1A412030 结构构造

        1A412031 结构构造设计要求

　　一、混凝土结构的受力特点及其构造

　　1.混凝土结构的优点

　　(1)强度较高，钢筋和混凝土两种材料的强度都能充分利用;

　　(2)可模性好，适用面广;

　　(3)耐久性和耐火性较好，维护费用低;

　　(4)现浇混凝土结构的整体性好、延性好，适用于抗震抗爆结构，同时防振性性和防辐射性能较好，适用于防护结构;

　　(5)易于就地取材。

　　混凝土结构的缺点：自重大，抗裂性较差，施工复杂，工期较长。

　　由于钢筋混凝土结构有很多优点，适用于各种结构形式，因而在房屋建筑中得到广泛应用。

　　2.钢筋和混凝土的材料性能

　　(1)钢筋

　　我国普通钢筋混凝土中配置的钢筋主要是热轧钢筋，预应力筋常用中、高强钢丝和钢绞线。

　　1)热轧钢筋的种类：热轧钢筋由普通低碳钢(含碳量不大于0.25%)和普通低合金钢(合金元素不大于5%)制成。其常用种类、代表符号和直径范围见表1A412031-1。

　　钢筋常用种类、代表符号和直径范围 表1A412031-1

强度等级代号	钢种	符号	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)钢筋的力学性能：

　　建筑钢筋分两类，一类为有明显流幅的钢筋，另一类为没有明显流幅的钢筋。

　　有明显流幅的钢筋含碳量少，塑性好，延伸率大。

　　无明显流幅的钢筋含碳量多，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、延伸率、强屈比和冷弯性能四项。冷弯性能是反映钢筋塑性性能的另一个指标。

　　3)钢筋的成分：

　　铁是主要元素，还有少量的碳、锰、硅、钒、钛等;另外，还有少量有害元素，如硫、磷。

　　(2)混凝土

　　1)抗压强度：立方体强度以fcu作为混凝土的强度等级，单位是N/mm2(MPa)，例如C20表示抗压强度为20N/mm2。规范共划分十四个强度等级，C15～C80，级差为5N/mm2。

　　2)棱柱体抗压强度fc，该强度是采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件试验所得。

　　3)抗拉强度ft，是计算抗裂的重要指标。混凝土的抗拉强度很低。

　　(3)钢筋与混凝土的共同工作

　　钢筋与混凝土的相互作用叫粘结。钢筋与混凝土能够共同工作是依靠它们之间的粘结强度。混凝土与钢筋接触面的剪应力称粘结应力。

　　影响粘结强度的主要因素有混凝土的强度、保护层的厚度和钢筋之间的净距离等。

　　3.极限状态设计方法的基本概念

　　我国现行规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，其基本原则如下：

　　(1)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。

　　(2)可靠度：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。

　　(3)极限状态设计的实用表达式：为了满足可靠度的要求，在实际设计中采取如下措施：

　　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。

　　在采用上述措施后，可靠度指标便得到了满足。这就是以分项系数表达的极限状态设计方法。

　　4.钢筋混凝土梁的配筋原理及构造要求

　　(1)适筋梁正截面受力阶段分析(见图1A412031-1)

　　图1A412031-1 梁正截面各阶段应力分析

　　第Ⅰ阶段：M很小，混凝土、钢筋都处在弹性工作阶段。第Ⅰ阶段结束时拉区混凝土到达ft，混凝土开裂。

　　第Ⅱ阶段：M增大，拉区混凝土开裂，逐渐退出工作。中和轴上移。压区混凝土出现塑性变形，压应变呈曲线，第Ⅱ阶段结束时，钢筋应力刚到达屈服。此阶段梁带裂缝工作，这个阶段是计算正常使用极限状态变形和裂缝宽度的依据。

