第一节结构设计知识要点
优秀的建筑设计应做到艺术、技术和经济性的三位一体,它是建筑师对这三方面知识充分掌握和创造性应用的产物。建筑师在完成建筑功能、建筑艺术性设计的同时,也应当兼顾建筑的安全性、适用性、耐久性和经济性,以便建筑设计时其他工种的同事能同自己良好的衔接。
在建筑技术设计作图中,首先要根据建筑平面布置及房屋层数和高度,选用合理的结构体系,如:砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构等。其次要合理地确定和布置竖向承重构件和抗侧力构件,这些构件一般包括:承重墙体、柱、框架和支撑等。墙体既是竖向承重构件,又是抗侧力构件,同时又是建筑平面分隔和围护的需要;框架是由梁和柱刚性连接组成的骨架,它能承受建筑物的竖向荷载,同时也能承担水平荷载(如风力、地震作用);支撑是作为承担建筑物水平荷载的专用构件,主要用于单层产房、钢结构和高层建筑中。再次是合理地选择楼(屋)盖体系,楼(屋)盖体系构件包括:楼板(屋面板)、梁系(屋架)。楼板主要功能是沿水平方向分隔建筑中的上下空间,将其承受的建筑使用荷载传递给梁系或直接传给框架梁;使用梁系主要是为了使较大空间的房间传力途径更加合理,梁系中次梁将荷载传递给主梁或框架梁,再传至柱或墙。最后应合理地选择基础形式,根据不同的结构体系、建筑体型和场地土类别为竖向承重构件选取合理的基础形式,例如带拉梁或不带拉梁的独立基础、条形基础、箱形基础、役形基础、桩基础等。
下面将主要介绍砌体结构、框架结构、剪力墙结构和框架-剪力墙结构的结构布置注意事项。
一、砌体结构
砌体结构有着悠久的历史和辉煌的记录,直至今日仍然广泛地应用在各类工业与民用建筑中。砌体结构有造价低廉、易于取材、建筑舒适度好、建筑能耗低、耐久性好、维护方便、抗火性能优异、施工设备和方法简单、外观优美等优势;同样也存在着强度低、材料用量多、自重大、砌筑质量较难保证、震害严重等问题。
(一)砌体结构的承重墙体系
1.横墙承重体系
横墙指横向承重墙体。横墙承重体系指建筑物楼(屋)盖的竖向荷载主要通过短向楼板或横墙间小梁传给横墙,再经横墙基础传至地基的结构体系。由于横墙是主要承重墙体,它的间距不能太大,划分房屋开间的宽度一般为3~5m,即横墙间距。横墙承受两侧开间内由楼(屋)盖传来的竖向荷载和由风或横向水平地震作用产生的水平荷载,假若两侧开间宽度相同,横墙在竖向荷载作用下基本上处于轴心受压状态,在水平荷载作用下则处于受弯、受剪状态。横墙承重体系建筑物的纵墙不参与承受楼(屋)盖荷载,仅承受自身的重量,因而在纵墙上可开设较大的门窗洞口;又由于承重横墙较密,建筑物的整体刚性和抗震性能很好,这些都是横墙承重体系的优点。但是,这种体系在房间使用上很不灵活,室内空间较小;又由于横墙较密而使建筑材料用量较大,这又是横墙承重体系的缺点。横墙承重体系适用于宿舍、住宅等建筑物。
2.纵墙承重体系
纵墙指纵向承重墙体。纵墙承重体系指建筑物楼(屋)盖的竖向荷载主要通过长向楼板或进深梁传给纵墙,再经纵墙基础传至地基的结构体系。在这个体系中,为了保证建筑物的整体刚性,沿纵墙方向一定长度还需设置少量横墙与纵墙拉结。这样,建筑物的竖向荷载基本上由纵墙承受,而由风或横向水平地震作用产生的水平荷载则主要通过水平楼(屋)再传给横墙。由于板、梁在纵墙上的支承点往往并不与纵墙形心线重合,故纵墙一般处于偏心受压状态,而横墙在水平荷载作用下则处于受剪和受弯状态。纵墙承重体系的横墙间距一般较大,使得建筑物可以有较大的房间,室内分割也较灵活,这是它的优点;但整个建筑物的整体刚性不如横向承重体系,在纵墙上开门窗洞口受到限制,这又是它的缺点。纵墙承重体系适用于教学楼、办公楼、实验室、阅览室、中小型生产厂房、车间、食堂和会议室等。
