导图社区 结构设计与构造思维导图
结构设计分为建筑结构设计和产品结构设计两种，其中建筑结构又包括上部结构设计和基础设计。主要分为框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、砖混结构、钢结构、轻钢结构。
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技术部分 （第二章 结构设计与构造）
结构可靠性要求
结构功能要求
安全性
正常施工使用时不发生破坏，偶然事件后保持必要的整体稳定性。如厂房结构平时受自重、吊车、风和积雪等荷载作用时坚固不坏；在暴风骤雨到强烈地震、爆炸等偶然事件时，容许有局部的损伤，但保持结构的整体稳定而不发生倒塌
适用性
正常使用时具有良好的工作性能。如吊车梁变形过大无法正常运行；水池出现裂缝不能蓄水
耐久性
正常维护条件下在预计的使用年限内满足各项功能要求。如因砼的老化、腐蚀或钢筋的锈蚀等影响结构的使用寿命
结构工程的安全性
极限状态分类
极限状态的含义
S：外界对构件的影响；R：构件抵抗影响的能力。①S＞R：不可靠状态，构件破坏；②S≤R：可靠状态，R越大越不经济；③S＝R：极限状态
承载能力极限状态：结构或构件达到最大限载能力或不适于继续承载的变形（受力）。如：结构构件或连接因超过承载能力而破坏；结构或其一部分作为刚体而失去平衡（如倾覆、滑移）；在反复荷载下构件或连接发生疲劳破坏
正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定的限值（变形）。如：构件在正常使用条件下产生过度变形；构件过早产生裂缝或裂缝发展过宽；在动力茶载作用下结构或构件产生过大的振幅
杆件的受力形式
结构受五种力：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。实际结构中的构件往往是几种受力形式的组合，如梁承受弯曲与剪力，柱子受到压力与弯矩等
结构受力的基本概念
外荷载对结构的影响：强度、刚度、稳定性
材料强度的基本概念
结构杆件所用材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度，要求不破坏的要求，称为强度要求
根据外力作用方式不同，材料有抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。对有屈服点的钢材还有屈服强度和极限强度的区别。在相同条件下，材料的强度高，则结构杆件的承载力也高
杆件稳定的基本概念
在工程结构中，受压杆件如果比较细长，受力达到一定的数值（这时一般未达到强度破坏）时，杆件突然发生弯曲，以致引起整个结构的破坏，这种现象称为失稳，因此，受压杆件要有稳定的要求
结构工程的适用性
建筑结构适用性的含义
建筑结构除了要保证安全外，还应满足适用性的要求，在设计中称为正常使用极限状态
正常使用极限状态相应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项规定的限值，它包括构件在正常使用条件下产生过度变形，导致影响正常使用或建筑外观；构件过早产生裂缝或裂缝发展过宽；在动力荷载作用下结构或构件产生过大的振幅等
超过这种极限状态会使结构不能正常工作，影响结构的耐久性
结构受力变形
构件抵抗变形的能力，是构件的变形性能
悬臂梁端部位移计算公式：E：材料的弹性模量；I：截面的惯性比；q：荷载大小；l：跨度
大部分砼构件都是带裂缝工作的，裂缝控制分为三个等级。①构件不出现拉应力；②构件虽有拉应力，但不超过砼的抗拉强度；③允许出现裂缝，但裂缝宽度不超过允许值。对①②等级的砼构件，一般只有预应力构件才能达到
