建筑力学与结构体系

本书包括结构体系和建筑力学两部分内容，针对建筑设计专业学生的实际情况，本书架构模式为“先应用后理论”，把相关的结构知识点融入到项目的各个环节中去。以项目为导向、任务为驱动，设计为“教学单元—项目—知识点—技能点—考核点—拓展点”体例。其中结构体系部分系统地介绍了砌体结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构体系等各种结构体系的布置原则和选型要点，并在每教学单元后附带此种结构体系的结构布置任务书供学生练习，当学生遇到生疏力学知识点时可到建筑力学部分查找相关内容，以强化实践技能训练来提高学生的职业综合能力；建筑力学部分是将三门力学（理论力学、材料力学、结构力学）的主要内容融为一体，保留了三门力学课程的理论系统性和相互独立性，考虑了教学内容的精简和知识面的覆盖，注重对学生分析和解决实际问题的能力培养。内容精炼、信息量大、通俗易懂，便于自学。另外，面对当前高速发展的物流仓储、库房建设，介绍了适用于大跨度结构的主要结构形式和设计特点，还对近年来国家积极推广的装配式建筑的系统集成和设计要求进行了论述。本书内容丰富，资料详实，适用于建筑学、建筑设计以及相近专业的学生，可以作为高职院校或本科院校建筑类专业的教材，还可以作为建筑设计、结构设计、建筑施工、工程管理等有关建筑从业人员的学习参考书。 

本书包括建筑力学和结构体系两部分内容，建筑力学部分是将三门力学（理论力学、材料力学、结构力学）的主要内容有效衔接，取其精华确定教学内容；结构体系部分介绍了砌体结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构体系的布置原则和选型要点，并在这部分教学单元后附带结构布置任务书供学生练习。面对当前高速发展的物流仓储建设，本书还介绍了适用于大跨度结构的主要结构形式及其适用范围。另外亦对近年来国家大力推广的装配式建筑的“系统集成”设计理念进行了论述。
本书内容丰富，资料翔实，可以作为本科院校或高职院校建筑相关专业的教材，也可供从事建筑设计、施工、监理的工程技术人员参考。

绪论

 

0.1概述

 

0.2结构概念设计原则

 

0.2.1全面考虑原则(三维构思原则)

 

0.2.2功能协调原则

 

0.2.3实际出发原则

 

0.2.4精益求精原则

 

0.2.5减轻自重原则

 

0.2.6空间作用原则

 

0.2.7合理受力原则

 

0.2.8优化选型原则

 

0.3建筑力学的任务和内容

 

0.3.1建筑力学的研究对象

 

0.3.2建筑力学的任务

 

0.3.3建筑力学的内容

 

0.4结构体系的分类和选型

 

0.4.1结构体系的分类

 

0.4.2结构选型的原则

 

上篇建
筑 力 学

 

教学单元1静力平衡

 

1.1静力学基本概念

 

1.1.1力

 

1.1.2力矩

 

1.1.3力偶和力偶矩

 

1.1.4刚体和平衡

 

1.1.5力系、平衡力系、力系的简化与合成

 

1.2静力学公理

 

1.2.1二力平衡公理

 

1.2.2作用与反作用公理

 

1.2.3加减平衡力系公理

 

1.2.4力的平行四边形公理

 

1.3约束和受力图

 

1.3.1约束与约束反力

 

1.3.2物体的受力分析与受力图

 

1.4平面力系

 

1.4.1平面汇交力系

 

1.4.2平面力偶系

 

1.4.3平面一般力系

 

1.4.4平面平行力系

 

单元习题

 

 

教学单元2重心和截面的几何性质

 

2.1重心

 

2.1.1重心的概念

 

2.1.2重心的坐标公式

 

2.2截面的几何性质

 

2.2.1形心

 

2.2.2静矩

 

2.2.3形心与静矩的关系

 

2.2.4惯性矩和极惯性矩

 

2.2.5惯性积

 

2.2.6惯性半径

 

2.3惯性矩和惯性积的平行移轴公式

 

单元习题

 

 

教学单元3轴向拉伸与压缩

 

3.1轴向拉伸和压缩时的内力

 

3.1.1轴向拉伸与压缩的概念

 

3.1.2轴向拉(压)杆的内力及内力图

 

3.2轴向拉(压)杆横截面上的应力

 

3.2.1应力的概念

 

3.2.2轴向拉(压)杆横截面上的应力

 

3.3轴向拉(压)杆的变形、泊松比和胡克定律

 

3.3.1纵向变形

 

3.3.2横向变形

 

3.3.3泊松比

 