3.内框架承重体系
内框架承重体系指四周纵、横墙和室内钢筋混凝土(或砖)柱共同承受楼(屋)盖竖向荷载的承重结构体系。在一般情况下内框架承重体系中的柱承受着竖向荷载的大部分,而该体系中的纵、横墙则承受由风或水平地震作用产生水平荷载的绝大部分。因此,内框架承重体系中的墙体既受压又受剪、受弯。内框架承重体系由于内柱代替承重内墙可有较大空间的房间而不增加梁的跨度,使室内布置灵活,这是它的主要优点;但由于纵、横墙较少,使建筑物整体刚性差,又由于柱和墙体的材料不同、压缩性不同,基础沉降不易一致等情况,给设计和施工带来某些不利因素,这又是它的重要缺点。内框架承重体系适用于商店、实验楼、多层工业厂房等。
对于一个具体砌体结构建筑物来说可以在不同区段采用不同的承重体系,形成混合型承重墙体系,以充分利用以上三种承重体系的优点。
4.底框承重体系
底框承重体系指底部一层或几层采用较大柱网的框架结构而上部几层采用砌体结构的混合承重结构体系。这种结构体系的优点是其下部框架结构能够获得较大的空间效果,上部又可作为满足小开间划分要求的住宅或公寓使用,能够满足复合的建筑功能要求,同时上部砌体结构能够取得相比于框架结构较低的建筑造价的经济效果。但是这种结构体系中,上部砌体的竖向和水平荷载均是通过转换层的梁板传递到下层的柱上然后再传递到基础的,其传力途径较为复杂,而且,这种体系上部砌体的刚度较大,但下部框架的刚度较小,在地震力作用下容易形成下部框架的受力集中区而造成薄弱框架层首先破坏,这是它的最大缺点。因此,规范对这种结构的设计进行了比较严格的规定。底框结构设计中,底部框架不宜超过两层,层高不应超过4.5m,且宜布置适量钢筋混凝土剪力墙或砌体剪力墙,转换层楼板应采用钢筋混凝土现浇楼板,上部砌体主要承重墙轴线应与转换大梁走向对齐。
(二)砌体结构一般构造要求
(1)砌体结构房屋的门窗洞口上均需有钢筋混凝土过梁,当在层高范围内有上下窗洞时,要注明上过梁、下过梁。
(2)墙体布置应注意以下问题:
1)墙、柱的截面-墙体厚度、门窗间墙的最小宽度都应符合砖的模数;同一片墙的厚度应相同;壁柱间距应有规律;承重独立砖柱截面尺寸不应小于240mmX370mm。
2)墙体上下洞口宜对齐,使上下层荷载能直接传递(尤其要注意内纵墙上下层门洞能否对齐);宜避免在纵横墙交接处开门窗洞口或留通长沟槽,以致破坏纵横墙的整体连接。
3)砌体结构当层高较高时,需按墙体高厚比的验算,确定是否需加墙垛,以满足高厚比的要求。
(3)当梁跨度在砖墙厚240mm时大于等于6m,或砖墙厚180mm时大于等于4.8m,其支承处宜加设壁柱或采取其他加强措施。
(4)砌体结构房屋的楼(屋)盖可以采用现浇或预制楼(屋)盖,其布置方法请参见框架一一剪力墙结构部分。但应注意:
1)预制板的侧边不得进墙。
2)预制板不能悬挑或在中部支撑,只能在两端支撑。
3)预制板的板端,不得伸入砌体墙的构造柱,当遇构造柱时,应在构造柱位置拉开设置板缝。
4)当有阳台或雨篷需要楼板作为平衡条件时,与阳台(雨篷)相连部分宜局部采用现浇板。
(5)建筑平面转折部位、高差或荷载差较大的部位以及长高比过大的砌体结构的适当部位都应设置沉降缝。