结构工程的耐久性
建筑结构耐久性的含义
建筑结构在自然环境和人为环境的长期作用下，发生着极其复杂的物理化学反应而造成损伤，随着时间的延续，损伤的积累使结构的性能逐渐恶化，以致不能满足其功能要求
所谓结构的耐久性是指结构在规定的工作环境中，在预期的使用年限内，在正常维护条件下不需进行大修就能完成预应功能的能力
设计使用年限分类
临时性建筑结构：5年；易于替换的结构构件：25年；普通房屋和构筑物：50年；标志性建筑和特别重要的建筑结构：100年
耐久性的环境类别
砼结构环境作用等级
砼最低强度等级与保护层厚度
预应力砼构件的最低强度等级不应低于C40
结构设计
常用建筑结构体系和应用
混合结构体系
概念：砌体与砼的混合结构
适用范围
最适合住宅，不宜建造大空间房屋
承重方式：①横墙承重：横向刚度大、整体性好、使用灵活性差；②纵墙承重：房屋开间大、使用灵活
构造柱施工顺序：绑扎钢筋→墙体砌筑→支模板→浇筑砼
框架结构体系
概念：利用梁、柱组成纵、横两个方向的框架受力体系，是一种柔性结构
①优点：建筑平面布置灵活，可形成较大建筑空间，立面处理方便；②缺点：侧向刚度小，层数过多时会产生过大侧移（一般不超过15层），易引起非结构构件（隔墙、装饰）破坏而影响使用
适用范围：15层以下的建筑
剪力墙体系
概念：利用剪力墙（能承受水平力）来承重的刚性体系
①优点：侧向刚度大，水平荷载下位移小；②缺点：剪力墙间距小，平面布置不灵活，不适用于大空间的平面建筑，自重较大
适用范围：适合小开间的住宅和旅馆，不适合大空间公共建筑。在高度180m范围之内都适用
框架—剪力墙结构
概念：在框架结构中设置适当剪力墙的半刚性结构
特点：拥有平面布置灵活和侧向刚度大两个优点
受力性能：竖向荷载主要由框架承担；横向荷载主要由剪力墙承担（80%）
适用范围：适用于不超过170m的建筑
筒体结构
概念：以封闭筒式悬壁梁来抵抗水平荷载的结构体系
适用范围：适用于不超过300m的建筑
桁架结构体系
受力特点：只在节点受力，所有杆件只受轴力作用。当上下弦成三角形时，弦杆内力最大；当上弦节点在拱形线上时，弦杆内力最小
网架结构
受力特点：与桁架相同，但属于高次超静定的空间结构（比桁架结构安全性高）
拱式结构
受力特点：①主要承受压力；②平面受力；③在竖向力作用下会产生水平反力
悬索结构
受力特点：悬索承受拉力，跨中垂直度越小拉力越大
适用范围：适用于大跨度的体育馆、展览馆
薄壁空间结构
受力特点：四向受压的空间受力状态（与拱类似）
适用范围：适用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库
结构设计作用
荷载的分类
按时间的变异分类
永久作用：结构自重、土压力、预加应力
可变作用：安装荷载、屋面与楼面活荷载、雪荷载、风荷载、吊车荷载、积灰荷载
偶然作用：爆炸力、撞击力、雪崩、严重腐蚀、地震、台风
按结构的反映分类
静态作用：结构自重、住宅与办公楼的楼面活荷载、雪荷载
动态作用：地震作用、吊车设备振动、高空坠物冲击作用
按荷载作用面大小分类
均布面荷载：木地板、地砖、花岗石、大理石面层等
线荷载：梁上或条形基础上承担的建筑物原有的楼面或屋面上的各种面荷载
集中荷载：洗衣机、冰箱、空调机、吊灯等
按荷载作用方向分类
垂直荷载：结构自重、雪荷载
水平荷载：风荷载、水平地震作用
荷载对结构的影响
⑴荷载对结构的影响主要是安全性和适用性，对于结构形式、构造及经济性也有很大影响
⑵具体影响
永久荷载
①它会引起结构的徐变，致使结构构件的变形和裂缝加大，引起结构的内力重分布；②在预应力砼结构中，由于砼的徐变，钢筋的预应力会有相应的损失。只有全面并正确计算预应力钢筋的预应力损失值，才会在砼中建立相应的有效预应力
可变荷载
