结构设计原理(四川大学)

（2）砌体结构 由砖、石、砌块等块体通过砂浆砌筑而成
的结构
砖砌体
毛石砌体
优点是就地取材、造价低，耐火性、大气稳定 性好，保温隔热性能好，节约钢材、水泥； 缺点是强度低、自重大，砌筑工作量大、施工 缓慢，占用农田、不利环保
（3）钢结构
钢结构采油平台的 结构组成
钢结构的优点是强度 高、自重轻，塑性、韧 性好，材质均匀、可靠 性好，制造和施工方 便、制造精度高，耐热 性好； 缺点是耐火性差、易于 锈蚀。
上古时期，六十万年前的旧时期时代的北京猿人到距 今一万八千年的北京周口店龙骨山山顶洞人都住在天 然的岩洞里 新石器时代（公元前5000-3000）的黄河流域的仰韶文 化遗址。西安半坡村
公元前2000年夏代，夯土的城墙。西周时期烧 制的瓦。战国时期的墓葬中发现了大尺寸的空 心砖。 欧洲，大约8000年前晒干的砖（土坯）；大约 5000~6000年前开凿自然石砌筑房屋；采用烧 制的砖亦有3000年的历史 公元前256年~公元前251年，李冰父子基本上 完成了都江堰的排、灌水利工程
2. 近代土木工程 （1）理论上的发展
1) Galilei 1638年,《关于两门新科学的谈话和数 学证明》,建筑材料的力学性质和梁的强度 2) Newton 1687年，总结了力学三大定律，它 们是土木工程设计理论的基础 3) Euler 1744年,《曲线的变分法》建立了柱的 压屈理论 4) 纳维 1825年，建立了土木工程中结构设计的 容许应力分析法
（4）近代土木工程的特点
1) 理论：有力学和结构理论作为指导； 2) 材料：砖、瓦、木、石等建筑材料得到日益 广泛的使用，混凝土、钢材、钢筋混凝土以 及早期的预应力混凝土得到了一定的发展； 3) 施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建 筑速度大大加快。
3. 现代土木工程及展望
材料的发展：轻质高强 高强混凝土的立方抗压强度可达400MPa，工程 力学特性将进一步改善，例如抗拉和抗压强度 比可能有较大幅度的提高，收缩和徐变将会有 较大的减小，特种混凝土和改性混凝土的种类 会不断增多，混凝土重量会进一步减轻。低松 弛钢丝和精制螺纹钢筋的应用将更加广泛。配 筋砌体的使用将更加普遍。 结构体系：组合结构（更高、跨度更大）
2. 支座的简化 （1）固定
细石混凝土
柱或墙与下部 基础整体浇筑
预制柱与杯口 基础之间用细 石混凝土填充
均可简化为图 示固定支座
（2）铰接
沥青麻丝 均可简化为图 示铰支座
预制柱与杯口 基础之间用沥 青麻丝填充 梁或板
滚动铰支座 铰支座
3. 节点的简化
源自文库
简化为 刚节点 梁柱刚性连接 桁架杆件连接
刚度无穷大 的刚性杆 节点区的范围大、刚度大
简化为 铰节点
厚度或宽度 很大的杆件 形成的刚架
弹性杆
壁式刚架 厚壁刚架
节点简 化为刚域
参考书目
丁大均，现代混凝土结构学，中国 建筑工业出版社 东南大学、天津大学、同济大学合 编，混凝土结构，中国建筑工业 出版社 王国周等，钢结构原理与设计，清 华大学出版社
1.2 工程结构的发展
1. 古代土木工程：公元前5000年~17世纪
公元前2000年夏代，夯土的城墙。西周时期烧 制的瓦。战国时期的墓葬中发现了大尺寸的空 心砖。 欧洲，大约8000年前晒干的砖（土坯）；大约 5000~6000年前开凿自然石砌筑房屋；采用烧 制的砖亦有3000年的历史 公元前256年~公元前251年，李冰父子基本上 完成了都江堰的排、灌水利工程
都江堰宝瓶口
第一章 绪论
1.1 工程结构
1. 2. 3. 4. 工程结构的概念 该课程的特点 工程结构的分类 各类构件的受力特点和构造要求
1.2 工程结构的发展
1. 古代土木工程 2. 近代土木工程 3. 现代土木工程
1.3 结构计算模型
1. 结构构件的简化 2. 支座的简化 3. 节点的简化
2. 《结构设计原理》课程特点