3.3.4胡克定律

 

3.4材料在拉伸和压缩时的力学性能

 

3.4.1低碳钢拉伸时的力学性质

 

3.4.2低碳钢压缩时的力学性能

 

3.4.3铸铁的拉伸和压缩试验

 

3.5拉(压)杆的强度条件及应用

 

3.5.1许用应力与安全系数

 

3.5.2轴向拉（压）杆的强度条件

 

单元习题

 

 

教学单元4剪切与扭转

 

4.1剪切与挤压

 

4.1.1剪切及剪切实用计算

 

4.1.2挤压及挤压实用计算

 

4.2扭转概述

 

4.3圆轴扭转时横截面上的内力

 

4.3.1圆轴扭转时横截面上的内力——扭矩

 

4.3.2扭矩图

 

4.4圆轴扭转时横截面上的剪应力和强度条件

 

4.4.1圆轴扭转时横截面上的剪应力

 

4.4.2圆轴扭转时的强度条件

 

4.5圆轴扭转时的变形和刚度条件

 

4.5.1圆轴扭转时的变形

 

4.5.2刚度条件

 

单元习题

 

 

教学单元5平面体系的几何组成分析

 

5.1平面体系的几何组成分析

 

5.1.1平面几何组成分析的目的

 

5.1.2几何可变体系、几何不变体系

 

5.1.3几何组成分析的基本概念

 

5.2几何不变体系的简单组成规则

 

5.2.1二元体规则

 

5.2.2两刚片规则

 

5.2.3三刚片规则

 

5.2.4平面体系的几何组成分析举例

 

5.3静定结构与超静定结构的概念

 

单元习题

 

 

教学单元6静定结构构件的内力

 

6.1梁的弯曲内力

 

6.1.1内力概述

 

6.1.2FQ与M的正负号规定

 

6.1.3求指定截面的FQ与M

 

6.2列方程作梁的内力图

 

6.3简易法作梁的内力图

 

6.3.1FQ(x)、M与q之间的微分关系

 

6.3.2梁内力图的规律

 

6.4叠加法作梁的内力图

 

6.4.1简支梁内力图的叠加

 

6.4.2分段叠加法求梁段的弯矩图

 

6.5多跨静定梁

 

6.6静定平面桁架

 

6.6.1桁架的概念和特点

 

6.6.2零杆的判断

 

6.6.3结点法计算桁架杆件内力

 

6.6.4截面法计算桁架杆件内力

 

6.7静定平面刚架

 

6.7.1静定平面刚架的特点

 

6.7.2静定刚架的内力计算及内力图

 

6.8三铰拱

 

6.8.1概述

 

6.8.2三铰拱的内力计算

 

6.8.3三铰拱的合理拱轴线

 

单元习题

 

 

教学单元7压杆稳定

 

7.1压杆稳定的概念

 

7.1.1工程中的稳定问题

 

7.1.2压杆的稳定平衡与不稳定平衡

 

7.2欧拉公式

 

7.2.1细长压杆的临界力与临界应力

 

7.2.2欧拉公式的适用范围

 

7.2.3超过比例极限时压杆的临界应力

 

7.3压杆稳定的实用计算

 

7.3.1折减系数法

 

7.3.2提高压杆稳定性的措施

 

单元习题

 

下篇结
构 体 系

 

教学单元8砌体结构体系

 

8.1概述

 

8.2砌体材料和分类

 

8.2.1砌体材料及其强度等级

 

8.2.2砌体的分类

 

8.3砌体结构的墙体布置

 

8.3.1横墙承重方案

 

8.3.2纵墙承重方案

 

8.3.3纵横墙共同承重方案

 

8.3.4底部框架—抗震墙上部砌体结构承重方案

 

8.4砌体房屋的结构概念设计

 

8.4.1建筑结构选型中应注意的事项

 

8.4.2建筑总体布置中应注意的事项

 

8.4.3砌体结构的抗震构造措施

 

8.5砌体结构的定位与展望

 

单元习题

 

结构布置任务书（砌体结构）

 

 

教学单元9框架结构体系

 

9.1概述

 

9.2框架结构的组成与分类

 

9.2.1框架结构的组成

 

9.2.2框架结构的分类

 

9.2.3框架结构的布置

 

9.3框架结构的设计要求

 

9.3.1框架结构的房屋最大适用高度

 

9.3.2框架结构的规则性

 

9.3.3框架结构梁柱截面尺寸估算

 

9.4框架结构的设计优化

 

结构布置任务书（框架结构）

 

 

教学单元10剪力墙结构体系

 

10.1概述

 

