建築結構

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建築結構(Building Structure/Architectural Construction)

目錄

什麼是建築結構[1]

  建築結構是指建築物中由基礎、牆、柱、梁、屋架、支撐、屋面板等承重構件組成的體系。

建築結構的分類[2]

  依據不同的標準,可以把建築結構劃分成不同的類型。實際中,常按所使用的主要結構材料、主體結構形式、結構的層數與體形等進行分類,也可按結構受力特點進行分類。

  1、按主要結構材料分類

  (1)混凝土結構。以混凝土為主要材料製作的結構,包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構、型鋼混凝土結構、鋼管混凝土結構和預應力混凝土結構等。

  (2)砌體結構。包括磚砌體、石砌體、小型砌塊、大型砌塊、多孔磚砌體等。

  (3)鋼結構。以鋼板和型鋼等鋼材為主要材料製作的結構。

  (4)木結構。由木材或主要由木材組成的承重結構稱為木結構。

  (5)塑料結構。以塑料為主要材料組成的結構。

  (6)薄膜充氣結構。以性能優良的柔軟織物為材料,可以利用拉索結構或剛性的支撐結構將薄膜繃緊或撐起,也可以膜內充氣,形成的能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。

  2、按主體結構形式分類

  (1)牆體結構。以牆體作為支承水平構件及承擔水平力的結構。

  (2)框架結構。梁柱為剛接的多層多跨結構。

  (3)框架一剪力牆結構。由框架和剪力牆共同作為承重結構的受力體系。

  (4)筒體結構。是高層建築重要的結構形式,包括框筒結構、筒中筒結構、框架核芯筒結構、多重筒結構和束筒結構等。

  (5)桁架結構。是由上下弦桿和腹桿組成,相當於掏去了中部未受力材料的簡支梁。

  (6)拱結構。是以磚、石、混凝土等圬工材料為主要材料,以受軸向壓力為主的結構。

  (7)空間網格結構。包括平板網架結構和殼形網架結構,是一種三維桿繫結構。

  (8)薄壁空間結構。由上下兩個幾何曲面構成的殼體結構,殼體厚度遠小於曲率半徑。

  (9)鋼索結構(懸索結構)。使用高強度的受拉索,結合邊緣構件和下部支承構件組成的大跨度結構。

  (10)薄膜結構。以薄膜配合其他材料形成的大跨度結構。

  3、按建築結構的層數和體型分類

  (1)單層結構。多用於單層廠房、食堂、影劇院、倉庫等,跨度往往較大。

  (2)多層結構。2~9層的結構。

  (3)高層結構。高度大於24 m或層數大於等於10層的結構。

  (4)超高層結構。一般指層數在40層以上,高度100 m以上的建築物。

  (5)大跨度結構。跨度一般在40 m以上。

  4、按建築結構的組成和受力特點分類

  平面結構體系,組成結構的構件軸線都屬於同一個平面,主要外荷載的作用線也屬於該平面或以該平面為對稱,包括梁、桁架、剛架、排架、拱等。該類結構平面內受力能力較強,而平面外受力能力相對較弱,需要設置支撐系統輔助承受平面外的荷載。

  空間結構體系,組成空間結構的構件不屬於某一個平面,結構往往呈三維結構,所受荷載也屬於空間荷載,包括薄殼、網架和網殼、懸索、薄膜等。該類結構受力後沿空間多個方向傳遞,其本身抵抗各個方向的荷載能力較強,不需要另設支撐系統。

建築結構的基本要求[3]

  新型建築材料生產、施工技術的進步、結構分析方法的發展,都給建築設計帶來了新的靈活性。但是,這種靈活性並不排除現代建築結構需要滿足的基本要求。這些要求是:

  1.平衡

  平衡的基本要求就是保證結構和結構的任何一部分都不發生運動,力的平衡條件總能得到滿足。從巨集觀上看,建築物總應該是靜止的。

  平衡的要求是結構與“機構”即幾何可變體系的根本區別。因此建築結構的整體或結構的任何部分都應當是幾何不變的。

  2.穩定

  整體結構或結構的一部分作為剛體不允許發生危險的運動。這種危險可能來自結構自身,例如雨篷的傾覆;也可能來自地基的不均勻沉陷或地基土的滑移(滑坡),例如義大利的比薩斜塔由於地基不均勻沉降引起的傾斜。

  3.承載能力

  結構或結構的任何一部分在預計的荷載作用下必須安全可靠,具備足夠的承載能力。結構工程師對結構的承載能力負有不容推卸的責任

  4.適用

  結構應當滿足建築物的使用目的,不應出現影正常使用的過大變形、過寬的裂縫、局部損壞、振動等。

  5.經濟

  現代建築的結構部分造價通常不超過建築總造價的20%~30%,因此結構的採用應當是使建築的總造價最經濟。結構的經濟性並不是指單純的造價,而是體現在多個方面;而且結構的造價受材料和勞動力價格比值的影響,還受施工方法、施工速度以及結構維護費用(如鋼結構的防鏽、木結構的防腐等)的影響。

  6.美觀

  美學對結構的要求有時甚至超過承載能力的要求和經濟要求,尤其是象徵性建築和紀念性建築更是如此。應當懂得,純粹質朴和真實的結構會增加美的效果,不正確的結構將明顯地損害建築物的美觀。

建築結構的應用與發展概況[4]

  建築結構有著悠久的歷史,它大致經歷了古代建築結構、近代工程結構、現代工程結構三個發展時期。

  1、古代建築結構

  公元前5000—公元前3000年我國黃河流域的仰韶文化遺址就發現了房屋結構痕跡。古埃及金字塔建於公元前2700—公元前2600年,也是人類早期歷史上最輝煌的結構物。這一時期,工程結構所使用的主要材料為磚、石等。隨著冶煉術的進步,鐵、青銅等也逐步用於工程結構中。

