建筑记录了人类的历史,是人类文明与智慧的纪念碑。
建筑物是人类在自然空间以外建造的人工空间,当自然界出现各种复杂的变化,出现风、雨、雪、地震作用时等,稳固的人工空间能够保证人类的正常生活与生产活动。
除了建筑物,为了达到某种特殊的目的,人们还修建了各种各样的构筑物,如沟通自然界的各种阻隔,使天堑变通途的桥梁;挡水或约束水流的方向,从而保证人类对于水资源的利用的水坝。与建筑物同样,这些构筑物也要面对并承担各种自然的力量与人为的作用。
建筑物与构筑物所承担的这些自然的与人为的作用,可以通称为荷载或作用。建筑物与构筑物需要相应的受力、传力体系来保持其基本的工作状态——跨度、高度、稳定性等。这个体系就是结构。
从简单的意义上讲,结构的作用就是构成建筑物,并为建筑物的使用功能提供空间环境的支承体,承担着建筑物的重力、风力撞击、振动等作用下所产生的各种荷载。同时结构又是影响建筑构造、建筑经济和建筑整体造型的基本因素。
建筑结构是由各种不同功能的构件按照一定的规律所构成的,常见建筑物的梁、板、柱;桥梁的桥墩、桥跨;水坝、堤岸等就是结构,而人们在日常活动中看不到的基础、地基也属于结构。
由于结构对于建筑物特殊的作用与意义,因此结构必须满足特定的要求才能够保证其功能的实现,保证建筑物的功能。
结构的安全性功能要求
安全是对于结构的基本要求,结构在各种外部与内部的不良作用下,保持其稳固的形体,使内部空间得以存在,使人们的生产、生活得以保证。没有安全性能,建筑物也就失去了基本的意义。对于安全,不同人的理解不同。简单的说就是可以抵御外界的作用,但不仅如此,外力的作用是十分复杂的,也有可能十分巨大,在超过人们预料的巨大作用面前,建筑物也要保证安全。这并不是不破坏,而是以人们所预料的方式进行破坏,并有明确的预警。这才是真正的安全。结构的安全性属于结构的承载力极限状态。
结构的适用性功能要求
结构必须适用,能够保证自身发挥其作用的同时,又不能影响到建筑物功能的发挥。如果仅仅满足安全要求,导致结构尺度过大,则不能满足适用性。这是建筑空间设计与结构的基本矛盾——优秀的结构工程师就是要在寻找适度的结构尺度。
同时,结构在保证受力安全时,不能产生较大的变形、挠曲、振颤等不良反应,这会影响其功能的正常发挥,当然,这也会在使用中给人以强烈的不安全感,给人以强烈的心理冲击。结构的适用性属于结构的正常使用极限状态。
结构的耐久性功能要求
结构必须保证在建筑物存在的期限内发挥其应有的功能,结构不能先于建筑物的寿命破坏。因此要求结构能够抵御自然界的腐蚀作用、气候冷热变化所产生的冻融循环作用。持续性的、长期的发挥功效,也是结构的基本要求之一。一次向投资的巨大,要求建筑物长期存在,回收成本、产生效益,这种经济性的指标,也必然要求建筑物的耐久性。
C 由于建筑结构的特殊要求,对结构所必须经过特定的设计过程,确定荷载、选用特定的结构材料与结构形式,才能保证其基本性能。
C 学习建筑结构设计理论,必须掌握建筑力学的基础知识。
结构的作用
从结构的最基本原则来看,结构要承受各种从自然的到人为的力与作用,并把这些力与作用传递到地基上。
抵抗结构自身的自重作用
自重是地球上的任何物体均存在的基本物理特征,是由地球的引力产生的,组成结构的材料也同样存在自重。尽管初学者在学习力学基础时,由于简化计算的需要,经常忽略结构的自重,但是实际上,材料的比重(单位体积的重量)非常大,从而会使自重成为结构的主要荷载,在结构设计中根本不能忽略。如混凝土结构、砖石砌体结构等。自重是均匀的分布在结构上的,在不同的计算中,可以按照不同的原则简化。
承担其他外部重力荷载
结构上的各种附加物,如设备、装饰物、人群等,均存在重量,上部结构对于下部结构来讲,也是附加的外部重力荷载,这些都需要下部结构来承担。结构需要承担各种外部重力形成的荷载作用,这是对结构的基本要求,也是单层结构发展为多层结构的基本前提。
结构所承担的重力荷载多种多样,根据建筑物的差异而不同。北欧地区冬季降雪量极大,因此雪荷载是该地区结构设计所要考虑的重要内容,这也是为什么这里的古典建筑大多是采用尖顶的原因——在下雪时,倾斜的屋面不会存下积雪,而避免建筑物在雪压下倒塌。而大型的加工车间在结构设计时,要考虑屋顶的积灰产生的重力荷载。这是由于在车间使用多年后,屋顶必然积存大量的灰尘,而大型车间的跨度与高度不允许进行日常的清理,在使用几十年后,积灰是不可避免的。
承担侧向力与作用
