建筑结构概述 - 图文

第一章 建筑结构设计绪论

一、建筑结构设计概念及设计程序 1.1建筑结构定义

建筑结构是指建筑物（包括构筑物）中，由建筑材料做成用来承受各种荷载或者作用，以起骨架作用的空间受力体系，该骨架是由若干基本构件通过一定的连接方式构成的整体，能安全可靠地承受并传递各种荷载和间接作用。

1.2 建筑结构构成

在房屋建筑结构中，由板、梁形成的梁板结构，用杆件做成的桁架或网架结构等组成房屋结构的水平承重结构，一般作为房屋的楼盖和屋盖。由柱、墙或用墙围成的井筒组成房屋的竖向承重结构，房屋上的所有作用都由它承受并通过基础将所有作用传到地基中去，竖向承重结构是房屋的主体结构。以上两部分构成了房屋的上部结构。房屋的下部结构——地下室和基础可以做成水平方向结构，如伐板基础、联合基础、条形基础等；也可做成竖向结构，如柱下单独基础、深入坚实土层或岩层的桩基础；还可以做成兼有水平和竖向结构的箱形基础。

房屋的水平承重结构和竖向承重结构密切相关。竖向结构的间距越大，虽然其所用建筑材料越少，但因水平方向结构的跨度增大，相应地其所需的截面高度就会加大，所用材料必然增多。因此，一个好的结构设计应该考虑水平结构和竖向结构之间的协调，以获得良好的使用功能且最经济。

图1.1为--建筑结构的受力示意图。合理的结构体系必须荷载传递明确、直接。一般地，荷载的传递途径如下：（1）楼面竖向荷载——板——梁——柱——柱下基础——地基，或楼面竖向荷载——板——墙——墙下基础；（2）水平风荷载——外墙（纵墙）——楼盖——横墙——横墙基础——地基，或水平风荷载——外墙（纵墙）——外纵墙基础——地基。

图1.1 建筑结构受力图

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1.3 建筑结构分类

建筑物有不同使用功能和不同的建筑规模，故有多种结构类型。

?、根据建筑规模及用途不同分为：单层厂房、多层轻工业厂房、多层民用建筑、高层建筑、大跨度结构和其他特种结构；

?、根据建筑材料不同分为：混凝土结构（钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、素混凝土结构）、钢结构、砌体结构、木结构、混合结构、组合结构（钢-混凝土组合结构、钢管混凝土结构等）；

?、根据建筑结构按构件组成的方式（即结构承重体系）分为： ①框架结构：框架结构的主要承重构件为梁、柱，墙体只作为围护构件。

②剪力墙结构：剪力墙结构以纵向及横向的钢筋混凝土墙体作为主要承重构件，再配以梁板组成的承重结构体系，其墙体同时也起围护及分割房间的作用。

③框架-剪力墙结构：框架-剪力墙结构在框架结构的基础上，沿框架纵、横方向的某些位置，在柱与柱之间设置数道钢筋混凝土墙体作为剪力墙。因此它是框架和剪力墙的有机结合，综合了二者的优点：一个布置灵活，一个抗侧力高。

④筒体结构：筒体结构用钢筋混凝土墙组成一个筒体作为房屋的承重结构，筒体可以由密柱深梁组成一个筒体，也可以用多个筒体组成筒中筒、束筒，还可以将框架和筒体联合起来组成框筒结构。

其它结构还有壳体结构、网架结构、悬索结构等等，它们大多用于大跨度结构中。 各种类型结构的设计都要贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。结构设计时，应从工程实际出发，合理选用材料、结构方案和构造措施。

二、建筑结构设计程序 1、准备设计资料 ?、工程基本概况。

?、建筑结构安全等级及使用年限：①建筑结构安全等级；②建筑结构重要系数；③建筑环境类别；④建筑抗震设防类别；⑤地基基础设计等级；⑥结构抗震等级；⑦建筑使用年限。

?、自然条件:①基本风压；②基本雪压；③地面粗糙度；④抗震设防烈度；⑤场地标准冻深；⑥建筑物场地土类别；⑦建筑物场地的工程地质条件。

2、建筑结构形式体系的确定

根据拟建建筑物的功能要求，选用经济合理的结构体系。结构体系包括水平承重体系、

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竖向承重体系和基础体系，水平承重体系有梁板体系和无梁体系，屋盖结构也有各种不同类型；竖向承重结构体系有框架、排架、刚架、剪力墙、筒体等多种体系，基础有柱下独立基础、条形基础、伐板基础、箱形基础、桩基础之分。结构选型的基本原则是：

（1）满足使用要求； （2）受力性能好； （3）施工简便； （4）经济合理。 3、建筑结构布置

确定结构形式后，要进行结构布置，即考虑梁、板、柱或墙、基础如何布置的问题。结构布置的基本原则是：

①在满足使用要求的前提下，沿结构的平面和竖向应尽可能简单、规则、均匀、对称，避免突变，结构平立面布置宜规则，各部分的质量和刚度宜均匀连续；

②荷载传递路径明确，传力应简便、清晰，竖向构件宜连接贯通、对齐，结构计算简图简单并易于确定；

③结构的整体性好，受力可靠，宜采用超静定结构，重要构件和关键传力部位应增加冗余约束或者多条传力途径，而且宜采取减少偶然作用影响的措施。 ④方便施工； ⑤经济合理；

