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　　　1A412030 結構構造

        1A412031 結構構造設計要求

　　一、混凝土結構的受力特點及其構造

　　1.混凝土結構的優(yōu)點

　　(1)強度較高，鋼筋和混凝土兩種材料的強度都能充分利用;

　　(2)可模性好，適用面廣;

　　(3)耐久性和耐火性較好，維護費用低;

　　(4)現(xiàn)澆混凝土結構的整體性好、延性好，適用于抗震抗爆結構，同時防振性性和防輻射性能較好，適用于防護結構;

　　(5)易于就地取材。

　　混凝土結構的缺點：自重大，抗裂性較差，施工復雜，工期較長。

　　由于鋼筋混凝土結構有很多優(yōu)點，適用于各種結構形式，因而在房屋建筑中得到廣泛應用。

　　2.鋼筋和混凝土的材料性能

　　(1)鋼筋

　　我國普通鋼筋混凝土中配置的鋼筋主要是熱軋鋼筋，預應力筋常用中、高強鋼絲和鋼絞線。

　　1)熱軋鋼筋的種類：熱軋鋼筋由普通低碳鋼(含碳量不大于0.25%)和普通低合金鋼(合金元素不大于5%)制成。其常用種類、代表符號和直徑范圍見表1A412031-1。

　　鋼筋常用種類、代表符號和直徑范圍 表1A412031-1

強度等級代號	鋼種	符號	d（mm）
HPB300	Q300	#FormatImgID_0#	6～14
HRB335	20MnSi	#FormatImgID_1#	6～14
HRB400	20MnSiV,20MnSiNb,20MnTi	#FormatImgID_2#	6～50
RRB400	K20MnSi	#FormatImgID_3#R	6～50

　　2)鋼筋的力學性能：

　　建筑鋼筋分兩類，一類為有明顯流幅的鋼筋，另一類為沒有明顯流幅的鋼筋。

　　有明顯流幅的鋼筋含碳量少，塑性好，延伸率大。

　　無明顯流幅的鋼筋含碳量多，強度高，塑性差，延伸率小，沒有屈服臺階，脆性破壞。

　　對于有明顯流幅的鋼筋，其性能的基本指標有屈服強度、延伸率、強屈比和冷彎性能四項。冷彎性能是反映鋼筋塑性性能的另一個指標。

　　3)鋼筋的成分：

　　鐵是主要元素，還有少量的碳、錳、硅、釩、鈦等;另外，還有少量有害元素，如硫、磷。

　　(2)混凝土

　　1)抗壓強度：立方體強度以fcu作為混凝土的強度等級，單位是N/mm2(MPa)，例如C20表示抗壓強度為20N/mm2。規(guī)范共劃分十四個強度等級，C15～C80，級差為5N/mm2。

　　2)棱柱體抗壓強度fc，該強度是采用150mm×150mm×300mm的棱柱體作為標準試件試驗所得。

　　3)抗拉強度ft，是計算抗裂的重要指標�；炷�土的抗拉強度很低。

　　(3)鋼筋與混凝土的共同工作

　　鋼筋與混凝土的相互作用叫粘結。鋼筋與混凝土能夠共同工作是依靠它們之間的粘結強度。混凝土與鋼筋接觸面的剪應力稱粘結應力。

　　影響粘結強度的主要因素有混凝土的強度、保護層的厚度和鋼筋之間的凈距離等。

　　3.極限狀態(tài)設計方法的基本概念

　　我國現(xiàn)行規(guī)范采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，其基本原則如下：

　　(1)結構功能：建筑結構必須滿足安全性、適用性和耐久性的要求。

　　(2)可靠度：結構在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能要求的能力，稱為結構的可靠性，可靠度是可靠性的定量指標。

　　(3)極限狀態(tài)設計的實用表達式：為了滿足可靠度的要求，在實際設計中采取如下措施：

　　1)一般情況下在計算桿件內(nèi)力時，對荷載標準值乘以一個大于1的系數(shù)，稱荷載分項系數(shù)。

　　2)在計算結構的抗力時，將材料的標準值除以一個大于1的系數(shù)，稱材料分項系數(shù)。

　　3)對安全等級不同的建筑結構，采用一個重要性系數(shù)進行調(diào)整。

　　在采用上述措施后，可靠度指標便得到了滿足。這就是以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計方法。

　　4.鋼筋混凝土梁的配筋原理及構造要求

　　(1)適筋梁正截面受力階段分析(見圖1A412031-1)

　　圖1A412031-1 梁正截面各階段應力分析

　　第Ⅰ階段：M很小，混凝土、鋼筋都處在彈性工作階段。第Ⅰ階段結束時拉區(qū)混凝土到達ft，混凝土開裂。

　　第Ⅱ階段：M增大，拉區(qū)混凝土開裂，逐漸退出工作。中和軸上移。壓區(qū)混凝土出現(xiàn)塑性變形，壓應變呈曲線，第Ⅱ階段結束時，鋼筋應力剛到達屈服。此階段梁帶裂縫工作，這個階段是計算正常使用極限狀態(tài)變形和裂縫寬度的依據(jù)。

　　第Ⅲ階段：鋼筋屈服后，應力不再增加，應變迅速增大，混凝土裂縫向上發(fā)展，中和軸迅速上移，混凝土壓區(qū)高度減小，梁的撓度急劇增大。當混凝土達到極限壓應變時，混凝土被壓碎，梁即破壞。此階段是承載能力的極限狀態(tài)計算的依據(jù)。

　　對梁的配筋量在規(guī)范中明確地作出規(guī)定，不允許設計成超筋梁和少筋梁，對最大、最小配筋率均有限值，它們的破壞是沒有預兆的脆性破壞。

　　(4)梁的斜截面承載能力保證措施

　　受彎構件截面上除作用彎矩M外，通常還作用有剪力V。在彎矩M和剪力V的共同作用下，有可能產(chǎn)生斜裂縫，并沿斜裂縫截面發(fā)生破壞。

　　影響斜截面受力性能的主要因素：

　　1)剪跨比和高跨比;

　　2)混凝土的強度等級;

　　3)腹筋的數(shù)量，箍筋和彎起鋼筋統(tǒng)稱為腹筋。

　　為了防止斜截面的破壞，通常采用下列措施：

　　1)限制梁的截面最小尺寸，其中包含混凝土強度等級因素;

　　2)適當配置箍筋，并滿足規(guī)范的構造要求;

　　3)當上述兩項措施還不能滿足要求時，可適當配置彎起鋼筋，并滿足規(guī)范的構造要求。

　　5.梁、板的受力特點及構造要求

　　梁、板按支承情況分，有簡支梁、板與多跨連續(xù)梁、板之分。板按其受彎情況又有單向板與雙向板之分。

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　　(1)單向板與雙向板的受力特點

　　兩對邊支承的板是單向板，一個方向受彎;而雙向板為四邊支承，雙向受彎。當長邊與短邊之比小于或等于2時，應按雙向板計算;當長邊與短邊之比大于2但小于3時，宜按雙向板計算;當按沿短邊方向受力的單向板計算時，應沿長邊方向布置足夠數(shù)量的構造筋;當長邊與短邊長度之比大于或等于3時，可按沿短邊方向受力的單向板計算。

　　(2)連續(xù)梁、板的受力特點

　　現(xiàn)澆肋形樓蓋中的板、次梁和主梁，一般均為多跨連續(xù)梁(板)。連續(xù)梁(板)的內(nèi)力計算是主要內(nèi)容，配筋計算與簡支梁相同。內(nèi)力計算有兩種方法。主梁按彈性理論計算，次梁和板可考慮按塑性變形內(nèi)力重分布的方法計算。彈性理論的計算是把材料看成彈性的，用結構力學的方法，考慮荷載的不利組合，計算內(nèi)力，并畫出包絡圖，進行配筋計算。

　　均布荷載下，等跨連續(xù)板和連續(xù)次梁的內(nèi)力計算，可考慮塑性變形的內(nèi)力重分布。允許支座出現(xiàn)塑性鉸，將支座截面的負彎矩調(diào)低，即減少負彎矩;調(diào)整的幅度，必須遵守一定的原則。