　　第Ⅲ阶段：钢筋屈服后，应力不再增加，应变迅速增大，混凝土裂缝向上发展，中和轴迅速上移，混凝土压区高度减小，梁的挠度急剧增大。当混凝土达到极限压应变时，混凝土被压碎，梁即破坏。此阶段是承载能力的极限状态计算的依据。

　　对梁的配筋量在规范中明确地作出规定，不允许设计成超筋梁和少筋梁，对最大、最小配筋率均有限值，它们的破坏是没有预兆的脆性破坏。

　　(4)梁的斜截面承载能力保证措施

　　受弯构件截面上除作用弯矩M外，通常还作用有剪力V。在弯矩M和剪力V的共同作用下，有可能产生斜裂缝，并沿斜裂缝截面发生破坏。

　　影响斜截面受力性能的主要因素：

　　1)剪跨比和高跨比;

　　2)混凝土的强度等级;

　　3)腹筋的数量，箍筋和弯起钢筋统称为腹筋。

　　为了防止斜截面的破坏，通常采用下列措施：

　　1)限制梁的截面最小尺寸，其中包含混凝土强度等级因素;

　　2)适当配置箍筋，并满足规范的构造要求;

　　3)当上述两项措施还不能满足要求时，可适当配置弯起钢筋，并满足规范的构造要求。

　　5.梁、板的受力特点及构造要求

　　梁、板按支承情况分，有简支梁、板与多跨连续梁、板之分。板按其受弯情况又有单向板与双向板之分。

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　　(1)单向板与双向板的受力特点

　　两对边支承的板是单向板，一个方向受弯;而双向板为四边支承，双向受弯。当长边与短边之比小于或等于2时，应按双向板计算;当长边与短边之比大于2但小于3时，宜按双向板计算;当按沿短边方向受力的单向板计算时，应沿长边方向布置足够数量的构造筋;当长边与短边长度之比大于或等于3时，可按沿短边方向受力的单向板计算。

　　(2)连续梁、板的受力特点

　　现浇肋形楼盖中的板、次梁和主梁，一般均为多跨连续梁(板)。连续梁(板)的内力计算是主要内容，配筋计算与简支梁相同。内力计算有两种方法。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。弹性理论的计算是把材料看成弹性的，用结构力学的方法，考虑荷载的不利组合，计算内力，并画出包络图，进行配筋计算。

　　均布荷载下，等跨连续板和连续次梁的内力计算，可考虑塑性变形的内力重分布。允许支座出现塑性铰，将支座截面的负弯矩调低，即减少负弯矩;调整的幅度，必须遵守一定的原则。

　　连续梁、板的受力特点是，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。钢筋的截断位置按规范要求截断。

　　(3)梁、板的构造要求

　　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来确定，宽度一般是高度的1/3。梁的支承长度不能小于规范规定的长度。纵向受力钢筋宜优先选用HRB335、HRB400钢筋，常用直径为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。

　　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。受力钢筋直径常用6、8、10、12mm。间距不宜大于250mm。

　　梁、板混凝土的强度等级一般采用C20以上。

　　二、砌体结构的受力特点及其构造

　　采用砖、砌块和砂浆砌筑而成的结构称为砌体结构。

　　砌体结构有以下优点：砌体材料抗压性能好，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。砌体结构的应用范围广，它可用作住宅、办公楼、学校、旅馆、跨度小于15m的中小型厂房的墙体、柱和基础。

　　砌体的缺点：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。

　　砌体的受力特点是抗压强度较高而抗拉强度很低，所以砌体结构房屋的静力计算简图大多设计成刚性方案。因为这种方案的砌体受的拉力较小，压力较大，可以很好地发挥砌体的受力特点。开间较小的住宅、中小型办公楼即属于这类结构。

