1、建筑结构设计中的总体问题： 作用力 材料 承载力 倾覆 刚度 地基,材料,承载力,结构体系,倾覆、刚度、地基,第二章 结构设计中的总体问题() THE TOTAL PROBLEM OF STRUCTURE DISIGES,2.1 建筑结构上的作用力 2.2 建筑结构总体用力的估算 2.3 结构常用建筑材料的基本性能 2.4 结构的承载力和承载力设计 2.5 结构的倾覆和抗倾覆设计 2.6 结构的刚度和变形设计 2.7 建筑结构的地基和地基设计,结构设计中的总体问题,24 结构的承载力和承载力设计,在建筑结构设计中，有三个基本要求： (1)结构应能承受正常使用、正常施工时可能出现的荷载或内力，不
2、致因承载力不足而破坏(包括因长细比过大而发生失稳破坏)； (2)结构应能承受正常使用、正常施工时可能出现的荷载，不致因抗倾覆能力不足而倾倒； (3)结构在正常使用时有良好的工作性能，不致产生使用所不允许的过大变形、过宽裂缝等。属于(1)、(2)要求中的破坏、失稳、倾覆状态称为承载能力极限状态；属于(3)的极限状态称为正常使用极限状态。整个结构或结构的某一部分不得超过这两个特定的状态。 承载力：构件截面承载力和结构承载力。指构件截面和结构对于作用力的抵抗破坏能力，构件截面承载力是结构承载力的基础，2.3节所述材料强度则是构件截面承戴力的基础。,结构承载力和承载力设计,构件截面承载力R : 结构构
3、件的受拉、受压、受弯、受剪、受扭截面抵抗破坏的能力。R值取决于四个因素: (1)构件截面受力状态，即与R有关的拉力或压力(N)、弯矩(M)、剪力(V)、扭矩(MT)； (2)材料的力学性能； (3)构件截面尺寸； (4)构件截面形状与受力方向的关系。 R:材料性能fk和截面几何参数a的函数：R=g(fk ,a) (2-13),241 构件截面承载力,结构承载力和承载力设计,241 构件截面承载力R,受力状态: (1)拉伸截面:,P,P,m,m,(2)压缩截面:,(3)弯矩截面:,(4)剪力截面:,(5)扭转截面:,P,P,1)对于脆性材料:构件受力后，当构件截面上任一点达到材料的弹性极限强度时
4、，该构件截面立即丧失抵抗力弹性承载力。,结构承载力和承载力设计,1)对于脆性材料,(a) 轴心受拉截面： R=Nk=fkA (2-14) (b) 轴心受压截面： R=Nk=fkA (2-15) (c) 受弯截面： R=Mk=fkIy (216) (d) 剪切截面： R=Vk=fkbIS (217) (e) 受扭截面： R=MTk=fkWT (2-18) 式中: Nk、 Mk、Vk、MTk分别为截面抵抗轴力、弯矩、剪力、扭矩时，由材料强度标准值人算得的截面弹性承载力；I、S、WT、A、b、h-分别为构件截面惯性矩、计算应力处以上截面对中和轴的面积矩、抗扭截面弹性抵抗矩、截面面积、截面宽度和高度；
5、y-构件截面边缘至中和轴的距离；轴心受压构件的稳定系数。,结构承载力和承载力设计,(2)对于理想塑性材料(钢材),可以假设理想塑性材料的应力应变关系如图: 用理想塑性材料做成的构件，截面在截面上各点应力都达到材料的弹性极限强度或屈服强度时，构件才丧失抵抗力。这时的截面承载力亦称塑性承载力。 (a) 轴心受拉截面： R=Nk=fkA (2-14) (b) 轴心受压截面： R=Nk=fkA (2-15) (c) 受弯截面： R=Mk=fkU (2-19) (d) 剪切截面： R=Vk=fkA (2-20) (e) 受扭截面： R=MTk=fkWpT (2-21) 式中:Mk、Vk，MTk 截面抵抗
6、弯矩、剪力、扭矩时，由材料强度标准值fk算得的截面塑性承载力； U、A、WpT 分别为构件截面中和轴两侧面积对中和轴的面积矩、截面面积、抗扭截面塑性抵抗矩.,p,(E),结构承载力和承载力设计,(3)对于复合材料(钢筋混凝土),钢筋混凝土轴心受压构件的截面的承载力 1、两种材料产生相同的压缩应变。 2、混凝土相应于极限抗压强度fck的应变值(200010-6)时，钢筋达到屈服强度(因为I、级钢筋的屈服应变均小于200010-6)，故轴向受压构件截面的受压承载力为:R=Nk=(fckAc+fykAs) (2-22)式中 Ac、As分别为混凝土和钢筋的截面面积。 3、复合材料截面的受压承载力计算比
