第1章一些重要的结构概念

减系数。
a)拉压 H H H H
1.1 基本受力状态
拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion
弯、剪 弯、剪 剪应力τ沿截面高度的分布规律可表达为： 在弯矩M 作用下，截面正应力的分布规律可表达为： τ=VS /（I bM y/ I σ= ） 式中 VM —— 截面上作用的弯矩； 式中 —— 截面剪力； I —— 截面惯性矩； I —— 截面惯性矩； b —— 截面宽度； —— 所求应力点离中和轴的距离。 Sy—— 所求应力点以上部分截面的静力矩。
1.1 基本受力状态
轮 压 偏 心 轮 压 制动力
制动力
偏心轮压和吊车横向水平 制动力都会产生扭矩 T
螺旋楼梯中扭矩也较大
在静定结构中，扭矩是由荷载产生的，可根据平衡条件求 得，称为平衡扭转（Equilibrium Torsion）。 2012-12-1 18
1.1 基本受力状态
边梁
框架结构楼盖
1.2 材料对结构的影响 (二) 选用合理的截面形状及结构形式
又如平行弦桁架中内力最大的杆件是支座斜腹杆， 若采用钢结构，则应采用下斜式腹杆，此时支座斜腹 杆为拉杆(见下图)。 这里只用简单的几个例子说明截 如 面形状和结构形式的重要性，工程中 果 是 钢 筋混凝土平行 的例子还很多很多，大家应在日常生 弦桁架，由于 活中注意观察。 混凝土抗压很 好，故应采用 上斜式腹杆， 此时支座斜腹 杆为压杆。
无论从承载力或刚度考虑，适当提高截面惯性矩是合理的。
q
1.1 基本受力状态
拉、压、弯、剪、扭
Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion
混凝土横向剥离
适筋梁破坏
纵筋先屈服
1.1 基本受力状态
拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion
≤φ
≤
砖石
钢管
木材（斜纹）
1.2 材料对结构的影响 (一) 充分发挥材料特性
常用建筑材料的一些基本特性指标
砌体 混凝土 木材 钢材 MU10M5 C20～C40 强度 fc(N/mm2 ) 1.58 9.6 ～ 12 210 ～ 可见, 砌体和混凝土价格相对较低, 19.1 1 000
是很好的抗压材料, 但自重较大，不适 单位体积重 24 78.5 ≈19 ≈ 5 宜建造高层和大跨结构。我国古代受当 (kN/m3 ) 时建筑材料所限，有不少用砌体建成的 拉压强度比f高塔。 ≈0.1 ≈0.1 ≈0.62 ≈ 1 t / fc
1.2 材料对结构的影响
木上弦
(三)采用组合结构
(a)钢木桁架； (b)拉杆三角形拱屋架； (c)钢梁、压型钢板和现浇 混凝土板组成的组合楼盖； (d)钢筋混凝土结构； (e)悬索结构屋面与钢筋混 凝土边拱(或框架)； (f)其他组合结构等。
钢筋混凝土梁 钢拉杆
钢木屋架 栓钉
钢拉杆 钢拉杆
带拉杆的三角形拱
1.2 材料对结构的影响 (二) 选用合理的截面形状及结构形式 2 2 2-2 1 1
1-1
用离心法 生产的管柱作 电线杆，无论 抗弯、抗剪或 抗扭都比较合 理，光洁的表 面既美观又耐 久，基本上不 用维护。
大一些的构件，例如拱形桁架，由于桁架外形与 弯矩图相似，可使上、下弦杆内力沿全长几乎处处相 同，使用等截面的弦杆比较经济合理，在满跨荷载作 用下腹杆内力几乎为零。
第1章 一些重要的结构概念 (Some Important Concepts of Structure)
1.1 基本受力状态 (The Basic Mechanical States) 1.2 材料对结构的影响 (The Effects of Material on Structure )
1.3 构件尺度的概念 (The Concepts of Members’ Dimension )
1.1 基本受力状态 拱
苏州：寒山寺旁的石拱桥 —— 下津桥
石拱
1.1 基本受力状态 拱
钢 筋 混革 凝命 土军 落事 地博 拱物
北 京
馆
1.1 基本受力状态
(3)弯和剪也是常见的受力状态，但无论沿构件纵向还是 沿截面高度，材料强度的利用都不充分。但这种受力状态在工 程中不可避免，选用合理的截面形式和结构形式就很重要。热 轧或焊接工字钢作为受弯构件时，较厚翼缘主要承受弯曲正应 力，较薄的腹板主要承受剪应力，与实体矩形截面相比，既节 省了材料，也减轻了自重。 对于较大跨度的梁， 如果改用桁架，梁截面中 的弯矩和剪力便改变为桁 架杆件的拉、压受力状态, 材料得以充分利用。桁架 和梁相比，有效高度大， 内力小，自重将减轻许多, 因而也就可跨越更大的跨 度。
受扭时由截面上成对的剪应力组成力偶来抵 抗扭矩，截面边缘剪应力大，力臂也大；截面中 间部分应力小，力臂也小。计算和试验研究表明， 空心截面和外形相同实心截面的抗扭能力十分接 近。 受扭构件以环形截面为最佳，方形、箱形截 面也较好。例如，电杆，环形截面对抗扭是合理 的。常见的受扭构件有：雨篷梁、阳台梁、框架 边梁、吊车梁等。