结构选型和构件的布置对结构安全有着决定性影响，在与建筑方案的协调下，结构体系应适当，结构传力和构件布置应保证结构的整体稳定性。 4、结构缝布置

为改善结构的约受力，设计中对结构要设置缝将结构分割为若干相对独立的单元。不同类型的结构缝是为了消除温度变化、基础不均匀沉降、刚度突变、应力集中、结构防震等对结构不利因素，除了增设永久结构缝外，还因结构要求增设临时性的结构缝，如：施工后浇带、控制缝等。

伸缩缝：是指为防止建筑物构件由于气候温度变化（热涨、冷缩），使结构产生裂缝或破坏而沿房屋长度方向的适当部位竖向设置的一条构造缝。伸缩缝是将基础以上的建筑构件如墙体、楼板、屋顶（木屋顶除外）等分成两个独立部分，使建筑物沿长方向可做水平伸缩。 伸缩缝设置：①伸缩缝最大间距按表1.1或现行《混凝土结构设计规范》GB50010-2010；②伸缩缝只设在结构上部位，基础部分可以不设；③伸缩缝最小宽度为50mm，且宜做双墙、

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双柱；④结构平面布置与伸缩缝有关，结构平面布置不合理，可导致房屋开裂等。

具体两条缝的间距在我国现行规范《混凝土结构设计规范》GB50010-2010对此专门规定。建筑物伸缩缝的最大间距见表1.1。

表1.1 建筑伸缩缝的最大间距（m） 结 构 类 别 排架 装配式 室内或土中 露天 室内或土中 露天 室内或土中 露天 室内或土中 露天 室内或土中 露天 屋面有保温、隔热层 屋面无保温、隔热层 屋面有保温、隔热层 屋面无保温、隔热层 间 距 100 70 75 50 55 35 65 40 45 30 50 40 60 50 75 60 100 220 180 装配式 混凝土结构 框架 现浇式 装配式 剪力墙 现浇式 整体式或装配整体式混凝土屋盖 砌体结构 装配式无檩体系混凝土屋盖 装配式有檩体系混凝土屋盖 粘土瓦或石棉水泥瓦屋盖、木屋盖、石屋盖 钢结构 采暖厂房和采暖地区的厂房 热车间及采暖地区的非采暖厂房 沉降缝：为防止建筑物各部分由于地基不均匀沉降或房屋高度和层数相差较大而引起房屋破坏所设置的垂直缝为沉降缝。沉降缝不但要结构上部断开，基础也需要断开。

沉降缝的设置：①建筑结构平面的转折部位；②建筑结构的高度和荷载差异较大时；③过长建筑物的适当部位；④地基土的压缩性有着显著差异；⑤建筑结构基础类别不同以及分期建造房屋交界处。

防震缝：地震区为了减轻或防止相邻结构单元由地震作用引起的碰撞而预先设置的间隙。地震设防地区的建筑必须充分考虑地震对建筑造成的影响。我国制定相应《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

防震缝的设置：高层建筑按抗震设计时应按下列宜设防震缝。①建筑结构平面长度和外伸长度尺寸超出规定值又无加强措施；②建筑结构之间刚度相差远或不同建筑材料、不同结构体系时；③建筑结构各部分质量相差很大时；④建筑结构各部分有较大的错层时。

建筑结构单元之间已增设沉降缝或伸缩缝时，沉降缝和伸缩缝可同时兼防震缝，沉降缝

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和伸缩缝的缝宽要求应满足防震缝的要求。

5、确定截面形式、初估截面尺寸

对于砌体结构就是初估墙体的厚度和壁柱的截面尺寸；对于框架结构，需初步确定梁、柱的截面尺寸；对于剪力墙、框架-剪力墙结构需初步确定梁、柱、墙的截面尺寸。

6、清理荷载

根据荷载规范的规定确定各项荷载的标准值及其分布情况。 7、选取计算单元、确定计算简图

不同类型的结构，应根据结构本身的实际情况，选取具有代表性的计算单元，然后再根据计算单元抽象出既能反映结构的实际情况，又方便计算的计算简图。

由长度大于3倍截面高度的构件所组成的结构，可按杆系结构进行分析。

杆系结构的计算图形宜按下列方法确定：杆件的轴线宜取截面几何中心的连线；现浇钢筋混凝土结构和装配整体式结构的梁柱节点、柱和基础连接处等可作为刚接；梁板与其支承构件非整体浇筑时，可作为铰接；杆件的计算跨度或计算高度宜按其两端支承长度的中心距或净距确定，并根据支承节点的连接刚度或支承反力的位置加以修正；杆件间连接部分的刚度远大于杆件中间截面的刚度时，可作为刚域插入计算图形。

钢筋混凝土杆系结构中杆件的截面刚度应按以下规定确定：截面惯性矩可按均质的混凝土全截面计算，混凝土的弹性模量应按混凝土结构规范采用；T形截面杆件的截面惯性矩宜考虑翼缘的有效宽度进行计算，也可由截面矩形部分面积的惯性矩作修正后确定；不同受力状态杆件的截面刚度，宜考虑混凝土开裂、徐变等因素的影响予以折减。

8、进行各种荷载作用下的内力和变形分析

计算各种荷载作用下，构件的控制截面的内力。结构分析时，宜根据结构类型、构件布置、材料性能和受力特点等选择下列方法：

（1）线弹性分析方法：可用于混凝土结构、钢结构的承载能力极限状态及正常使用极限状态的荷载效应的分析。

（2）考虑塑性内力重分布的分析方法：房屋建筑中的钢筋混凝土连续梁和连续单向板，宜采用考虑塑性内力重分布的分析方法，其内力值可由弯矩调幅法确定。

（3）塑性极限分析方法又称极限平衡法：此法在我国主要用于周边有梁或墙支承的双向板设计。

9、内力组合

确定控制截面的最不利内力，以用于截面设计。

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10、构件及连接的设计

为保证组成结构的各构件能作为一个整体抵抗外荷载的作用，连接的设计也同样重要。

11、构造及绘制施工图 三、荷载及荷载效应组合 3.1 建筑结构荷载

所有能使结构产生内力和变形的原因统称为“作用”。除了直接以“力”的形式出现的作用会在结构中产生内力或变形，其它如温度的变化、混凝土收缩、基础不均匀沉降也可在结构中产生内力和变形。直接以“力”的形式出现的作用称为直接作用，即荷载；其它作用则称为间接作用。建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行设计。间接作用对结构的影响在结构设计过程中也应予以考虑。

3.2 建筑结构荷载分类

结构上的荷载按作用时间的变异性可分为：

（1）永久荷载，在结构设计基准期内其值不随时间而变化，或变化值与平均值相比可以忽略不计的作用。例如，结构自重、土压力、固定设备重、预应力混凝土中的预应力等。对于由材料自身重量产生的荷载，即结构自重标准值，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定，各类材料的自重见附录1。

（2）可变荷载，在设计基准期内其值随时间而变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载。例如，楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载等。可变荷载的标准值应按《建筑结构荷载规范》中的相关规定确定。

（3）偶然荷载，在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其值很大且持续时间很短的作用。例如爆炸力、撞击力等。

结构上的荷载按结构的反应特点可分为：

（1）静态荷载，使结构产生的加速度可以忽略不计的荷载。

（2）动态荷载，使结构产生的加速度不可忽略不计的荷载。建筑结构设计的动力计算，在有充分依据时，可将重物或设备的自重乘以动力系数后，按静力计算设计。搬运和装卸重物以及车辆启动和刹车的动力系数，可以采用1.1~1.2；直升机在屋面上的荷载，也应乘以动力系数1.4，其动力荷载只传至楼板和梁。

3.3 楼面和屋面活荷载

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3.3.1 民用建筑楼面均布活荷载

民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值及相应的频遇值系数和准永久值系数，应按附录2或《建筑结构荷载规范》4.1.1条的规定采用。

设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应按荷载规范要求乘以规定的折减系数。楼面结构上的局部荷载可按荷载规范附录B的规定，换算为等效均布荷载。

3.3.2 工业建筑楼面活荷载

工业建筑楼面在生产使用或安装检修时，由设备、管道、运输工具及可能拆移的隔墙产生的局部荷载，均应按实际情况考虑，可采用等效均布活荷载代替。

工业建筑楼面上无设备区域的操作荷载，包括操作人员、一般工具、零星原料和成品的自重，可按均布活荷载考虑，采用2.0kN/m2。

3.3.3 屋面活荷载

房屋建筑的屋面水平投影面上的屋面均布活荷载，应按表1.1采用。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时进行组合。

表1.1 屋面均布活荷载 项次 类 别 标准值（2.0kN/m） 0.5 2.0 3.0 2组合值系数 频遇值系数 准永久值系数 ?c 0.7 0.7 0.7 ?f 0.5 0.5 0.6 ?q 0 0.4 0.5 1 2 3 不上人的屋面 上人的屋面 屋顶花园 0.2 kN/m2的增减；

注：（1）不上人屋面，当施工或检修荷载较大时，应按实际情况采用；对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作

（2）上人屋面，当兼作其它用途时，应按相应的楼面活荷载采用；

（3）对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防止；必要时，应按积水的可能深度确定屋

面活荷载；

（4）屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。

设计生产中有大量排灰的厂房及其相邻近的建筑时，对于具有一定除尘设施和保证清灰制度的机械、冶金、水泥等的厂房屋面，其水平投影面上的屋面积灰荷载应分别按荷载规范的相关规定采用。积灰荷载（附表2.2）应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。

3.3.4 施工和检修荷载及栏杆水平荷载

1、设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时，施工或检修集中荷载（人和小工具的自重）应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。