①荷载对构件作用位置的变化，可能引起结构各部分产生不同影响，甚至产生完全相反的效应；②在连续梁的内力计算中、在框架结构的框架内力计算中、在单层排架的内力计算中都要考虑活荷载作用位置的不利组合，找出构件各部分最大内力值，以求构件的安全
偶然荷载
①地震作用与风荷载有不同的特点；②作用是地震时，地面运动加速度引起的建筑质量的惯性力。地震作用的大小与建筑质量的大小成正比，所以，抗震建筑的材料最好选用轻质高强的材料，这样不仅可以降低地震作用，结构的抗震能力还强；③在非地震区，风荷载是建筑结构的主要水平力。建筑体型直接影响风的方向和流速，改变着风压的大小。实验证明，平面为圆形的建筑其风压较方形或矩形建筑减小近40%。所以在高层建筑中，圆形建筑不仅风压小，而且各向的刚度比较接近，有利于抵抗水平力的作用。
地面的大面积超载
在土质不太好的地区地面上堆土和砂、石等重物时，不要靠近已有建筑，且不可堆得太重，以免造成大面积超载，致使地面下沉，给邻近已建房屋的地基造成大的附加应力
装修
①装修时不能自行改变原来的建筑使用功能，如若必要改变时，应取得原设计单位的许可；②在装修施工中，不允许在原有承重结构构件上开洞凿孔，降低结构构件的承载能力。如需要，应经原设计单位的书面有效文件许可，方可施工；③装修时，不得自行拆除任何承重构件，或改变结构的承重体系；更不能自行设置夹层或增加楼层。如须增加，使用方应委托原设计单位或有相应资质的设计单位进行设计。改建结构的施工也必须有相应的施工资质；④装修施工时，不允许在建筑内楼面上堆放大量建筑材料，如水泥、砂石等，以免引起结构的破坏
结构构造
结构构造设计要求
受力计算相关内容
⑴建筑钢筋分类
有明显流幅：含碳量少、塑性好、延伸率大
无明显流幅：含碳量多、强度高、塑性差、延伸率小、没有屈服台阶，脆性破坏
对于有明显流幅的钢筋，其性能的基本指标有屈服强度、延伸玄、强屈比和冷弯性能四项
⑵结构功能：建筑结构必须满足安全性、适用性和耐久性的要求
⑶结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能要求的能力，称为结构的可靠性，可靠度是可靠性的定量指标
⑷钢筋与砼的共同工作
①钢筋与砼的相互作用叫粘结，钢筋与砼难免共同工作是依靠他它之间的粘结强度。砼与钢筋接触面的剪应力称粘结力
②影响粘结强度的主要因素有砼的强度、保护层的厚度和钢筋之间的净距离等
⑸满足可靠度的要求，应采取如下措施
①一般情况下在计算杆件内力时，对荷载标准值乘以一个大于1的系数，称荷载分项系数
②在计算结构的抗力时，将材料的标准值除以一个大于1的系数，称材料分项系数
③对安全等级不同的建筑结构，采用一个重要性系数进行调整
砼结构的受力原理
⑴砼构件特点
优点：就是取材、耐久性好、整体性好、可模性好、耐火性好
缺点：自重大、抗裂性能差、施工复杂、工期生生世世
⑵梁、板受力特点
①单向板两边支承单向受弯，双向板四边支承双向受弯；长边：短边≥3，可按沿短边方向受力的单向板计算
②主梁按弹性理论计算，次梁和板可考虑按塑性变形内力重分布的方法计算
③连续梁、板的受力特点：跨中有正弯矩，支座有负弯矩。因此，跨中按最大正弯矩计算正筋，支座按最大负弯矩计算负筋
④纵向受力钢筋宜优先选用HRB335、HRB400钢筋，常用走私为10~25mm，钢筋之间的间距不应小于25mm，也不应小于直径。保护层的厚度与梁所处环境有关，一般为25~40mm
⑤板的厚度与计算跨度有关，屋面板一般不小于60mm，楼板一般不小于80mm，板的支承长度不能小于规范规定的长度，板的保护层厚度一般为15~30mm。受力钢筋直径用6、8、10、12mm，间距不宜大于250mm
砌体结构构造要求
优缺点