　　(1)墙、柱高厚比

　　高厚比β是指墙、柱的计算高度H0与其相应厚度h的比值，β=H0/h。

　　《砌体结构设计规范》GB 50003—2011所确定的墙、柱高厚比[β]是总结大量工程实践经验并经理论校核和分析得出的，见表1A412031-1。

　　无筋砌体(墙、柱)的允许高厚比[β]值 表1A412031-1

砂浆强度等级	墙	柱
M2.5	22	15
M5.0（Mb5.0、Ms5.0）	24	16
≥M7.5（Mb7.5、Ms7.5）	26	17

　　影响允许高厚比的主要因素有：砂浆强度;构件类型;砌体种类;支承约束条件、截面形式;墙体开洞、承重和非承重。对上述因素的影响通过相应的修正系数对允许高厚比[β]予以降低和提高。

　　(2)墙体受压承载力计算

　　砌体受压构件的承载力的计算用下式表示：

　　N≤φ·f·A (1A412031-1)

　　式中 N——轴向力设计值;

　　φ——高厚比β和轴向力的偏心距对受压构件承载力的影响系数;

　　f——砌体的抗压强度设计值;

　　A——砌体的截面面积。

　　墙体作为受压构件的验算分三个方面：

　　1)稳定性。通过高厚比验算满足稳定性要求。

　　2)墙体极限状态承载力验算。按式(1A412031-1)验算。

　　3)受压构件在梁、柱等承压部位处的局部受压承载力验算。

　　(3)砌体房屋结构的主要构造要求

　　砌体结构的构造是确保房屋结构整体性和结构安全的可靠措施。墙体的构造措施主要包括三个方面，即伸缩缝、沉降缝和圈梁。

　　由于温度改变，容易在墙体上造成裂缝，可用伸缩缝将房屋分成若干单元，使每单元的长度限制在一定范围内。《砌体结构设计规范》GB 50003—2011称此长度为温度收缩缝的最大间距，详见表1A412031-2。伸缩缝应设在温度变化和收缩变形可能引起应力集中、砌体产生裂缝的地方。伸缩缝两侧宜设承重墙体，其基础可不分开。

　　砌体结构房屋伸缩缝的最大间距(m) 表1A412031-2

屋盖或楼盖类别		间距
整体式或装配整体式钢筋混凝土结构	有保温层或隔热层的屋盖、楼盖	50
	无保温层或隔热层的屋盖	40
装配式无檩体系钢筋混凝土结构	有保温层或隔热层的屋盖、楼盖	60
	无保温层或隔热层的屋盖	50
装配式有檩体系钢筋混凝土结构	有保温层或隔热层的屋盖	75
	无保温层或隔热层的屋盖	60
瓦材屋盖、木屋盖或楼盖、轻钢屋盖		100

　　当地基土质不均匀，房屋将引起过大不均匀沉降造成房屋开裂，严重影响建筑物的正常使用，甚至危及其安全。为防止沉降裂缝的产生，可用沉降缝在适当部位将房屋分成若干刚度较好的单元，沉降缝的基础必须分开。

　　墙体的另一构造措施是在墙体内设置钢筋混凝土圈梁。圈梁可以抵抗基础不均匀沉降引起的墙体内拉应力，同时可以增加房屋结构的整体性，防止因振动(包括地震)产生的不利影响。因此，圈梁宜连续地设在同一水平面上，并形成封闭状。

　　纵横墙交接处的圈梁应有可靠的连接。刚弹性和弹性方案房屋，圈梁应与屋架、大梁等构件可靠连接。钢筋混凝土圈梁的宽度宜与墙厚相同，当墙厚h≥240mm时，其宽度不宜小于2h/3。圈梁高度不应小于120mm。纵向钢筋不应少于4根，直径不小于10mm，绑扎接头的搭接长度按受拉钢筋考虑，箍筋间距不应大于300mm。

　　三、钢结构构件的受力特点及其连接类型

　　钢结构的抗拉、抗压强度都很高，构件断面小，自重较轻，结构性能好，所以它适用于多种结构形式，如梁、桁架、刚架、拱、网架、悬索等，应用非常广泛。在高层建筑及桥梁中的应用愈来愈多。用作钢结构的材料必须具有较高的强度、塑性韧性较好、适宜于冷加工和热加工;同时，还必须具有很好的可焊性。钢结构的钢材宜采用Q235、Q345(16Mn)、Q390(15MnV)和Q420。