(6)为防止或减轻房屋在正常使用条件下,由温差和砌体干缩引起的墙体竖向裂缝,应在墙体中设置伸缩缝。伸缩缝应设置在因为温度和收缩变形可能引起应力集中、砌体产生裂缝可能性最大的地方。规范中将木屋(楼)盖砌体伸缩缝最大间距Smax增大为100m,并补充了轻钢屋盖Smax为100m。
(7)阳台、雨篷的结构布置:
1)阳台、雨篷一般采用现浇为宜;有条件时,也可采用预制构件。
2)阳台、雨篷布置时,应保证有可靠的抗倾覆和锚固措施。
α.当阳台和雨篷采用挑板结构时,应尽量和内部现浇板连成整体,利用内部楼板平衡抗倾覆。
b.当采用预制阳台和雨篷时,预制构件必须伸进墙内,其根部要有锚固措施,并与现浇板缝(或现浇板)浇在一起。
c.对挑出尺寸较大的阳台(雨篷),宜采用加挑梁的方法,挑梁必须深入内部墙体足够的长度。
(8)对多层勃土砖房,楼梯间应符合下列要求:
1)抗震设防烈度8度和9度时,楼梯间及门厅内墙阳角处的大梁应与圈梁连接。
2)突出屋顶的楼、电梯间,构造柱应伸到顶部,并与顶部圈梁连接。
(三)砌体结构房屋抗震构造措施应满足下列基本要求
(1)房屋平立面布置宜规则、对称,沿房屋高度的质量分布和刚度变化宜均匀,楼层不宜错层。
(2)房屋基础设计应考虑与上部结构相一致的结构体系。
(3)抗震结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径,宜有多道抗震防线,具备必要的承载能力和耗能能力;宜有合理的刚度和强度分布,以避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力或塑性变形集中。
1)由于纵墙承重方案的横墙间距较大,不利于抗震,故应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重体系。
2)纵横墙体布置要均匀对称,平面内横墙宜对齐,沿竖向应上下连续,同一轴线墙体各窗间墙宽度宜均匀。其目的是使地震作用能较均匀地分配到各个墙肢,不只是个别墙肢受力过分集中,同时尽量避免房屋平面内和层间高度方向的扭转。
3)当房屋高差超过6m,或有错层且楼板高差较大,或房屋各部分结构刚度、质量截然不同时,宜在该房屋的上述部位设置防震缝。防震缝应沿房屋全高设置(基础可不设),缝两侧均应设置墙体,缝宽一般为50mm—100mm。
4)楼梯间因其墙体缺少各层楼板的侧向支承,且其顶层墙体高度一般为1.5倍层高,往往在地震时遭受较重的震害,故不宜设置在房屋尽端和转角处,也不宜突出于外纵墙平面之外。
5)不应使烟道、风道、垃圾道削弱承重墙体,否则应对被削弱的墙体采取加强措施。如必须做出屋面或附墙烟囱时,宜采用竖向配筋砌体。
6)不宜采用元锚固的钢筋混凝土预制挑檐。
(4)抗震构件处应有必要的承载能力和变形能力外,还必须保证构件间具有可靠的连接。
(5)应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱。
1)钢筋混凝土构造柱:
α.钢筋混凝土构造柱的主要作用是约束墙体的变形。
b.多层普通教土砖、多孔砖房,应按下列要求设置现浇钢筋混凝土构造柱:
(α)构造柱设置部位,一般情况下应符合表3-2的要求。
(b)外廊式和单面外廊式的多层房屋,应根据房屋增加1层后的层数,按表3-2的要求设置构造柱,且单面走廊两侧的纵横墙均应按外墙处理。