　　連續(xù)梁、板的受力特點是，跨中有正彎矩，支座有負彎矩。因此，跨中按最大正彎矩計算正筋，支座按最大負彎矩計算負筋。鋼筋的截斷位置按規(guī)范要求截斷。

　　(3)梁、板的構造要求

　　梁最常用的截面形式有矩形和T形。梁的截面高度一般按跨度來確定，寬度一般是高度的1/3。梁的支承長度不能小于規(guī)范規(guī)定的長度�？v向受力鋼筋宜優(yōu)先選用HRB335、HRB400鋼筋，常用直徑為10～25mm，鋼筋之間的間距不應小于25mm，也不應小于直徑。保護層的厚度與梁所處環(huán)境有關，一般為25～40mm。

　　板的厚度與計算跨度有關，屋面板一般不小于60mm，樓板一般不小于80mm，板的支承長度不能小于規(guī)范規(guī)定的長度，板的保護層厚度一般為15～30mm。受力鋼筋直徑常用6、8、10、12mm。間距不宜大于250mm。

　　梁、板混凝土的強度等級一般采用C20以上。

　　二、砌體結構的受力特點及其構造

　　采用磚、砌塊和砂漿砌筑而成的結構稱為砌體結構。

　　砌體結構有以下優(yōu)點：砌體材料抗壓性能好，保溫、耐火、耐久性能好;材料經(jīng)濟，就地取材;施工簡便，管理、維護方便。砌體結構的應用范圍廣，它可用作住宅、辦公樓、學校、旅館、跨度小于15m的中小型廠房的墻體、柱和基礎。

　　砌體的缺點：砌體的抗壓強度相對于塊材的強度來說還很低，抗彎、抗拉強度則更低;黏土磚所需土源要占用大片良田，更要耗費大量的能源;自重大，施工勞動強度高，運輸損耗大。

　　砌體的受力特點是抗壓強度較高而抗拉強度很低，所以砌體結構房屋的靜力計算簡圖大多設計成剛性方案。因為這種方案的砌體受的拉力較小，壓力較大，可以很好地發(fā)揮砌體的受力特點。開間較小的住宅、中小型辦公樓即屬于這類結構。

　　(1)墻、柱高厚比

　　高厚比β是指墻、柱的計算高度H0與其相應厚度h的比值，β=H0/h。

　　《砌體結構設計規(guī)范》GB 50003—2011所確定的墻、柱高厚比[β]是總結大量工程實踐經(jīng)驗并經(jīng)理論校核和分析得出的，見表1A412031-1。

　　無筋砌體(墻、柱)的允許高厚比[β]值 表1A412031-1

砂漿強度等級	墻	柱
M2.5	22	15
M5.0（Mb5.0、Ms5.0）	24	16
≥M7.5（Mb7.5、Ms7.5）	26	17

　　影響允許高厚比的主要因素有：砂漿強度;構件類型;砌體種類;支承約束條件、截面形式;墻體開洞、承重和非承重。對上述因素的影響通過相應的修正系數(shù)對允許高厚比[β]予以降低和提高。

　　(2)墻體受壓承載力計算

　　砌體受壓構件的承載力的計算用下式表示：

　　N≤φ·f·A (1A412031-1)

　　式中 N——軸向力設計值;

　　φ——高厚比β和軸向力的偏心距對受壓構件承載力的影響系數(shù);

　　f——砌體的抗壓強度設計值;

　　A——砌體的截面面積。

　　墻體作為受壓構件的驗算分三個方面：

　　1)穩(wěn)定性。通過高厚比驗算滿足穩(wěn)定性要求。

　　2)墻體極限狀態(tài)承載力驗算。按式(1A412031-1)驗算。

　　3)受壓構件在梁、柱等承壓部位處的局部受壓承載力驗算。

　　(3)砌體房屋結構的主要構造要求

　　砌體結構的構造是確保房屋結構整體性和結構安全的可靠措施。墻體的構造措施主要包括三個方面，即伸縮縫、沉降縫和圈梁。

　　由于溫度改變，容易在墻體上造成裂縫，可用伸縮縫將房屋分成若干單元，使每單元的長度限制在一定范圍內(nèi)�！镀鲶w結構設計規(guī)范》GB 50003—2011稱此長度為溫度收縮縫的最大間距，詳見表1A412031-2。伸縮縫應設在溫度變化和收縮變形可能引起應力集中、砌體產(chǎn)生裂縫的地方。伸縮縫兩側宜設承重墻體，其基礎可不分開。