10.1.1剪力墙结构的概念

 

10.1.2剪力墙结构的受力特点

 

10.1.3剪力墙的墙体类型

 

10.2剪力墙的形状和布置原则

 

10.2.1剪力墙的形状

 

10.2.2剪力墙的布置原则

 

10.3剪力墙结构的设计要求

 

10.3.1剪力墙结构的房屋适用高度和高宽比

 

10.3.2剪力墙结构的规则性

 

10.3.3剪力墙的构造要求

 

10.4部分框支剪力墙结构

 

结构布置任务书（剪力墙结构）

 

 

教学单元11框架—剪力墙结构体系

 

11.1概述

 

11.2框架—剪力墙结构的变形与受力特点

 

11.2.1变形特点

 

11.2.2受力特点

 

11.3框架—剪力墙结构的设计要求

 

11.3.1框架—剪力墙结构的一般要求

 

11.3.2框架—剪力墙结构的布置原则

 

11.3.3框架—剪力墙结构构件的构造要求

 

11.4工程实例

 

11.4.1滨州公路大厦

 

11.4.2潍坊金融广场

 

结构布置任务书（框架—剪力墙结构）

 

 

教学单元12大跨度结构体系

 

12.1概述

 

12.2排架结构

 

12.2.1排架结构的特点

 

12.2.2排架结构的类型

 

12.2.3排架结构的组成

 

12.2.4排架结构的布置

 

12.3刚架结构

 

12.3.1刚架结构的特点

 

12.3.2刚架结构的类型

 

12.3.3刚架结构的组成

 

12.3.4门式刚架结构的布置

 

12.4桁架结构

 

12.4.1桁架结构的特点

 

12.4.2桁架结构的典型形式

 

12.4.3屋架的类型与构造要求

 

12.4.4不同形式屋架的设计要求

 

12.5其他大跨度结构

 

12.5.1薄壳结构

 

12.5.2网架结构

 

12.5.3网壳结构

 

12.5.4悬索结构

 

12.5.5膜结构

 

单元习题

 

 

教学单元13装配式建筑体系

 

13.1概述

 

13.1.1装配式建筑的概念

 

13.1.2装配式建筑的发展

 

13.2装配式建筑的设计要求

 

13.2.1装配式建筑的设计特征

 

13.2.2装配式建筑的设计流程

 

13.2.3装配式建筑工程实例

 

13.3装配式建筑的展望

 

单元习题

 

 

参考文献

随着科学技术和经济建设的快速发展，现代建筑逐渐向大跨度、高层、多功能方向发展，新结构理论、新结构形式、新工程材料、新施工技术不断涌现，导致越来越多造型独特、风格多样的建筑展现在人们面前。这就要求建筑师在建筑方案设计的同时一定要确定好匹配的结构方案，使建筑方案更容易付诸实施。近年来提出的“结构建筑学”（ArchiNeering）概念即强调了建筑设计过程中艺术、建筑、结构、材料等学科相互融合的重要性，因此，为了能使结构更好地融入建筑之中，建筑师必须具备一定的结构知识。如果建筑设计专业的学生对技术性、经济性缺乏理性思考，就意识不到只有符合结构逻辑的建筑才更具有真实的表现力和实践的可行性，在建筑方案设计过程中就会过分追求艺术形象，使得设计方案过于新、奇、特。因此，建筑设计专业的学生只有掌握了一定的结构理论知识，才能在建筑构思和设计中感知建筑中结构的合理性与可行性，才能设计出切实可行、经济合理的建筑方案，以求得建筑艺术与建筑技术的完美结合。本书作者长期从事建筑设计专业中的建筑技术相关课程教学，在建筑结构相关课程教学中发现以往的教材大多是土木工程专业书籍的缩编版，如“建筑力学”部分是简写的工程力学书，“结构选型”部分是建筑构件的结构构造论述等，使学生学习后可以对单个建筑构件进行力学计算，却不能对整个结构体系进行选择和分析。其根本原因还是没有掌握建筑结构自身的基本规律，缺乏以结构整体概念来构思建筑方案的能力。因此本书力图培养学生以概念设计为主导的思考方式，将基本力学概念及其分析方法与建筑结构体系有机融合，结合作者设计的多个工程案例分析，明确结构体系的传力机制以及各建筑构件的受力关系，使学生在方案设计阶段能通过结构概念设计思想近似地分析、优化建筑方案，乃至最后确定出合理的结构方案。本书期望学生学习本课程后能将建筑空间与结构形式合理沟通，使建筑艺术与结构技术科学地融合，从而建立起建筑与结构的桥梁，尽可能达到建筑与结构的和谐与统一。本书包括建筑力学和结构体系两部分内容，其中建筑力学部分由杨莅滦、盛利编写，结构体系部分由盛利编写，全书由盛利统稿。本书在编写过程中引用了一些专家和学者的书籍、文献、资料等，部分图片也来源于网络并摘用，在此一并表示诚挚的感谢。本书作者努力尝试着提升力学理论的可读性和结构体系的针对性，但由于作者水平和时间所限，本书定有不尽完善之处，衷心希望广大读者提出批评和指正。盛利2018年1月

