第八章 土木工程结构体系Word文档下载推荐.docx
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力梁,在高烈度区宜采用有粘结预应力梁。
预应力混凝土梁
一般采用高强度的混凝土和高强度钢筋,可有效节省材料,
减小截面尺寸。
因此,当梁的跨度达到12m以上时宜采用预
应力混凝土梁。
图7-6施加预压应力的预应力混凝土梁
(2)钢梁
钢梁的材料强度高,塑性好,钢材便于加工和安装,因此
钢梁的使用范围较广。
由于材料强度高,所以钢梁的截面尺
寸较小,其自重较轻。
钢梁可由型钢直接制作,其截面形式
如图7-7所示。
图7-7钢梁的截面类型
(3)钢—混凝土组合梁
钢—混凝土组合梁通常情况下由钢筋混凝土翼板、钢
梁、板托和抗剪连接件四个部分组成,如图7-8所示。
在钢
梁上支放混凝土楼板,且在两者之间设置一些抗剪连接件,
以阻止混凝土与钢梁在受弯时的相互错动,使之组合成一个
整体,这种组合构件称为钢—混凝土组合梁。
组合梁中常用
的钢梁截面形式如图7-9所示。
图7-8钢—混凝土组合梁的组成
图7-9组合梁中钢梁的截面形式
组合梁的截面高度较小、自重轻、刚度大、延性好。
与
混凝土梁相比,组合梁具有以下特点:
1)可以使混凝土梁的高度降低1/4~1/3,自重减轻40%~
60%。
2)组合梁的强度提高,在组合梁的正弯矩区,混凝土受
压,钢梁受拉,两种不同材料都能充分发挥各自的特长,且
受力合理,节约材料。
3)可节约施工支模、缩短施工周期。
组合梁与钢梁相比具有以下特点:
1)可以使钢梁的高度降低1/4~1/3,刚度增大1/4~1/3。
2)处于受压区的混凝土板刚度较大,对避免钢梁的整体
稳定性和局部失稳有明显的作用,使钢梁用于防止失稳方面
的材料大大节省。
3)可利用钢梁上组合楼板混凝土的受压作用,增加梁截
面的有效高度,提高梁的抗弯承载力和抗弯刚度,从而节省
钢材和降低造价。
2.梁按支承条件可分为简支梁、连续梁和悬臂梁。
(1)简支梁
简支梁的两端搁置支承物上,一端可视为可动铰支座,可
动铰支座表示梁可绕该支座转动、也可平移;
另一端可视为
固定铰支座,固定铰支座表示梁可以自由转动但不能平移(图
7-10)。
简支梁是静定结构,一般用于小跨度结构,经济的截
面高度一般为跨度的1/8~1/12。
图7-10简支梁
(2)连续梁
连续梁具有2个以上支座(图7-11),为超静定梁,结构
刚度较大,整体性较好。
因连续梁的最大弯矩比简支梁小,
所以在荷载和跨度相同的情况下,连续梁的截面高度可比简
支梁小。
图7-11连续梁
(3)悬臂梁
悬臂梁的一端为固定支座、另一端为自由端(图7-12)。
悬臂梁广泛用于阳台、雨棚、体育场的看台等部位。
悬臂梁
的根部受力最大,在相同的均布荷载作用下,跨度相同的悬
臂梁和简支梁相比,悬臂梁根部的最大弯矩是简支梁的4倍,
最大挠度是简支梁的10倍,因此,一般悬臂梁的悬臂长度不
宜超过根部截面高度的6倍,当悬臂长度较大时,宜把悬臂
梁做成变截面梁。
图7-12悬臂梁
二、板
板是将恒荷载和活荷载通过梁(或直接)传递到竖向支撑
结构(墙、柱)的主要水平构件,板的长、宽两个方向的尺
寸远大于其厚度,如房屋建筑中的楼盖,板是典型的受弯构
钢筋混凝土楼板按其施工方式分为现浇整体式钢筋混凝
土楼板、装配整体式钢筋混凝土楼板。
其中应用最广泛的是
现浇钢筋混凝土楼板,现浇整体式钢筋混凝土楼板具有整体
