钢筋混凝土是建筑师在工作当中接触到的最多的结构材料,工程中也常俗称为钢筋砼(tong),由钢筋和混凝土组合而成:
钢筋:完美的抗压性能,恐惧水跟空气,火烧变软;
混凝土:优质的抗压性能,隔水隔气隔热,成分多样,性能多样;
优势劣势的互补使得两种材料作为结构上的极佳拍档,也是建筑舞台上经久不衰的偶像组合:
根据抗震、抗风、抗形变、抗宇宙引力等多种力学要求,以及建筑空间布局需要,钢筋与混凝土的组合有如下多种代表作品:
1框架结构
2剪力墙结构
3框剪结构
4筒体结构
钢筋混凝土组合也有技术作图考试的结构题目中经常发生的考察点(上图中红色年份)。
近7年结构题目考察的都是钢筋混凝土,我们仍然不能断定下一年仍会考,但是可以显然,在将来的考试中,钢筋混凝土发生概率即使很大。
与深知钢筋和混凝土二者的个人传统跟技能量化的构架工程师不同,建筑师只应该了解这个组合的“整体特性”即可,下面是四种结构的常识要点整理。
(一)框架结构
下面通过一组抽象示意图来帮助大家读懂钢筋混凝土框架结构。
注:图片左边文字中红色字理解即可,①②③为必须牢记的知识点。
在这四种构件中,结构受力的释放顺序为:
钢筋混凝土框架结构的要素相当简洁混凝土标签,能够适应这些种不同空间必须。所以考点主要集中在空间类型的差异上。依据题目要求,进行梁柱的合理布局,是解题的关键。
此外,需要留意的是,虽然后面的知识卡是几种构件依次出现的,但实际上,这些构件一般是统一支模,一起浇筑的(如下图图示)这样并且结构的整体性更好,抗震能力很强。
建设活动中,也有配备预制楼板等材料的状况,可以加速建设速度,但是结构整体性就会体现较差,如今使用较少。
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(二)剪力墙结构
剪力墙结构是钢筋预应力组合的另一个“代表作品”,利用墙壁承受建筑的水准作用跟竖向作用,柱子这样的线状构件转变为墙壁这样的面状构件。相比柱子,剪力墙(也叫承重墙)的优势是更好的防侧向力功效,抗震性能跟整体性都优于框架结构。
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两种结构的差异可以参考前面的两个桌子,两个桌子分别靠“柱”和“墙”来支撑,根据经验,当我们横向推撞桌子的之后,明显是下图中靠“墙”支撑的椅子扭转、晃动的程度最小,也就是说右图桌子的刚度更大,整体性更好。以小见大,这只是剪力墙结构的防侧力性能优于框架结构的理由之一。
相应知识点:
(三)框架-剪力墙结构
框架结构跟剪力墙结构的特征是:
如果在框架结构当中,加入一些剪力墙,柱子主要应对重力,剪力墙用于对付侧向力,这样又确保了空间灵活性,又可提高建筑的整体性——框架-剪力墙结构综合了它们的特点混凝土标签,弱化了两者的劣势,因此,很多民用建筑都采取这些结构方式。
框剪结构与框架结构和剪力墙结构包括的纵梁相同,相关知识点不再重复,只有一个新增考察要点:剪力墙的布置。对于这个技巧,电力版真题书跟一些参考资料上都做了众多说法,我们将其浓缩为如下6个记忆点:
1不宜过多
框剪结构,在框架结构中加入剪力墙,而非在剪力墙结构中加入柱,所以柱子才是主角,剪力墙数量不宜过多。
2间距不宜过大
剪力墙之间的宽度大小和抗震需求有关,作图题目会给出具体要求。
3中心对称
剪力墙保证横轴两侧和纵轴两侧均匀布置——也就是基本做到中心对称。
4双向布置,纵横相连
有抗震需求时(应用剪力墙的题目通常都有此需求),剪力墙布置应确保两个方向都有,且最好做到纵横相连,形成“T、L、[”形状。
我们一直用桌子举例,当桌面由单一方向的桌板支撑时,可以较好地抵抗这个方向的侧向力,但是当水平力是垂直于桌板而来时,桌子依旧会造成巨大形变。
5刚度中心
剪力墙布置中,要确保建筑的刚度中心跟质量中心接近,最好重叠(两个中心题目都会给出,定性分析即可,无需计算)。
继续从桌子的角度看,极端状况是“桌脚”分布在一边,“桌板”分布在另一边,桌子的刚度中心会显著倾向于桌板多的右侧,而桌子的质量中心却在后面。此时即使摇晃桌子,则桌脚两侧的形变会显著强于桌板一侧,放在建筑中,会因桌子形变不均匀,造成破坏。
这种状况的缓解办法是:
6结合楼电梯间布置
框剪结构中的剪力墙多与栋电梯间结合布置,好处是:
1楼电梯间所需空间小,灵活性要求低;
2剪力墙弥补了墙体的欠缺,挽回整体性;
3交通空间更坚固,提高疏散安全度。
(四)筒体结构
在高层建筑中,将平行交通和管井等辅助房间布置在建筑中部,墙体采用钢筋预应力剪力墙,就成了“核心筒”,它不但无法承重,还带有优良的抵御侧向力的作用。
核心筒与不同外围结构组合就成了如下两种筒体结构。
(筒中筒具有很高的力学性能,是现在为止钢筋混凝土构架中无法建立高度最高的类型)
需要记忆的常识都都整理在如下两张知识卡片中,未提及的个别均按照题目要求修改。
筒体结构应记忆的知识点很少,需要更多的临场分析,所以我们借助一道例题来帮助学习。
2006年结构作图——筒中筒结构布置
题目并不复杂,主要考察外筒柱、内筒连梁、内外筒连系梁和柱子的概念,我们按照任务规定依次解答:
1布置外筒柱
题目中规定外筒柱距不小于4000mm的前提下超过最大,柱子宽1400mm,则通过计算可得,外筒柱间距3900mm,横轴9跨,纵轴8跨。
计算过程:
直线段长度 42500-3000×2=36500
两端柱子轴线长度 36500-700×2=35100
最少跨数 35100÷4000=8.775
横轴跨数取小于8.775的最小整数9
柱距为 35100÷9=3900
直线段长度 38600-3000×2=32600
两端柱子轴线长度 32600-700×2=31200
纵轴跨数为 31200÷3900=8跨
(刚好是整数,验证了3900的正确性,出题人如此严谨)
2布置外筒裙梁
3&4布置内筒连梁及剪力墙
下图中红色部分的剪力墙和连梁是可以确定的,题目已经用粗线墙体疯狂暗示,按图例标出就好。
蓝色部分答案不唯一,总要求是左右上下对称,图中是减小剪力墙最少的画法,多加不扣分(但选择题要求按更少量判断)
5&6布置内外筒间的梁和角柱
对外筒来说,角柱截面要高于中柱,所以角部几乎不能开窗,角柱直接填实;
内筒角柱设置在核心筒四角;
用梁将外筒柱和内筒连接起来。
选择题与墨线部分本文不再详述。
这篇文章对“钢筋”和“混凝土”这对建筑舞台上经久不衰组合进行了介绍: