房屋结构总体系分析报告

补充第三章 房屋结构总体系分析第一节 把空间组成的部件作为主要结构分体系对于一个复杂的结构设计项目，设计者不应让其思路为结构的复杂性所困惑，在确定方案的早期设计阶段，设计者应冷静地、全面地考虑设计要求，根据已有的设计经验，构思出某些解决方案，宜粗不宜细地将其构思通过若干主要构件的作用勾画出来。在方案设计时，设计者应考虑结构的基本子结构，如恒相传力的子结构和竖向传力的子结构。此时，设计者必须非常清楚地了解它们的组成以及相互间的作用。因为这样，设计者才能掌握结构体系的组成和力学性态，从而形成整体结构方案。当设计者对对结构组成的空间整体和传力路线有了清晰理解以后，就可以进一步考虑子结构的构成与传力问题。此时设计者的注意力就由空间的结构性态转为力流传递路径上的竖向或横向子结构或主要的构件的关注。虽然子结构或主要传力构件的详图设计不是方案设计阶段的任务，但是在早期设计阶段应对主要的竖向或横向子结构或构件进行初步估算，以便得出可行性评价和初步估算结构造价。在深化的详图设计阶段，设计者将对结构进行整体和局部的详细分析计算。同时根据计算的内力，对结构构件进行截面选型和设计，此时设计者的注意力已集中到具体的结构构件上。总之，随着结构的各个设计阶段由浅到深，由整体结构分析到子结构分析再到构件分析，设计者对结构的注意力也由空间整体结构转到平面结构，再转到线性或非线性构件，即由三维到二维到一维。在方案设计阶段，设计者的注意力总是停留在整体结构和子结构，对结构的注意力总体上停留在由空间到平面的阶段。只有需要验证方案可行性时，才会对结构的主要构件的截面进行受力验算。以上过程体现在以下几个设计阶段：（1）方案设计阶段：设计者注意力集中在结构的空间整体概念，由整体建筑结构的三维分析中得出整体结构系统的承载能力。同时，也得出整体结构与子结构间的相互关系；（2）初步设计阶段：设计者的注意力转向结构的横向和竖向子结构体系，以便建立结构主要构件相互之间的关系以及共同工作性态；（3）详图设计阶段：设计者的注意力转向结构的线性或非线性构件设计以及制造安装中的连接和结构西部设计。在设计的各个阶段中，设计者对结构整体性态以及整体结构与子结构间的相互关系的理解是十分重要的。按阶段进行设计是很重要的，这可以使设计者集中解决空间形式方案中较为基本的结构问题，而不至于过早地把注意力放在一些细节问题上。这也可以使设计者保证结构整体构思与空间形式构思之间的协调，使结构总体系方案成为结构分体系的相互关系、具体设计等更加局部的问题的基础。 图4-1 把空间组成的主要部件作为基本结构分体系（a）组合概念要求从中央庭院到四个独立的空间单元有敞开入口；（b）整体空间形式方案的概念；（c）总结构体系方案要求四个独立箱形结构悬臂支承与四个抗剪支柱上；（d）作为分体系的箱形结构单元的相互关系例如，楼盖可以采用多种材料，可以有很多种类型。但在讨论它的具体方案以前，楼盖作为一个整体必须首先能有效地成为整体结构建筑体系的一部分。这就是说，要认识到应到从大处着眼，才能使复杂的设计问题得到较为完善的解决。建筑物结构设计的整体方案要求重视利用大空间分割的、围护结构的以及各种设备单元的部件来作为基本结构分体系的可能性；应该着眼于把外墙、内墙、屋盖、楼盖等部件的使用功能确定为既是空间分割的部件，又是结构分体系（照片4-1，图4-1）。