性好、刚度大、抗震性强、防水性好等优点,适用于楼面荷
载大,平面形状不规则或有较大集中设备荷载、振动荷载作
用、对防防漏或抗震要求较高的建筑物。
(一)现浇整体式钢筋混凝土楼板
现浇整体式钢筋混凝土楼板按受力和支撑条件的不同,
分为肋梁楼板、井式楼板、无梁楼板和压型钢板组合楼板。
1.肋梁楼板
肋梁楼板由板、次梁和主梁组成。
板被梁分成若干区格,
每一区格的板一般是支撑在主梁、次梁或者墙上。
当区格板
的长边长度l2与短边长度l1的比值l2/l1>2时,板上荷载主要沿
短边方向传递到支撑梁上,而沿长边方向传递的荷载很小,
可以忽略不计,计算时可以仅考虑短边方向的受弯作用,这
种仅沿短边方向受力的板,称为单向板肋梁楼板(图7-13a)。
当区格板的长短边之比l2/l1≤2时,板上荷载将通过两个
方向传递到相应的支撑梁或墙上,此时,板计算时要考虑两
个方向的受力,这种板沿两个方向受力,称为双向板肋梁楼
板。
双向板使板的受力和传力更加合理,构件的材料更能充
分发挥作用(图7-13b)
(a)单向板肋梁楼板
(b)双向板肋梁楼板
图7-13肋梁楼板
肋梁楼板广泛用于多层及高层房屋的楼、屋盖结构中,
其中双向板肋梁楼盖多用于公共建筑的高层建筑,单向板肋
梁楼盖多用于多层厂房和公共建筑中。
2.井式楼板
井式楼板是双向板的发展,是双向板和交叉梁系组成的
楼板。
当建筑上需要空间较大时,经常将楼板划分为若干接
近正方形的小区格,两个方向的梁截面高度相同,无主、次
梁之分,梁格布置呈“井”字,故称为井式楼板(图7-14)。
井式楼板可少设或不设内柱,能跨越较大的空间,顶棚比较
美观,适用于正方形或接近于正方形的公共建筑的门厅、中
小型礼堂、餐厅等。
但井式楼板与肋梁楼板相比,因井式楼
板的梁跨度大,所以其钢筋用量较多,造价较高。
图7-14井式楼板
3.无梁楼板
无梁楼板为板柱结构体系,楼板不设梁,将板直接支撑于
柱上,所以称为无梁楼板(图7-15)。
无梁楼板所占用的结构
高度小,支模简单,但板厚较大。
因无梁楼板除受弯外,在
柱边会受到较大的冲切,所以在柱网较大时,柱顶要设置柱
帽,这样可提高板的抗冲切能力,减小板的计算跨度。
无梁
楼板适用于柱网尺寸不超过6m的图书馆、仓库等建筑。
图7-15无梁楼板
4.压型钢板组合楼板
压型钢板与混凝土组合板是在压型钢板上现浇混凝土,
且配置适量钢筋所构成的一种板。
压型钢板利用凹凸相间的
压型薄钢板作衬板与现浇混凝土浇注在一起支承在钢梁上构
成整体型楼板,图7-16所示,压型钢板组合板的常用截面形
式如图7-17。
目前,在钢结构及组合结构房屋的楼盖和屋盖
中,尤其是高层建筑钢结构的楼板中,普遍采用压型钢板与
混凝土组合板。
图7-16压型钢板组合楼板
图7-17压型钢板组合楼板截面
压型钢板与混凝土组合板与上述的肋梁楼板、井式楼板
及无梁楼板相比,具有以下优点:
(1)压型钢板通过与混凝土的组合作用,可以部分代替
或全部代替楼板中的受力钢筋,从而减小了钢筋的制作与安
装工作量。
(2)压型钢板可作为浇注混凝土的永久模板,节省了施
工中搭设脚手架和安装与拆模的时间,大大缩短施工工期,
节约成本。
(3)压型钢板的肋部便于铺设水、电、通讯设施等管线,
可以增大室内层高或降低建筑总高度,提高建筑设计的灵活
性。
(二)装配整体式钢筋混凝土楼板
装配式梁板结构也是钢筋混凝土结构最基本的形式之
