土木工程概論第四章

4.1.1 建筑概念

建筑是人類重要的物質文化形式之一。在人類文明發展史上，最初的建筑主要是為遮風避雨、

防寒祛暑而營造的，是人類為抵抗殘酷無情的自然力而自覺建造起來的第一道屏障，只具有

實用的目的。隨著物質文明的發展和社會的進步，建筑越來越具有審美的性質，直至發展成

為以作為權勢象征為主要目的的宮殿建筑，以供觀賞為主要的目的園林建筑。建筑是時代的

一面鏡子，它以獨特的藝術語言熔鑄、反映出個時代、一個民族的審美追求。建筑藝術在其

發展過程中，不斷顯示出人類所創造的物質精神文明，以其觸目的巨大形象，具有四維空間

（包括頂面）和時代的流動性，講究空間組合的節律感等，而被譽為“凝固的音樂”、“立

體的畫”、“無形的詩”和“石頭寫成的史書”。漢語“建筑”是一個多義詞。它既表示營

造活動，又表示這種活動的成果——建筑物，也是某個時期、某種風格建筑物及其所體現的

技術和藝術的總稱，如隋唐五代建筑、文藝復興建筑、哥特式建筑等等。典型的建筑工程是

房屋工程，它是興建房屋的規劃、勘察、設計（建筑、結構和設備）、施工的總稱，目的是

為人類生產與生活提供場所。

4.1.2 房屋建筑的組成

①房屋建筑的規劃像人生活的環境，由規劃師負責的；

②房屋建筑的布局和藝術處理像人的體型、容貌、氣質，由建筑師負責的；

③房屋建筑的結構像人的骨骼和壽命，由結構工程師負責的；

④房屋建筑的給排水、供熱通風和電氣等設施像人的器官、神經，由設備工程師負責的。

4.1.3 建造房屋建筑的基本問題

①房屋所在位置土地的表面現狀，即地形；

②房屋所在位置地面以下的土質情況，即地基；

③房屋所經受的自然界和人為作用力，即荷載；

④建造房屋所采用的原材料，即建筑材料；

⑤房屋結構建筑的組成，即結構的構件、受力和失效；

⑥房屋建筑工程有哪些類別，其中房屋的結構又有哪些基本的結構體系。

4.2 結構荷載

如果地球沒有引力，空中沒有風吹，土層不會下陷，氣溫沒有變化，荷載就不會存在，房屋

也就不需要結構。但實際上房屋的建造者必須考慮結構，因為結構能承受房屋所受的各種自

然界給予的和人為的荷載。

4.2.1 恒載

房屋是由基礎、柱、墻、梁、板這樣一些較重的結構構件組成的。它們首先要承受自身重量

以及門、窗等建筑配件的重量，這就是恒載。

4.2.2 活載

房屋除恒載外還有用戶、家具、貯存物、設備等可移動的活載?；钶d的數量、位置都是可變

的，只能按照它們最可能大的值，放在最不利的位置進行設計。

4.2.3 風荷載

風荷載實際上是空氣在流動過程中，受到建筑物的阻擋后，對建筑物的反作用力。由于空氣

是流動的，速度的大小和方向、以及空氣的密度是在空間和時間上都是變化的，故而風荷載