优点：砌体抗压性能好，保温、耐火、耐久性能好；材料经济，就地取材；施工简便，管理、维护方便
缺点：砌体的抗压强度相对于块材的强度来说还很低，抗弯、抗拉强度则更低；黏土砖所需土源要占用大片良田，更要耗费大量的能源；自重大，施工劳动强度高，运输损耗大
构造要求
砂浆分类：水泥砂浆；水泥混合砂浆；石灰、石膏、黏土砂浆
影响砖砌体抗压强度的主要因素：砖的强度等级；砂浆的强度等级及其厚度；砌筑质量（包括饱满度、砌筑时砖的含水率、操作人员的技术水平等）
砌体房屋结构主要构造要求
伸缩缝：防止温度改变造成结构开裂；要求地上断开，基础可不分开
沉降缝：防止不均匀沉降造成结构开裂；要求基础必须分开
圈梁：增加房屋整体性；要求同一水平连续设置并封闭，圈梁应与屋架、大梁等构件可靠连接
钢结构构件的特点
⑴钢结构的连接
焊缝连接
①焊缝连接是目前钢结构的的主要连接方法
②优点：构造简单，节约钢材，加工方便，易于采用自动化操作，在直接承受动力荷载的结构中，垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊接
铆钉连接
①由于铆钉连接构造复杂，用钢量大，现已很少采用
②因为铆钉连接的塑性和韧性较好，传力可靠，易于检查，在一些重型和直接承受动力荷载的结构中，有时仍然采用
螺栓连接
①分为普通螺栓和高强度螺栓两种
②普通螺栓施工简单，拆、装方便。变通螺栓一般由Q235制成
③高强度螺栓用合金钢制成，高强度螺栓制作工艺精准，操作工序多，要求高。目前，在我国桥梁及大跨度结构房屋及工业厂房中已广泛采用
⑵钢结构构件防火与防锈
①钢结构防火性能差。当温度达到550℃时，钢材的屈服强度大约降至正常温度时屈服强度的0.7，结构即达到它的强度设计值而可能发生破坏
②设计时应根据有关防火规范的规定，使建筑结构能满足相应防火标准的要求。在防火标准要求的时间内使钢结构的温度不超过临界温度，以保证结构正常承载能力
③外露的钢结构可能会受到大气，特别是受污染大气的严重腐蚀，最普通的是生锈。这就必须对构件的表面进行防腐处理，以保证钢结构的正常使用
④防腐处理方法根据构件表面条件及使用寿命的要求决定。在进行构造设计时，应对构造做法妥善处理，避免诸如将槽钢口朝上放置，造成积水等情况；大型构件应有人能进入的观察口，以便检查维护构件内部情况等
结构抗震设计构造要求
结构抗震
抗震目标
小震不坏：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需要修理仍可继续使用
中震可修：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，经一般性修理仍可继续使用
大震不倒：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生然及生命的严重破坏
抗震设防分类
①建筑物的抗震设计根据其使用功能的重要性分为甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别；②大量的建筑物属于丙类
砌体结构抗震
在强烈地震作用下，多层砌体房屋的破坏部位主要是墙身，楼盖本身的破坏较轻
抗震措施：①设置钢筋砼构造柱，提高延性；②设置钢筋砼圈梁与构造柱连接起来，增加房屋的整体性；③加强墙体的连接，楼板和梁应有足够的支承长度和可靠连接；④加强楼梯间的整体性
框架结构抗震
框架结构震害的严重部位多发生在框架梁柱节点和填充墙处
柱的震害重于梁，柱顶的震害重于柱底，角柱的震害重于内柱，短柱的震害重于一般柱
为此采取了一系列措施，把框架设计成延性框架，遵守强柱、强节点、强锚固，避免短柱、加强角柱，框架沿高度不宜突变，避免出现薄弱层，控制最小配筋率，限制配筋最小直径等原则
