建筑结构体系（精选11篇）
建筑结构体系 篇1
所谓结构体系是结构抵抗外部作用的构件总体组成的方式。在高层建筑中, 抵抗水平力成为确定和设计结构体系的关键问题。高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。高层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢筋混凝土组合结构等类型。而其中钢筋混凝土结构具有造价较低、取材丰富、并可浇筑各种复杂断面形状, 而且强度高、刚度大、耐火性和延性良好, 结构布置灵活方便, 可组成多种结构体系等优点, 因此, 在高层建筑中得到广泛应用。当前, 我国的高层建筑中钢筋混凝土结构占主导地位。
1 高层建筑中常用结构体系和其特点的分析
高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。
主要分为:a.一般高层建筑结构体系。一般高层建筑结构体系包括框架体系、剪力墙体系、框架-剪力墙体系、框架-筒体体系、框筒体系、筒中筒体系等结构体系。b.复杂高层建筑结构体系。复杂高层结构体系指带转换层结构体系、连体结构体系、悬挑结构体系、带加强层结构体系、平面不规则结构体系等。c.新颖高层建筑结构体系。近年来, 出现了一些新颖的高层建筑结构体系。其中具有代表性的有束筒体系、巨型框架体系、脊骨体系等结构体系。
A.框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成不但承受竖向荷载, 也承受着水平荷载的结构体系 (多用于多层建筑) 。其优点是建筑平面布置灵活, 可以做成有较大空间及特殊用途的房间。必要时, 可用隔断分隔成小房间, 或拆除隔断改成大房间, 因而使用灵活。但由于高层框架侧向刚度较小, 结构顶点位移和层间相对位移较大, 使得非结构构件 (如填充墙、建筑装饰、管道设备等) 在地震时破坏较严重, 这是它的主要缺点, 也是限制框架高度的原因, 一般控制在10~15层。
B.力墙结构体系:剪力墙结构体系是利用建筑物墙体承受竖向与水平荷载, 并作为建筑物的围护及房间分隔构件的结构体系。
剪力墙也称抗震墙。它自身平面内的刚度大、强度高、整体性好, 在水平荷载作用下侧向变形小, 抗震性能较强。在国内外历次大地震中, 剪力墙结构体系表现出良好的抗震性能, 且震害较轻。因此, 剪力墙结构在实际中得到了广泛的应用。由于其良好的抗震性能, 所以在地震区15层以上的高层建筑中采用剪力墙是经济的, 在非地震区采用剪力墙建造建筑物的高度可达140m。剪力墙结构采用大模板或滑升模板等先进方法施工时, 施工速度很快, 可节省大量的砌筑填充墙等工作量。
剪力墙结构的墙间距不能太大, 平面布置不灵活, 难以满足公共建筑的使用要求;此外, 剪力墙结构的自重也比较大。为满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共房间, 以及在住宅底层布置商店和公共设施的要求, 可将剪力墙结构底部一层或几层的部分剪力墙取消, 用框架来代替, 形成底部大空间剪力墙结构和大底盘、大空间剪力墙结构;标准层则可采用小开间或大开间结构。当把底层做成框架柱时, 成为框支剪力墙结构。这种结构体系, 由于底层柱的刚度小, 上部剪力墙的刚度大, 形成上下刚度突变, 在地震作用下底层柱会产生很大的内力及塑性变形, 致使结构破坏较重。因此, 在地震区不允许完全使用这种框支剪力墙结构, 而需设有部分落地剪力墙。
C.框架-剪力墙结构体系:它是在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差, 水平荷载作用下的变形大, 抵抗水平荷载能力较低的缺点, 但又具有平面布置较灵活、可获得较大的空间、立面处理易于变化的优点;剪力墙结构则具有强度和刚度大, 水平位移小的优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来, 相互取长补短, 可形成一种受力特性较好的结构体系-框架-剪力墙结构体系。剪力墙可以单片分散布置, 也可以集中布置。
框架-剪力墙结构体系在水平荷载作用下的主要特征:
c-1受力状态方面, 框架承受的水平剪力减少及沿高度方向比较均匀, 框架各层的梁、柱弯矩值降低, 沿高度方向各层梁、柱弯矩的差距减少, 在数值上趋于接近。
c-2变形状态方面, 单独的剪力墙在水平荷载作用下以弯曲变形为主, 位移曲线呈弯曲型;而单独的框架以剪切变形为主, 位移曲线呈剪切型;当两者处于同一体系, 通过楼板协同工作, 共同抵抗水平荷载, 框架-剪力墙结构体系的变形曲线一般呈弯剪型。
由于上述变形和受力特点, 框架-剪力墙结构的刚度和承载力较框架结构都有明显的提高, 在水平荷载作用下的层间变形减小, 因而减小了非结构构件的破坏。在我国, 无论在地震区还是非地震区的高层建筑中, 框架-剪力墙结构体系得到了广泛的应用。
D.筒体结构体系。筒体结构为空间受力体系。筒体的基本形式有三种:实腹筒、框筒及桁架筒。用剪力墙围成的筒体可称为实腹筒。如果筒体的四壁是由竖杆和斜杆形成的桁架组成, 则成为桁架筒;如果体系是由上述筒体单元所组成, 称为筒中筒或组合筒。通常由实腹筒来做内部核心筒, 框筒或桁架筒来做外筒。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体, 在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件, 它比单片平面结构具有更大的承载力, 并具有很好的抗扭刚度。因此, 该种体系广泛应用于多功能、多用途, 层数较多的高层建筑中。
2 高层建筑结构类型及其特点
高层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构等类型。
A.混凝土结构具有造价较低、取材丰富、并可浇筑各种复杂断面形状, 而且强度高、刚度大、耐火性和延性良好, 结构布置灵活方便, 因此, 在高层建筑中得到广泛应用。
B.结构具有强度高、构件断面小、自重轻、延性及抗震性能好等优点;钢构件易于工厂加工, 施工方便, 能缩短现场施工工期。近年来, 随着高层建筑建造高度的增加, 以及我国钢产量的大幅度增加, 采用钢结构的高层建筑也不断增多。
C.钢和钢筋混凝土相结合的组合结构和混合结构在高层建筑中更为合理。这种结构可以使两种材料互相取长补短, 取得技术性能优良的效果。
组合结构是用钢材来加强钢筋混凝土构件的强度。钢材放在构件内部, 外部由钢筋混凝土做成, 成为钢骨混凝土构件, 也可在钢管内部填充混凝土, 做成外包钢构件, 成为钢管混凝土。前者可充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能, 又可利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能, 现在应用较为普遍。
结束语
高层钢结构建筑在国外已有很久的历史, 1883年最早一幢钢结构高层建筑在美国芝加哥拔地而起, 到了二次世界大战后由于地价的上涨和人口的迅速增长, 以及对高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高, 使高层和超高层建筑迅猛发展。
结构是建筑的骨骼, 人有人的骨骼, 动物有动物的骨骼。大千世界千奇百怪的生命体, 很多都依赖骨骼承载着身体的重量。地球上生物的进化规律是, 越是高级的生物, 骨骼就越复杂, 而建筑也同样, 建筑的造型、空间等内容, 都依赖它的骨骼———结构承载。就如同不同的生命有着不同的骨骼一样, 不同的建筑也有着不同的结构。我们关注结构的时候, 首先关注它的可靠性, 此外还要关注它的形态, 可以说, 没有结构, 就没有造型, 也就没有空间。肯尼斯-弗兰普顿说:“建筑的根本在于建造, 在于建筑师应用材料并将之构筑成整体的创作过程和方法。建构应对建筑的结构和构造进行表现, 甚至直接的表现, 这才是符合建筑文化的。”
责任编辑:王亚芳
摘要：高层建筑中设计中的结构要素, 影响着整体的造型。当我们在结构力学允许的范围内, 调整梁、柱、墙的数量、比例、排列方式和截面形式等这些因素的时候, 看似枯燥的结构就展现出无比丰富的表现力随着建筑高度的增大, 水平荷载效应逐渐增大;在高层建筑结构中, 水平荷载和地震作用却起着决定性作用。因此, 在高层建筑结构设计时, 不仅要求结构具有足够的强度, 而且还要求有足够的刚度, 使结构在水平荷载作用下产生的位移限制在一定的范围内, 以保证建筑结构的正常使用和安全。
关键词：高层建筑,结构体系,结构类型
浅谈建筑结构体系及设计方法 篇2
关键词：高层建筑；结构分析；设计；水平载荷