7、单一材料截面要复杂一些。它要引入两种材料的应变(即变形)条件，只有在变形条件协调下，才能得到计算其截面承载力的方法。,结构承载力和承载力设计,建筑物受弯时底部截面的受力分析,2R与构件截面形状及受力方向的关系: 图2-29,结构承载力和承载力设计,图2-29为四种截面面积相同(都是2A1)，而截面形状及受力方向不同为例求截面弹性承载力R: (1)截面面积分布在远离截面形心的两端，且截面的长向与受力方向相互垂直时(图229(a):R=Mk=fkIy=fkA1d (2)截面面积分布在远离截面形心的两端，且截面的长向与受力方向平行时(图2-29(b):R=Mk=fkA1d/3 (3)截面为十字形(图
8、2-29(c)R=Mk=fkA1d6 (4)截面为圆环形(图2-29(d)， A1=0.1d2)R=Mk=0.444fkA1d比较: Mk: (a)(d)(b)(c),结构承载力和承载力设计,(复习)惯性矩I的计算:矩形截面: I=bh2/12圆形截面: I=d4/64平行移轴公式: Izc=Izi +aixi2,结构承载力和承载力设计,242 结构承载力,1.静定结构的承载力:静定结构的承载力决定了该结构的承载力.若某个截面效应超过抵抗破坏的能力时,该结构就成为可变体系而遭到破坏.,2.超静定结构的承载力: （1）一般结构塑性材料(如钢材、钢筋混凝土中的钢筋)，构件截面的承载力一般都要考虑塑
9、性材料的性能。 （2）塑性铰：荷载作用钢梁 塑性承载力截面上各点的应力基本都已达到屈服强度，这时如继续增加荷载，截面上的应力值不再增长，而应变却可继续增长，截面不能继续受力却能继续转动，相当于该截面形成了一个塑性铰。,P1,MK,MK,MK,Mk=0.25P1L,结构承载力和承载力设计,如图2-31(a)等跨连续钢粱，在荷载1.330P1作用下弯矩图。显然B截面最先到达截面的弯曲塑性承载力而出现第一个塑性铰。继续增加荷载,B支座截面象铰一样工作，AB、BC两跨均可按简支粱一样地继续受力(图2-31(b)。直到AB、BC两跨跨中截面弯矩值亦到达o.250PlL时，相继同时出现第二、三个塑性铰(图
10、2-31(c)。这时，每一跨的一根杆件上都有三个铰，整个结构成为可变体系而破坏。,结构承载力和承载力设计,塑性铰与普通铰相比，有以下两点区别：(1)普通铰截面可以任意转动，不承受弯矩；塑性铰截面在承受相当于截面塑性承载力的弯矩MK后，可以转动，但不再承受新增加的弯矩。(2)普通铰截面的转动幅度不受限制；塑性铰截面的转动幅度不能过大，否则会引起结构过大的变形和挠度，影响正常使用。,结构承载力和承载力设计,M= PL/4=0.25P1L-0.207P1L P=(0.25P1L-0.207P1L) 4/L 该两跨连续梁可以承受的荷载为: P2=1.330P1+(0.25P1L-0.207P1L) 4
11、/L=1.502P1,结构承载力和承载力设计,两等跨连续钢梁的承载力大于同跨度同截面的单跨简支钢梁。 超静定结构承载力大于静定结构的原因为： (1)超静定结构多有余联系，内力分布均匀，承载力高； (2)超静定结构的破坏是一个从有多余联系的几何不变体系，经历陆续出现截面塑性铰而达到几何可变体系的过程。在这个过程中，可以继续增加整个结构所承受的荷载，因而提高了承载力。 注意：必须采用塑性材料做成超静定结构；超静定结构提高承载力的幅度是有限制的；由于它有多余联系而使施工复杂，进而限制了它的应用范围。,结构承载力和承载力设计,2.4.3 结构构件的承载力设计问题,材料强度实质上是已有材料的极限应力；
12、构件截面承载力实质上是已有截面的抵抗力； 结构承载力实质上是已有结构所能承受的作用力。 结构构件的承载力设计问题是在结构目前还不存在的情况下，根据预估的荷载、预选的材料、预定的结构型式，确定结构中各种构件按抵抗力功能要求所需要的截面问题。 进行结构设计的出发点：建筑物适用美观、安全可靠、经济合理，其中安全和经济是一对基本矛盾。 结构承载力设计：作用效应S和抵抗力R。 以承受楼面荷载的楼板为例，由预估荷载标准值算得的楼板截面最大弯矩就是S，由预选材料强度标准值和选定的楼板截面尺寸算得的截面受弯承载力就是R。若SR，说明结构不安全可靠；若SR，说明结构安全可靠；若SR，说明结构虽安全可靠但却是浪费