的作用具有隨機性、可統計性以及混沌性。房屋所承受的風荷載有3個“不一樣”：

①不同地區不一樣（如沿海大，內陸小）；

②同一地區每時每刻不一樣；

③同一時刻在房屋的不同高程和不同部位不一樣。

4.2.4 地震荷載

地震引起的地面運動會使房屋在豎向或水平方向產生加速度反應。這種加速度反應值與房屋

本身質量的乘積，就形成地震對房屋的作用力，即地震荷載。地震力按牛頓第二定律考慮是

一種慣性力，它的大小除了和房屋質量有關外，還和房屋結構的動力特性引起的不同加速度

反應有關，也和地面運動的強烈程度有關。地震對房屋的破壞主要由水平方向的最大加速度

反應引起，故地震荷載多以水平荷載的形式出現。

4.3 基本構件

4.3.1 板

板指平面尺寸較大而厚度較小的受彎構件，通常水平放置，但有時也斜向設置（如樓梯板）

或豎向設置（如墻板）。板在建筑工程中一般應用于樓板、屋面板、基礎板、墻板等。

板按受力形式可分為單向板和雙向板。

單向板指板上的荷載沿一個方向傳遞到支承構件上的板。當矩形板為兩邊支承時為單向板；

雙向板指板上的荷載沿兩個方向傳遞到支承構件上的板。當有四邊支承時，板上的荷載沿雙

向傳遞到四邊，則為雙向板。

4.3.2 梁

梁是工程結構中的受彎構件，通常水平放置，但有時也斜向設置以滿足使用要求，如樓梯梁。

梁的截面高度與跨度之比一般為1/8～1/16。梁一般直接承受板傳來的荷載，再將板傳來的

荷載傳遞給柱或墻梁按在結構中的位置分為：

主梁除承受板直接傳來的荷載外，還承受次梁傳來的荷載。

次梁擱置在主梁上，承受板傳過來的荷載。

連梁主

要用于連接兩榀框架，使其成為一個整體。

圈梁應用于磚混結構，作用是將整個建筑圍成一體，增強結構的整體性和抗震性能。

過梁：設置于門窗洞口的上部，以承受洞口上部結構的荷載。按梁的常見支承方式可有下列

形式：

簡支梁：梁的兩端擱置在支座上，但支座僅使梁不產生垂直移動，可自由轉動。為使整個梁

不產生水平移動，在一端加設水平約束，該處的支座稱為鉸支座，另一端不加水平約束的支

座稱為滾動支座。

懸臂梁：梁的一端固定在支座上，使該端不能轉動，也不能產生水平和垂直移動，稱為固定

支座。另一端可自由轉動和移動，稱為自由端。

一端簡支另一端固定梁：在懸臂梁的自由端加設滾動支座。

兩端固定梁：梁的兩端都是固定支座。

連續梁：具有兩個以上支座的梁。

4.3.3 柱

柱是工程結構中主要承受壓力，有時也同時承受彎矩的豎向構件。按所用材料分為石柱、磚

柱、砌塊柱、木柱、鋼柱、鋼筋混凝土柱、勁性鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱和各種組合柱

