度度处的的风振振系系数数，它它考考虑了了高高耸结构构风压脉脉动的影响的影响。W0基基本本风压，它它是是气气象象部部门以以当当地地空空旷平平坦坦地地面面上上,离离地地1010 m m高高处所所得得的的1010分分钟平平均均最最大大风速速VO为标准准，根根据据不不同同年年限限按按具具体体公公式式确确定定的的风压值。哈哈尔滨W0(10(10年年、5050年年、100100年年）=（0.35、0.55、0.65）kN/m2Z风压沿沿高高度度的的变化化系系数数，与与周周围环境有关境有关S风荷荷载体体型型系系数数。房房屋屋体体型型不不同同将将直直接接影影响响风的的方方向向和和流流速速，改改变风压大大小小。一一般般迎迎风面面的的风荷荷载为压力力，背背风面面的的风荷荷载为吸吸力力(S S 为负值)，房房屋屋受受到到的的总的的风荷荷载应为迎迎风面面风荷荷载和和背背风面面风荷荷载的叠加，即式中的叠加，即式中(S1S1 -S2 S2)。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 二二、水水平作用荷平作用荷载估算估算(EstimatetheHorizontalLoads)2/22/202317+(a)(b)+0.8-0.5-0.7-0.7-0.50+0.8-0.6SS风荷荷载体型系数体型系数S S常常见坡坡屋屋面面一一般般坡坡度度 3030,可可见屋屋面面在在风荷荷载作作用用下下通通常常承承受受吸吸力力 。在在平平屋屋顶上上后后加加的的轻型型坡坡屋屋面面自自重重很很轻，若若没没有有和和墙体体拉拉结好好，在在风荷荷吸吸力力作作用用下下会会被被掀起。掀起。风 荷荷 载 除除了了引引起起房房屋屋的的倾覆覆以以外外，局局部部吸吸力力也也是是引引起起房房屋屋破破坏坏的的重重要要原原因因，尤尤其其是是对坡坡屋屋顶的破坏。的破坏。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 二、水平作用荷二、水平作用荷载估算估算(EstimatetheHorizontalLoads)-0.5+0.8被掀翻的被掀翻的轻屋盖屋盖要重要重视风荷荷载吸力吸力的破坏作的破坏作用！用！2/22/202318地震力是地震地震力是地震时地面运地面运动加速度引起的，它是房屋加速度引起的，它是房屋质量的量的惯性力。性力。设计中可近似中可近似认为建筑物的建筑物的质量都集中在各量都集中在各层楼面楼面标高高处，地震力的大小与，地震力的大小与地震烈度、建筑物的地震烈度、建筑物的质量、量、结构的自振构的自振周期以及周期以及场地土的情况等地土的情况等许多因素有关。多因素有关。地震地震时既有水平震既有水平震动又有又有竖向震向震动，但房屋，但房屋结构构对竖向地向地震力有震力有较大的承受能力，通常水平地震力是引起大的承受能力，通常水平地震力是引起结构破坏的主构破坏的主要原因，要原因，设计中主要考中主要考虑水平地震的影响水平地震的影响。(二二)地震力地震力Heq (EarthquakeLoad)通通常常建建筑筑物物顶部部质量量的的惯性性力力最最大大，向向下下逐逐渐减减小小，地地面面及及地地面面以以下下为0 。在在方方案案阶段段的的总体体分分析析时，一一般般只只考考虑房房屋屋地震力合力地震力合力Heq的作用效的作用效应：Heq=aW 式式 中中：a与与 地地 震震 烈烈 度度、结 构构 自自 振振 周周 期期、场 地地 土土 类 别 有有 关关 的地震影响系数；的地震影响系数；W 房屋房屋总重重。2.