13、的。,结构承载力和承载力设计,作用效应S：是永久和可变作用力(荷载或作用)产生的截面内力，这些作用力都是随机变量；构成抵抗力的因素是材料性能和结构构件的几何尺寸，它们也都是随机变量。所以，结构的承载力设计问题是一个怎样处理荷载、材料性能等非确定值的构件截面设计问题。 如果仅仅做到S=R，结构并不能保证安全可靠，因为一旦实际荷载比预估的大了，同时材料的实际强度比预选的小了，截面的实际尺寸也比预定的小了，就有可能出现SR的情况。 承载力设计的要求R：按照荷载和材料强度的统计分析，并考虑长期的实践经验，将荷载标准值乘以大于1的荷载分项系数(称为荷载设计值)，同时将材料强度标准值除以大于1的材料分项系
14、数R(称为材料强度设计值)，进行构件截面的承载力设计。 即: 0S R,结构承载力和承载力设计,即: S RR=g(fk/R,a) (2-24) 式中: 荷载分项系数，又可分为恒载分项系数G，一般取1.2，活载分项系数Q，一般取1.4；考虑G，Q后的作用效应设计值，应分别按恒载和活载算得的作用效应设计值叠加后求得；fk/R材料强度设计值；构件截面几何参数。 常用结构材料的强度设计值见2.3节结构常用建筑材料的基本性能。 在近似设计时，也可以采用容许应力法进行构件截面承载力计算，以基本保证结构的安全可靠： = fk/K(K为大于1 的经验系数) (2-25) 式中 钢材的容许受拉、受压、受弯应力
15、， =170Nmm2(Q235钢)或240Nmm2(Q345钢)； =100Nmm2(Q235钢)或1450Nmm2(Q345钢)；,结构承载力和承载力设计,例2-4某6m跨工字形截面钢粱(Q345钢)，间距4m，承受80mm厚钢筋混凝土商店用楼面，楼面的地面为水磨石，顶棚为抹灰吊顶，热轧普通工字钢的型号和截面数据如书中表2-25，试设计此钢粱(选用哪个型号)。,水磨石地面,表2-25 工宇钢型号和截面数据,80mm混凝土楼盖,抹灰吊顶,结构承载力和承载力设计,解1荷载恒载标准值：钢筋混凝土楼面 250.08=2.0( kNm2)水磨石地面 o.65 kNm2抹灰吊顶棚 o.55 kNm2 =
16、3.2 kNm2 折合沿梁长3.204=12.80kNm假设选用32a型钢梁自重：0.53kNm恒载标准值：13.33kNm活载标准值取3.5kNm2，沿梁长活载标准值：14.01kNm，g=1.213.33+1.414.0=35.6kNm(荷载设计值)2内力及强度计算(L=6.om)S=MMAX=qL28=35.606.028=160.20(kNm) R=fyI/y=315110.8l06/160=218.14l06(Nmm)=218.14kNmRS 满足要求。 3.近似计算.,结构承载力和承载力设计,结构的倾覆和抗倾覆问题,倾覆力矩:图2-33， Fa(或P1e1)称倾覆力矩。它使受力物体
17、围绕旋转轴O向一侧倾倒的趋向倾覆；。 抗倾覆力矩:图2-33， Wb(或P2e2)称抗倾覆力矩。使由建筑物重力荷载W(或挑梁另一侧竖向重力荷载P2)起到围绕旋转轴O抵抗倾倒的作用，称为抗倾覆；。,2.5 结构的倾覆和抗倾覆设计,图2-33 倾覆和抗倾覆,(b),(a),在工程估算中，下列几种情况可以认为是倾覆的临界状态：(1)倾覆力矩等于抗倾覆力矩时，P1e1=P2e2 ;(2)远离倾覆轴一侧的支承反力为零;(3)基础一侧的支承反力为零时,建筑物虽未倾倒,但发生较大侧移.,图2-34几种倾覆的临界状态,结构的倾覆和抗倾覆问题,图2-35 简单的双列柱支承体系,2.5.1 建筑物整体的倾覆和抗倾
18、覆设计,(a) Na=FcH/d (b) Nb=FcH/(d/2)=2Na (c) Nc=FcH/(4d/3)=3Na/4,结构的倾覆和抗倾覆问题,建筑抗震设计新规范（GB500112001 ）中对高宽比H/d 规定如下： （ l ）砌体结构民用建筑高宽比H/d 规定，见表2-26 。,注：1 单面走廊房屋的总宽度不包括走廊宽度; 2 建筑平面接近正方形时其高宽比宜适当减小.,结构的倾覆和抗倾覆问题,（2 ）钢结构民用建筑高宽比 H / d 规定，见表 2-27 。,（3 ）高层建筑的高宽比 H / d 的限值，见表 2- 28,结构的倾覆和抗倾覆问题,2 . 5. 2 局部结构构件的倾覆和抗