绪论
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0.1概述建筑物用来形成一定空间及造型,并能够抵御人为和自然界施加于建筑物的各种作用力,使建筑物得以安全使用的骨架,称为结构。也可以说，结构就是通过组织建筑材料构成某种形式将各种作用力传递到另一个地方，对于普通建筑物来说，另一个地方就是大地。对结构的基本功能要求是： 安全、适用、耐久以及在偶然事件(如地震、爆炸)发生时和发生后，当局部结构遭受破坏后仍能保持结构的整体稳定性。每年都会有建筑设计专业的学生指着计算机或手机里的各种建筑图片问我诸如“用的什么结构体系”“是怎么建起来的”等问题。近年来，中国好像成为世界诸多建筑师的试验田，各种造型奇特的建筑层出不穷，如图01所示。这些奇特建筑大多采用复杂的结构模型和耗费更多的建筑材料才得以建成，在其表达某种艺术表现力的同时说明力学概念和结构体系对建筑设计的影响越来越大，这也要求建筑师在具体设计时需要进行更深入的结构逻辑构思。

图01

随着我国市场化改革的不断深入，对外开放程度的进一步扩大，建筑业结构性改革也在持续推进。伴随行业变革而来的是建筑行业各领域均出现了新的发展机遇。对于建筑师来说，其在建筑工程中的核心地位逐步被确立，如“建筑师负责制”政策的试点尝试和积极推进，就明确了建筑师在工程建设全过程的主导作用。但在赋予建筑师权利和义务的同时，建筑师所承担的责任和风险也大大增加，这就需要建筑师具备如结构、设备、施工等更全面的知识储备。建筑是视觉空间的艺术，是体—面—线—点的创作过程。在这个空间逐渐显现和固化的过程中，起到承载和传力作用的结构，是建筑空间得以实现的支撑。结构不仅对建筑空间形态的制约很大，而且在耗材及投资上也占据着相当大的比重。因此合理的结构技术应用与材料选择是实现建筑空间形态的基本保障，对结构概念和力学知识的掌握也有助于建筑师更好地对建筑方案进行斟酌、思考及把握。而对建筑设计专业的学生来说只有掌握一定的结构理论知识，才能在建筑构思和设计中，感知各种类别建筑中结构的科学性与可行性，才能设计出切实可行、经济合理的建筑方案。本书试图让学生走出单纯学习结构知识的圈子，把能力和素质的锻炼作为更重要的学习目标； 力图培养学生以概念设计为主导的思考方式，将基本力学概念及其分析方法与建筑结构体系有机融合，明确结构体系的传力机制以及各建筑构件的受力关系，使学生在方案设计阶段能通过结构概念设计思想近似地分析、优化建筑方案，乃至最后确定出合理的结构方案，以求达到建筑与结构的和谐与统一。0.2结构概念设计原则一般的建筑设计手法是先确定好建筑的基本平立剖设计，然后才由结构工程师进行结构选型、结构设计，这种设计流程往往会导致建筑设计和结构设计之间缺乏合理的、科学的整合。如果结构概念设计能指导建筑设计，则在建筑初步设计前利用结构概念设计原则可为所设计的工程项目设想一个合理的概念性结构方案，为后续的设计工作提供正确的思路，然后确定合理的分析、处理方法，以求得最为经济、合理的结构设计方案。结构概念设计的原则是人们根据对力学、结构、材料、建筑理论以及施工技术和管理知识的认识，对建筑、结构和设备功能需求的理解，对设计、施工和使用实践的领会，在总结长期工程经验的基础上所制定的一些基本要求，对做好建筑设计工作有着重要的指导作用。因此建筑结构的概念设计是建筑工程设计过程中的灵魂。0.2.1全面考虑原则(三维构思原则)结构概念设计时，首先要对其所涉及的各个方面作全面的考虑。它包括建筑、结构和施工方面的考虑，使用、功能、美观、技术和经济方面的考虑，以及整体、局部和它们间关系方面的考虑。这三个方面的考虑构成了结构概念设计时的三维构思。建筑方面指空间、尺度、联系等使用要求，采光、通风、隔声、保温隔热、防火等功能要求，美学、形式、风格等美观要求。结构方面指结构整体和关键部位受力、变形的合理性，主要构件间连接、构造的牢固性，所选择结构体系、形式的可靠性、经济性和新颖性，以及结构所用材料在长期使用环境下的耐久性。施工方面指技术是否成熟、取材是否现实、成型是否可能、做法是否合理等。做好上述考虑，也就注意了使用、功能、美观、技术和经济方面的需求。此外，还要正确对待整体、局部和它们间的关系。