照片4-1 Milwaukee市战争记念馆，四边侧翼东西向悬挑10.52米，南北向悬挑8.7米图4-2 主要空间单元的总体特性能启示结构分体系设计方案（a）从整体上看，折板屋面可设计成折板分体系；（b）按整体设计时，由腹板和翼缘组成的墙的刚度比矩形增大得多；（c）一个大的设在中央的竖向通道可以设计成核心筒结构分体系；（d）把最上面的过道设计成两个细长筒的连系梁，成为剪力墙和巨型框架的组合体图4-1中描述了在方案阶段可以把整个建筑方案的主要空间形式单元看成总体结构体系的基本单元。从整体来看，图4-1C和图4-1d所示的箱形主要空间单元，为三唯空间和二唯平面结构体系。当从总体的角度看折板屋盖或折板墙（图4-2a和图4-2b）时，它也同样具有空间结构分体系的特性。另外，用整体方法也可以看出，大的竖向电梯井和楼梯间可以作为核心筒结构分体系（图4-2c）。与此类似，有可能将一些较小的竖井与楼层空间部件连接在一起成为巨型框架总体系。甚至还有可能利用过道或主要的水平管道作为水平连系构件，）而墙体作为竖向承重分体系（图4-2d）第二节 总体系分析的整体与局部由于复杂结构是由一系列基本的子结构系统组成，复杂结构具有可分性，基本的子结构系统设计的好坏，直接影响到整个结构设计的质量。当把基本的结构分体系看作是总体系的方案组成部分时，对于各个单独构件来说，只是它们的平面布置才对总的整体性假定具有关键性的影响。事实上，这个阶段的主要问题是应该怎样才能把空间形式方案中的主要部件看作是能起基本结构分体系作用的。因此，对于一个空间组成部件，应该首先考虑其在总体方案中所能起到的结构作用，其次，才是考虑各单个构件的布置、尺寸大小，或是确定连接大样等具体方案。图4-1的例子说明了这种方法，一开始建筑师可以把连接在一起的四个主要空间组成部件看作是悬臂式的结构箱型结构分体系。然后，研究设计每个箱形结构分体系的比较局部的要求。最后，当整个体系的可行性确定之后，就可以解决具体构件的设计和构造问题了。概括起来，这个方法的思路是先确定一个总体结构方案，作为解决分体系设计中更为局部性问题的一个前提。重复一遍，应当由总体系的空间结构概念决定有关细节的设计要求，而不是相反。在方案阶段，试图将建筑物作为一个整体提出一个最佳的空间方案和结构方案时，整体思路的价值是很显著的。同时还要看到，整体考虑也适用于单个分体系设计。图4-1和图4-2表明，可以先假定分体系是整体的，并按照平面结构或空间结构来分析它们的受力和工作性能。然后，通过确定其中主要部件的基本内力和几何特性，使整体假定具体化。图4-3说明了如何运用整体方法分析一个四角支承的折板屋盖体系的基本性能。图中的两个折板方案，比较了它们的整体与局部结构设计的关系，而未涉及具体构件的性能说明。在对基本部件的相互关系进行这种初步分析之后，就要解决主要构件的具体性能，而这些构件是实现方案分析整体假定所要求的。当然，设计者对于结构分体系在总的空间形式方案中相互关系的意图，将会影响他对结构分体系的处理方法（图4-4）。在总体系阶段，主要是判断和估计各种方案中，满足空间和结构要求的各分体系之间是否能实现整体的相互作用关系。因此，为了达到最优设计，需要在总体系和分体系设计阶段有反馈过程。在总体系方案和分体系方案的主要特性都经过优化之后，设计者才能把注意力转到具体的设计上去。有时，可能要求结构专业人员通过详细的分析予以验证、仔细推敲并找出基本上好的总体方案。毫无疑问，即使在设计的最后阶段，也还需要在空间和实体结构要求之间做进一步的修改。