土木工程概论第四章

4.1.1 建筑概念

建筑是人类重要的物质文化形式之一。在人类文明发展史上，最初的建筑主要是为遮风避雨、

防寒祛暑而营造的，是人类为抵抗残酷无情的自然力而自觉建造起来的第一道屏障，只具有

实用的目的。随着物质文明的发展和社会的进步，建筑越来越具有审美的性质，直至发展成

为以作为权势象征为主要目的的宫殿建筑，以供观赏为主要的目的园林建筑。建筑是时代的

一面镜子，它以独特的艺术语言熔铸、反映出个时代、一个民族的审美追求。建筑艺术在其

发展过程中，不断显示出人类所创造的物质精神文明，以其触目的巨大形象，具有四维空间

（包括顶面）和时代的流动性，讲究空间组合的节律感等，而被誉为“凝固的音乐”、“立

体的画”、“无形的诗”和“石头写成的史书”。汉语“建筑”是一个多义词。它既表示营

造活动，又表示这种活动的成果——建筑物，也是某个时期、某种风格建筑物及其所体现的

技术和艺术的总称，如隋唐五代建筑、文艺复兴建筑、哥特式建筑等等。典型的建筑工程是

房屋工程，它是兴建房屋的规划、勘察、设计（建筑、结构和设备）、施工的总称，目的是

为人类生产与生活提供场所。

4.1.2 房屋建筑的组成

①房屋建筑的规划像人生活的环境，由规划师负责的；

②房屋建筑的布局和艺术处理像人的体型、容貌、气质，由建筑师负责的；

③房屋建筑的结构像人的骨骼和寿命，由结构工程师负责的；

④房屋建筑的给排水、供热通风和电气等设施像人的器官、神经，由设备工程师负责的。

4.1.3 建造房屋建筑的基本问题

①房屋所在位置土地的表面现状，即地形；

②房屋所在位置地面以下的土质情况，即地基；

③房屋所经受的自然界和人为作用力，即荷载；

④建造房屋所采用的原材料，即建筑材料；

⑤房屋结构建筑的组成，即结构的构件、受力和失效；

⑥房屋建筑工程有哪些类别，其中房屋的结构又有哪些基本的结构体系。

4.2 结构荷载

如果地球没有引力，空中没有风吹，土层不会下陷，气温没有变化，荷载就不会存在，房屋

也就不需要结构。但实际上房屋的建造者必须考虑结构，因为结构能承受房屋所受的各种自

然界给予的和人为的荷载。

4.2.1 恒载

房屋是由基础、柱、墙、梁、板这样一些较重的结构构件组成的。它们首先要承受自身重量

以及门、窗等建筑配件的重量，这就是恒载。

4.2.2 活载

房屋除恒载外还有用户、家具、贮存物、设备等可移动的活载。活载的数量、位置都是可变

的，只能按照它们最可能大的值，放在最不利的位置进行设计。

4.2.3 风荷载

风荷载实际上是空气在流动过程中，受到建筑物的阻挡后，对建筑物的反作用力。由于空气

是流动的，速度的大小和方向、以及空气的密度是在空间和时间上都是变化的，故而风荷载