一般先从整体入手(如根据建筑场地条件提出主体结构体系和基础形式),进而考虑一些关键的局部(如主要构件类型和连接关系)，再回到整体(如结构的适用性、可靠性、耐久性、整体稳定性)上来加以修正认定，这是一个必经的过程。在上述三维构思基础上进一步的是二维构思的技术设计阶段，这时主要是分别解决好平面结构(如楼、屋盖)和竖向结构(如柱、墙)各自的构件选择与它们间的双边关系(如支承、连接)。在二维构思基础上再进一步则是一维构思的施工图阶段，这时主要是设计和布置组成结构体系的每一个构件(如板、梁、柱)。尽管三种构思(三维、二维、一维)所要解决的问题各具相对独立性，但它们都有着反馈关系：  施工图阶段的构思会影响和修正技术设计阶段的构思；  技术设计阶段的构思又会影响初步设计阶段的构思；  初步设计阶段的构思当然也会影响和修正概念设计的构思。0.2.2功能协调原则结构概念设计时，应该尽可能做到结构、建筑、设备和施工技术的功能协调，以便取得尽可能大的效能和尽可能多的效益。如：  （1） 在结构和建筑功能协调方面，要做到建筑体型和结构体系相协调，建筑使用和结构布置相结合，建筑分区和结构分段(如变形缝设置位置)相一致等；  （2） 在结构和设备功能协调方面，要熟悉设备系统和结构布局是相应的，设备线路和结构构件是相通的，设备部件和结构构造是相配的等；  （3） 在结构和施工技术协调方面，如在做现浇混凝土结构时，将模板作为结构构件的组成部分；  在安装预制构件时，将施加预应力手段与构件连接方法相一致，考虑构件受力元素和受力状态与施工过程中的做法相一致等。0.2.3实际出发原则结构概念设计时必须从实际出发处理所遇到的各种问题。例如认真考虑当地固有的自然条件(如气候、地质条件等)、当地历史形成的人文条件(如文化背景、已建建筑物等)、当地当时的资源条件(如资金、原材料、设施等)。因而：  (1) 概念设计前要对当地的实际情况进行全面的了解和分析。(2) 概念设计时所取的各种条件要符合当地当时的实际可能。(3) 所做的概念设计方案必须充分满足未来使用时的实际需要。0.2.4精益求精原则结构概念设计往往是多种方案比较选优的过程，在这过程中要注意以下5点。 (1) 在思维上，既要有纵向思维(结构→构件→连接→构造)，还要有横向思维，就是要从多方面去思考(见前述“全面考虑原则”)。(2) 在分析上，不仅只会“分析问题”，更要善于“提出问题”，敢于否定已有的初步设想，要多设想几种方案以及对可能遇到的问题进行分析与处理。(3) 在解答上，不要“从一而终”，要设想几种解决措施，以便“择优取胜”。(4) 在方法上，有时有一个明确概念就能定案，有时要有定性的理论分析(估算)，有时还要懂得何时需要和怎样采用模拟试验的方法。(5) 在评价上，不能只评价能否(指工程技术上能否做到)，还要评价可否(指政策法规上可否这样做)、值否(指经济合理上值不值得做)、应否(指在可行性和持续性上应否这样做)。0.2.5减轻自重原则结构所承受的荷载无非两种：  竖向荷载和水平荷载。民用建筑竖向荷载的85%以上是其自重(结构和装饰层自重)，水平荷载中的地震荷载与建筑物自重直接相关。所以减轻自重是一条重要的结构概念设计原则。它不仅可以减轻结构承受的荷载，而且可以降低建筑造价、加快建造速度、节约建筑材料、减少材料在生产运输方面的劳动量。减轻自重的措施大体有以下4条。 (1) 采用轻质高强材料，如轻集料混凝土、高性能混凝土、高强度钢材、冷弯薄壁型钢、多孔或空心砌块、塑料制品等。(2) 采取高效能的结构形式，如采用合理截面形式的预制构件或预应力构件，根据结构受力特点采用组合构件或组合结构，以及采用薄壳、折板、箱形结构等优越的结构形式。(3) 选择恰当的结构体系，如超高层建筑采用筒体结构、大跨度建筑采用网架结构、空间桁架等空间结构体系。(4) 选择合理的结构布置，如尽可能减少外墙面积、加大开间尺寸和柱网间距、降低不必要的楼层高度等。0.2.6空间作用原则建筑物本来是一个空间结构，有时为了结构设计计算工作的简化，会将它分解成各种平面受力状态进行量化分析。在结构概念设计时，考虑建筑物内各部分结构的空间作用，有意识地利用或构成构件间的空间关系，将其按结构整体来分析。这时，依其有效性的次序做到以下5点是有利的。(1) 加强结构构件的平面外刚度(如在砖墙内设置钢筋混凝土圈梁和构造柱)。(2) 加强平面结构与平面外结构构件的联系(如平面屋架与屋架间支撑的联系)。