但如果反感阶段的构思比较好，那么修改就可能比较少。图4-3 两个折板屋盖分体系方案的总体比较图4-5给出了另外一个例子，说明设计者是如何利用整体方法对空间形式方案的结构问题进行分层次研究的，这个空间形式类似于迪斯尼世界宾馆（照片4-1）。从整个建筑来看，很显然，这种形式适宜于用空间拱作为总体系方案。这种可能性是存在的。由于旅馆房间排列成行，横向分割墙是连续的，可以将墙设计成平面拱结构体系。通过起隔板作用的楼盖与台阶形布置的纵墙相互连接来实现这些拱分体系之间的结构连续性。在考虑结构分体系的具体设计之前，就能形成这种方案的概念。这无需预想，因为尽管拱体系的设计有很多方法，可以是混凝土结构，也可以是钢结构，但不会改变整个方案的适用性，可以将其设计成带孔的拱形梁，或者设计成带洞口的阶梯形桁架，这时洞口的布置可图4-4 总体系方案是选择屋盖体系设计方案的前提（a）屋盖体系简支在剪力筒结构分体系上（着重于拱的作用）；（b）屋盖和筒刚性连接，形成整体框架作用（着重于筒之间的抗弯刚度）；（c）屋盖从核心剪力筒向外悬挑，楼盖悬挂在屋盖边缘（着重于固定主要的拉索）图4-5 在设计特殊的空间形式时，整体方法是有用的以与过道空间以及相邻的门道一致。同样，纵向拱也可以设计成桁架或剪力墙。由于有了整体方法，不论是反感阶段还是具体设计阶段，设计者的创造能力就只会受到他们的想象力和见识的限制。整体方法也适用于复杂的建筑形式，比较对称的或者是单个形式的建筑，如前面所举的那些例子。显然，在非对称的复杂形式的设计中，还需要解决其它问题。注意，即使是单个形式的建筑，其内部也可能是非对称的。基本的整体方法应该是将一个复杂的空间形式划分成若干半独立形式的比较简单的组成部分。举例说，图4-6说明了如何通过把一个体性复杂的建筑整体形式分解成若干高低不同的、长短跨度不同的或其它一些简单的空间结构组成部分，使一个复杂形式的建筑得到简化。由于水平力对建筑物高低不同部分所起的作用差别十分大，因此，宜于把每个部分当作一个单独的结构来处理。与此类似，一幢建筑物也可以根据它们的基本跨度或使用性质分解成不同的结构区段。因此，对于图4-6种的建筑物，每个区段的设计可以互不相同。唯一复杂的问题是，在不同结构区段的交界处，结构的内力和位移应该得到协调。图4-6 复杂形式和使用要求可以通过分解简化在讨论并说明了应用整体方法分析结构的概念和逻辑关系之后，本章的其余几节将讨论四个应用实例。这些例子中所采用的形式都是比较简单的，有单层、两层、12层的以及15层的建筑；类型有单跨单层的大空间以及分成小间的高层办公楼和高层公寓，还有一幢两层的车库。通过几个不同类型分体系相互关系的方案描述和分析，可以说明在实际上怎样能使整体假定具体化。在这些例子中，将不涉及用什么材料或构件详图等初步设计的问题，这些将在以后的章节中再讨论。主要是想说明，怎样把一幢建筑看作一个总的结构体系，竖向力和水平力又是怎样通过主要结构分体系的相互作用传递到建筑物的基础上的，在所有这些例子中，无论是采用钢结构，还是钢筋混凝土结构，还是预应力混凝土结构，设计都是可行的。但是，通过这些例子所用的整体方法，应当认识到，用一些透彻的悟性假定以及仅少量的计算，往往就能对总体系方案提出主要结构方案。可以看到计算是简便而完整的，并不很精确，重点是强调整体的概念，而不是纠缠于细节。第三节 单层开敞空间建筑例4-1一幢开敞空间的单层建筑，平面尺寸为30.5m61.0m，坡屋顶（图4-7）。