　　砌體結構房屋伸縮縫的最大間距(m) 表1A412031-2

屋蓋或樓蓋類別		間距
整體式或裝配整體式鋼筋混凝土結構	有保溫層或隔熱層的屋蓋、樓蓋	50
	無保溫層或隔熱層的屋蓋	40
裝配式無檁體系鋼筋混凝土結構	有保溫層或隔熱層的屋蓋、樓蓋	60
	無保溫層或隔熱層的屋蓋	50
裝配式有檁體系鋼筋混凝土結構	有保溫層或隔熱層的屋蓋	75
	無保溫層或隔熱層的屋蓋	60
瓦材屋蓋、木屋蓋或樓蓋、輕鋼屋蓋		100

　　當?shù)鼗�土質(zhì)不均勻，房屋將引起過大不均勻沉降造成房屋開裂，嚴重影響建筑物的正常使用，甚至危及其安全。為防止沉降裂縫的產(chǎn)生，可用沉降縫在適當部位將房屋分成若干剛度較好的單元，沉降縫的基礎必須分開。

　　墻體的另一構造措施是在墻體內(nèi)設置鋼筋混凝土圈梁。圈梁可以抵抗基礎不均勻沉降引起的墻體內(nèi)拉應力，同時可以增加房屋結構的整體性，防止因振動(包括地震)產(chǎn)生的不利影響。因此，圈梁宜連續(xù)地設在同一水平面上，并形成封閉狀。

　　縱橫墻交接處的圈梁應有可靠的連接。剛彈性和彈性方案房屋，圈梁應與屋架、大梁等構件可靠連接。鋼筋混凝土圈梁的寬度宜與墻厚相同，當墻厚h≥240mm時，其寬度不宜小于2h/3。圈梁高度不應小于120mm�？v向鋼筋不應少于4根，直徑不小于10mm，綁扎接頭的搭接長度按受拉鋼筋考慮，箍筋間距不應大于300mm。

　　三、鋼結構構件的受力特點及其連接類型

　　鋼結構的抗拉、抗壓強度都很高，構件斷面小，自重較輕，結構性能好，所以它適用于多種結構形式，如梁、桁架、剛架、拱、網(wǎng)架、懸索等，應用非常廣泛。在高層建筑及橋梁中的應用愈來愈多。用作鋼結構的材料必須具有較高的強度、塑性韌性較好、適宜于冷加工和熱加工;同時，還必須具有很好的可焊性。鋼結構的鋼材宜采用Q235、Q345(16Mn)、Q390(15MnV)和Q420。

　　1.鋼結構的連接

　　鋼結構是由鋼板、型鋼通過必要連接形成的結構。鋼結構的連接方法可分為焊縫連接、鉚釘連接和螺栓連接三種。

　　(1)焊縫連接：焊縫連接是目前鋼結構的主要連接方法。其優(yōu)點是構造簡單，節(jié)約鋼材，加工方便，易于采用自動化操作，在直接承受動力荷載的結構中，垂直于受力方向的焊縫不宜采用部分焊透的對接焊縫。

　　(2)鉚釘連接：鉚接由于構造復雜，用鋼量大，現(xiàn)已很少采用。因為鉚釘連接的塑性和韌性較好，傳力可靠，易于檢查，在一些重型和直接承受動力荷載的結構中，有時仍然采用。

　　(3)螺栓連接：螺栓連接又分為普通螺栓和高強度螺栓兩種。普通螺栓施工簡單，拆、裝方便。普通螺栓一般由Q235制成。高強度螺栓用合金鋼制成，高強度螺栓制作工藝精準，操作工序多，要求高。目前，在我國橋梁及大跨度結構房屋及工業(yè)廠房中已廣泛采用。