的作用具有随机性、可统计性以及混沌性。房屋所承受的风荷载有3个“不一样”：

①不同地区不一样（如沿海大，内陆小）；

②同一地区每时每刻不一样；

③同一时刻在房屋的不同高程和不同部位不一样。

4.2.4 地震荷载

地震引起的地面运动会使房屋在竖向或水平方向产生加速度反应。这种加速度反应值与房屋

本身质量的乘积，就形成地震对房屋的作用力，即地震荷载。地震力按牛顿第二定律考虑是

一种惯性力，它的大小除了和房屋质量有关外，还和房屋结构的动力特性引起的不同加速度

反应有关，也和地面运动的强烈程度有关。地震对房屋的破坏主要由水平方向的最大加速度

反应引起，故地震荷载多以水平荷载的形式出现。

4.3 基本构件

4.3.1 板

板指平面尺寸较大而厚度较小的受弯构件，通常水平放置，但有时也斜向设置（如楼梯板）

或竖向设置（如墙板）。板在建筑工程中一般应用于楼板、屋面板、基础板、墙板等。

板按受力形式可分为单向板和双向板。

单向板指板上的荷载沿一个方向传递到支承构件上的板。当矩形板为两边支承时为单向板；

双向板指板上的荷载沿两个方向传递到支承构件上的板。当有四边支承时，板上的荷载沿双

向传递到四边，则为双向板。

4.3.2 梁

梁是工程结构中的受弯构件，通常水平放置，但有时也斜向设置以满足使用要求，如楼梯梁。

梁的截面高度与跨度之比一般为1/8～1/16。梁一般直接承受板传来的荷载，再将板传来的

荷载传递给柱或墙梁按在结构中的位置分为：

主梁除承受板直接传来的荷载外，还承受次梁传来的荷载。

次梁搁置在主梁上，承受板传过来的荷载。

连梁主

要用于连接两榀框架，使其成为一个整体。

圈梁应用于砖混结构，作用是将整个建筑围成一体，增强结构的整体性和抗震性能。

过梁：设置于门窗洞口的上部，以承受洞口上部结构的荷载。按梁的常见支承方式可有下列

形式：

简支梁：梁的两端搁置在支座上，但支座仅使梁不产生垂直移动，可自由转动。为使整个梁

不产生水平移动，在一端加设水平约束，该处的支座称为铰支座，另一端不加水平约束的支

座称为滚动支座。

悬臂梁：梁的一端固定在支座上，使该端不能转动，也不能产生水平和垂直移动，称为固定

支座。另一端可自由转动和移动，称为自由端。

一端简支另一端固定梁：在悬臂梁的自由端加设滚动支座。

两端固定梁：梁的两端都是固定支座。

连续梁：具有两个以上支座的梁。

4.3.3 柱

柱是工程结构中主要承受压力，有时也同时承受弯矩的竖向构件。按所用材料分为石柱、砖

柱、砌块柱、木柱、钢柱、钢筋混凝土柱、劲性钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱和各种组合柱