等。

鋼柱

鋼柱按截面形式分為實腹柱和格構柱。實腹柱指截面為一個整體，常用截面為工字形截面，

格構柱指柱由兩肢或多肢組成，各肢間用綴條或綴板連接。

鋼筋混凝土柱

鋼筋混凝土柱是最常見的柱，廣泛應用于各種房屋建筑。

鋼筋混凝土柱按制造和施工方法：可分為現澆柱和預制柱

勁性鋼筋混凝土柱

勁性鋼筋混凝土柱是在鋼筋混凝土柱的內部配置型鋼，與鋼筋混凝土協同受力，可減小柱的

斷面，提高柱的剛度，但用鋼量較大。鋼管混凝土柱是用鋼管作為外殼，內澆混凝土，是勁

性鋼筋混凝土柱的另一種形式。

4.3.4 墻

墻主要是承受平行于墻面方向荷載的豎向構件。承受梁、板傳來的壓力及墻的自重。墻的長、

寬兩方向尺寸遠大于其厚度，荷載作用效應為軸向壓力（荷載作用于墻的截面形心軸線上

時），有時還可能有彎矩（荷載偏離形心軸線時）。

墻體的主要作用：

①承重作用，承受梁或樓板傳來的荷載及自身荷載，并將其傳給基礎；

②分隔作用：將建筑物水平方向的空間進行劃分，從而形成面積大小不同的房間；

③圍護作用：建筑物的外墻與屋頂共同構成了房屋的圍護構件，抵御風、霜、雨、雪對室內

的侵襲

4.4 單層建筑

4.4.1 民用單層建筑

一般采用磚混結構，即墻體采用磚墻，屋面板采用鋼筋混凝土板。多用于單層住宅、公共建

筑、別墅等。

4.4.2 單層工業廠房

一般采用鋼筋混凝土或鋼結構柱，屋蓋采用鋼屋架結構。按結構形式可分為排架結構和剛架

結構。

排架結構

指柱與基礎為剛接，屋架與柱頂的連接為鉸接；

剛架結構

也稱框架結構，即梁或屋架與柱的連接為剛性連接。

4.5 大跨度建筑

大跨度結構是指跨度大于60m的建筑，常用于展覽館、體育館、飛機機庫等，其結構形式也

有很多。

網架結構

網架結構為大跨度結構最常見的結構形式，因其為空間結構，故一般稱為空間網架。其桿件

多采用鋼管或型鋼，現場安裝。

網殼結構

網殼結構是以鋼桿件組成的曲面網格結構。網殼與網架的區別在于曲面與平面。

索結構

索結構是將橋梁中的懸索“移植”到房屋建筑中，可以說是土木工程中結構形式互通互用的

典型范例。

薄殼結構

薄殼結構常用的形狀為圓頂、筒殼、折板、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等。

充氣結構

充氣結構又稱充氣薄膜結構，是在玻璃絲增強塑料薄膜或尼龍布罩內部充氣形成一定的形

狀，作為建筑空間的覆蓋物。

索膜結構

索膜結構是一種新型大跨建筑結構形式。它采用高強度鋼索作為主要受力構件，配合使用軸

心受力桿件，通過對徑向鋼索和環向鋼索施加預應力，巧妙地張拉成穹頂結構。在穹頂上復

蓋高強輕質膜材，構成大跨穹形屋蓋，故稱為“索穹頂”，其平面形狀可建成圓形、橢圓形

等。

4.6 多層與高層建筑

多層和高層結構主要應用于居民住宅、商場、辦公樓、旅館等建筑。多層與高層建筑的界限，

各國不一。我國以8層為界限，低于8層者稱為多層建筑，8層及8層以上者稱為高層建筑。

4.6.1 多層建筑

多層結構常用的結構形式為混合結構、框架結構。

混合結構

混合結構指用不同的材料建造的房屋，通常墻體采用磚砌體，屋面和樓板采用

鋼筋混凝土結構，故亦稱磚混結構。目前，我國的混合

結構最高已達到11層，局部已達到12層。

框架結構

框架結構由梁、柱、節點及樓板等基本構件組成，同時承受房屋的豎向荷載和水平荷載?？?/span>

架結構的優點是強度高、自重輕、整體性好。因其采用梁柱承重，因此建筑布置靈活，可獲

得較大的使用空間，使用廣泛。框架結構的缺點是抗側移剛度小，水平位移大，抗震性能較

差，適用于多層建筑，對高層建筑不經濟。

4.6.2 高層建筑

高層結構在我國改革開放后，發展迅猛，特別是進入20世紀90年代后，發展尤其迅速。當建

筑的層數更高時，橫向水平荷載已對結構設計起控制作用，因而其主要結構形式有：框架結

構，抗震墻結構，框架－抗震墻結構，框支抗震墻結構，筒體結構等。

框架－抗震墻結構

框架－抗震墻結構是在框架中設置一些抗震墻而成，框架主要承擔豎向荷載，抗震墻主要承

擔大部分水平荷載。其特點是把框架與抗震墻結合起來，取長補短。平面布置靈活，水平剛

度適中，有較強的抗震性能。一般適用于辦公樓、旅館、住宅以及某些工藝用房。