　　1.钢结构的连接

　　钢结构是由钢板、型钢通过必要连接形成的结构。钢结构的连接方法可分为焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。

　　(1)焊缝连接：焊缝连接是目前钢结构的主要连接方法。其优点是构造简单，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缝。

　　(2)铆钉连接：铆接由于构造复杂，用钢量大，现已很少采用。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。

　　(3)螺栓连接：螺栓连接又分为普通螺栓和高强度螺栓两种。普通螺栓施工简单，拆、装方便。普通螺栓一般由Q235制成。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。

　　2.钢结构的受力特点

　　(1)受弯构件

　　钢梁是最常见的受弯构件。

　　1)钢梁的截面形式

　　钢梁的截面形式一般有型钢和钢板组合梁两类。型钢梁多采用工字钢和H型钢，钢板组合梁常采用焊接工字形截面。

　　2)钢梁的强度、刚度和稳定性计算

　　①抗弯强度计算：取梁内塑性发展到一定深度作为极限状态。对需要计算疲劳的梁，不考虑梁塑性发展。

　　为保证梁的受压翼缘不致产生局部失稳，应限制其自由外伸宽度与其厚度之比。

　　②抗剪强度计算：梁的抗剪强度按弹性设计。

　　③刚度计算：梁必须具有一定的刚度才能有效地工作，刚度不足将导致梁挠度太大，影响结构正常使用。因此，设计钢梁除应满足各项强度要求之外，还应满足刚度要求。

　　梁的挠度计算时采用荷载标准值，可不考虑螺栓孔引起的截面削弱。

　　④钢梁的整体稳定计算：当有铺板(各种钢筋混凝土板或钢板)密铺在梁的受压翼缘上与其牢固相连，能阻止梁受压翼缘的侧向位移时，或者工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比满足相应要求时，梁的整体稳定可不计算。除此之外，应验算梁的整体稳定性。

　　⑤钢梁的局部稳定计算：

　　梁腹板通常采用加劲肋来加强腹板的局部稳定性，梁翼缘的局部稳定一般是通过限制板件的宽厚比来保证的。轧制的工字钢和槽钢等型钢一般不会发生局部失稳。

　　(2)受拉构件、受压构件

　　1)受拉构件根据受力情况，可分为轴心受拉和偏心受拉构件(拉弯构件)。

　　①轴心受拉构件：轴心受拉构件常见于桁架中。轴心受拉构件须按净截面面积进行强度计算。构件的刚度是通过限制长细比来保证的。

　　②偏心受拉构件：偏心受拉构件应用较少，桁架受拉杆同时承受节点之间横向荷载时为偏心受拉构件。

　　2)受压构件

　　柱、桁架的压杆等都是常见的受压构件。根据受力情况，受压构件可分为轴心受压和偏心受压构件(压弯构件)。这里主要介绍轴心受压构件。

　　按截面构造形式，受压构件可分为实腹式和格构式两类。前者构造简单、制作方便;后者制作费工，但节省钢材。当构件比较高大时，可采用格构式，增加截面刚度，节省钢材。

　　和轴心受拉构件一样，轴心受压构件的截面设计也需要满足强度和刚度要求。除此以外，轴心受压构件还要进行整体稳定和局部稳定计算：通过考虑整体稳定系数进行轴心受压构件的整体稳定计算，通过限制板件的宽厚比来保证局部稳定。

　　(3)梁柱节点

　　梁和柱连接时，可将梁支承在柱顶上或连接于柱的侧面。二者均可做成铰接或刚接。

　　3.钢结构构件防火与防锈

　　1)钢结构防火性能较差。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。

　　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。

　　2)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蚀处理，以保证钢结构的正常使用。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，避免诸如将槽钢槽口朝上放置，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。