19、倾覆设计,建筑物除整体地在水平力作用下可 能发生倾覆外，建筑物中的局部结 构构件也有可能发生倾彼。例如， 因挑檐、阳台、雨篷、门廊、外伸 走廊、挑台等使用要求而设置的悬 臂板、挑梁等悬挑构件，一旦处理 不当，都有可能倾覆。,结构的倾覆和抗倾覆问题,悬挑构件抗倾覆设计的步聚： (1)找出悬挑构件可能发生倾极时的旋转轴位置；在估算时一般可近似取旋转时悬挑构件与支承体相交处； (2)找出使悬挑构件产生倾倒的力，均取其标准值算出倾覆力矩 MOV=P1ie1i( i = 1 , 2 , , n ) ; (3)找出可能阻止悬挑构件发生倾覆的力（注意：这时不得计入活载），亦均取其标准值算出，如抗倾覆的恒载中
20、有墙砌体重力荷载及墙体上的楼面恒载时，取悬挑构件尾端上部45扩散角范围内的本层墙砌体与本层楼面恒载标准值之和；则抗倾覆力矩:Mr=P2ie2i( i = 1 , 2 , , n ) ; (4)保证局部结构构件不发生倾覆的条件是：Mr/MOVK一般情况下，可近似取 K = 1.5,结构的倾覆和抗倾覆问题,2.5.3 建筑结构中悬挑结构的抗倾覆设计悬挑结构可以避免一定侧界面上设置竖向支撑，是建筑获得开放空间的极为有效的手段之一，诸如：车站站台或停车场的雨罩，体育场看台的顶棚，观演性建筑的梭座等。一些大型库房建筑为了在侧墙上设置很大的开启面，也需要采用悬挑结构。 悬挑结构往往是与一定的竖向支撑系统联
21、结在一起的。从平面力系来看，使悬挑结构在荷载作用下保持平衡稳定的基本途径主要有以下几个方面。,结构的倾覆和抗倾覆问题,l 充分利用悬挑结构静力平衡系统的附属空间:悬挑结构中可以把建筑物中所需要设置的附属使用空间，与悬挑结构的静力平衡系统有机地联系起来。 附属办公用房和空调设备来平衡悬挑全景电影放映厅结构的实例。,结构的倾覆和抗倾覆问题,2 充分利用悬挑结构静力平衡系统的组成构件使抗倾覆的静力平衡系统为建筑功能服务。图2-38中分析比较了几个体育建筑的工程实例。 图（a）为意大利佛罗伦萨运动场看台，利用一列厂形构件与一组斜撑构件组成了静力平衡的刚架系统，而这一组斜撑构件又洽好是承托阶梯式看台的大
22、梁。 图（b）是摩洛哥拉伯特运动场，其看台顶棚采用了一列有长、短悬臂之分的 T 形构件，为了不致倾覆，在这些构件的后端用一排拉杆与看台的不对称悬臂刚架（此刚架可以保持自身的平衡）相连。顶棚与看台在纵向上的稳定性都是由梁、板构件的拉接来保证的。 图（c）为委内瑞拉卡拉卡斯运动场，其悬挑顶棚的构思很有特点：悬挑顶棚既没有设置斜撑，也没有设置拉杆，而是使它与看台合为一个连续的整体，并使这个连续的整体坐落在另一个稳定、平衡的独立支承结构系统上。这些实例说明，不能孤立地去考虑顶棚悬挑结构的静力平衡系统，而应当把它同看台结构的布置很好地结合起来。由此就形成了不同的建筑造型。,结构的倾覆和抗倾覆问题,3、充
23、分利用自身能保持其静力平衡的悬挑结构: 避免采用繁琐的结构传力系统，尤其对于观演性建筑礼堂、电影院、剧院、马戏院、音乐厅或多功能厅堂的空间组合这是非常有价值的结构型式。,结构的倾覆和抗倾覆问题,2.6 结构的刚度和变形,结构的刚度则是指结构能够限制作用力所产生的变形的一种比质，这是属于结构正常使用极限状态的问题. 结构可靠状态:为了使结构满足预定的功能要求，在设计中应使外界作用下的结构反应不超过某一限度，如内力不超过构件的抗力，变形不超过影响使用的容许值。如果超过了限度，结构就失效；如果控制在限度之内，结构就处于可靠状态。 极限状态:结构可靠与失效的分界标志是“极限状态”。所谓极限状态是指整个