a. 材料：从天然材料，如泥土、砾石、树干、 树枝、竹、茅草、芦苇等，到土坯、石材、 砖、瓦、木、青铜、铁、铅及混合材料如草 筋泥、混合土等。 b. 工艺技术：从石斧、石刀等简单工具，到 斧、凿、锯、铲等青铜和铁制工具，窑制和 煅烧加工技术，以及打桩机、桅杆起重机等 施工机械。 c. 分工：木工、瓦工、泥工、土工、窑工、雕 工、石工、彩画工等 d. 无理论指导、凭经验建造，构件截面大，材 料利用率低，使用空间狭窄。
建筑结构的分类
a. 竖向承重体系 混合结构： 框架结构 剪力墙结构体系 框架-剪力墙结构 筒体结构
b. 楼屋盖结构类型 肋梁楼盖
井式楼盖
无梁楼盖
薄壳屋盖
索膜结构
（2）桥梁结构 a. 梁式桥
连续梁 墩台
梁式桥的结构组成
适用跨度范围：普通钢筋混凝土每跨跨度一般为5~25m，预应力钢筋 混凝土可达10~50m。
西尔斯大楼为一钢 结构的成束筒结构
（4）组合结构 混凝土（砼）和钢的组合体 组合方式：外包混凝土、内填混凝土、叠合型 特点：强度高、施工快、耐火性好
外包混凝土构件示意图
采用组合结构的上海金茂大厦
某钢管混凝土结构
4. 各类构件的受力特点和设计要求 1）受弯构件： （1）受力特点：构件以弯曲变形为主。荷载作 用方向与构件轴线垂直，如板和梁。钢筋混凝 土、钢结构、组合梁、砖砌过梁等
（2）近代材料的发展
1) 1824年英国人阿斯普丁发明了波特兰水泥 2) 1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法 3) 1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制 成花盆，发明了钢筋混凝土 4) 1886年美国人杰克逊首先应用预应力混 凝土
（3）近代建筑成就
1883年美国在芝加哥建造的11层保险公司 大楼 1889年法国在巴黎建成高300m的埃菲尔铁 塔 1825年英国人斯蒂芬森在英格兰北部修筑 了世界第一条长21km的铁路 1863年英国又在伦敦建成了世界第一条地 下铁道 1779年英国用铸铁建成跨度为30.5m的拱 桥； 1826年英国用锻铁建成第一座跨度 为177m的悬索桥；1890年英国又建成两孔 主跨达521m的悬臂式桁架梁桥。
公元590~608年建造的赵州桥，净跨37.02m， 桥宽约10m，采用28条并列的石条砌成拱券承 重，是世界上最早的敞肩式拱桥。
土耳其伊斯坦布尔的索非亚大教堂建于公元 532年~537年，砖砌穹顶直径达30余米，支承 在巨型砖柱上（截面约为7m×10m）
索非亚大教堂内景
索非亚大教堂的拱结构
古代土木工程的特点
古代土木工程的特点
a. 材料：从天然材料，如泥土、砾石、树干、 树枝、竹、茅草、芦苇等，到土坯、石材、 砖、瓦、木、青铜、铁、铅及混合材料如草 筋泥、混合土等。 b. 工艺技术：从石斧、石刀等简单工具，到 斧、凿、锯、铲等青铜和铁制工具，窑制和 煅烧加工技术，以及打桩机、桅杆起重机等 施工机械。 c. 分工：木工、瓦工、泥工、土工、窑工、雕 工、石工、彩画工等 d. 无理论指导、凭经验建造，构件截面大，材 料利用率低，使用空间狭窄。
结构设计原理
四川大学建筑与环境学院土木系
基础课程回顾
理论力学：研究物体机械运动一般规律的科学，包 括静力学（同时也研究力的一般性质和简化规 律）、运动学和动力学 材料力学：研究构件的强度、刚度和稳定性的计算 原理和方法，在既安全又经济的条件下，为构件选 择适宜的材料、确定合理的截面形状和尺寸 结构力学：研究结构的组成规律和合理形式以及结 构在荷载、温度变化等因素作用下的内力、变形和 稳定的计算原理和计算方法 建筑材料：
实心板式截面
空心板式截面
T形梁式截面
箱形截面
连续梁的截面形式
b. 拱桥
正在施工过程中的 上海卢浦大桥—钢 结构拱桥
上承式拱桥
下承式拱桥
中承式拱桥
c. 刚架桥
将桥面梁和支承柱整体连接在一起
T形刚架桥
能形成很大跨度的刚架
连续刚架桥
整体性好、抗震性能好
斜腿刚架桥
造型美观、适于峡谷和陡峭河岸
d. 悬索桥
3）受拉构件 受力特点：屋架的弦杆和腹杆、池壁、拉索、 吊杆等 设计内容：强度、抗裂度或裂缝宽度
美国金门大桥上的拉索和 吊杆即为受拉构件
4）受扭构件
受力特点：扭矩 设计内容：抗扭、抗弯、抗剪
1.2 工程结构的发展
1. 古代土木工程：公元前5000年~17世纪
