柱子最小尺寸(常用建筑结构体系特点的理解)

Posted 2023-05-29

篇首语：事常与人违，事总在人为。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了柱子最小尺寸(常用建筑结构体系特点的理解)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

柱子最小尺寸(常用建筑结构体系特点的理解)

我们都知道现代社会常用建筑结构体系的类型，对于民用建筑主要就是在框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-筒体结构，当然其他还有砌体结构，目前在发达地区应该用的不是很多，可能主要出现在农民自建房和一些欠发达地区会用到。另外就是一些超高层建筑中还会用到筒体结构，而筒体结构又分为单筒体、筒中筒、束筒等筒体结构型式。那么不管是砌体结构还是超高层中的筒体结构，都不是我们要讲的重点，我们只需要知道有这种结构型式就可以了。另外在工业建筑中主要有排架结构、门钢结构，这部分内容相对也比较简单，也不是我们要讲的内容。

接下来我们来重点讲讲框架结构、框剪、剪力墙以及框架核心筒结构的特点，适用什么样的建筑，这几种结构类型是怎么一步一步出现的。

首先是框架结构：

框架结构这是大家都比较熟悉的，他是由水平构件主梁和竖向构件柱组成的纵横两个方向的空间承重体系。显然框架结构中的填充墙不是承重结构，这一点有别于砌体结构中的墙体（砌体结构中墙体是承重结构而框架结构中墙体不是），他只起到围合和分隔空间的作用。这里要注意一个细节，水平构件主梁是指两端与框架柱连接的梁，我们把它叫做框架梁，柱子叫框架柱。那么两端不与框架柱连接的叫次梁，他不是构成框架结构的成员。我们在实际做工程过程中还会遇到一端与梁连接一端与柱连接的柱子，我们在设计时一般在与柱子连接一端按框架梁设计，与梁连接一端按次梁设计就可以了，为什么是这样我们在后面会讲。

我们知道所有的结构体系是为了满足房屋建筑功能需求而产生的空间构成解决方案，那么框架结构作为解决方案的一种，显然他的优点是对建筑空间的占用相对较小，因为作为竖向支撑构件的柱子，在平面上只是近似一个点状物，在空间上只是一个近似的杆状物，并且这个柱子布置相对比较灵活，一定程度上，为了满足使用功能的需求，柱子的布置可以不总是对齐或者等间距原则，比如，以下这个是一个地下车库出口处周边的局部平面图，

我们可以看到，右侧两列柱子水平方向柱距需要考虑三辆汽车的停车宽度，中间水平间距需要考虑行车走道宽度，另外一个柱子间距是考虑两个车位长度，另一个是考虑水平方向走道宽度，这些都会使得我们的柱子跨度不总是相等的，再看对齐方面，左边两行柱子是根据出口车道宽度设置，而右边两行柱子是根据两个车位长度设置，不同的功能需求势必就导致了柱子的不对齐，这在框架结构的建筑中是经常遇到的。所以框架结构体系在空间的使用上给人们有较大的灵活度。这些是框架结构的优点。显然，相较于砌体结构，框架结构由于用的主材是钢筋混凝土，不仅有更高强度，还有对建筑空间更高的灵活度，对于一般多层建筑框架结构这种型式基本成了首选，虽然造价上会高于砌体结构，但是随着国民经济发展，钢筋混凝土框架结构已经被业主认可和接受。

那么有人会说，既然框架结构这么好，还要其他结构型式干嘛呢，一个框架结构包打天下不就得了。我们知道，地球上万物都要受到地球引力的作用，一个结构体系需要承担除了自重外的，在这个建筑上的其他所有重量，比如建筑内外装的重量，建筑里摆放的供人们使用的一切器物的重量，还有人的重量等。我们把以上提到的所有重量统称为竖向荷载（结构所要承担的负荷）。那么除了竖向荷载外，一个建筑物在自然界中会受到风吹雨打，地震、爆炸等荷载。虽然刮风是常态，地震和爆炸属于偶尔发生，但是还是有这个可能性，我们在设计房子的时候地震作用还是要考虑的。我们把这些荷载统称为水平荷载。

到这里为止，我们知道了一个结构体系会承担竖向荷载和水平荷载，这是结构工程师在设计时需要考虑的。那么，随着房子高度增加，在竖向荷载方面一个突出的矛盾出来了，底层的柱子受压带来很大挑战，虽然说混凝土的优越性能是抗压能力，但是也是有抗压极限的，也不可能无限大。这个时候，底层柱子要么增加混凝土强度，要么加大截面尺寸，要么在柱子里面放型钢，这能够为柱子抗压能力提供一些帮助，而竖向荷载还不是最头疼的。