等。

钢柱

钢柱按截面形式分为实腹柱和格构柱。实腹柱指截面为一个整体，常用截面为工字形截面，

格构柱指柱由两肢或多肢组成，各肢间用缀条或缀板连接。

钢筋混凝土柱

钢筋混凝土柱是最常见的柱，广泛应用于各种房屋建筑。

钢筋混凝土柱按制造和施工方法：可分为现浇柱和预制柱

劲性钢筋混凝土柱

劲性钢筋混凝土柱是在钢筋混凝土柱的内部配置型钢，与钢筋混凝土协同受力，可减小柱的

断面，提高柱的刚度，但用钢量较大。钢管混凝土柱是用钢管作为外壳，内浇混凝土，是劲

性钢筋混凝土柱的另一种形式。

4.3.4 墙

墙主要是承受平行于墙面方向荷载的竖向构件。承受梁、板传来的压力及墙的自重。墙的长、

宽两方向尺寸远大于其厚度，荷载作用效应为轴向压力（荷载作用于墙的截面形心轴线上

时），有时还可能有弯矩（荷载偏离形心轴线时）。

墙体的主要作用：

①承重作用，承受梁或楼板传来的荷载及自身荷载，并将其传给基础；

②分隔作用：将建筑物水平方向的空间进行划分，从而形成面积大小不同的房间；

③围护作用：建筑物的外墙与屋顶共同构成了房屋的围护构件，抵御风、霜、雨、雪对室内

的侵袭

4.4 单层建筑

4.4.1 民用单层建筑

一般采用砖混结构，即墙体采用砖墙，屋面板采用钢筋混凝土板。多用于单层住宅、公共建

筑、别墅等。

4.4.2 单层工业厂房

一般采用钢筋混凝土或钢结构柱，屋盖采用钢屋架结构。按结构形式可分为排架结构和刚架

结构。

排架结构

指柱与基础为刚接，屋架与柱顶的连接为铰接；

刚架结构

也称框架结构，即梁或屋架与柱的连接为刚性连接。

4.5 大跨度建筑

大跨度结构是指跨度大于60m的建筑，常用于展览馆、体育馆、飞机机库等，其结构形式也

有很多。

网架结构

网架结构为大跨度结构最常见的结构形式，因其为空间结构，故一般称为空间网架。其杆件

多采用钢管或型钢，现场安装。

网壳结构

网壳结构是以钢杆件组成的曲面网格结构。网壳与网架的区别在于曲面与平面。

索结构

索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，可以说是土木工程中结构形式互通互用的

典型范例。

薄壳结构

薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。

充气结构

充气结构又称充气薄膜结构，是在玻璃丝增强塑料薄膜或尼龙布罩内部充气形成一定的形

状，作为建筑空间的覆盖物。

索膜结构

索膜结构是一种新型大跨建筑结构形式。它采用高强度钢索作为主要受力构件，配合使用轴

心受力杆件，通过对径向钢索和环向钢索施加预应力，巧妙地张拉成穹顶结构。在穹顶上复

盖高强轻质膜材，构成大跨穹形屋盖，故称为“索穹顶”，其平面形状可建成圆形、椭圆形

等。

4.6 多层与高层建筑

多层和高层结构主要应用于居民住宅、商场、办公楼、旅馆等建筑。多层与高层建筑的界限，

各国不一。我国以8层为界限，低于8层者称为多层建筑，8层及8层以上者称为高层建筑。

4.6.1 多层建筑

多层结构常用的结构形式为混合结构、框架结构。

混合结构

混合结构指用不同的材料建造的房屋，通常墙体采用砖砌体，屋面和楼板采用

钢筋混凝土结构，故亦称砖混结构。目前，我国的混合

结构最高已达到11层，局部已达到12层。

框架结构

框架结构由梁、柱、节点及楼板等基本构件组成，同时承受房屋的竖向荷载和水平荷载。框

架结构的优点是强度高、自重轻、整体性好。因其采用梁柱承重，因此建筑布置灵活，可获

得较大的使用空间，使用广泛。框架结构的缺点是抗侧移刚度小，水平位移大，抗震性能较

差，适用于多层建筑，对高层建筑不经济。

4.6.2 高层建筑

高层结构在我国改革开放后，发展迅猛，特别是进入20世纪90年代后，发展尤其迅速。当建

筑的层数更高时，横向水平荷载已对结构设计起控制作用，因而其主要结构形式有：框架结

构，抗震墙结构，框架－抗震墙结构，框支抗震墙结构，筒体结构等。

框架－抗震墙结构

框架－抗震墙结构是在框架中设置一些抗震墙而成，框架主要承担竖向荷载，抗震墙主要承

担大部分水平荷载。其特点是把框架与抗震墙结合起来，取长补短。平面布置灵活，水平刚

度适中，有较强的抗震性能。一般适用于办公楼、旅馆、住宅以及某些工艺用房。

抗震墙结构

抗震墙结构是利用纵横方向的钢筋混凝土墙体作为竖向承重和抗侧力的结构。其优点是侧向