(3) 考虑结构构件间的相互作用(如板与梁的相互作用)。(4) 考虑结构体系间的相互作用(如框架—剪力墙结构体系中剪力墙结构与框架结构的相互作用)。(5) 采用空间结构体系(如空间网架、网壳结构)。0.2.7合理受力原则结构概念设计时，要经常运用力学原理来处理结构构件的一般受力分析问题。应注意以下4个方面。(1) 从受力和变形看，均匀受力比集中受力好，多跨连续比单跨简支好，空间作用比平面作用好，刚性连接比铰接连接好，超静定的受力体系比静定的受力体系好。另外，传力简捷比传力曲折好，要避免不明确的受力状态。(2) 从受力和变形的分析看，要尽可能利用结构的对称性、刚度的相对性、变形的连续性和协调性；  既要分析各部分构件的直接受力状态，也要分析整体结构的宏观受力状态；  要抓住主要的受力状况和它所发生的变形，忽略次要的受力状况和它的相应变形。(3) 从抗力和材料看，要尽可能选用以轴向应力为主的受力状态，尽可能增加构件和结构的截面惯性矩和抗弯刚度、抗剪切能力和抗剪刚度，并合理地选用材料和组织构件的截面，做到“因材施用，材尽其用”。(4) 从结构构件自身看，砌体构件要注意设置好圈梁和构造柱，以保证砌体结构的延性和承受不均匀沉降的能力；  混凝土构件要避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋与混凝土的黏结破坏先于构件自身破坏，以避免造成脆性失效；  钢构件应避免局部失稳或整个构件失稳，以确保钢结构的承载和变形能力；  构件间的连接应使节点和预埋件的破坏不先于其连接件，以便充分发挥构件自身的作用。0.2.8优化选型原则结构概念设计归根到底是确定主体结构体系及其联系。它要考虑3个方面，用比较方法进行优化选择。1. 优化结构体系优化结构体系的前提是掌握各类基本构件的特征(如与受力相关的几何特征，与变形相关的刚性特征等)，根据环境、使用、建筑和荷载实况优化选择适用的基本构件，确定它们之间的联系，形成基本结构单元和它的支承做法(如框架结构，筒体结构，拱、索结构等)。再将基本结构单元通过线型、平面、叠合、交叉等集合形式构成主要结构体系。2. 优化结构布置在满足使用要求和建筑意图的前提下优化布置楼屋盖水平系统、柱墙竖向支承系统和基础系统。这时除比较各种布置的承载能力、竖向和侧向变形、支承做法、地质条件等结构问题的合理性、优越性外，重要的原则是平立面宜规则、对称，具有良好的整体性，竖向剖面宜规整，结构侧向刚度宜均匀变化，自下而上逐渐减小，避免突变。3. 合理构造做法重点是结构构造做法和建筑构造要求相一致，结构的理论构造要求和施工的实际构造做法相一致。这里的“一致”，是指实现可能的一致性、受力与功能特征的一致性等。0.3建筑力学的任务和内容建筑力学是将理论力学中的刚体静力学、材料力学、结构力学课程中的主要内容，优化组合形成的新知识体系。建筑力学以掌握概念为基础，以强化力学基本原理在结构中的实际应用为重点，让学生掌握基本的力学知识，能在建筑设计中考虑力学与结构的因素，继而能够选择合理的结构体系和布置方式，为后续的设计与实践课程打好基础。建筑力学所研究的问题基本是工程中最基本的力学问题，主要分析材料的力学性能和变形特点；  结构或构件的受力分析(如房屋结构中的梁、柱等构件的受力)，以及在荷载作用下构件的承载能力及变形。建筑力学还研究结构的几何构成规则；  结构或构件的强度、刚度和稳定性问题等。这些问题与工程实际结合紧密，在专业中起着桥梁和纽带的作用，建筑设计专业的学生必须掌握相关力学知识，以便更好地进行建筑设计。0.3.1建筑力学的研究对象建筑结构是由许多基本构件组成的体系。常见的基本构件有梁、楼板、墙柱、梯板、基础等。按照几何特征，结构可分为以下3种类型。1. 杆系结构杆系结构是由若干根长度远大于其他两个方向尺度(截面的宽度和高度)的杆件所组成的结构，如图02(a)所示。2. 薄壁结构薄壁结构是由薄板或薄壳等组成的结构。薄板、薄壳的几何特征是其厚度远远小于其他两个方向的尺度，当它为一平面板状物体时，称为薄板；  当它具有曲面外形时，称为薄壳，如图02(b)所示。3. 实体结构实体结构是指三个方向的尺寸大约为相同数量级的结构。例如堤坝、挡土墙等均属于实体结构，如图02(c)所示。建筑力学的研究对象主要是杆系结构。