(c)教学楼、医院等横墙较少的房屋,应根据房屋增加1层后的层数,按表3-2的要求设置构造柱;当教学楼、医院等横墙较少的房屋为外廊式或单面走廊式时,应按上一条的要求设置构造柱,但6度不超过4层、7度不超过3层和8度不超过2层时,应按增加2层后的层数对待。
二、框架结构、剪力墙结构及框架-剪力墙结构
梁、柱组成的框架作为建筑竖向承重结构,并同时抵抗水平荷载时,被称为框架结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活,可做成需要较大空间的会议室、餐厅、办公室及工作车间、实验室等,加隔墙后,可以做成小房间。如果采用轻质隔墙和外墙,则可减轻建筑物重量。梁和柱布置灵活,可以做成预制构件,也可以现浇,立面富于变化。
通过合理设计的框架结构抗震性能好,组合适当的隔墙材料和构造做法,适于使用在地震区的多高层建筑中。但总体而言,框架结构抗侧移刚度小,水平位移大,因此不适宜建造高度太高的建筑。
利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构,该类结构称为剪力墙结构体系。通常楼盖内元梁、楼板直接支承在墙上,墙体同时也作为围护及房间分隔构件。剪力墙的间距受到楼板构件跨度的限制,在平面布局中较难设置大空间的房间,因而只适用于具有小房间的住宅、旅馆等建筑。剪力墙结构的承载力及刚度都很大,侧移变形小,经过合理设计,是一种抗震性能很好的结构体系。
框架-剪力墙体系是把框架和剪力墙结合在一起共同抵抗竖向和水平荷载的一种体系。它利用剪力墙的高抗侧力刚度和承载力,弥补框架结构抗侧移刚度差、变形大的弱点,同时因为它只在部分位置上有剪力墙,又保持了框架结构具有较大的灵活空间、立面易于变化等优点。框架-剪力墙结构的侧向位移较小,而且由于剪力墙与框架协同工作,改善了纯框架及纯剪力墙的变形性能,使得框架-剪力墙的层间变形减小而且上下均匀;此外框剪结构的抗震性能也较好,因此框-剪结构是一种比较好的结构体系,在多层及高层公共建筑中得到了广泛的应用。
根据框-剪结构中剪力墙布置方式的不同,可分为两种情况。一种是剪力墙是单片式的散乱布置方式,这种方式结构的刚度比较小,建造高度一般在10层~20层;另一种是把剪力墙相连做成井筒式,井筒使得结构的刚度和承载力都大大提高,也增加了抗扭能力,可用于建造高度更大的建筑物,达30层~40层。后者被称为框架-简体结构。
(一)平面形状及总体型
(1)多层和中高层建筑中板式建筑,即房屋的宽度较小,但长度较大的建筑,是常见的形式。它的优点是房间的采光效果较好,房间的利用率高。框架、框-剪结构体系均能适用。但是板式建筑短边方向的侧向刚度较小,对高度较大的高层建筑不利,高度越大,越要避免长宽比很大的平板式平面,必要时可做成曲线或折线形的板式建筑,以增加短边方向的抗侧刚度。
(2)塔式建筑,即建筑平面外轮廓的总长度与总宽度相接近的建筑,可有多种平面形状,如圆形、方形、三角形、十字形、Y形等。塔式结构在高层建筑中较为普遍,特别是高度较大的高层结构几乎都是塔式的。除了剪力墙结构体系外,框-筒结构已是应用较多的结构体系。
(3)房屋立面形状,宜做成上下相同或者向上略微减小的体型是比较理想的。
(二)抗震结构的布置及防震缝
(1)建筑物平面布置宜简单、规则、对称。避免刚度不均匀、高低错层、局部凸出、凹进、或沿高度方向刚度突变等。
(2)对于平面形式复杂的建筑物,应避免有突出过长的翼,如果不能避免,应在翼缘远端增设剪力墙或设置防震缝将翼隔离主体平面,使复杂平面简单化。