一,装配式梁板结构主要是铺板楼盖,铺板楼盖中,常用的
构件是预制板,预制板分为实心板、空心板、槽形板和T形
板,如图7-18所示。
装配式楼板的优点是施工速度快,多用
于多层砌体结构,缺点是整体性差,为此,在有抗震设防要
求时,常在装配式楼板上现浇一层钢筋混凝土,加强其整体
性,形成装配整体式钢筋混凝土楼板。
(a)实心板
(b)空心板(圆孔)(c)正槽形板
(d)倒槽形板
(e)单T形板
(f)双T形板
图7-18常用预制板的截面形式
1.实心板
实心板是一种最简单的预制板,其主要特点是表面平整、
制作简单、但自重大,适用于跨度较小的走道板、楼盖板、
楼梯平台板等。
实心板的跨度一般在1.2~2.4m之间,如采
用预应力板其最大跨度也不宜超过2.7m。
常用板厚为50~
80mm,板宽一般为500~1000mm。
考虑到板与板之间的灌缝及
施工时便于安装,板的实际尺寸比设计尺寸小一些,一般板
底宽度小10mm,板面宽度至少要小20~30mm。
2.空心板
空心板具有刚度大、自重轻、受力性能好、隔热隔音效
果好等优点。
上下板面平整、因此在预制楼板中得到广泛应
用,缺点是不能在板上随意开洞。
空心板有单孔、双孔、多
孔。
其孔洞有圆形、方形、矩形和椭圆形,其中圆孔板因制
作简单而应用最多。
在施工时为避免空心板端部被压坏,在
板端孔洞内应塞混凝土堵头。
空心板可分为普通混凝土空心
板、预应力空心板。
空心板尺寸规格各地不一,有相应的标
准图集以供选用。
空心板的截面宽度常用的有500mm、600mm、
900mm、1200mm;
板长度一般有3.0m、3.3m、3.6m、3.9m、4.2m、
4.8m;
板截面高度一般有120mm、180mm、240mm等。
3.槽形板
当板的跨度较大时,为了减轻板的自重,提高板的刚度,
可采用槽形板的形式。
槽形板由面板、纵肋和横肋组成,肋
向下的称为正槽形板,肋向上的称为倒槽形板。
正槽形板的
优点是受力合理,造价低且开洞自由,但因板下有肋不能形
成平整的天花板,一般用于对天花板要求不高的建筑屋盖和
楼面结构,如厨房、卫生间、仓库及厂房等。
倒槽形板的受
力性能较差,但可提供较平整的天花板,可与正槽形板组成
双层楼盖,在两槽形板之间填充保温材料,具有较好的保温
性能,可作为寒冷地区的保温屋盖。
5.T形板
T形板有单T形和双T形板两种。
这类板的受力性能良好,
不知灵活,能跨越较大的空间,开洞自由。
但整体刚度不如
T
其他类型的板。
形板适用于板跨度在12m以内的楼盖和屋盖
结构。
三、柱
柱是工程结构中主要承受压力,有时也同时承受弯矩的
竖向杆件,用以支承梁、桁架、楼板等。
根据受力情况,柱
分为轴心受压柱和偏心受压柱,当荷载作用于柱截面形心时
为轴心受压柱(图7-19a);
当荷载作用方向偏离截面形心时为
偏心受压柱,此时柱既受压又受弯(图7-19b)。
(a)轴心受压柱
(b)偏心受压柱
图7-19受压柱
柱按所用材料可分为:
钢筋混凝土柱、钢柱、型钢混凝
土柱及钢管混凝土柱等。
1.钢筋混凝土柱
钢筋混凝土柱的应用最为广泛,如单层工业厂房的排架
柱,多、高层房屋结构中的框架柱。
钢筋混凝土柱常用的截
面形式有正方形、矩形和圆形(图7-20)。
(a)正方形截面
(b)矩形截面
(c)圆形截面
图7-20钢筋混凝土柱截面
2.钢柱
钢柱具有承载力高,塑性、韧性好等优点,最常用的截面
形式是工字形和箱形(图7-21)。