①当计算宽度较大的挑檐、雨篷承载力时，应沿板宽每隔1.0m取一个集中荷载；在验

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算挑檐、雨篷倾覆时，可根据实际可能的情况，增加集中荷载间距，沿板宽每隔2.5~3.0m取一个集中荷载。

②对于轻型构件或较宽构件，当施工荷载超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫板、支撑等临时设施承受。

2、楼梯、看台、阳台和上人屋面等的栏杆顶部水平荷载，应按荷载规范的有关规定采用：

①住宅、宿舍、办公楼、旅馆、医院、托儿所、幼儿园，应取0.5kN/m； ②学校、食堂、剧场、电影院、车站、礼堂、展览馆或体育场，应取1.0kN/m。 3、当采用荷载准永久组合时，可不考虑施工和检修荷载及栏杆水平荷载。 3.3.5 雪荷载

屋面上水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：

sk??rs0 （1.1）

式中 sk——雪荷载标准值（kN/m2）；

?r——屋面积雪分布系数，应根据不同类别的屋顶形式，按附录3或《建筑结构荷载规范》的规定采用；

s0——基本雪压（kN/m2），可按附录7或《建筑结构荷载规范》附录D.4中附表D.4

给出的50年一遇的雪压采用，对雪荷载敏感的结构，基本雪压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。

雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数应按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0，具体情况见附录7。

设计建筑结构及屋面的承重构件时，积雪的分布情况可按下列规定采用： （1）屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用；

（2）屋架和拱壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布的情况和半跨的均匀分

布情况采用；

（3）框架和柱可按积雪全跨的均匀分布情况采用。 3.3.6 风荷载

空气流动形成的风遇到建筑物时，在建筑物表面产生的压力或吸力即建筑物上的风荷载。风载的大小主要与近地风的性质、风速、风向有关；和建筑物所在地的地貌和周围环境有关；同时和建筑物本身的高度、形状以及表面状态有关。

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1. 风荷载标准值

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算： （1）当计算主要承重结构时

wk??z?z?sw0 （1.2）

式中 wk——风荷载标准值（kN/mm2）； ?z——z高度处的风振系数； ?z——z高度处的风压高度变化系数； ?s——风载体型系数； w0——基本风压（kN/mm2）。

（2）当计算围护结构时

wk??gz?z?sw0

式中

（1.3）

?gz——z高度处的阵风系数。

?sl——局部风压体型系数。

风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6、0.4和0。 （1） 基本风压w0

基本风压按附录9或《建筑结构荷载规范》附录D.4中附表D.4给出的50年一遇的风压采用，且不得小于0.3 kN/mm2。基本风压w0是根据全国各气象台站历年来的最大风速记录，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，自记10分钟平均最大风速。根据该风速记录，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本

2风速。再按公式w0?v01600（kN/mm2）确定基本风压。

对于对风荷载比较敏感的高层建筑和高耸结构，以及自重较轻的钢木主体结构，其基本风压仍可由各结构设计规范，根据结构的自身特点，考虑适当提高重现期；对于这类结构的围护结构，其重要性比主体结构低，可仍取50年。 （2） 风压高度变化系数?z

风速的大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，越向上风速逐渐加大，而且风速的

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变化还与地貌及周围环境有关。 因此，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表1-2确定。

地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

——A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

——B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区； ——C类指有密集建筑群的城市市区；

——D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

表1.2 风压高度变化系数?z

离地面或海平面高度 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 ≥450 A 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 2.64 2.83 2.99 3.12 3.12 3.12 3.12 地面粗糙度类别 B 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77 1.86 1.95 2.02 2.09 2.38 2.61 2.80 2.97 3.12 3.12 3.12 C 0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35 1.45 1.54 1.62 1.70 2.03 2.30 2.54 2.75 2.94 3.12 3.12 D 0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.73 0.94 0.93 1.02 1.11 1.19 1.27 1.61 1.92 2.19 2.45 2.68 2.91 3.12 对于山区的建筑物，风压高度变化系数可按平坦地面的粗糙度类别，由表1.2确定，但

应考虑地形条件的修正，修正系数?分别按下述规定采用：

1） 对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用

?z? ?B??1??tg??1??2.5H????? （1.4） ??2式中 tg?——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；当tg??0.3时，取tg?=0.3；

?——系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；

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H——山顶或山坡全高（m）；

z——建筑物计算位置离建筑物地面的高度（m）；当z?2.5H时，取z?2.5H。

对于山峰和山坡的其他位置，可按图1.2所示，取A、C处的修正系数?A、?C为1，AB间和BC间的修正系数按线性插值确定。

图1.2 山峰和山坡示意

2） 山间盆地、谷地等闭塞地形 ?=0.75~0.85 3） 对于与风向一致的谷口、山口 ?=1.20~1.50

对于远海海面和海岛的建筑物或构筑物，风压高度变化系数可按A类粗糙度类别，由表1.2确定，但应考虑表1.3中给出的修正系数。

表1.3 远海海面和海岛的修正系数?