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 二、水平作用荷二、水平作用荷载估算估算(EstimatetheHorizontalLoads)m(a)(b)(c)2/22/202319(三三)几种典型体型建筑物在水平风荷载及水平地震力作用下的受力情况比较几种典型体型建筑物在水平风荷载及水平地震力作用下的受力情况比较 Mw(a)=Hwh/2；Meq(a)=Heqh2/3Mw(b)=Hwh/3；Meq(b)=Heqh/2Mw(c)=Hwh/3；Meq(c)=Heq2h/52.2 2.2 建筑建筑结构上的作用力构上的作用力 二、水平作用荷二、水平作用荷载估算估算(EstimatetheHorizontalLoads)（a)（b)（c)h/2dbh2h/3bdh/2bdbd2bdHwh/3h/3hhh/22bd/32db3bd2h/5HwHwHwHwHw降低房屋重心降低房屋重心对减小地震力、提减小地震力、提高高结构构稳定性是十定性是十分有效的。如：金分有效的。如：金字塔。字塔。2/22/2023202.2建筑建筑结构上的作用力构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)第第2章章结构构设计中的中的总体体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesignTheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述概述(Introduction)2.4结构的构的刚度和度和变形形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不房屋不对称的影响称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构构总体系的构成体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑建筑结构上的作用力构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的构的总体估算体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2/22/2023212.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题对于于一一般般矩矩形形平平面面的的房房屋屋，长方方向向比比较稳定定，较短短方方向向易易倾覆覆，所所以以这时高高宽比比的的“宽”是是指指房房屋屋较短短方方向向的的结结构构宽宽度度,悬挑挑部部分分或或围护结构构对抗抗倾覆覆没没有有作作用用，不不应计算在内。算在内。以以双双列列柱柱构构成成的的房房屋屋为例例，水水平平力力H引引起起的的倾覆覆力力矩矩必必须由支承体系的由支承体系的竖向反力向反力组成力偶来抵抗。成力偶来抵抗。Ha=Hch=VdV=Hch/d式中式中：h/d房屋的高房屋的高宽比；比；c=a/h为水水平平力力H作作用用点点的的相相对高高度度，与与房房屋屋体体型型和和水水平平力力分分布有关，称布有关，称倾覆力臂系数覆力臂系数。高高宽比比(h/d )是是抗抗倾覆能力的重要指覆能力的重要指标HdH/2H/2hCh=aVV(a)2/22/2023222.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题建建筑筑结构构同同时还要要承承受受竖向向荷荷载W，对于于对称称的的双双列列柱柱结构构，竖向向荷荷载将将由由竖向向支支承承平平均均分分担担。同同时承承受受竖向向荷荷载W和和水水平平荷荷载 H时，可可以以进行行简单的的叠叠加加，也也可可用用等等效效偏偏心心力力来来代代替替，其偏心距其偏心距e=Hch/W 房房屋屋结构构的的地地基基主主要要承承受受压力力，若若要要地地基基受受拉拉，则必必须设锚杆杆，这将将大大大大提提高高造造价价，增增加加施施工工难度度。所所以以，一一般般情情况况下下可可认为地地基基不不能能抗抗拉拉，也也即即在在竖向向荷荷载W 和和水水平平荷荷载H共共同同作作用用下下，支支承承体体系系底底部部不不得得产生生拉拉力力，否否则房房屋屋将将会会倾覆覆。