通过方案分析此建筑抵抗横载、活荷载和风荷载的总要求。有关计算荷载的具体方法将在第5章讨论，目前采用如下荷载：假设屋顶横载（DL）按水平投影为1.92kN/m2包括屋架、屋面做法以及所有支承于屋架上或悬挂在屋顶下的管道和其它设备的重量墙的恒载按墙面计算为2.87kN/m2,包括柱、板壁以及任何附属在墙内的其它构件重量。作用在建筑物迎风面上的水平荷载（WL）按其投影面积假定为1.44kN/m2，投影面积高为9.1m，宽为61.0m，忽略背风面的吸力，有关风吸力问题将在第5章讨论。另外，还考虑在屋面上有向下作用的1.44kN/m2的竖向风荷载（压力），其计算水平投影面积是30.5m61.0m。同样，忽略吸力的作用。屋面活荷载按水平投影面积是0.96kN/m2，比风荷载小，对屋顶设计不起控制作用。但是，尽管风荷载的压强要高些，但活荷载的作用依然可能比风荷载更加不利。这是因为建筑规范允许在风荷载作用下结构各部位的应力可以比活荷载作用下的应力大（一般要大1/3）。 图4-7 总荷载的确定（假设所有荷载在投影面上为均匀分布）为了确定抗力的整体要求，可以假定围护墙面为刚性连接的板。但真正结构的整体性是由一系列的刚架形成的，每榀刚架由两侧的柱和两根带坡度的屋面大梁所组成。它们互相刚性连接，形成门架型结构基本体系，承受屋顶的荷载，并把荷载传给基础（图4-8）。次要的屋面构件和墙体壁板构件起到联系刚架的作用，并起到空间围护作用。建筑物两端有山墙，开有所需要的门窗洞口。图4-8 整体结构体系方案图4-9 全部屋面荷载作用下由整体刚架作用引起的总水平反力的近似值作用于建筑物的横向水平力由刚架承受。为了把纵向作用的水平力传给基础，在屋顶中部两个开间的屋面设置剪刀撑。这些有剪刀撑的屋面开间加大了屋盖的纵向刚度，因而能承受纵向水平力的作用，并把水平力传到两侧的柱间支撑，再传到基础。总之，图4-7中所示的各种荷载必须传到基础上。为了保持建筑物作为整体在恒载和风荷载作用下的静力平衡，基础上必然产生竖向荷载和水平荷载的反力。在恒载和风荷载等竖向荷载作用下，这种门架型结构将在柱底产生一个如图4-9中所示的向外的水平推力，所以在基础上应有附加的向里的水平反力。真正计算这种外推力时必须考虑刚架和拱的组合作用（它将随构件尺寸大小而变化）。但是，作为方案分析，图4-9种假定全部是拱的作用，因而很容易算出这些力的总的大小，沿建筑物纵向每边是2520kN由静力荷载产生的其它反力可直接根据投影面来计算（图4-7），并作用在基础上，如图4-10所示。图4-10 竖向荷载和横向水平荷载产生的基础反力（a） 竖向荷载产生竖向反力；（b）横向风荷载（ML产生的水平反力；（c）竖向荷载产生的水平和竖向反力；（d）竖向荷载和横向水平风荷载产生的水平反力让我们来观察一下各组反力又是怎样通过建筑物的不同构件分别传到地面上的。屋面恒载及屋面风压力是从次要的屋面构件檩条传给主要的刚架屋面梁，然后向下传给刚架柱，再传给基础。作用在山墙上的一半左右的风荷载由檩条传给屋面剪刀撑（图4-11）屋面剪刀撑承受檩条传来的力以后，再将它传给柱间支撑，最后传给纵向基础。山墙上的另一半荷载直接传给横向基础。图4-11 山墙上的水平力传至基础图4-12 各刚架的受荷投影面积决定刚架上的荷载（a）端刚架和中间刚架的受荷面积；（b）作用在中间刚架上的荷载和反力（抗倾覆力偶未示出）作用在纵墙和屋顶上的水平荷载，必须由建筑物的两道横向山墙或者由刚架抵抗。