距海岸距离（m） ＜40 40~60 60~100 ? 1.0 1.0~1.1 1.1~1.2 （3） 风载体型系数?s

风载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，描述了建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也周围环境和地面粗糙度有关。图1.3表示流经建筑物的风对建筑物的作用，迎风面为压力（体型系数用+号表示），侧风面及背风面为吸力（体型系数用-号表示）。

图1.3 风对建筑物的影响

计算风荷载对建筑物的整体作用时，只需按各个表面的平均风压计算，即采用各个表面的平均风载体型系数计算。图1.4给出了一些典型平面封闭式房屋和构筑物的风载体型系数。图1.5为封闭式双坡屋面和封闭式带天窗双坡屋面的风载体型系数。其它情况参看荷载规范，若无参考资料可借鉴时，宜由风洞试验确定。对于重要且体型复杂的房屋和构物，应由风洞

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试验确定。

图1.4 典型平面封闭式房屋的风载体型系数

（4） 局部风载体型系数

作用在建筑物表面的风压力分布很不均匀，在角隅、檐口、边棱处和在附属结构的部位，如阳台、雨篷等外挑构件，局部风压会超过按荷载规范表7.3.1中风载体型系数所算的平均风压。因此，验算围护构件及其连接的强度时，应按下列规定采用局部风压体型系数：

1） 外表面

正压区：按荷载规范表7.3.1采用。负压区：对墙面，取-1.0；对墙角边，取-1.8；对周边和屋面坡度大于10°的屋脊部位取-2.2；对檐口、雨篷、遮阳板等突出板件，取-2.0。

2） 内表面

对封闭式建筑物，按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2。

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图1.5 坡屋面的风载体型系数

（5） 风振系数?z

风作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变。通常将风作用的平均值看成稳定风压，即平均风压。实际风压是在平均风压上下波动着。平均风压使建筑物产生一定的侧移，而波动风压则使建筑物在该侧移附近左右摇晃。因此，这种波动风压会在建筑物上产生一定的动力效应。

实测分析表明，风载波动是周期性的，基本周期往往很长，甚至超过60s。而一般多层钢筋混凝土结构的自振周期大约0.4~1s，两者周期相差很大。因而风对一般低层和多层建筑造成的动力效应不大。但是，风载中的短周期成分对高度较大或刚度较小的高层建筑可能会产生一些不可忽略的动力效应，在设计中应予考虑。

荷载规范规定，对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构，以及对于高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋，均应考虑风振系数，风振系数的确定参见《高层建筑混凝土结构技术规程》、《高耸结构设计规范》等。其它情况则取

?z=1.0。

（6） 阵风系数?gz

计算围护结构风荷载时的阵风系数按表1.4确定。

表1.4 阵风系数?gz

离地面高度（m） 5 10 15 20 30 地面粗糙度类别 A 1.69 1.63 1.60 1.58 1.54 B 1.88 1.78 1.72 1.69 1.64 第 13 页 共 23 页

C 2.30 2.10 1.99 1.92 1.83 D 3.21 2.76 2.54 2.39 2.21 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 1.51 1.49 1.48 1.47 1.47 1.46 1.43 1.42 1.40 1.39 1.58 1.56 1.54 1.53 1.52 1.51 1.47 1.44 1.42 1.41 1.73 1.69 1.66 1.64 1.62 1.60 1.54 1.50 1.46 1.44 2.01 1.94 1.89 1.85 1.81 1.78 1.67 1.60 1.55 1.51

2. 各类建筑结构上的风荷载

（1）单层厂房

单层厂房简化为平面排架计算时，作用在柱顶以下墙面上的风荷载按均布考虑，其风压高度变化系数可按柱顶标高取值。当基础顶面至室外地坪的距离不大时，为简化计算，风荷载可按柱全高计算，不再减去基础顶面至室外地坪那些多算的荷载。若基础埋置较深，则应按实际情况计算。

柱顶至屋脊的屋盖部分的风荷载，仍取均布的，但其对排架的作用则按作用在柱顶的水平集中荷载考虑（图1.6所示）。此时的风压高度变化系数可按下述情况确定：有矩形天窗时，按天窗檐口取值；无矩形天窗时，按厂房檐口标高取值。

图1.6 单层厂房的风荷载

（2）砌体结构

对于单层刚性方案房屋，屋面上（包括女儿墙上）的风荷载一般简化为作用在屋架和墙体连接处的集中荷载，刚性方案房屋的屋面风荷载已通过屋盖直接传至横墙，再由横墙传至基础后传给地基，所以在纵墙上不产生内力。纵墙墙面上的风荷载为均布荷载，图1.7所示。

对于多层刚性方案房屋，每层高度范围内的风荷载可按均布荷载考虑。

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图1.7 单层砌体结构的风荷载

（3）多层多跨框架结构

作用于多层多跨框架结构上的风荷载一般简化为作用于框架节点上的集中水平力（图1.8所示）。

图1.8 多层多跨框架上的风荷载

3.4 荷载效应组合

荷载效应是各种荷载在结构中产生的内力、变形和裂缝的统称。对于各种不同类型的结构，它们的计算模型不同，内力和变形的分析方法亦不同。有关内力分析方法在结构力学中已作介绍。各种结构的计算模型（计算简图）将在后面各章逐一介绍。