24、结构或构件超过某一特定状态时就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。国际标准化组织（ISO）及我国 建筑结构设计可靠性统一标准 根据功能的特定要求，将结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。前者主要考虑有关结构安全性的功能，后者主要考虑有关结构适用性和耐久性的功能。,结构的刚度和变形,1 承载能力极限状态当结构或构件达到最大承载力、疲劳破坏或达到不适于继续承载的变形状态时，称该结构或构件达到承载能力极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： （1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如滑移或倾覆等） ; （2）结构构
25、件或连接因其应力超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载； （3）结构转变为机动体系而丧失承载能力； （4）结构或构件因达到临界荷载而丧失稳定。,结构的刚度和变形,2 正常使用极限状态当结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态时，称该结构或构件达到正常使用极限状态。当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：( l ）影响正常使用或外观的变形；( 2 ）影响正常使用或耐久性能的局部损坏；( 3 ）影响正常使用的振动；( 4 ）影响正常使用的其他特定状态。,结构的刚度和变形,设计时通常按承载能力极限状态设计结构或构件以保证安全，再按正常
26、使用极限状态进行校核以保证适用性和耐久性。 建筑结构可靠度设计统一标准 （ GB500682001）概率极限状态设计理论规定，建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况： （1）持久状况。在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。持续期一般与设计使用年限为同一数量级； （2）短暂状况。在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。 （3）偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。 建筑结构的三种设计状况应分别进行下列极限状态设计： （l）对三种设计状况，均应进行承载能力
27、极限状态设计； （2）对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计； （3）对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,2.6.1 截面刚度和结构刚度 从结构概念定义结构的刚度：结构产生单位(广义)位移所需要的（广义）荷载值。 荷载不变时，结构的刚度大，结构的相应变形小；结构的刚度小，结构的变形大。 一幢建筑物在施加各种设计所允许的作用力后，既不应该发生倒塌胜的破坏和局部性的破坏，也不应该出现过大的变形。结构一旦由于过分柔软（即刚度很小，而柔度很大）而出现过大的变形，超越正常使用极限状态，结构便失去了它的使用功能。这就是结构正常使用极限状态
28、设计问题。工程设计中常涉及的有抗轴力刚度和抗弯刚度。,结构的刚度和变形,结构刚度:以图2-40(b)所示简单析架结构为例，在水平力 F 作用下，按建筑力学算得的、沿 F 作用方向发生 :=1的单位位移时:,结构的刚度和变形,图2-40(b),F:即称为该简单桁架结构在水平力作用下的抗侧移刚度,1. 轴向变形、构件截面抗轴力刚度 和相应的结构刚度,2 .弯曲变形、构件截面抗弯刚度和相应的结构刚度弯曲变形是作用力引起构件截面发生转动的结果。在弯矩作用下，构件截面位于中和轴一侧的材料因受拉而伸长，另一侧则因受压而缩短，各部分伸长或缩短的多少随其至中和轴的距离而变化。由于构件一边拉长、一边缩短，整个构