不仅仅是垂直力的作用,抵抗侧向力对于建筑物也是十分重要的。对于较低的建筑物,侧向力并不构成主要的破坏作用。但是随着建筑物的增高,侧向力逐步取代垂直的重力作用,成为影响建筑物的主要作用。随着建筑高度的增加,侧向力所形成的弯矩效应更加明显,并呈非线性增长,逐步取代垂直作用,成为产生破坏的主要因素。常见的侧向作用有风和地震作用。
特定的构筑物由于要满足特殊的功能要求,除了风与地震外,还要承担特定的侧向力,如桥梁要承担车辆的水平刹车力;水坝与堤岸要承担波浪的侧压力与冲击力;挡土墙要承担土的侧压力等。在结构设计中,侧向力与作用是不能够忽视的,且多数侧向力与作用属于动荷载。
承担特殊作用
除了常规的力与作用外,建筑物可能由于特殊的功能或原因,承担特殊的作用。如我国北方冬季严寒、夏季酷热,温度变化范围可达60℃以上,冬季室内外温差也可以达到50℃以上,温度的变化产生的结构变形不协调是结构内力的重要原因。有的时候,建筑物的地基会产生沉陷,当沉陷不均匀时,也会使建筑产生破坏。结构设计者也要考虑这些特殊原因产生的影响,所设计的结构才是安全的。
结构的组成
结构是由构件经过稳固的连接而形成的,构件是结构直接承担荷载的部分,连接可以将构件所承担的荷载传递到其他构件上,并进而传递到结构基础上。
从一般的建筑来理解,结构有以下几个特定的组成部分:
形成跨度的构件与结构
建筑物内部要形成必要的使用空间,跨度是必不可少的尺度要求,没有跨度不可能形成内部的空间;没有跨度构件,各种跨度以上的垂直重力荷载不可能传至地面。
常见的跨度构件是梁,有了梁的作用,既可以保证梁下部的空间,又可以在其上部形成平面,从而可以形成第二层的人工空间。梁是轴线尺度远远大于截面尺度的构件,在计算时可以将其简化为截面尺度为零的杆件,侧向正交力是梁的基本受力特征,弯曲是梁的基本变形特征。板是梁水平侧向尺度的变异性构件,其原理、作用与梁基本相同,只是由于板的尺度与约束共同作用,体现出明显的空间特征时,其计算原理会稍有变化。
桁架、拱以及悬索属于特殊的形成跨度的构件与结构,这些结构与构件不是以受弯为基本特征的。在大跨度结构中,梁的弯曲效应十分巨大,对于结构非常不利,因此大多采用桁架、拱以及悬索等结构形式。
垂直传力的构件与结构
当跨度构件形成空间并承担相应的重力荷载时,跨度构件的两端必然形成对于其他构件的向下的压力作用,这种压力作用需要有其他的构件承担并传递至地面;同时,任何空间都需要高度方向的尺度,必须有相应的构件形成这种高度要求,这就是垂直传力构件或结构。
常见的垂直传力构件或结构是柱,柱的顶端是梁,梁将其承担的垂直作用传给柱;柱的下部是基础,将作用传递至地面。当然,柱的下部也可以是柱,从而形成多层建筑。在特殊的情况下,柱的下部也可以是梁,一般称之为托梁,托梁将其上柱的垂直力向梁的两端分解传递。
柱的轴线尺度也远远大于截面尺度,在计算时也可以将其简化为截面尺度为零的杆件,轴向力是柱的基本受力特征,同时由于轴向力的偏心影响,柱也可以同时受弯。墙是柱水平侧向尺度的变异性构件,其原理、作用与柱基本相同,但是由于墙侧向尺度的影响,使其具有较大侧向尺度方向的刚度也较大,从而具有良好的抵抗侧向变形的能力,这是柱并不具备的。
抵抗侧向力的构件与结构
建筑物内部要有相应的构件或结构,来抵抗侧向力或者作用。常见的抵抗侧向力的构件是墙,由于侧向尺度较大,墙的侧向刚度也较大,抗侧移能力较强,可以有效抵御侧向变形与荷载,更重要的是墙可以直接与地面相联接,从而使建筑物形成整体的刚度空间。在钢筋混凝土结构中,剪力墙是抵抗侧向力的主要构件。
楼板的侧向刚度也较大,但板并不直接与地面相连,板只能够将建筑物在板所在的平面内形成刚性联接体,而不能如墙一样使建筑物不同层间形成刚度。
除了墙以外,柱与柱之间可以利用支撑来形成抵抗侧向变形的结构,在大多数钢结构中,这种支撑是必不可少的,其作用与墙是相同的。
基础
基础是人工结构的最下部,是将建筑物上部的各种荷载与作用传递至地面的重要部分,没有基础,建筑物就是空中楼阁。由于建筑物所承受的各种荷载与作用,基础也要承担垂直力、水平侧向力、弯曲作用等复杂的作用。基础必须向地面以下埋置一定的深度,以确保建筑物的整体稳定性。但有时由于建筑物埋置深度较深,而建筑物本身自重并不大,地下水可能将建筑物浮起来,如地下车库,因此需要基础具有抗浮(拔)功能。
地基是基础以下的持力土层或岩层,是上部荷载最终的承接者。因此,地基必须有足够的强度——地基承载力、刚度——抗压缩性能与稳定性——地基抗滑移与倾覆的整体性。
实际结构就是由这些可以完成基本功能的简单构件,按照一定的结构组合规律与规则所构成的体系。