我们知道，随着房子高度的增加水平荷载的问题才是最突出的矛盾。框架结构在平面内是四边形的排列，而四边形在受到水平侧推力时，抵抗变形的能力是较弱的，是明显不如三角形的。这也验证了三角形是稳定结构的原因。

另一个是扭转，我们知道地震作用是地震波传给结构体系，地面的振动加速度引起上部结构类似水平和竖向作用的受力状态，为了便于计算，我们把这种类似水平和竖向作用的力按规则等效成水平地震作用和竖向地震作用。而地震作用本质上动力学范畴，结构振动会带来结构扭转，同样地，对于框架结构，在空间上框架梁和框架柱属于杆件体系，不仅抗侧移变形能力弱，抗扭转变形能力也很弱。其实本质上抗扭转能力就是抗侧移能力不协调导致的，结构周边相对结构中间抗侧移能力弱一定会导致抗扭转变形能力弱。

基于以上竖向荷载下会导致底层柱子抗压能力的矛盾，水平荷载下会导致结构抗侧移能力和抗扭转能力的性能问题，这些矛盾都制约了我们在选框架结构设计时，就不可能做到十几二十层甚至三十层的房子。一般在十层以上就不考虑用框架结构了。关于具体的设防烈度地区对应框架结构适用的高度在抗规上都有明确规定，这里只讲原理。

其次是框架-剪力墙结构

框架剪力墙结构是在框架结构中设置部分剪力墙构件，这样剪力墙在平面内能发挥抗侧移能力强的优势，同时还能承担部分竖向荷载。显然，框架剪力墙结构是为了满足房屋高度相对较高且对建筑功能使用空间要求较高的情况下产生的。他既有框架结构布置的灵活性，较大程度满足使用功能的需求，又能解决框架结构中抗侧移、抗扭转变形能力弱的矛盾。因此，框架剪力墙结构在10~20层高度的酒店建筑、办公建筑、医院建筑中应用较广泛。

第三是剪力墙结构

剪力墙结构是由水平构件主梁和竖向构件钢筋混凝土墙体组成的空间承重体系。这里的混凝土墙体是承重构件。而水平构件主梁是指梁两端与墙平面内相连的梁，我们也称为框架梁。有的梁两端要么与梁连接要么与墙平面外（垂直于墙）连接，这种梁叫次梁，尤其是梁的两端与墙平面外相连的，这种梁是次梁，而不是主梁，在设计中软件往往自动生成为主梁，这个是不对的，这一点是需要注意的。还有的梁一端与墙平面内相连一端与墙平面外相连，这种情况，在设计时一般把与墙平面内相连的按框架梁设计，另一端按次梁设计。

纯剪力墙结构最大的优势是抗侧移能力强，在高层建筑中应用较多，最大的短板是由于剪力墙布置间距不可能很大，建筑功能空间受到限制，因此在需要大空间的公共建筑中很难使用，纯剪力墙结构一般应用在住宅建筑中较多。目前我国建设的10层以上住宅建筑大部分是剪力墙结构，当然也有一些7度区在6~8层左右的高端洋房时会选择短肢剪力墙结构，这是基于造价和功能双重需求下的选择，不是普遍情况，个案问题需要具体问题具体分析。

第四是框架核心筒结构

框架核心筒是由中央钢筋混凝土墙形成的筒体和外围柱（钢管砼柱、型钢砼柱、普通砼柱）组成竖向构件，与水平构件梁组成空间承重体系。他的优势在于：中央筒体从功能上解决了超高层建筑竖向交通和设备管井问题，同时在结构受力上能抵御风荷载和地震荷载的横向作用，外围框架能满足大空间使用功能的需求。我们刚才提到框架剪力墙结构也同时有抗侧移能力好和提供较灵活空间的优势，但是当房屋达到100~120m甚至以上时，结构受到的水平荷载会越来越大，起到了控制作用，这时的框剪结构已经无法满足抵御水平荷载的需求，框架核心筒结构正好能满足这样的需求，因此在超高层建筑中，框架核心筒结构被广泛应用。

以上四种常用混凝土结构类型，我从社会发展和建筑高度发展这条线对结构类型的优缺点进行了分析梳理。我们可以理解为结构类型不是平白无故产生的，他一定是结构工程师为了满足建筑高度的发展演变产生的，是为了满足当时社会发展应运而生的产物。从这个角度去理解建筑结构类型我想一定有不一样的感悟。