　　2.鋼結構的受力特點

　　(1)受彎構件

　　鋼梁是最常見的受彎構件。

　　1)鋼梁的截面形式

　　鋼梁的截面形式一般有型鋼和鋼板組合梁兩類。型鋼梁多采用工字鋼和H型鋼，鋼板組合梁常采用焊接工字形截面。

　　2)鋼梁的強度、剛度和穩(wěn)定性計算

　�、倏箯潖姸扔嬎悖喝×簝�(nèi)塑性發(fā)展到一定深度作為極限狀態(tài)。對需要計算疲勞的梁，不考慮梁塑性發(fā)展。

　　為保證梁的受壓翼緣不致產(chǎn)生局部失穩(wěn)，應限制其自由外伸寬度與其厚度之比。

　�、诳辜魪姸扔嬎悖毫旱目辜魪姸劝磸椥栽O計。

　�、蹌偠扔嬎悖毫罕仨毦哂幸欢ǖ膭偠炔拍苡行У毓ぷ�，剛度不足將導致梁撓度太大，影響結構正常使用。因此，設計鋼梁除應滿足各項強度要求之外，還應滿足剛度要求。

　　梁的撓度計算時采用荷載標準值，可不考慮螺栓孔引起的截面削弱。

　　④鋼梁的整體穩(wěn)定計算：當有鋪板(各種鋼筋混凝土板或鋼板)密鋪在梁的受壓翼緣上與其牢固相連，能阻止梁受壓翼緣的側向位移時，或者工字形截面簡支梁受壓翼緣的自由長度與其寬度之比滿足相應要求時，梁的整體穩(wěn)定可不計算。除此之外，應驗算梁的整體穩(wěn)定性。

　　⑤鋼梁的局部穩(wěn)定計算：

　　梁腹板通常采用加勁肋來加強腹板的局部穩(wěn)定性，梁翼緣的局部穩(wěn)定一般是通過限制板件的寬厚比來保證的。軋制的工字鋼和槽鋼等型鋼一般不會發(fā)生局部失穩(wěn)。

　　(2)受拉構件、受壓構件

　　1)受拉構件根據(jù)受力情況，可分為軸心受拉和偏心受拉構件(拉彎構件)。

　�、佥S心受拉構件：軸心受拉構件常見于桁架中。軸心受拉構件須按凈截面面積進行強度計算。構件的剛度是通過限制長細比來保證的。

　�、谄�心受拉構件：偏心受拉構件應用較少，桁架受拉桿同時承受節(jié)點之間橫向荷載時為偏心受拉構件。

　　2)受壓構件

　　柱、桁架的壓桿等都是常見的受壓構件。根據(jù)受力情況，受壓構件可分為軸心受壓和偏心受壓構件(壓彎構件)。這里主要介紹軸心受壓構件。

　　按截面構造形式，受壓構件可分為實腹式和格構式兩類。前者構造簡單、制作方便;后者制作費工，但節(jié)省鋼材。當構件比較高大時，可采用格構式，增加截面剛度，節(jié)省鋼材。

　　和軸心受拉構件一樣，軸心受壓構件的截面設計也需要滿足強度和剛度要求。除此以外，軸心受壓構件還要進行整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定計算：通過考慮整體穩(wěn)定系數(shù)進行軸心受壓構件的整體穩(wěn)定計算，通過限制板件的寬厚比來保證局部穩(wěn)定。

　　(3)梁柱節(jié)點

　　梁和柱連接時，可將梁支承在柱頂上或連接于柱的側面。二者均可做成鉸接或剛接。

　　3.鋼結構構件防火與防銹

　　1)鋼結構防火性能較差。當溫度達到550℃時，鋼材的屈服強度大約降至正常溫度時屈服強度的0.7，結構即達到它的強度設計值而可能發(fā)生破壞。

　　設計時應根據(jù)有關防火規(guī)范的規(guī)定，使建筑結構能滿足相應防火標準的要求。在防火標準要求的時間內(nèi)使鋼結構的溫度不超過臨界溫度，以保證結構正常承載能力。

　　2)外露的鋼結構可能會受到大氣，特別是受污染大氣的嚴重腐蝕，最普通的是生銹。這就必須對構件的表面進行防腐蝕處理，以保證鋼結構的正常使用。防腐處理方法根據(jù)構件表面條件及使用壽命的要求決定。

　　在進行構造設計時，應對構造做法妥善處理，避免諸如將槽鋼槽口朝上放置，造成積水等情況;大型構件應有人能進入的觀察口，以便檢查維護構件內(nèi)部情況等。