(a)工字形截面
(b)箱形截面
图7-21钢柱截面
钢柱常用于大型工业厂房、大跨度公共建筑、高层建筑、
轻型活动房屋、工作平台、栈桥和支架等。
3.型钢混凝土柱
型钢混凝土柱是在混凝土中主要配置型钢、并配有一定纵
向钢筋和箍筋的结构,其常用截面形式见图7-22。
型钢混凝
土柱与同截面钢筋混凝土柱相比,承载力高、延性好,同时
外包的钢筋混凝土对型钢起到防腐、防火的保护作用。
(a)工字形
(b)十字形
(c)正方形
(d)T形
图7-22型钢混凝土柱界面吗
4.钢管混凝土柱
钢管混凝土柱是在钢管内填充混凝土而形成的组合柱,在
钢管内可以配置钢筋,也可以只填充混凝土。
钢管混凝土柱
按截面形式不同,可分为圆钢管混凝土柱、方钢管混凝土和
多边形钢管混凝土,如图7-23所示。
其中以圆钢管混凝土柱
和方钢管混凝土的应用较为广泛。
钢管混凝土柱可大幅度提
高柱的抗压承载能力,且延性比钢筋混凝土柱好,施工速度
快。
(a)圆形
(b)正方形
(c)多边形
图7-23钢管混凝土柱截面
第二节桁架
桁架是由若干内力以轴力为主的杆件构成的平面或空间
的格架式结构。
桁架的上边缘的杆件称为上弦杆,下边缘杆
件称为下弦杆,上下弦杆之间的杆件称为腹杆(包括直腹杆
和斜腹杆),各杆端的结合点称为结点,图7-24所示。
在荷
载作用下,桁架杆件主要承受轴向拉力或压力,从而能充分
利用材料的强度,在跨度较大时可比实腹梁节省材料,减轻
自重和增大刚度,故适用于较大跨度的承重结构和高耸结构,
如屋架、桥梁、展览馆、体育馆、输电线路塔、卫星发射塔
等。
根据受力特性,桁架结构分平面桁架和空间桁架;
按材
料不同分为钢桁架、钢筋混凝土桁架、木桁架、钢与木组合
桁架、钢与混凝土组合桁架;
图7-24桁架结构
桁架结构是由梁演变而来的,将梁(7-25a)中性轴附近未
被充分利用的材料挖空,就得到图7-25b所示的桁架结构。
桁架梁和梁相比,在抗弯方面,由于将受拉与受压的截面集
中布置在上下两端,增大了内力臂,使得以同样的材料用量,
实现了更大的抗弯强度。
在抗剪方面,通过合理布置腹杆,
能够将剪力逐步传递给支座。
这样无论是抗弯还是抗剪,桁
架结构都能够使材料强度得到充分发挥,从而适用于各种跨
度的屋盖结构。
更重要的意义还在于,它将横弯作用下的实
腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力
状态,使我们能够直观了解力的分布和传递,便于结构的变
化和组合。
(a)
(b)
图7-25梁和桁架
一、钢筋混凝土屋架
钢筋混凝土屋架的常见形式有梯形屋架、多边形屋架及
空腹屋架等。
根据是否对屋架下弦施加预应力,可分为钢筋
混凝土屋架和预应力钢筋混凝土屋架。
钢筋混凝土屋架的适
用跨度为15~24m,预应力混凝土屋架的适用跨度为18~36m
或更大。
梯形屋架如图7-26a,上弦为直线,屋面坡度为1/12~
1/10,适用于卷材防水屋面。
一般上弦节间为3m,下弦节间
为6m,桁架高度与跨度之比为1/8~1/6,屋架端部高度为
1.8~2.2m。
如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架,
图7-26b所示,梯形屋架自重大,刚度好,其构造形式适容
易满足某些工业厂房的工艺要求,常用于重型、高温及采用
横向天窗的厂房。
(a)梯形桁架