图02

0.3.2建筑力学的任务在施工和使用过程中，建筑结构构件要承受及传递各种荷载作用，即组成结构的各个构件都将受到力的作用，并且产生相应的位移和变形。合理的建筑结构必须是既能安全地承担荷载，又能经济地使用建筑材料。即结构或构件本身应具有足够的强度、刚度和稳定性，并且做到经济合理。1. 强度强度是指结构或构件抵抗破坏的能力。结构或构件在过大的荷载作用下可能被破坏。例如，当吊车起重量超过一定限度时，吊杆可能断裂，这是绝对不允许的。因此，进行强度计算的目的在于保证结构在正常工作情况时不会发生破坏，同时也符合经济的要求。2. 刚度刚度是指结构或构件抵抗变形的能力。在荷载作用下，结构或构件虽然有了足够的强度，但变形过大，会影响正常使用或降低人们的安全感和舒适感。例如，如果吊车梁产生的弯曲变形过大，吊车就不能正常行驶。因此，设计时必须保证构件有足够刚度使变形不超过规范允许的范围。如果从结构整体受力角度看强度和刚度，则强度是承受内力能力的指标，刚度是内力的分配指标。例如汶川地震时一些发生倒塌的内框架厂房(一种现行规范已经取消的结构体系，教学单元8有介绍)，是一种承重砖墙与钢筋混凝土框架协同工作的结构。在受到地震作用时，因为砖墙截面大，刚度大，吸收了大部分地震力。但砖墙的强度尤其是抗拉、抗剪强度小，造成钢筋混凝土框架还没发挥作用，砖墙就先变形垮塌，使得整个结构失效。因此结构强度与刚度的合理分配对建筑安全至关重要。3. 稳定性稳定性是指结构或构件保持原有平衡状态的能力。结构中受压的细长杆件(如钢结构柱)，在压力较小时能保持直线平衡状态，当压力超过某一临界值时，构件就不能维持原来直线形式的平衡状态并造成破坏，这称为失稳破坏。稳定计算的目的就是保证结构或构件不发生失稳现象。结构及其构件的强度、刚度、稳定性反映了其承载能力。建筑力学的任务就是研究结构或构件在荷载作用下的平衡条件以及承载能力，在安全和经济原则下为结构和构件的设计提供必要的理论基础和计算方法。0.3.3建筑力学的内容建筑力学的内容包括以下4个方面。 (1) 研究物体的受力分析、力系简化和静力平衡的一般规律。这是学习建筑力学的基础。(2) 对静定结构和构件进行受力分析、内力图绘制。在荷载作用下结构或构件承受和传递力，因此对结构或构件进行设计时首先需要弄清楚其承受的力和力的传递路线，即对构件进行受力分析。(3) 研究构件在荷载作用下的承载能力。其包括强度、刚度和稳定性问题，为构件选择适当的材料、截面形状和尺寸。(4) 研究结构的组成规律及合理形式。研究结构组成规律的目的是保证结构各部分之间不致发生相对运动，以能承受外荷载作用。而研究结构合理形式的目的则是为了充分发挥结构的性能，使材料能更有效地利用。0.4结构体系的分类和选型0.4.1结构体系的分类
结构体系是指建筑结构抵抗外部作用的构件组成方式。结构体系主要包括砌体结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构体系、筒体结构体系、大跨度结构体系等。1. 砌体结构体系砌体结构体系又称为砖混结构体系，一般是指楼盖和屋盖采用钢筋混凝土或钢、木等材料，而墙、柱采用砌体材料建造的房屋。大多用在低多层住宅、办公楼、教学楼建筑中。由于砌体结构自重大，并且整体性与延性较差，导致砌体结构的抗震性能相对较弱，在较发达的城市中已很少建造砌体房屋。但其相对经济的建造、使用和维护费用，使得砌体结构在广大乡镇和中小城市中仍大量应用。2. 框架结构体系框架结构体系是利用梁柱组成的纵、横两个方向的框架形成的结构体系。梁柱交接处、柱与基础交接处一般为刚性连接，同时承受竖向荷载和水平荷载。框架结构相对于砌体结构的优势在于其建筑的内部空间分隔灵活，容易满足建筑使用功能的要求。