上古时期，六十万年前的旧时期时代的北京猿人到距 今一万八千年的北京周口店龙骨山山顶洞人都住在天 然的岩洞里 新石器时代（公元前5000-3000）的黄河流域的仰韶文 化遗址。西安半坡村
受弯的梁或板
钢筋混凝土水池池壁在水压力 作用的受力情况
挡土墙在土压力作 用的受力情况
（2）设计内容： 强度（正截面抗弯、斜截面抗剪和抗弯） 刚度（挠度和裂缝宽度） 稳定性（钢梁的整体稳定和局部稳定） 架力钢筋 箍筋
弯起钢筋
纵向受拉钢筋
一钢筋混凝土梁根据其强度和构造要求所配置的钢筋示意图
2）受压构件 （1）受力特点：荷载作用方向与构件轴线平 行。柱、墙、桥墩、索塔、拱肋等 （2）设计内容： 强度（正截面M、N，斜截面V） 刚度 稳定性
（4）近代土木工程的特点
1) 理论：有力学和结构理论作为指导； 2) 材料：砖、瓦、木、石等建筑材料得到日益 广泛的使用，混凝土、钢材、钢筋混凝土以 及早期的预应力混凝土得到了一定的发展； 3) 施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建 筑速度大大加快。
1.3 结构计算模型
结构计算时用以代替实际结构的计算模型 计算简图简化的原则：计算简单又能反映实 际情况，构造措施与计算图相符。 简化内容：支座的简化、节点的简化、结构 构件的简化。
1. 结构构件的简化
1) 质点：物体的形状和大小在所研究的 问题中可以忽略不计 2) 杆件：构件的长度比高和宽要大得多 3) 平板（壳体）：构件的厚度远小于另 两个方向的尺度 4) 块体：三个方向的尺寸属于同一数量 级
2. 近代土木工程 （1）理论上的发展
1) Galilei 1638年,《关于两门新科学的谈话和数 学证明》,建筑材料的力学性质和梁的强度 2) Newton 1687年，总结了力学三大定律，它 们是土木工程设计理论的基础 3) Euler 1744年,《曲线的变分法》建立了柱的 压屈理论 4) 纳维 1825年，建立了土木工程中结构设计的 容许应力分析法
（2）近代材料的发展
1) 1824年英国人阿斯普丁发明了波特兰水泥 2) 1859年发明了贝塞麦转炉炼钢法 3) 1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制 成花盆，发明了钢筋混凝土 4) 1886年美国人杰克逊首先应用预应力混 凝土
（3）近代建筑成就
1883年美国在芝加哥建造的11层保险公司 大楼 1889年法国在巴黎建成高300m的埃菲尔铁 塔 1825年英国人斯蒂芬森在英格兰北部修筑 了世界第一条长21km的铁路 1863年英国又在伦敦建成了世界第一条地 下铁道 1779年英国用铸铁建成跨度为30.5m的拱 桥； 1826年英国用锻铁建成第一座跨度 为177m的悬索桥；1890年英国又建成两孔 主跨达521m的悬臂式桁架梁桥。
都江堰宝瓶口
公元590~608年建造的赵州桥，净跨37.02m， 桥宽约10m，采用28条并列的石条砌成拱券承 重，是世界上最早的敞肩式拱桥。
土耳其伊斯坦布尔的索非亚大教堂建于公元 532年~537年，砖砌穹顶直径达30余米，支承 在巨型砖柱上（截面约为7m×10m）
索非亚大教堂内景
索非亚大教堂的拱结构
1) 基本构件：组成各类工程设计的部件 2) 结构设计原理的研究对象：研究保证结构构 件安全可靠的理论和设计方法。 3) 专业中的地位及重要性 4) 课程特点：理论和实践并重，设计结果的非 唯一性 5) 构造要求多。
3.工程结构的分类
1）按使用功能分 （1）建筑结构：房屋建筑的骨架系统
纽约世贸中心 上海金茂大厦
吊杆 缆索
主塔 锚锭
金门大桥
e. 斜拉桥
索塔
斜向拉索
辐射式连续梁 多次超静定结构
抗风稳定性碧悬索桥好
平行式悬臂梁
扇式T形刚架
杨浦大桥
（3）岩土工程结构
实际工程中的挡土墙
（4）水工结构
三峡大坝
都江堰水利工程
（5）特种结构
以上实验现象可以看出，在构件受拉区 加入钢筋可以提高构件的受弯承载力。 钢筋混凝土构件的优点是强度高、耐久 性好、耐火性好、可模性好、整体性好且 易于就地取材； 缺点是自重大、抗裂性差、施工周期长