(3)结构的竖向也应做到刚度均匀,避免剪力墙等抗侧构件有局部中断。
(三)伸缩缝
(1)房屋超过规定长度时,在上部结构中使用伸缩缝断开,成为长度不大的温度区段。
(2)伸缩缝同防震缝类似,都会给建筑平面及构造处理带来困难。可以采取后浇带施工方法、增设保温隔热措施、增加温度应力较大或对温度敏感部位的钢筋等方法来避免伸缩缝。
(四)基础和沉降缝处理
(1)多层建筑基础选型:
1)单柱基础适用于层数不多、地基土较好的框架结构。
2)单柱基础加设拉梁的基础形式适用于抗震要求高,或土质不均,或埋深较大的情况。
3)交叉式条形基础或一方向为条形基础一方向设置拉梁的做法,整体性较单独柱基好,适用于多层建筑。
(2)沉降缝处理:
1)当建筑物不同部分的重量相差十分悬殊时,可采用设置沉降缝的办法使各部分自由沉降。
2)应尽量避免设置沉降缝,可采取将重量大的部分设置在压缩性小的天然地基上、设置基础后浇带等方法予以避免。
(五)框架结构、剪力墙结构和框-剪结构的布置
1.柱网和框架
(1)框架结构布置首先确定柱网,柱网即柱的排列方式,它必须满足建筑平面及使用要求,同时也要使结构合理。
(2)柱网应规则、整齐,且每个楼层的柱网尺寸应相同,要能形成由板-次梁-框架梁框架柱-基础组成的传力体系,且使之直接而明确。
(3)就承载竖向荷载而言,由于楼板布置方式不同,有主要承重框架和非主要承重框架。支承楼板(或次梁)的框架为主要承重框架。如采用双向板,则双向框架都是承重框架。就承受水平力而言,两个方向的框架分别抵抗与框架方向平行的水平荷载。
(4)在确定框架组成时,要综合考虑上述各因素,既要考虑楼板的合理跨度及布置,又要考虑抗侧刚度的要求。
2.楼盖结构布置
楼盖结构一般包括楼板和梁。
(1)楼板的布置。一般分为预制板和现浇板两种。
1)预制楼板:
α.使用预制板的条件:
(α)作为楼板支撑构件之间的平面轴线尺寸必须符合预制板长度时,才能采用预制板。预制板的长度尺寸一般以300mm为模数进位,常见的板长从1800mm-----6900mm。常用的预制板类型有实心平板、槽形板、空心板。
(b)当楼板因使用要求需要开洞时,则不宜采用预制板,而应采用现浇楼板,如厕所、浴室、厨房等部位。
(c)预制板除有固定长度尺寸外,其承载力也是固定的,故当楼层的使用荷载超过预制板的允许承载力时，则不能采用预制板,而需采用现浇板。
(d)平面形状复杂的楼板,不能采用预制板。
b.预制板布置时应注意的问题:
(α)预制板的支承方式有板式、梁板式两种。板式布置是指预制板直接搁置在墙上;梁板式布置是指预制板有一端或两端搁置在梁上,再由梁将荷载传递给柱或墙的布置方式。前者适用于剪力墙结构及房间尺寸较小、承重墙间距较密的砌体结构建筑;后者则多用于教学楼等开间、进深尺寸都较大的砌体或者框架、框架-剪力墙建筑中。
(b)在进行预制板的结构布置时,应做到板的规格、类型越少越好。
c.预制楼板中,应根据地区抗震要求设置钢筋混凝土整浇层。
2)现浇楼板:
α.除了采用预制楼板以外,可以采用现浇楼板。现浇楼板根据受力和传力情况主要分为板式楼板和梁板式楼板。
b.所有现浇楼板均要有支承构件,如承重墙体、梁等。
c.现浇楼板的支撑构件沿周边布置,且长边与短边之比≤2时,称为双向板;当楼板的支承构件沿周边布置,长边与短边之比>2或仅板的跨度两端有支撑构件时,称为单向板。
d.现浇楼板的区格(或跨度)不宜太大;当跨度太大时宜加设梁,以减少板的跨度,避免板太厚。单向板板厚/跨度宜≥1/40,双向板板厚/跨度宜≥1/50。