设计中的极限状态往往以结构的某种荷载效应，如内力、应力、变形、裂缝等超过相应规定的标志为依据。根据设计中要求考虑的结构功能，结构的极限状态在总体上可分为两大类，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。对于承载能力极限状态，一般以结构的内力超过其承载能力为依据；对于正常使用极限状态，一般以结构的变形、裂缝、振动参数超过设计允许的限值为依据。

对所考虑的极限状态，在确定其荷载效应时，各种荷载可能同时作用在结构上，但是出现的概率不同。因此，应按照概率统计和可靠度理论将可能出现的各种荷载效应按一定规律

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加以组合，这就是荷载效应组合。

进行承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。进行正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计目的，分别选用标准组合、频遇组合、准永久组合。并应取各自的最不利的效应组合进行设计。

1、对于一般基本组合应按下列组合值S应从以下中取最不利值确定： （1） 由可变荷载效应控制的组合：

S??GSGk??Q1SQ1k+??Qi?CiSQik （1.5）

i?2n（2） 由永久荷载效应控制的组合：

S??GSGk???Qi?ciSQik （1.6）

i?1n式中 ?G——永久荷载的分项系数，当其效应对结构不利时，对于由可变荷载控制的组合

应取1.2，对于由永久荷载控制的组合应取1.35；当其效应对结构有利时的应取1.0，对结构进行倾覆、滑移或飘浮验算时取0.9；

?Qi——第i个可变荷载的分项系数，一般情况下取1.4；对标准值大于4kN/m2的工

业房屋楼屋面结构的活荷载取1.3；

SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；

SQik——按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，其中SQ1k为诸可变荷载效应中最

大者，当对SQ1k无法明显判断其效应设计值为诸可变荷载效应设计值中最大者时，可轮次以各可变荷载效应为SQ1k，选取其中最不利的荷载效应组合；

?ci——可变荷载Qi的组合值系数，根据可变荷载的类型按荷载规范采用； n——参与组合的可变荷载数。

2、对于一般排架、框架结构，基本组合按简化规则，并按下列组合值中取最不利值确定：

S??GSGk??Q1SQ1k （1.7）

S??GSGk?0.9??QiSQik （1.8）

i?1n

3、砌体结构按承载能力极限状态设计时，应按下列公式中的最不利组合进行计算：

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S??0(1.2SGk?1.4SQ1k???Qi?ciSQik) (1.9)

i?2nS??0(1.35SGk?1.4??ciSQik) (1.10)

i?1n当楼面活荷载标准值大于4 kN/m2时，式中系数1.4应改为1.3。

当砌体结构作为一个刚体，需验算整体稳定时，例如倾覆、滑移、漂浮等，应按下式验算：

0.8SG1k??（?0 (1.11) 01.2SG2k?1.4SQ1k??SQik）i?2n式中 SG1k——起有利作用的永久荷载标准值的效应； SG2k——起不利作用的永久荷载标准值的效应；

四、建筑结构耐火设计

火灾式建筑物较常遭遇的意外灾害。我国平均每年发生的火灾次数近4万次。火灾给国家、企业和人民的财产造成很到损失，严重地威胁着人们的生命安全。图1.9为美国世贸大厦受到撞击后发生火灾的情形。建筑防火涉及到防火分区设计、安全疏散设计、建筑灭火系统、火灾自动报警系统、结构耐火设计、装修防火设计等诸多方面。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，火灾是一种偶然作用，结构耐火设计就是为了保证火灾发生时及发生后结构的整体稳定性，不至于整体倒塌，从而为人员的疏散赢得时间，为消防人员扑救创造安全环境，为灾后修复提供条件。

4.1 结构构件的耐火性能

判定建筑材料高温性能的指标有5个：燃烧性能、力学性能、发烟性能、毒气性和隔热性能。衡量结构构件耐火性能有两个指标：燃烧性能和耐火极限。

4.1.1 构件的燃烧性能

结构构件的燃烧性能取决于结构材料的燃烧性能，反映了结构构件遇火或高温时的燃烧特点。结构材料的燃烧性能共分为三类：不燃烧体、难燃烧体和燃烧体，其分类根据标准燃烧试验确定。不燃烧体在空气中受到火烧或高温作用时，不起火、不微燃、不碳化。难燃烧体在空气中受到火烧或高温作用时，难起火、南微燃、难碳化，当火源移走后，燃烧或微燃立即停止。燃烧体在明火或高温作用下，能立即着火燃烧，且火源移走后仍能继续燃烧或微燃。常用结构构件的燃烧性能见表1.5。

表1.5 常用结构构件的燃烧性能及耐火极限

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4.1.2 耐火极限

结构结构的耐火极限是指在标准耐火试验中，从构件受到火的作用起，到失去稳定性或完整性或绝热性为止的时间，以小时计。

构件的耐火界限通过在燃烧试验炉中明火加热来测定。构件的耐火时间除了与材料本身的性能有关外，还与升温过程、受火条件有关，要确定耐火极限，还涉及到失去稳定性、完整性和绝热性的判别条件。