29、件产生了沿作用力方向的变形（侧移），变形曲线凸向作用力方向，这种变形称为弯曲变形。,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,挠度(deflection)：,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,挠度(deflection)：,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,2.6.2 结构的变形设计和变形允许值 结构的变形设计，是指结构受力后的变形必须满足正常使用极限状态的条件，即:,f/L称为许用挠跨比。 式中: fmax 结构在荷载标准值作用下由弯矩算得的最大挠度或侧移； f 设计规范对结构变形的限值，即允许变形（挠度或侧移）值。,结构的刚度和变形, f 值规定如下（ L 为跨度， H 为
30、建筑物总高度， h 为建筑物层间高度）,l ）钢筋混凝土屋盖、楼盖及楼梯构件( l )当 L7 m 时 允许挠度为 L/200(L/250)( 2 )当 7m L 9m 时 允许挠度为 L/250(L/300)( 3 )当 L9m 时 允许挠度为 L/300(L/400)2 ）钢楼盖梁和工作平台梁( l ）主梁 允许挠度为L/400 （ 2 ）其他梁 允许挠度为 L/2503 ）钢筋混凝土框架结构( l ）建筑物顶点允许侧移为 H/300（地震），H/500（风）( 2 ）建筑物层间允许侧移为 h/250（地震）， h/400（风）4 ）钢筋混凝土墙结构( l ）建筑物顶点允许侧移为 H/70
31、0（地震）， H /1000（风）2 ）建筑物层间允许侧移为 h/600 （地震）， h/800（风）,括号内为有 较高要求的 构件。悬臂 构件取相应 数值乖以2。,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,例2-6图2-42 示位于北京郊区的某框架结构，6层，层高h=5m，总高H=30m，建筑物长20m、宽10m，柱截面尺寸bh=500500，每层15个柱，采用C2O混凝土，Ec=0.255xl05Nmm2，求风荷载作用下的框架顶端侧移和最大层间侧移。 解 l. 求风荷载: 北京地区基本风压。=0.35kNm2风压高度变化系数取z=1.42 H=30m,这里主要讨论框架侧移特点，对风荷载计算简化处
32、理， z沿高度不变,大城市郊区地面粗糙度为 B 类）风载体型系数解s=0.8（迎风面），-0.5（背风面)。,H=30m,不必考虑风振系数.,结构的刚度和变形,结构的刚度和变形,2.7 建筑结构的地基和地基设计,建筑结构的全部荷载都由它下面的地层来承担。受建筑结构影响的那一部分地层称为地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。 地基有两种： 土基:由地表的土层组成，称为土基； 岩基:由露出地表或埋藏很浅的岩石层组成，称为岩基。 在平原地区，建筑物的地基一般都是土基；在山区，建筑物可能做在岩基上。,建筑结构的地基和地基参数,建筑结构的地基和地基参数,2.7.1 土的工程分类和相应的地基承载力
33、,建筑结构的地基和地基参数,土的组成,土是由岩石经过长期的风化、搬运、沉积作用而形成的未胶结的、覆盖在地球表面的沉积物。,土的固体颗粒,固相 液相 气相,三相体系,干土,二相体系,水,气体,饱和土,建筑结构的地基和地基参数,2.7.1 土的工程分类和相应的地基承载力,一、土的固相（固体颗粒）,颗粒的大小,性质不同,块石: 粒径200,六大粒组,颗粒级配,密实程度,颗粒的成分,碎石: 20粒径200,砾石: 2粒径20,砂粒: 0.075粒径2,粉粒: 0.005粒径0.075,粘粒: 粒径0.005,2.7.1 土的工程分类和相应的地基承载力,建筑结构的地基和地基参数,不同级配土的孔隙,土的级
34、配不好,土的级配良好,一、土的固相（固体颗粒）,2.7.1 土的工程分类和相应的地基承载力,建筑结构的地基和地基参数,颗料级配曲线：横坐标表示粒径（单对数坐标），纵坐标表示小于某粒径的土质量占土总质量的百分比。得用此曲线可求得各粒组的相对含量。,粒径d（单对数坐标）大小,小于某粒径的土质量百分比,颗料级配曲线越平缓，则表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，土的级配良好。反之曲线越陡，则级配不良。,2.7.1 土的工程分类和相应的地基承载力,建筑结构的地基和地基参数,图2-43* 三相图 a)实际土体；b)土的三相图; c)各相的质量与体积 三相比例指标可分为两种，一种是试验指标；另一种是换算指标。