从从下下图可可见，对于于双双列列柱柱的的情情况况，偏偏心心距距e最最大大不不能能超超过d/2，即即最最大大偏偏心心距距emax=eb=d/2，此此时为临介介状状态，或，或倾覆极限状覆极限状态。现引入引入相相对偏心距偏心距(或叫偏心比或叫偏心比)er 反映荷反映荷载偏心距偏心距e与抗与抗倾覆极限覆极限偏心距偏心距eb 的比的比值 er=e/eb 式中：式中：e 为水平荷水平荷载H H和和竖向截向截载W W引起的荷引起的荷载偏心距偏心距;eb 为相相应建筑建筑结构构倾覆覆临介状介状态下的偏心距下的偏心距;很明很明显:er1 1时，地基无拉力，地基无拉力，结构构稳定；定；er1 1时，结构构处于于倾覆极限状覆极限状态；er1 1时，地基要承受拉力，若不，地基要承受拉力，若不设锚杆，杆，结构将构将倾覆。覆。ddHWWWWWeCh=adH/2H/2VVh(a)W/2W/2H/2H/2W/2+VW/2-VHdH/2H/2W+VH(b)(c)(d)2/22/2023232.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题对于双列柱于双列柱结构构，eb b=d/2，得得：er r =e/eb b =(Hch/W)(2/d)=2(H/W)c(h/d)=2c(h/d)式中式中：为水平荷水平荷载与与竖向荷向荷载之比之比；c 为水水平平荷荷载合合力力作作用用点点的的相相对高高度度，与与房房屋形状及屋形状及质量分布有关，量分布有关，c=ah ；h/d 房屋的高房屋的高宽比比。在在1967年年委委内内瑞瑞拉拉的的加加拉拉加加斯斯地地震震中中，一一幢幢11层旅旅馆由由于于倾覆覆力力矩矩引引起起的的巨巨大大压力力使使柱柱的的轴压比比大大大大增增加加，降降低低了了柱柱截截面面的的延延性性，使使柱柱头发生生剪剪压破坏。破坏。1985年年墨墨西西哥哥地地震震时，一一幢幢九九层钢筋筋混混凝凝土土大大厦厦倾倒倒，埋埋深深2.5m m的的箱箱形形基基础被被翻翻转45，甚甚至至基基础下下的的摩摩擦擦桩也也被被拔拔了了出来。出来。另另一一幢幢18层框框架架结构构 Caromay公公寓寓，由由于于巨巨大大的的倾覆覆力力矩矩，使使地地下下室室柱柱中中引引起起很很大大的的附附加加轴力力，许多多柱柱的的混混凝凝土土被被压碎碎，钢筋筋弯弯曲曲成灯成灯笼状。状。当当房房屋屋的的总体体形形式式(矩矩形形、三三角角形形或或金金字字塔塔形形等等)确确定定后后，上上述述系系数数和和 c就就不不会会有有什什么么变化化，高高宽比比h/d不不仅对结构构的的抗抗倾覆覆有有着着重重要要的的影影响响，而而且且还直直接接影影响响结构构内内力力和和变形形，尤尤其其在在高高层建建筑筑抗抗震震设计中中，房房屋屋结结构构的的高高宽宽比比是是一一个个比比房房屋屋高高度度更更重重要要的的参参数数，高高宽比比越越大大，地地震震作作用用下下结构构的的内内力力和和侧移移也也越越大大，地地震震引引起起的的倾覆覆越越严重重。巨巨大大的的倾覆覆力力矩矩及及其其在在柱柱中中引引起起的的附附加加拉拉力力和和附附加加压力力有有时会会导致致结构破坏。构破坏。2/22/2023242.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题日本日本1982年批准的高楼年批准的高楼结构抗震构抗震设计指南指指南指出：高楼的高出：高楼的高宽比决定了地震中剪切比决定了地震中剪切变形和弯曲形和弯曲变形形的比例。指南通常以高的比例。指南通常以高宽比小于比小于4的建筑物的建筑物为设计对象，象，对于高于高宽比大于比大于 4 的高楼，在抗震的高楼，在抗震设计中中一般采取加大地震作用的等效静力来考一般采取加大地震作用的等效静力来考虑倾覆效覆效应和和 P效效应的影响。的影响。新西新西兰Dowrick教授建教授建议，为避免地震中避免地震中倾覆力覆力矩的矩的严重影响，地震区房屋的高重影响，地震区房屋的高宽比不宜大于比不宜大于4。