框架结构体系适用的建筑类型较广，需要较大空间的多、高层民用建筑，单层或多层工业建筑，装配式建筑等均可考虑使用框架结构。3. 剪力墙结构体系剪力墙结构体系在地震区又称为抗震墙结构体系，是由一系列纵向、横向剪力墙墙体及楼盖所组成的空间结构，以承受竖向荷载和水平荷载。剪力墙一般为钢筋混凝土墙，剪力墙结构利用建筑物的墙体(包括内墙和外墙)做成剪力墙来抵抗水平力。由于纵、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大，在水平荷载作用下，侧移较小，因此这种结构抗震及抗风性能较强，竖向承载力要求也比较容易满足，适用于层数较多并对空间要求不是很高的高层建筑。在房间较多、分隔墙比较固定的住宅、公寓、宾馆等高层民用建筑中，其结构选型大多采用剪力墙结构体系，由于剪力墙结构的室内较框架结构简洁,没有露梁、露柱现象,便于室内布置，因此剪力墙结构在10~30层高层住宅应用最多。4. 框架—剪力墙结构体系框架—剪力墙结构体系简称框剪结构体系，是在结构中同时布置框架和剪力墙，二者具有较强的结构互补性，可形成双重受力的结构体系。框架结构建筑布置比较灵活，可以形成较大空间，但侧向刚度较弱，抵抗水平力的能力较差；  剪力墙结构侧向刚度大，抵抗水平力的能力强，但建筑布置不灵活，一般不能形成较大的空间。而框架—剪力墙结构主要由框架柱和剪力墙一起承担着竖向荷载，其所受水平荷载主要由剪力墙来承担，这种结构体系不仅抵抗水平力的能力较强，建筑布置也较灵活，可满足建筑物各项使用功能的要求，因此在10~30层的酒店、宾馆、商场、办公楼等高层建筑中应用广泛。5. 筒体结构体系筒体结构体系主要由核心筒或框筒等结构单元组成，受力特点是整个建筑犹如一个固定于基础上的封闭空心的筒式悬臂梁来抵抗水平力，筒体结构是抵抗水平荷载最有效的结构体系之一。因其具有良好的空间整体受力性能而广泛应用于高层建筑和超高层建筑中。6. 大跨度结构体系大跨度结构主要包括排架结构、刚架结构、桁架结构等跨度基本在36m以内的大跨度平面结构，也包括跨度大于36m的薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构等大跨度空间结构，还包括张弦梁结构、树状结构、各种形式的张拉整体结构等近年来出现的新型大跨度空间结构。大跨度结构多用于民用建筑中的影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港候机大厅及其他大型公共建筑，工业建筑中的大跨度厂房、飞机装配车间和大型仓库等。0.4.2结构选型的原则1. 适应建筑功能的要求
功能要求包括空间要求、使用要求、美观要求等，考虑结构选型时应满足这些功能要求。如体育馆为保证较好的观看视觉效果，比赛大厅内不能设柱，必须采用大跨度结构；  大型超市为满足购物的需要，室内空间具有流动性和灵活性，所以应优先采用框架结构。2. 满足建筑造型的需要对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构选型，要按实际需要在适当部位设置防震缝、温度缝等结构缝，形成较多有规则的结构单元。3. 充分发挥结构自身的优势每种结构形式都有各自的特点和不足，有其各自的适用范围，所以要结合建筑设计的具体情况进行结构选型。4. 考虑材料和施工的条件由于材料和施工技术的不同，其结构形式也不同。例如砌体结构所用材料多为就地取材，施工简单，适用于低层、多层建筑；  当地处大气腐蚀环境下或钢材供应紧缺时，不可大量采用钢结构。5. 尽可能降低造价当几种结构形式都有可能满足建筑设计条件时，经济条件就是决定因素，尽量采用能降低工程造价的结构形式。

上篇  建筑力学