35、,（1）土的密度： = m / V （2）土粒密度： s= ms / Vs （3）土的含水量： = mw / ms,建筑结构的地基和地基参数,( l ）岩石:指尚未变成碎散颗粒集合体的微风化、中等风化或强风化的岩石。其地基承载力的标准值fk=2004000kN/m2，视风化程度而异。 ( 2 ）碎石土:大于20mm颗粒超过全重50的称为卵石或碎石，fk=2501000kN/m2；大于2mm颗粒超过全重50的称为圆砾或角砾， fk=200700kN/m2，均视密实度而异。 ( 3 ）砂土:大于2mm颗粒不超过全重50，同时粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50的称为砂土。按其粒径粗细又分为砾砂
36、、粗砂、中砂（ fk=80500kN/m2）、细砂、粉砂（fk=140340kN/m2），fk均视密实度而异。 ( 4 ）黏性土:黏粒（0.005mm）超过全重的36%，具有明显黏性和塑性的土。它又可分为轻亚黏土（黏粒约310, fk=100300kN/m2），亚黏土（黏粒约10 3O%，fk=100450kN/m2），黏土黏粒30以上，fk=100450kN/m2） ( 5 ）人工填土:指人类各种活动所堆积的人工回填土、垃圾、工业废料等。除人工碾压或夯实的压实填土外，均不宜作为建筑物的地基。,建筑结构的地基和地基参数,地基承载力:指在保证地基稳定的条件下，使地基的变形控制在建筑物所容许的范围
37、内时，地基单位面积上所能承受的最大荷载，单位是kNm2。 确定地基承载力有三个途径： （l）根据勘探得到的土样及其资料，进行必要的土工试验，得到相应的土的特性指标；并根据这些特性指标，查地基基础设计规范（GB50007-2002）提供的承载力表得到 （2）通过现场载荷试验或静力触探试验得到。 （3）借鉴地基条件相近的已有建筑物的成功经验,建筑结构的地基和地基参数,（1）根据标准贯入试验锤击数，轻便触探试验锤击数：式中：参与统计的锤击数均值；参与统计的锤击数标准差,承载力特征值的修正：,建筑结构的地基和地基参数,地基承载力特征值fa：,（2）按理论公式计算,（3）凭当地经验确定,建筑结构的地基和
38、地基参数,2.7.2 土层的压缩和建筑物的沉陷,几点基本概念：(1)土的三相:土由固体矿物颗粒、液体和气体三部分组成土的三相。固体颗粒所占体积V1和孔隙颗粒间的液体和气体）所占体积V2之和为土的体积。建筑物搁置在地基上，由于荷载的作用，土将产生压缩。土的压缩可以认为只是孔隙体积性的缩小。因此，土的压缩比可由土承受的压力与孔隙比e（e= V2V1)变化的关系来确定。 砂土: e=0.5l；粘性土:值通常比砂土大; 粘性淤泥:值可高达1.5以上。e愈大，土的压缩性亦愈大.,建筑结构的地基和地基参数,2.7.2 土层的压缩和建筑物的沉陷,几个基本概念：(2)钢材受压后，其压缩可以认为在瞬时内即已完成
39、；土则不然。土中有水，饱和土的孔隙中甚至充满着水，必须把土中的水挤走，土中孔隙的体积才能减小，土才会被压缩。因此，土的压缩过程也就是将孔隙中的水挤走的过程或在工程中常称为“地基土的排水过程”。但由于土的透水性不同,不同土中的水挤走的时间快慢很不相同，因而土体完成压缩过程的时间也很不同。这就是建筑物完成其全部沉降量需要一个时间过程的重要原因。砂土完成压缩过程的时间很决；粘土则很慢，有的建造在粘性土上的建筑物完成其全部沉降量甚至长达十年以上。,建筑结构的地基和地基参数,几点基本概念： (3)地基。基础底面传给地基的单位面积压力，称为基底压力pK（kN/m2）；基底压力减去基底处原有土的自重应力pc
40、就得到基底附加压应力p（kN/m2）。假设地基土是由无数个直径相同的小圆球组成，当地基表面作用一个集中力P=1时，传到某一面上的压力分布就近似于一条抛物线，它的最大值将比 l 小得多。同理，对于承受建筑物压力的地基，它的各个土层承受的附加压应力也有类似性质，归纳起来有以下三个特点：,建筑结构的地基和地基参数, 基础底面以下某一深度处的水平面上各点的附加应力不相等其中以基础面中心线处应力值最大，向两侧逐渐减小（图2-44（b）。 距基础底面愈深，附加应力的分布范围愈广；在同一垂直线上的附加应力分布随深度而变化，深度愈深，附加应力值愈小（图2-44（c）。 土层距基础底面一定深度后，它的附加应力值