我国我国高高层建筑混凝土建筑混凝土结构技构技术规程（程（JGJ 32002）对高高层建筑建筑结构高构高宽比也作出了比也作出了严格格规定，定，见下表。下表。2/22/2023252.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题因此，在建筑因此，在建筑设计的方案的方案阶段，建筑段，建筑师和和结构工程构工程师都必都必须认真控制好高真控制好高宽比比h/d。当然，除上述分析外，在工程。当然，除上述分析外，在工程设计中中还必必须考考虑结构抗构抗倾覆的安全度，要留有余地，不能直接按覆的安全度，要留有余地，不能直接按倾覆的覆的极限状极限状态来来设计。工程中抗。工程中抗倾覆的安全系数一般取覆的安全系数一般取为1.5。此表。此表为钢筋混凝土房屋的高筋混凝土房屋的高宽比限比限值，对于于钢结构，表中系数加构，表中系数加1 1。高层建筑混凝土结构高层建筑混凝土结构类型类型 非抗震非抗震 设计设计 抗震设防烈度抗震设防烈度6度、度、7度度8度度9度度框架框架5 55 54 42 2框架框架-剪力墙，框架剪力墙，框架-筒体筒体5 55 54 43 3剪力墙剪力墙6 66 65 54 4筒中筒、成束筒筒中筒、成束筒6 66 65 54高高层建筑建筑钢筋混凝土筋混凝土结构高构高宽比限比限值2/22/2023262.4结构的构的刚度和度和变形形(TheStiffnessandDeformationofStructure)第第2章章结构构设计中的中的总体体问题TheGeneralProblemsinStructuralDesignTheGeneralProblemsinStructuralDesign2.1概述概述(Introduction)2.4结构的构的刚度和度和变形形(TheStiffnessandDeformationofStructure)2.5房屋不房屋不对称的影响称的影响(TheEffectofUnsymmetricalBuilding)2.7结构构总体系的构成体系的构成(TheConstitutionofGeneralStructuralSystem)2.3房屋的高房屋的高宽比与抗比与抗倾覆覆问题(TheRatioofheight-widthandOverturningStability)2.2建筑建筑结构上的作用力构上的作用力(TheloadsonBuildingStructure)2.6结构的构的总体估算体估算(TheGeneralEstimationofStructure)2/22/202327物理学的定义物理学的定义：刚度是度是产生生单位位变形形所需要的所需要的力力。应当指出，当指出，这里所指的里所指的变形形和和力力都是广都是广义的，的，变形形可以是位移、曲率、剪切角、扭可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、角、应变等；等；力力可以是可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。力等。单位位力作用下的力作用下的变形称形称为柔度，引起柔度，引起单位位变形所需的力形所需的力称称为刚度度。柔度和。柔度和刚度在数度在数值上互上互为倒数。倒数。2.4结构的构的刚度和度和变形形房房屋屋刚度度结构构刚度度截截面面刚度度构构件件刚度度截截面面刚度度2/22/2023282.4结构的构的刚度和度和变形形一、截面一、截面刚度度(一一)截面截面(Section)的拉压刚度的拉压刚度EA以承受以承受轴心荷心荷载的拉杆的拉杆为例例 N=NL/(EA)或或EA=N/(N/L)=N/式中式中N轴向向变形；形；N轴向拉力向拉力；L杆件杆件长度度；E杆件材料的杆件材料的弹性模量性模量；A杆件截面杆件截面积；=N/L轴向荷向荷载N引起的引起的轴向向应变。