如果希望由山墙承受全部风荷载，那么整个屋盖必须设计成刚性的隔板。隔板必须有很大的刚度才能把作用在屋顶和纵墙上的横向风力传给山墙。但在本例中，每榀刚架受荷面积上的风荷载由这榀刚架本身承受（图4-12a）。本例中，横向风荷载并不大，这样做是合理的。图4-12所示为由刚架作用传递这些荷载的情况。竖向恒载及风荷载作用下，可以用近似方法分析刚架（图4-12b）。每榀刚架的最大水平反力约为324kN，必须有刚架的基础来抵抗。还应当注意到，由于恒载的作用，刚架梁柱节点处将受到大约324kN4.5=1458kN.m的弯矩。同样可以求得风荷载作用下的弯矩。这样，就可以求得一榀标准刚架的主要内力，用以估算截面尺寸，或用以研究结构布置的可行性和经济性。第4节 两层停车库例4-2图4-13所示为一个跨度为18m的两层停车库结构。为了节省费用，梁与柱不是采用刚性连接，而是梁简支在柱上。但是，在本例中主要关心的问题并不是梁或柱本身的设计，而是分析抵抗水平力（风力或地震作用）的剪力墙的总设计要求。为了抵抗纵向水平力，在结构中部附近设置了一道剪力墙C；为了抵抗横向水平力，在结构两端各设置一道剪力墙（A和B）。假设屋盖和楼盖都起刚性水平隔板作用，它们的刚度足够大，可以将水平荷载从建筑物各个图4-13 两层停车库结构的总体设计方案部位传到相应的剪力墙上而不致引起局部压屈。当然，楼板还必须承受大梁之间的竖向荷载，产生弯曲，但这只是一个局部设计问题。首先要确定作用在每道剪力墙及其基础上的总竖向力和水平力，以便确定对这些剪力墙总承载力和稳定性的设计要求。显然，竖向荷载的受荷面积与水平荷载的受荷面积是完全不相同的（图4-14）。在纵向，全部水平力由墙C承受，而墙C只承受全部竖向荷载的一部分。同样，剪力墙A和剪力墙B将分担作用在结构上的全部横向水平力，而每道墙的竖向受荷面积很小。因此，竖向荷载可能不足以抵抗水平力的倾覆作用和保持剪力墙的稳定。图4-14 根据受荷面积估算水平和竖向荷载（a）承担竖向荷载的面积；（b）承担风荷载的面积下面的简单计算能使一个设计者很快确定出剪力墙C是否能抵抗地震作用（图4-15）。对于墙C：每个楼面及屋顶单位面积的重量是3.83kN/m2，其总重量各为3.8336486618kN。如果假设总的地震作用为总重量的10%，那么每个楼层将作用有662kN的地震力（图4-15a）。这个力将产生一个倾覆力矩MEQ=662(3+6)=5958kN，它应当由作用在剪力墙C上的竖向荷载加上墙的自重抵抗：两层楼盖=3.4318182=2223kN（作用在墙C上）墙C自重=4.3612=309.6kN总计2532.6kN（在基础面上）图4-15 墙C平衡倾覆力矩和竖向荷载的受力总要求从倾覆力矩与竖向力的比值可得偏心矩662（3+6）/2532.6=2.35m，虽然偏心荷载仍在墙长度以内，但超出了墙截面的核心点eb=1/ 612=2m（图4-15b），基础会有抬起。因此，如能把基础设计得再大些，譬如说为18m长，则偏心荷载将落在基础的核心点eb=1/ 39=3m之内，这样，竖向荷载将足以平衡倾覆力矩，基础也不会向上抬起。读者可以用同样方法来验算剪力墙A和B ，并针对它们抵抗地震倾覆力矩的问题提出该采用什么样的措施。第5节 12层办公楼例4-3图4-16给出了一幢12层办公楼的标准平面、立面以及楼板截面。