41、很小，压缩量也就很小，以致可以认为建筑物的存在对这个土层及以下的所有土层都没有影响。因此，对于任何建筑物，它的地基都有一个计算深度，超过这个深度的土层，都可以不予考虑。地基计算深度，对于宽度小于3m的独立基础，在无相邻基础影响时，可取为基础宽度的3倍。,建筑结构的地基和地基参数,( 4 ）建筑物的沉降分层总和法。即地基的沉降量等于基础底面以下计算深度内各土层压缩量的总和。分层总和法的公式为： 式中 S地基计算深度内各土层最终压缩量的总和；Si第i个土层的最终压缩量；i第 i 个土层的平均附加应力；Ei第i 个土层土的侧限压缩模量，大体为2.520N/mm2，一般可用 715N/mm2进行估算；
42、s 预估沉降量修正系数，约为0.2 1.4, Es值愈大， s必值愈小，反之亦反。在计算基础下地基最终沉降量时，必须考虑相邻基础的影响。计算方法参见 建筑地基基础设计规范 （ GB50007-2002）。,建筑结构的地基和地基参数,2.7.3 建筑结构的地基设计问题,在建筑物个体设计以前，必须对建筑物所在的场地布置钻孔，进行地质勘探(图2-43) , 以掌握地基土层的变化情况以及各土层土的物理力学特性指标。钻孔个数、间距、深度根据建筑物的重要性、建筑结构对不均匀沉陷的敏感性、基础的类型和宽度、建筑物所在场地的复杂程度等因素确定。一般钻孔间距为20 75m ，深度为615m ，确定钻孔深度时要参
43、考建筑物可能的地基计算深度,建筑结构的地基和地基参数,在确实掌握地基的土层变化和各层土的特性指标后，应按照建筑物的使用要求（如有无地下室，有无地下设备管道等）、建筑结构的需要（如基础型式、基础体系、结构对不均匀沉降的敏感程度等），确定基础的埋置深度以及相应的地基持力层和地基承载力的标准值fk.这项工作一般由地质勘察部门根据勘探资料和建筑结构类型提出建议，由结构设计人员作最后决定，或者由勘察部门和结构设计人员协商决定。在估计常用建筑物的基础面积和基础型式时， fk可按 100200kNm2作初步考虑。对于比较重要的建筑物，或者虽然是一般性建筑物但结构对沉降的敏感性较大，以及建筑物所在场地土质情况
44、很复杂时，在确定地基承载力并完成基础设计以后，还需要计算建筑的最终沉降量。这样做的目的，在于计算出建筑物各个基础或基础各点的沉降量以及它们之间的差值沉降差，判定是否超出容许范围（参见表 230 ) ，对建筑物有无危害，以便决定是否需要修改地基或基础的设计方案。,建筑结构的地基和地基参数,建筑物建造在土层上必然会发生沉降；如果沉降是均匀的话，它对建筑物是没有损害的。但是，建筑物的沉降往往是不均匀的，特别当地基土层软硬不均、厚薄不匀，或建筑物各部位荷载轻重相差较大时，建筑物将会产生较大的不均匀沉降，如果建筑物的沉降和沉降差超过一定限度，就可能使基础以上的结构受到损害，发生裂缝，影响其正常使用，如图
45、 2-45 所示。这种实例是很多的，由它引起的工程质量事故约占 50 以上，应该引起重视。,建筑结构的地基和地基参数,建筑物地基设计的要点有: (1) 建筑物地基宜埋置在砂土或粘性土上，埋置深度至少在土的冰冻线以下（北京地区为地面以下1000mm）。 (2) 建筑物通过基础将全部重力荷载和其他作用力传给地基。基础底面承受均匀或不均匀压力，但不能承受拉力。地基承载力的标准值fk一般可按 100 200 kNm2考虑；设计时地基承载力设计值还要将此值乘以大于 1 的基础埋深和基础宽度的修正系数（约 1.2 )。 （3）在进行建筑物地基设计的同时，要进行建筑结构的基础设计。这部分内容将在第三章中讨论。 （4）建筑物允许有沉降，但不允许有过大的不均匀沉降。一般建筑物在设计时不必计算沉降，必须计算时，沉降差要限制在表 2-30规定的容许值以内。一般说来，建筑物较小的最终沉降量在 100mm 以内，较大的沉降量可达 1000mm2000mm。沉降量的绝对值愈大，发生过大不均匀沉降的可能性也愈大。,建筑结构的地基和地基参数,建筑结构的总体作用,