可可见，截面拉，截面拉压刚度度EA为使截面使截面产生生单位位应变所需所需要的力，与杆件要的力，与杆件长度无关。度无关。NNMMVLVL(a)拉压刚度拉压刚度EA(b)弯曲刚度弯曲刚度EI(c)剪切刚度剪切刚度GA2/22/202329NNMMVLVL(a)拉压刚度EA(b)弯曲刚度EI(c)剪切刚度GA2.4结构的构的刚度和度和变形形一、截面一、截面刚度度(二二)截面截面(Section)的弯曲刚度的弯曲刚度EI以以纯弯构件弯构件为例例 M/(EI)=1/或或EI=M/(1/)式中式中：构件构件变形后形后该处截面的曲率半径截面的曲率半径；1/1/构件构件变形后形后该处截面的曲率。截面的曲率。可可见，截截面面的的弯弯曲曲刚度度EI为使使截截面面产生生单位位曲曲率率所所需需要要施施加的弯矩加的弯矩，它与构件，它与构件长短无关。短无关。2/22/202330NNMMVLVL(a)拉压刚度EA(b)弯曲刚度EI(c)剪切刚度GA2.4结构的构的刚度和度和变形形一、截面一、截面刚度度(三三)截面截面(Section)的剪切刚度的剪切刚度GA GA=V/式中式中：V剪力剪力；剪力剪力V 引起的剪切角；引起的剪切角；G 材料的剪切模量。材料的剪切模量。可可见，截截面面剪剪切切刚度度GA为使使截截面面产生生单位位剪剪切切角角所所需需施施加加的的剪力剪力，也和杆件，也和杆件长度无关。度无关。2/22/2023312.4结构的构的刚度和度和变形形一、截面一、截面刚度度 综上所述，截面拉上所述，截面拉压刚度度 EA、弯曲弯曲刚度度 EI和剪切和剪切刚度度 GA都是在都是在均匀受力状均匀受力状态下下产生生单位位变形形所需施所需施加的相加的相应力力，与截面尺寸和材料有关，与截面尺寸和材料有关，与构件与构件长度无关度无关，故称截面，故称截面刚度。度。2/22/202332构构件件刚度度2.4结构的构的刚度和度和变形形二、构件二、构件刚度度截截面面刚度度房房屋屋刚度度结构构刚度度物理学的定义物理学的定义：刚度是度是产生生单位位变形形所需要的所需要的力力。应当指出，当指出，这里所指的里所指的变形形和和力力都是广都是广义的，的，变形形可以是位移、曲率、剪切角、扭可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、角、应变等；等；力力可以是可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。力等。单位位力作用下的力作用下的变形称形称为柔度，引起柔度，引起单位位变形所需的力形所需的力称称为刚度度。柔度和。柔度和刚度在数度在数值上互上互为倒数。倒数。2/22/2023332.4结构的构的刚度和度和变形形二、构件二、构件刚度度通常指构件通常指构件(Member)在在特定方向特定方向上引起上引起单位位变形所需的形所需的特定的荷特定的荷载例例1:1:承受集中荷承受集中荷载的的悬臂柱臂柱,柱柱长比起截面尺寸要大很比起截面尺寸要大很多，通常称多，通常称为杆件。杆件的弯曲杆件。杆件的弯曲变形形较大，相比之下剪切大，相比之下剪切变形和形和轴向向变形的影响小到可以忽略不形的影响小到可以忽略不计，所以只，所以只计弯曲弯曲变形。形。悬臂柱在柱臂柱在柱顶水平力作用下的水平力作用下的变形形=Ph3/3EI；在柱在柱顶单位水平力作用下的位移位水平力作用下的位移=h3/3EI ，称，称为柔度，柔度，则产生柱生柱顶单位位侧移所需的力移所需的力1/=3EI/h3 ，称，称为该柱在柱柱在柱顶水平力作水平力作用下的抗用下的抗侧移移刚度。度。例例2:2:承受均布荷承受均布荷载的的简支梁，也是一个杆件，可只考支梁，也是一个杆件，可只考虑弯曲弯曲变形，其跨中形，其跨中挠度度=5qL4/(384EI）；在在单位均布位均布荷荷载下的跨中下的跨中挠度度=5L4/（384EI），称称为柔度。而柔度。