抗震墻結構

抗震墻結構是利用縱橫方向的鋼筋混凝土墻體作為豎向承重和抗側力的結構。其優點是側向

剛度很大，水平位移小，空間整體性好，有較好的抗震能力，施工速度快，房間不外露梁柱。

缺點是平面布置不靈活，不易布置大房間，結構自重大，基礎處理要求較高。

框支抗震墻結構

現代城市的土地日趨緊張，為合理利用基地，建筑商常常采用上部為住宅樓或辦公樓，而下

部開設商店。上部住宅樓和辦公樓需要小開間，比較適合采用抗震墻結構，而下部的商店則

需要大空間，適合采用框架結構。為滿足這種建筑功能的要求，必須將這兩種結構組合在一

起，我們稱之為框支抗震墻結構

筒體結構

筒體結構是由一個或多個筒體作承重結構的高層建筑體系，適用于層數較多的高層建筑。筒

體在側向風荷載的作用下，其受力類似剛性的箱型截面的懸臂梁，迎風面將受拉，而背風面

將受壓。

筒式結構可分為框筒體系、筒中筒體系、桁架筒體系、成束筒體系等。

框筒體系

指內芯由抗震墻構成，周邊為框架結構

筒中筒體系

當周邊的框架柱布置較密時，可將周邊框架視為外筒，而將內芯的抗震墻視為內筒，則構成

筒中筒體系。

桁架筒體系

在筒體結構中，增加斜撐來抵抗水平荷載，以進一步提高結構承受水平荷載的能力，增加體

系的剛度，這種結構體系稱為桁架筒體系。

約翰·漢克中心大廈

昵稱為“大約翰”，坐落于北密執安大街所謂芝加哥“壯麗的一英里”處。共計100層，它

里面有辦公、居住、購物和停車面積；在94層處有一個觀景臺，95層與96層處則有云霄全景

餐廳.楔形塔身由基底處的3716m2收縮到頂部1672m2。這種造型不僅有利于結構穩定性，

還有利于有效使用空間。塔樓外檐柱與桁架梁構成一個鋼筒，并由在外立面上清晰可見的斜

撐以及與這些斜撐和角柱相連結的結構樓板所加強。結構體系簡潔并且十分有效。此項創造

性的結構體系而且還十分經濟，只需使用傳統內柱系統用鋼量的50％。鋼結構外罩黑色鋁

板，窗戶為古銅色防眩光玻璃及古銅色鋁窗框。

成束筒體系

成束筒體系是由多個筒體組成的筒體結構。最典型的成束筒體系的建筑應為美國芝加哥的西

爾斯塔樓。

4.7 建筑結構的設計

4.7.1 結構設計的基本理論

一幢建筑物或構筑物能建造起來，必須進行設計與結構計算，其目的有兩個

①使用要求

1.首先要保證建筑物或構筑物在施工過程中和建成以后安全可靠，結構構件不會破壞，整個

結構不會倒塌。

2.其次要滿足使用者提出的適用性要求，如廠房里的吊車梁，如果變形太大，吊車將會卡軌，

無法使用，這是不能滿足機械的適用性要求。

②經濟問題

所謂經濟問題，即是如何用最經濟的方法實現上述的安全可靠性和適用性，將建筑物的建造

費用降至最少.我國目前的規范對結構設計的規定是建筑結構必須滿足下列各項功能要求：

①承受在正常施工和正常使用時可能出現的各種作用；

②在正常使用時具有良好的工作性能；

③在正常維護下具有足夠的耐久性能；

④在偶然事件發生時及發生后，仍能保持必須的整體穩定性。

結構的設計并不是要結構100%安全，那是不經濟的，而是保證結構的失效概率達到人們的

心理可接受的程度。我國現行規范采用了半概率的極限狀態設計方法，即在同時考慮極限狀

態的發生概率和工程經驗的基礎上，對荷載取值、構件強度以安全系數加以保證。

4.7.2 結構設計的方法

建筑的結構設計步驟一般可分為四個階段。

1.結構模型的建立

建筑物若完全按其實際結構來計算，那工作量將是驚人的，為簡化計算，常需將結構進行簡

化，以形成利于計算的模型，這個過程即為結構模型的建立。簡化過程一般分為整體結構的

簡化和構件的簡化。

2.結構荷載計算

結構模型建立完成后，即可計算該模型上的受力。計算受力必須清楚該結構所受的荷載的種

類和傳力路線。

3.構件內力計算和構件選擇

先依據經驗估計梁柱的截面尺寸，然后進行該模型的受力計算。計算出構件的內力后，再依

據內力，進行梁柱配筋的計算和梁柱的強度、穩定、變形的計算。這個階段有一個反復的過

程，即當選定的梁柱截面尺寸無法滿足要求時，需重新選擇截面，重新計算，直至滿足要求。

4.施工圖紙的繪制

構件的截面尺寸和配筋確定后，即可將其反映至施工圖紙上。施工圖紙是施工人員識別，并

按照設計要求在現場進行施工的依據。