建筑物的两边各有9根柱，中央有一个6m12m的电梯和管道井筒。作用在各个楼层和屋顶上的竖向荷载，包括恒载和活荷载。主要是通过柱传到下层，核心筒也承受一部分。水平荷载的传递方式可以有好几种。在本例中，核心筒是一个筒体结构，在纵横两个方向都能抵抗由风或地震引起的侧向力（图4-17a）。18根外柱承受大部分竖向荷载，但不能承受侧向力。图4-16 12层办公楼设计方案图4-17b为另一种抵抗水平力的方案。这个方案要求，在综、横两个方向，柱和梁刚性连接形成框架。纵向水平力由两榀外框架承受，每榀框架包括7根中间柱和12道水平梁，即每层有一道梁。横向水平力由9榀框架承担，每榀框架由两根外柱和各层大梁组成。当然，这幢建筑物也可以设计成由核心筒和框架共同抵抗两个方向的水平力。在本例中，水平力是通过起水平隔板作用的楼板传递的。这种水平隔板能加大柱的刚度，并把柱和核心筒连系起来（图4-18）。水平隔板地具体作用与所假定的那些抗侧力构件有关。在本例中，隔板把侧向力传给核心筒，但也可以传给框架，或者同时传给核心筒和框架。无论哪种情况，楼盖在平面内必须大体是刚性的，才能起到刚性隔板的作用，才能使竖向构件共同工作。 图4-17 抵抗侧向力的两种方案（a）由核心筒抵抗侧向力；（b）由框架抵抗侧向力可以用荷载面积法估算作用在建筑物各个竖向构件上的竖向荷载（图4-19）。这个方法是把楼盖或屋盖的面积分成区域，个个区域分别属于某个竖向承重构件（核心筒或框架）。由这块面积计算出各个构件承受的活荷载或恒载。在本例中，假定屋面或楼面的恒载是5.75kN/m2，墙面所受的水平风荷载是1.44kN/m2。因此，地面以上11层楼面再加上屋面，核心筒所受的全部恒载为14904kN。图4-18 核心筒、楼盖隔板和柱的相互作用在图4-20的计算中，只是计算1.44kN/m2的横向风荷载所产生的大致弯矩值。由于横向受风面较大，而井筒尺寸较小，所以横向的计算更重要。假设井筒所受到的楼面和屋顶荷载是14904kN，井筒墙的恒载是4.79kN/m2，那么，抵抗倾覆的总竖向荷载是22353kN。由图4-20可以看到，合力偏心矩为2.9m，非常靠近井筒的边缘，因而是不稳定的。计算表明，必须把井筒做得相当的强，基础还必须加宽，或许还应采取下部锚固。以避免基础向上抬起。图4-19 用荷载面积法得到的构件上的近似荷载值图4-20 核心筒方案承受水平荷载的整体分析反之，如果假定横向18m跨度的框架能承受全部水平力，而不需要核心筒，那么可以近似地求得柱的总压力或总拉力（C或T）为64500kN.m/18m=3583kN，大致由每侧的9根柱平均分担：3583 / 9=398KN/每根柱，比每根柱所受的恒载要小得多。由此看来，采用框架方案似乎比核心筒方案好。如进行更详细的比较，能够说明框架与核心筒组合方案是最经济的，尤其是考虑到核心筒能抵抗局部的楼层剪力和减小楼层位移。第6节 15层公寓的巨型结构例4-4某幢很独特的15层公寓工程是由一排很大的建筑物组成。这些建筑物上面几层楼板是连通的，而在第10层和第5层向里缩进形成倒台阶形。在地面，相邻建筑之间有较大的空间（图4-21，图4-22）。每个建筑单元在顶部5层的平面尺寸是27m48m，仅由4个电梯和设备的井筒支承全部竖向荷载，筒与筒之间的净距在两个方向均为21m。这个方案要求3图4-21 巨型框架设计方案个很刚的（巨型）结构楼层A、B和C，把井筒刚性连接在一起，并支承它们上