而产生生单位跨中位跨中挠度所需施加的均布荷度所需施加的均布荷载1/=384EI/（5L4），），称称为简支梁在均布荷支梁在均布荷载作用下的作用下的刚度。度。其他支承条件、荷其他支承条件、荷载情况情况下的下的变形在一般材料力学形在一般材料力学书上均可找到，大家可自行上均可找到，大家可自行查阅参参考。考。LEI11EIEILq(a)结构柔度(b)结构刚度可可见，构件的，构件的刚度与构件特度与构件特定的支承条件、荷定的支承条件、荷载状况和状况和变形形有关，且有关，且柔度和柔度和刚度互度互为倒数倒数。2/22/2023342.4结构的构的刚度和度和变形形二、构件二、构件刚度度对于于非非杆杆件件的的一一般般构构件件(例例如如墙或或其其他他薄薄壁壁构构件件)，剪剪切切变形形、轴向向变形形和和扭扭转变形形有有时不不能能忽忽略略。此此时，构构件件在在某某特特定定荷荷载下下沿沿特特定定方方向向的的变形形由由弯弯曲曲变形形、剪剪切切变形形、轴向向变形和扭形和扭转变形四部分形四部分组成。用虚位移原理可表达成。用虚位移原理可表达为通式：通式：=（M1MP/EI)dx+(V1VP/GA)dx+(N1NP/EA)dx+(MT1MTP/GIT)dx式中式中：EI、GA、EA、GIT 分分别为构构件件截截面面的的弯弯曲曲刚度度、剪剪切切刚度、拉度、拉压刚度和抗扭度和抗扭刚度度；M1、V1、N1、MT1 为沿沿特特定定位位移移方方向向上上单位位力力引引起起的的构件弯矩、剪力、构件弯矩、剪力、轴力和扭矩；力和扭矩；MP、VP、NP、MTP 为荷荷载引引起起的的构构件件弯弯矩矩、剪剪力力、轴力和扭矩。力和扭矩。2/22/2023352.4结构的构的刚度和度和变形形二、构件二、构件刚度度在建筑工程中在建筑工程中弯曲弯曲变形形的影响的影响弯曲弯曲变形及剪形及剪切切变形的影响形的影响还应考考虑轴向向变形的影响形的影响对于于梁梁 柱柱 这 样的的 杆杆 件件 以以弯弯 曲曲 变 形形为 主主，一一般般 只只 需需 考考虑第一第一项对于像剪于像剪力力墙、深梁、深梁这样的构件，由的构件，由于截面于截面较高，高，弯曲弯曲变形很小形很小,剪切剪切变形所形所占比例占比例较大，大，应考考虑前两前两项 对于超高于超高层房屋，由于房屋，由于房屋高房屋高宽比比较大，大，长柱子的柱子的轴向向变形所引形所引起的房屋起的房屋侧移移也占有一定的也占有一定的比例，不能忽比例，不能忽略略 扭扭转变形形对结构构件受力构构件受力很不利，通常在很不利，通常在结构布置构布置时，应尽量避免或减小扭矩尽量避免或减小扭矩，故除，故除个个别情况外，一般扭情况外，一般扭转的影响的影响不大。不大。2/22/202336结构构刚度度2.4结构的构的刚度和度和变形形构构件件刚度度房房屋屋刚度度截截面面刚度度物理学的定义物理学的定义：刚度是度是产生生单位位变形形所需要的所需要的力力。应当指出，当指出，这里所指的里所指的变形形和和力力都是广都是广义的，的，变形形可以是位移、曲率、剪切角、扭可以是位移、曲率、剪切角、扭转角、角、应变等；等；力力可以是可以是轴力、弯矩、剪力、扭矩或力、弯矩、剪力、扭矩或应力等。力等。单位位力作用下的力作用下的变形称形称为柔度，引起柔度，引起单位位变形所需的力形所需的力称称为刚度度。柔度和。柔度和刚度在数度在数值上互上互为倒数。倒数。2/22/2023372.4结构的构的刚度和度和变形形三、三、结构构刚度度房房屋屋结构构通通常常是是由由许多多结构构构构件件组成成的的，一一榀榀简单的的框框架架也也是是由由多多根根柱柱和和横横梁梁组成成，通通常常所所说框框架架的的抗抗侧移移刚度度是是指指引引起起框框架架顶端端单位位侧移移所所需需的的力力(或或荷荷载)。而而框框架架的的侧移移是是由由多多根根横横梁梁和和立立柱柱的的变形形引起的。框架在荷引起的。框架在荷载下的下的顶端端侧移可表达移可表达为=(M1MP/EI)dx+(V1VP/GA)dx+(N1NP/EA)dx+(MT1MTP/GIT)dx式中：式中：