  古代橋梁結構最早的形式是石拱橋,公元590—608年建造的河北趙縣安濟橋(趙州橋)凈跨達37.02 m,橋寬約lO m,採用28條併列的石條砌成拱券承重,為世界上最早的敞肩式拱橋。它外形美觀、受力合理,顯示了我國古代建橋史上的輝煌成就。

  我國古代房屋結構形式多採用木框架承重、木樓蓋及磚砌牆壁,類似現代建築結構形式。山西應縣木塔,為我國現存的最高木結構之一,它建於1056年,塔高67.3 m,呈八角形,共9層,用木柱支頂,形成內外環狀柱網,為雙層套筒式結構。它經歷了多次大地震,至今保持完好。

  古代工程結構由於缺乏理論指導,主要憑經驗建造,因此構件斷面大,材料利用率低,使用空間狹窄。

  2、近代工程結構

  到了近代,19世紀中期水泥的發明,使混凝土得到了應用,同時轉爐煉鋼術的發明,使鋼產量大幅增加,又為鋼筋混凝土結構打下了基礎。1886年預應力技術的發明,解決了混凝土裂縫等問題,使大跨度結構、高層建築結構開始出現。

  20世紀初,鋼筋混凝土已廣泛地用在房屋結構、橋梁結構、地下工程及水工結構等,使工程結構不斷大型化。鋼筋混凝土結構早期主要用於建造小型樓板、梁、拱等構件,隨著預應力技術的進步,開始用鋼筋混凝土建造大空間結構,逐步使鋼筋混凝土應用於各領域。

  砌體結構由於水泥砂漿的出現,提高了砌體結構的承載能力,邁步形成了以磚牆承受豎向荷載、以鋼筋混凝土構件承受橫向荷載的混合結構體系,使砌體結構房屋高度不斷增大。

  與此同時,鋼結構也得到了長足的發展。1883年美國芝加哥建造的11層保險公司大樓,它採用鑄鐵框架承重,外牆為自承重牆標誌著現代高層建築結構的誕生。1889年法國巴黎建成了300m高的埃菲爾鐵塔。1931年美國建造了著名的帝國大廈,102層,高381m,全鋼結構,它保持世界最高建築紀錄長達40年之久。這一時期的大型工程幾乎都採用鋼結構。

  3、現代工程結構

  現代工程結構始於20世紀中葉。第一次世界大戰以後,隨著結構理論和施工技術的發展,工程越來越大型化,並且自重明顯減輕,材料耗費不斷下降,經濟效益顯著提高。世界各地興建了許多超高層建築、大跨度橋梁、特長的跨海隧道、高聳結構等大型工程。

  現代的砌體結構主要在原有的基礎上不斷地加大、加高,應用更加廣泛。新中國成立後,多層房屋,特別是住宅建築,幾乎都採用混合結構形式,即磚牆承重、樓屋蓋採用鋼筋混凝土預製(現澆)體系。這種體系施工方便,造價低,適合我國國情。少數地區甚至發展了砌體高層建築,如重慶在20世紀70年代修建了10~12層的磚牆承重的住宅。國外有建成20層以上的砌體房屋。橋梁方面,石拱橋的跨度也在不斷增大,目前超過100m的石拱橋已有多座。

  另外,砌體結構的發展還表現在新材料、新技術的應用上,配筋砌體不僅提高了砌體的承載能力,還改善了砌體的抗震性能。同時在多層砌體中增設構造柱圈梁,可大大提高房屋的抗震能力,使砌體結構能在地震區應用。砌體材料的改進也加速了砌體的發展;各種砌塊(硅酸鹽、粉煤灰、混凝土等)、空心磚及大型牆板的應用,減輕了結構的自重,加快了施工速度,利於環保

  現代鋼筋混凝土結構向輕質高強化發展。目前高強混凝土的強度可達80~100N/mm2,我國已廣泛應用60N/mm2的混凝土。同時為減輕混凝土的自重,世界各國研究了各種輕質混凝土(容重一般不大於18kN/m3),如陶粒混凝土、浮石混凝土、火山渣混凝土、膨脹混凝土等,利用這些輕質混凝土可製成大跨度的屋面板、壁板、折板等,其自重比普通混凝土減少20%~30%。由於輕質高強混凝土的發展,使混凝土結構的高度、跨度都在不斷增大,大量的建築結構都由鋼筋混凝土建造。目前世界上最高的鋼筋混凝土大廈是北韓平壤的柳京飯店,105層,高319.8m。德國用預應力輕骨料建造的飛機庫屋蓋結構的跨度達90m。鋼筋混凝土拱橋的跨度也超過了400m。

  鋼結構的發展主要是由於生產力的高度發展、鋼產量的不斷增加,使得鋼結構在結構工程中的比例越來越大。美國在近年來的工業建築中,鋼結構占到60%~70%。我國過去鋼結構主要應用於大型重工業建築及大跨度的房屋,目前也應用到高層建築、大跨度橋梁結構中。同時鋼網架結構的興起,使大量的大跨度屋蓋結構更多地應用於鋼結構體系。

參考文獻

  1. 吳清泉,陳麗虹,周莉,南旭光編.個人理財.人民郵電出版社,2012.02.
  2. 侯宇新,於紀淼,林淋編著.第2章 建築結構的組成與分類 建築結構與選型.測繪出版社,2011.05.
  3. 熊丹安,鄢利華,熊漲燕編.第一章 緒論 建築結構 第2版.華南理工大學出版社,2004.04.
  4. 李殿平,歐雅玲主編.第一章 建築結構概述 建築結構.華中科技大學出版社,2010.08.
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