(b)平行弦桁架
(c)多边形桁架
(d)空腹桁架
图7-26桁架结构类型
多边形屋架如图7-26c所示,当上弦各节点位于同一条
抛物线上时,称为抛物线形桁架,否则为折线形桁架结构。
折线形屋架外形较为合理,结构自重也较轻,屋面坡度为
1/4~1/3,适用于非卷材防水屋面的中型厂房;
抛物线桁架
的受力合理,上下弦轴力分布均匀,腹杆轴力较小,用料最
省,是工程中常用的一种桁架形式。
但屋架端部屋面坡度太
陡,这时可在上弦上部加设短柱而不改变屋面坡度,使之适
合卷材防水,抛物线形屋架的高跨比一般为1/8~1/6。
空腹屋架如图7-26d,空腹屋架的上弦各结点一般在同一
条抛物线上,上下弦之间没有斜腹杆,因没有斜腹杆,故结
构构造简单,便于制作。
屋面可以支撑在上弦杆上,也可以
支撑在下弦杆上,因此比较适用于采用井式或横向天窗的厂
房,这样不仅省去了天窗等构件,简化了结构构造,而且降
低了厂房屋盖的高度,减小了建筑物上风荷载的作用面积。
当空腹屋架采用预应力时,跨度可达36m,由于没有斜腹杆,
屋架中的管道穿行和工人检修均很方便,使屋架高度的空间
得以充分利用。
二、钢屋架
钢屋架的典型形式有三角形屋架、梯形屋架和平行弦屋
架等。
对屋架外形的选择、弦杆节间的划分和腹杆的布置,
考虑的原则:
杆件的类型和数量宜少,节点构造简单,各杆
之间的夹角应控制在30°
~60°
之间;
应使屋架外形与梁的
弯矩图相近似,这样杆件受力均匀;
短杆受压,长杆受拉;
荷载尽量布置在结点上,以减少弦杆局部弯矩。
1.三角形钢屋架
三角形钢屋架(图7-27),一般用于屋面坡度较大的屋盖
结构中,在屋面防水材料为各类瓦类块材时,其屋架的高跨
比为1/6~1/4。
三角形屋架弦杆内力变化较大,弦杆内力在
支座处最大,在跨中最小,材料强度不能充分发挥作用,一
般用于中小跨度的轻屋盖结构。
(c)
图7-27三角形钢屋架
2.梯形钢屋架
梯形钢屋架(图7-28),一般用于屋面坡度较小的屋盖中,
其受力性能比三角形屋架优越,适用于大跨度的工业厂房。
当上弦坡度为1/12~1/8时,梯形屋架的高度可取(1/10~
1/6)l,当跨度大或屋面荷载小时取小值,跨度小或屋面荷载
大时取大值。
梯形屋架一般都用于无檩体系屋盖,屋面材料
大多用大型屋面板。
这时上弦节间长度应与大型屋面板相配
合,使大型屋面板的主肋正好搁置在屋架上弦的节间上,在
上弦中不产生局部弯矩。
当节间过长时,可采用再分式腹杆
形式。
当采用有檩体系屋盖时,则上弦节间可根据檩条的间
距而定,一般为0.8~3.0m。
图7-28三角形钢屋架
3.平行弦钢屋架
平行弦钢屋架(图7-29),多用于托架或支撑体系,其上下
弦平行,腹杆长度一致,杆件类型少,符合标准化、工业化
的制造要求。
图7-29平行弦钢屋架
普通钢屋架是用一般型号的型钢(≥L45×
4或L56×
36
×
4)和钢板组成的屋架,杆件截面主要采用热轧角钢组成T
形或十字形截面,在杆件的交汇处用直角焊缝与节点板连接。
它构造简单、制作安装方便,与屋盖支撑形成空间几何不变
体系,使屋盖的刚度好,工作可靠,适应性强,在单层大跨
度结构中广泛应用,但耗钢量大,适用于跨度l=18~36m。
三、轻型钢屋架
用圆钢直径不宜小于12mm(屋架杆件)或直径不宜小于
16mm(支撑杆件)和小角钢(小于L45×
4或小于L56×
36×
4)
组成的钢屋架以及用2~6mm薄钢板或带钢冷弯成型的薄壁型