刚度很大，水平位移小，空间整体性好，有较好的抗震能力，施工速度快，房间不外露梁柱。

缺点是平面布置不灵活，不易布置大房间，结构自重大，基础处理要求较高。

框支抗震墙结构

现代城市的土地日趋紧张，为合理利用基地，建筑商常常采用上部为住宅楼或办公楼，而下

部开设商店。上部住宅楼和办公楼需要小开间，比较适合采用抗震墙结构，而下部的商店则

需要大空间，适合采用框架结构。为满足这种建筑功能的要求，必须将这两种结构组合在一

起，我们称之为框支抗震墙结构

筒体结构

筒体结构是由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系，适用于层数较多的高层建筑。筒

体在侧向风荷载的作用下，其受力类似刚性的箱型截面的悬臂梁，迎风面将受拉，而背风面

将受压。

筒式结构可分为框筒体系、筒中筒体系、桁架筒体系、成束筒体系等。

框筒体系

指内芯由抗震墙构成，周边为框架结构

筒中筒体系

当周边的框架柱布置较密时，可将周边框架视为外筒，而将内芯的抗震墙视为内筒，则构成

筒中筒体系。

桁架筒体系

在筒体结构中，增加斜撑来抵抗水平荷载，以进一步提高结构承受水平荷载的能力，增加体

系的刚度，这种结构体系称为桁架筒体系。

约翰·汉克中心大厦

昵称为“大约翰”，坐落于北密执安大街所谓芝加哥“壮丽的一英里”处。共计100层，它

里面有办公、居住、购物和停车面积；在94层处有一个观景台，95层与96层处则有云霄全景

餐厅.楔形塔身由基底处的3716m2收缩到顶部1672m2。这种造型不仅有利于结构稳定性，

还有利于有效使用空间。塔楼外檐柱与桁架梁构成一个钢筒，并由在外立面上清晰可见的斜

撑以及与这些斜撑和角柱相连结的结构楼板所加强。结构体系简洁并且十分有效。此项创造

性的结构体系而且还十分经济，只需使用传统内柱系统用钢量的50％。钢结构外罩黑色铝

板，窗户为古铜色防眩光玻璃及古铜色铝窗框。

成束筒体系

成束筒体系是由多个筒体组成的筒体结构。最典型的成束筒体系的建筑应为美国芝加哥的西

尔斯塔楼。

4.7 建筑结构的设计

4.7.1 结构设计的基本理论

一幢建筑物或构筑物能建造起来，必须进行设计与结构计算，其目的有两个

①使用要求

1.首先要保证建筑物或构筑物在施工过程中和建成以后安全可靠，结构构件不会破坏，整个

结构不会倒塌。

2.其次要满足使用者提出的适用性要求，如厂房里的吊车梁，如果变形太大，吊车将会卡轨，

无法使用，这是不能满足机械的适用性要求。

②经济问题

所谓经济问题，即是如何用最经济的方法实现上述的安全可靠性和适用性，将建筑物的建造

费用降至最少.我国目前的规范对结构设计的规定是建筑结构必须满足下列各项功能要求：

①承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；

②在正常使用时具有良好的工作性能；

③在正常维护下具有足够的耐久性能；

④在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。

结构的设计并不是要结构100%安全，那是不经济的，而是保证结构的失效概率达到人们的

心理可接受的程度。我国现行规范采用了半概率的极限状态设计方法，即在同时考虑极限状

态的发生概率和工程经验的基础上，对荷载取值、构件强度以安全系数加以保证。

4.7.2 结构设计的方法

建筑的结构设计步骤一般可分为四个阶段。

1.结构模型的建立

建筑物若完全按其实际结构来计算，那工作量将是惊人的，为简化计算，常需将结构进行简

化，以形成利于计算的模型，这个过程即为结构模型的建立。简化过程一般分为整体结构的

简化和构件的简化。

2.结构荷载计算

结构模型建立完成后，即可计算该模型上的受力。计算受力必须清楚该结构所受的荷载的种

类和传力路线。

3.构件内力计算和构件选择

先依据经验估计梁柱的截面尺寸，然后进行该模型的受力计算。计算出构件的内力后，再依

据内力，进行梁柱配筋的计算和梁柱的强度、稳定、变形的计算。这个阶段有一个反复的过

程，即当选定的梁柱截面尺寸无法满足要求时，需重新选择截面，重新计算，直至满足要求。

4.施工图纸的绘制

构件的截面尺寸和配筋确定后，即可将其反映至施工图纸上。施工图纸是施工人员识别，并

按照设计要求在现场进行施工的依据。