(2)梁的布置。
1)梁是板的支承构件,因此梁应尽量根据板的经济跨度来布置。
2)梁必须有可靠的支承构件,一般为柱或承重墙。
3)当梁的支撑构件为承重墙时,梁的位置应避开门窗洞口。
4)当楼板有超过1.0m的大洞口时,宜在洞口边布置梁。
5)作为预制板的支承梁时,梁的问距应符合预制板的长度。
6)梁板式楼板的梁格布置方案可根据建筑使用功能和经济性确定为主次梁体系、双向板-主梁体系、井字梁体系等。
7)主梁在布置时尽量沿支点的短跨方向布置,次梁方向应与主梁垂直,当柱网间距或房间尺寸较大且近似方形时,应在两个方向上等尺寸地布置主次梁。
3.剪力墙布置
(1)剪力墙可采用单片形、L形、【形、I形或井筒形。
(2)结构纵横两个方向的剪力墙数量宜相近,剪力墙布置要对称,剪力墙之间的距离不宜过远。
(3)剪力墙端部宜有翼缘,它可增大剪力墙平面外的刚度及承载力,避免平面外错断等脆性破坏,也可提高剪力墙平面内的抗弯延性。
(4)剪力墙的数量应根据框-剪结构水平侧移限制和剪力墙抵抗弯矩占总倾覆力矩的50%的要求来确定,即框-剪结构中剪力墙不宜过少。同时,剪力墙数量也不宜过多,过多的剪力墙不仅会影响建筑使用空间,也会使结构刚度过大,地震力将加大。
(5)剪力墙应贯通全高,使结构上下刚度均匀或逐渐减小。门窗洞口应尽量做到上下对齐、大小相同。
(6)民用框-剪结构建筑中剪力墙常布置在楼(电)梯间、厨房、洗手间等房间面积较小的部位。
(六)《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002对剪力墙结构布置的要求。
1.概念
短肢剪力墙一一墙肢截面高度与厚度之比为5----8的剪力墙;一般剪力墙一一墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙;当墙肢截面高度与厚度之比<3时,按框架柱计算及构造;剪力墙开洞形成的跨高比<5的梁,按连梁计算及构造;剪力墙开洞形成的跨高比≥5的梁,按框架梁计算及构造。
2.高层建筑不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多时,应布置简体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。
3.短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。
4.7度和8度抗震设防时,短肢剪力墙宜设置翼缘。一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。
5.布置剪力墙时,要尽量使结构质量中心与刚度中心重合,以减少结构扭转的影响。
第二节例题分析
例题3-1
(一)任务书
根据所提供的建筑平面图,进行该单元结构布置,设计应符合任务及规范要求。
设计要求:
某普通砖砌体住宅楼某单元二层建筑平面如图3-1所示。
(1)该住宅总层数7层,层高均为3m;(2)楼盖采用预制空心板,局部采用现浇板;
(3)该工程处于7度抗震设防区。
任务要求:
(1)布置预制空心板及局部现浇楼板;
(2)绘出过梁;
(3)布置墙体构造柱。
(二)解答(图3-2)
要点:本题难点主要在于7度抗震设防区的构造柱布置。解题时应注意以下几点:1.构造柱的布置位置
(1)外墙四角;
(2)楼梯间四角;