钢,统称为轻钢屋架。
为了把两类轻钢屋架加以区别,前者
称为轻型钢屋架,后者称为薄壁型钢屋架。
轻型钢屋架常见的形式(图7-30)有三角形芬克式屋架、
三铰拱屋架和梭形屋架。
(a)三角形芬克式屋架(b)三铰拱屋架
(c)梭形屋架
图7-30轻型钢屋架
1.三角形芬克式屋架
三角形芬克式屋架一般为平面桁架,上弦截面常采用双
角钢(为安放檩条),下弦和腹杆常采用单角钢或圆钢,对于
圆钢不宜采用内力较大的受压腹杆。
这种屋架构造简单,制
作方便,短杆受压,长杆受拉,结构合理。
这种屋架跨度9~
18m,屋架间距4~6m,有桥式吊车时,屋架杆件不宜采用圆
钢。
2.三铰拱屋架
三铰拱屋架是由两根斜梁和一根拉杆组成,三铰拱屋架
的斜梁截面有平面桁架式(图7-31b)和空间式桁架(图7-31c)
两种。
平面桁架式侧向刚度差,一般宜采用空间式桁架(倒
三角形)。
空间式桁架斜梁上弦截面宜用双角钢,并在节间内
用缀条将两根缀条相连;
斜梁下弦宜采用单角钢,当下弦受
拉时,也可以采用圆钢;
斜梁腹杆通常用连续弯折的圆钢;
拉杆一般采用单圆钢。
图7-31三铰拱屋架
3.梭形屋架
梭形屋架一般采用空间式桁架(三角形),上弦常采用单
角钢,并且开口朝上(V形),下弦和腹杆常用圆钢,有时也
用角钢。
与前两种屋架主要不同点是高度小,坡度小,屋架
的高跨比为1/12~1/9。
常用于有卷材防水无檩屋盖中,跨度
≤15m,间距随屋面板长度而定,变动范围一般在2~6m。
薄壁型钢屋架除具有型钢结构的特点外,还有刚度好,
加工制作简单,节点连接一般不需要节点板,应用范围较大
等特点,薄壁型钢屋架的跨度可达12~30m,吊车起重量5~
75t。
四、钢筋混凝土-钢组合屋架
屋架在荷载作用下,上弦主要承受压力,有时还承受弯
矩,下弦承受拉力。
为合理发挥材料作用,屋架的上弦和受
压腹杆可采用钢筋混凝土杆件,下弦和受拉腹杆可采用钢拉
杆,这种屋架称为钢筋混凝土-钢组合屋架。
常见的钢筋混凝
土-钢组合屋架形式如图7-32所示。
(a)折线形组合屋架
(b)五角形组合屋架
(c)三铰屋架
(d)两铰屋架
图7-32钢筋混凝土-钢组合屋架
折线型屋架的屋面坡度约为1/4,适用于构件自防水屋
面,若想使屋面坡度均匀一致,可在屋架端部上弦加设短柱;
两铰或三铰组合屋架为钢筋混凝土或预应力混凝土构件,下
弦为型钢或钢筋,两铰组合屋架顶结点为刚结点,三铰组合
屋架为铰结点,此类屋架杆件少,自重轻,受力明确,构造
简单,施工方便,特别适用于农村地区的中小型建筑,其屋
面坡度采用卷材防水为1/5,采用非卷材防水为1/4。
第三节框架
框架结构是指梁和柱通过刚接而形成的骨架结构(图
7-33)。
框架结构的优点是建筑平面布置灵活,能够获得较大
的使用空间;
建筑立面易于处理,可以适用于不同房屋的造
型。
框架结构使用广泛,常用于多层工业厂房、仓库、商场、
办公楼等建筑种。
框架结构平面布置和剖面示意图如图7-34、
7-35所示。
图7-33框架结构
图7-34框架结构平面布置示意图
图7-35框架结构剖面示意图
一、框架结构的类型
框架结构按所用材料的不同,可分为钢框架和钢筋混凝
土框架。
钢筋混凝土框架结构根据施工方法的不同可分为整体
式、装配式和装配整体式三种。
整体
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