边梁中的扭矩值与节点处边梁的抗扭刚度及次梁的抗弯刚 在超静定结构中扭矩是由于相邻构件的变形互相受到约束 度的比值有关。边梁的抗扭刚度越大，其扭矩也越大；当边梁 而产生的，称为约束扭转（Compatibility Torsion）。
的抗扭刚度为无穷大时，次梁相当于嵌固在边梁中，此时的扭 例如：单向板肋梁楼盖中次梁的一端支承在边梁上，次 梁在荷载下在支承处要发生转角，主次梁在节点处要变形协 矩达到最大值。次梁的抗弯刚度越大,则在节点处的转角越小， 调，将迫使边梁扭转。 边梁的扭矩也越小。 2012-12-1 19
压型钢板 组合结构楼板 工字钢
压型钢板
1.2 材料对结构的影响
(三)采用组合结构
R
以三铰拱屋架为例， 上弦不仅是三铰拱的压杆， M 同时承受非节点作用的屋 结构构件间应该怎样 面荷载，因此，斜梁要承 受较大的弯矩。 合理结合？ M/2 如果在节点构造上稍 M/2 作处理，做成偏心节点， 则可大大减小跨中弯矩 (如右图所示)，甚至可减 小一半。这仅是一个小例 子，可见在组合结构方面 偏心铰 还有许多潜力，有待深入 研究。
2
2
2-2
1.1 基本受力状态
单向板肋梁楼盖结构（弯剪构件）
单向板
主 梁
柱
1.1 基本受力状态
(4)扭转是对截面最不利的受力状态，但工程中 很难避免。如雨篷梁、框架边梁、旋转楼梯、吊车梁 等，都存在较大的扭矩，设计中应引起注意。 除了选用合理的截面形式外，更应注意合理的结 构布臵，尽量减少构件的扭矩。
1.4 构件受力后的变形 (The Deformations of Member after Loading )
1.5 预应力的概念 (The Concepts of Pre-stress)
1.2 材料对结构的影响
石板 或 素 混 凝土梁，由于其 抗拉强度 ft 远小 于 抗 压 强 度 fc ， 即 ft << fc ，当拉 应力超过抗拉强 度时梁就开裂破 坏，破坏由 ft 引 起。
c)扭
MT MT
1
1
1-1


1.1 基本受力状态 张拉索结构
（1)轴心受拉构件上每一点的材料的强度都被充分利用了， 是最合理的受力状态。尤其对使用高强钢丝、钢丝束、钢绞线 、碳纤维等抗拉强度很高的材料特别合理。目前悬索结构、悬 挂结构日益广泛应用，就是应用了轴拉的合理受力状态。
上 海 南 浦 大 桥
q
1.2 材料对结构的影响
(四)利用三向应力状态提高材料的强度和延性
改善结构的承载能力（Carrying capacity） 应当指出，三向受压 (b)螺旋箍筋柱 和提高结构构件的延性(Ductility )。 (a)网状配筋砌体 (c)钢管混凝土 状态提高的是材料的抗压 强度，因此，对偏心受压 或长细比较大构件不适用， 因为此时构件破坏往往是 (d)提高预应力筋锚头下的局压强度 由稳定或抗拉强度控制。
1.2 材料对结构的影响 (一) 充分发挥材料特性
由于塔身巨大的 自重及当地大量抽取 地下水，使下部地基 钢材强度高，适合高层和大跨 不堪重负。据有关部 结构。木材虽然也是很好的建筑材料， 门测定，自1985年6 但易腐烂，怕火, 价格昂贵，为了保 月至1992年10月，大 护生态环境，应当尽量减少木材的采 雁塔下沉达585 伐，木材目前主要用于高级装修，已 mm, 很少用作结构构件了。 塔顶倾斜已达1 005 mm。有关部门正密 切注意它的发展。
1.1 基本受力状态
砌体结构和短柱在水平荷载作用下常常会发生剪切破坏。 下图为2008年“5.12” 四川汶川地震后映秀镇中学外墙的破坏 情况，窗间墙交叉裂缝为典型的剪切破坏裂缝。
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6
1.1 基本受力状态
拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion 扭
1.4 构件受力后的变形 (The Deformations of Member after Loading )
1.5 预应力的概念 (The Concepts of Pre-stress )
1.1 基本受力状态
拉、压、弯、剪、扭 Tension、Compression、Bending、Shear、Torsion 长细比λ为构件计算长度H0与回转半径 i 的比值。 轴心受压 轴心受拉 即： λ= H0 / i 抗压承载力N 可表达为 具有明显屈服点的钢拉杆，轴力作用下的应力可表达为 由力学知识： 应力σ= N / A ≤ f N =φA f 式中： I —— 轴力设计值；f —— 材料抗拉强度设计值； 式中：N —— 截面惯性矩； 式中： N ——拉杆截面积。 A —— 截面面积，常用环形、圆形、方形、 A —— 压杆的压力设计值； A —— 压杆截面积； 工字形、角钢和双角钢截面。 目前，我国生产的高强钢丝强度已达1860 N/mm2，一 f —— 材料抗压强度设计值； 根7φ5钢绞线的截面积为139 mm2 ，而其最大负荷可达259 目前，我国已能生产C80(或C100)高强度商品混 kN。新型碳纤维的抗拉强度高达3700 N/mm2 ，重量比钢材 φ —— 是一个随杆件长细比λ增大而减小的强度折 凝土, 轻质高强度混凝土的研究更有着广阔的前景。 轻得多。