标准耐火试验采用火灾标准升温曲线，炉内温度随时间的变化由下式控制：

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T?T0?345lg?8t?1? （1.11）

式中 t——试验经历的时间（min）； T——在t时间的炉内温度（oC）；

T0——试验开始时的炉内温度，应控制在5~40 oC。

为了模拟火灾发生时结构构件的实际受火状态，对不同部位的构件采用不同的受火条件。

墙：一面受火； 楼板：下面受火； 梁：两侧和底面三面受火； 柱：所有垂直面受火。

判别构件达到耐火极限的三个条件中，失去稳定性是指构件在试验中失去支撑能力或抗变形能力。如试验中发生坍塌，则表明失去支撑能力；对于梁、板等受弯构件，当试件的最大挠度超过跨度的1/20，则认为失去抗变形能力；对于柱子，试件的轴向变形速率超过3H（mm/min），则表明试件失去抗变形能力，其中H为试件在试验炉内的受火高度，以m计。

失去完整性是指当构件的一面受火作用时，出现穿透性裂缝或穿火孔隙，使其背火面可燃物燃烧起来，从而使构件失去阻止火焰和高温气体穿透或失去阻止其背火面出现火焰的性能。

失去绝热性是指构件失去隔绝过量热传导的性能，试验中以背火面测点平均温度超过初始温度140 oC，或背火面任一测点温度超过初始温度180 oC为标志。

《建筑构件耐火试验方法》对耐火极限的判定分三类构件：分隔构件、承重构件和具有承重、分隔双重功能的构件。

建筑物中不同结构构件和非结构构件的功能不同，因此，他们达到耐火极限的判别依据也不同。隔墙、吊顶、门窗等分隔构件并不承重，故以完整性和绝热性两个控制条件作为判别依据；梁、柱、屋架等承重构件因不具备割断火焰和过量热的功能，因此，以稳定性单一条件作为判别依据；承重墙、楼板等承重分隔构件以稳定性、完整性和绝热性三个控制条件作为判别依据。

常用构件的耐火极限见表1.。 4.1.3 影响耐火极限的因素

对于承重构件，耐火性能主要与稳定性有关，其影响因素有：

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① 构件材料的燃烧性能。

② 有效荷载量值。所谓有效荷载量值是指构件受火时所承受的实际重力荷载。有效荷载大，产生的内力大，构件容易失去稳定性，故而耐火性差。

③ 钢材品种。不同品种的钢材，在温度作用下的强度下降幅度不同，高强度钢丝最差，普通碳素钢其次，普通低合金钢最优。

④ 材料强度。材料强度高，耐火性能好。

⑤ 截面形状和尺寸。表面积大的形状，受火面大，内部温度更容易升高，耐火性相对较差；构建截面尺寸大，热量不容易传入内部，因而耐火性相对较好。

⑥ 配筋方式。当大直径钢筋放置内部，小直径钢筋放置外部，则较多的钢筋处于温度较低的区域，钢筋损伤小，耐火性相对较好。

⑦ 配筋率。由于高温对钢筋的损伤大于混凝土，所以配筋率高的构件耐火性较差。 ⑧ 表面保护。抹灰、防火涂料等可以提高构件的耐火性能。

⑨ 受力状态。轴心受压构件的耐火性优于小偏心受压柱，小偏心受压柱优于大偏心受压柱。

⑩ 结构形式和计算长度。连续梁等超静定结构因受火灾后可产生塑性内力重分布，降低控制截面的内力，故其耐火性优于静定结构；受压构件的计算长度越大，侧向弯曲越容易发生，耐火性越差。

4.1.4 提高耐火性的措施

提高结构构件耐火极限的有效措施可以分为两大类：设计构造和防护层。

在设计方面，适当增加构件的截面尺寸对提高构件的耐火性非常有效。对于混凝土构件，也可采用增加保护层厚度的措施。混凝土构件的耐火性能主要取决于钢筋的强度变化，增加保护层厚度可以增加热量传递到钢筋所需要的时间，使钢筋的强度不至于下降过快，从而提高构件的耐火能力。

通过改善结构的细部构造，也可起到提高耐火性能的作用。如，增加构件的约束来减小挠曲；加强或避免易受高温影响的部位（凸角、薄腹等）；增加钢筋的锚固长度或改变锚固方式（如将直线锚固改为吊钩、弯钩或机械锚固）；处理好构件之间的接缝，防止发生穿透性缝隙。

构件的防护层大致有三类：耐火保护层、耐火吊顶和防火涂料。钢构件的耐火性能较差，未加任何保护措施的钢构件的耐火极限一般仅为0.25h，无法满足防火设计要求，因此，钢结构一般需要做防护层。

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常用的耐火保护层有四种做法：钢构件四周浇注混凝土（图1.10a）；用钢丝网砂浆作保护层（图1.10b）；用矿物纤维做保护层（图1.10c）；用防火板材做保护层（图1.10d）。

（a）用现浇混凝土做耐火保护层；（b）用钢丝网砂浆或灰胶泥做耐火保护层；

（c）用矿物纤维做耐火保护层；（d）用防火板材做耐火保护层

图1.10 常用耐火保护层的种类

对于网架、屋架之类的钢构件，可以通过设防火吊顶来延缓钢材的升温。

防火涂料的工作原理是：在火焰高温下防火涂料能迅速膨胀发泡，形成较为坚实和致密的海绵状隔热泡沫层或空心泡沫层，使火焰不能直接作用于基材上，从而有效阻止火焰在基材上的传播和蔓延，达到阻止火灾发展的作用。

防火涂料的种类很多，根据涂层厚度可以分为薄涂层和厚涂层。薄涂层厚度一般为2~7mm，用于钢构件时，耐火极限可以达到0.5~1.5h；厚涂层厚度一般为8~50mm，耐火极限可以达到0.5~3.0h。

4.2 耐火设计方法

我国目前采用的耐火设计方法是根据建筑设计防火规范，确定与建筑物耐火等级相应的所有结构构件应具有的耐火时间，要求所设计的结构构件的耐火极限大于应具有的耐火时间。

4.2.1确定建筑耐火等级的主要因素

防火规范根据建筑物的重要性、火灾的危险性、建筑物的高度、火灾荷载等将建筑物的耐火等级分为四级。

建筑物的重要性决定了一旦发生火灾所造成的经济、政治和社会等各方面负面影响的大小程度，是确定建筑物耐火等级的重要因素。如生命线工程，重要文物、资料的存放场所，火灾带来的危害是灾难性的和不可弥补的，故而耐火等级应该些。

火灾危险性的大小意味着火灾发生的可能性的大小。在工业建筑中，存放易燃、易爆物品的建筑物，火灾的危险性大；在民用建筑中，一般住宅的火灾危险性小，而人员密集的大型公共建筑的危险性大。火灾危险性也是确定建筑耐火等级的主要依据。

建筑物的高度越高，火灾发生时人员的疏散和火灾扑救越困难，或在所带来的损失也就越大。故高度越高的建筑物耐火等级应越高。

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火灾荷载是衡量建筑物室内所容纳可燃物数量多少的一个参数。建筑物内的可燃物分为固定可燃物和容载可燃物。前者是指墙壁、楼板等结构材料，装修材料所用的可燃物以及固定家具采用的可燃物；后者指室内存放的可燃物。可燃物的种类很多，为了有一个统一的衡量标准，将各种可燃物根据燃烧热量换算成等效发热量的木材。火灾范围内单位地板面积的等效可燃物木材的重量定义为火灾荷载，用q表示。火灾荷载的单位与一般荷载相同。

火灾荷载的大小常用火灾荷载密度来衡量。火灾荷载的密度定义为房间中所有可燃物完全燃烧所产生的总热量与房间的特征参考面积之比。房间的特征参考面积可采用地板面积或室内总表面积。当采用地板面积时，火灾荷载密度与火灾荷载有如下关系：

qF?qH0 （1.12）

式中 H0——单位重量木材的发热量； qF——火灾荷载密度。

显然，火灾荷载越大，发生火灾时，火灾持续时间越长，火场温度越高，对建筑物的破坏作用也就越大。

4.2.2建筑物的耐火等级

工业建筑的耐火等级除考虑建筑物的规模大小和高度等因素外，主要根据生产过程的火灾危险性分类和储存物品的火灾危险性分类确定。生产和储存物品的火灾危险性分成甲、乙、丙、丁、戊五类。一般情况下，甲、乙类生产厂房应采用一、二耐火等级的建筑；丙类生产厂房的耐火等级不应低于三级。

民用建筑耐火等级主要依建筑物的重要性和使用功能来确定。重要的公共建筑应采用一、二级耐火等级；一般的民用建筑可以采用三级、四级耐火等级。

高层建筑的耐火等级分为一、二级。 4.2.3构件耐火极限值的选定

各类构件耐火等级的确定以楼板为参照构件，根据各构件的重要性确定比楼板的等级高还是低。如梁、柱、承重墙的耐火等级比楼板高；而隔墙、吊顶等的耐火等级比楼板低。

楼板的耐火等级实在调查、统计的基础上，经分析确定的。火灾统计表明，我国95%的火灾延续时间在2小时以内，其中在1小时之内扑灭的火灾占80%，1.5小时之内扑灭的占90%。另一方面，建筑中大量使用的混凝土空心板的保护层厚度多为10mm，耐火极限为1.0小时；现浇混凝土楼板的耐火极限在1.5小时以上。因此，将二级耐火等级建筑物的楼板的耐火极限值确定为1.0小时；一级耐火等级建筑物的楼板的耐火极限值确定为1.5小时；

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三、四级分别为0.5小时和0.25小时。梁比楼板重要，对于二级耐火等级建筑物，梁的耐火极限值为1.5小时；柱、墙比梁更重要，耐火极限值为2.5~3.0小时。

不同耐火等级各类构件的耐火极限值见表1.6。

表1.6 建筑构件的燃烧性能要求和耐火极限值要求

思考题 1、

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