中图分类号：7U208 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)36-0027-02
1建筑结构分析与设计的基本特点
1.1 水平载荷成为决定因素
任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。
1.2 轴向变形不容忽视
通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了。由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。
1.3 侧移成为控制指标
与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度。使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。
2 高层建筑结构的体系类型
2.1框架——剪力墙体系
当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架——剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中，框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。框架——剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架——剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
2.2 剪力墙体系
当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架——剪力墙体系。
2.3简体体系
凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单筒体、简体——框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。
3 结构分析中常用的基本假定
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、简体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定。
3.1 弹性假定
目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受罕遇害地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，结构进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实的工作状态，应按弹塑性动力分析方法进行设计。
3.2 小变形假定
小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少学者与研究人员对几何非线性问题(JP——△效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△／H>1／500时，P——△效应的影响就不能忽视了。
3.3 刚性楼板假定
许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算简体结构提供了条件。一般来说。对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。
3.4 计算图形的假定
高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：①一维协同分析；②二维协同分析；③三维空间分析。
4各类结构体系采用的分析方法
4.1 框架——剪力墙体系
框架——剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架——剪力墙的计算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
4.2剪力墙体系
剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。伹因其自由度较多，计算资源耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支剪力墙的转换层等应力分布复杂的情况。
4.3 简体结构
简体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分类为：等效连续化方法、等效离散化方法。
等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。
等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架予结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。
5 结束语
高层建筑结构特点及其体系分析 篇3
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较, 结构专业在各专业中占有更重要的位置, 不同结构体系的选择, 直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有:
1.1 水平力是设计主要因素
在低层和多层房屋结构中, 往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中, 尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响, 但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值, 仅与建筑高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力, 是与建筑高度的两次方成正比。另一方面, 对一定高度建筑来说, 竖向荷载大体上是定值, 而作为水平荷载的风荷载和地震作用, 其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
1.2 侧移成为控指标
与低层或多层建筑不同, 结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加, 水平荷载下结构的侧向变形迅速增大, 与建筑高度H的4次方成正比 (△=q H4/8EI) 。另外, 高层建筑随着高度的增加、轻质高强材料的应用、新的建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大, 在设计中不仅要求结构具有足够的强度, 还要求具有足够的抗推刚度, 使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内。
1.3 抗震设计要求更高
有抗震设防的高层建筑结构设计, 除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外, 还必须使结构具有良好的抗震性能, 做到小震不坏、大震不倒。
1.4 减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要
高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑, 如果在同样地基或桩基的情况下, 减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施, 可以多建层数, 这在软弱土层有突出的经济效益。
1.5 轴向变形不容忽视
采用框架体系和框架—剪力墙体系的高层建筑中, 框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力, 中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时, 此种轴向变形的差异将会达到较大的数值, 其后果相当于连续梁中间支座沉陷, 从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小, 跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
1.6 概念设计与理论计算同样重要
抗震设计可以分为计算设计和概念设计两部分。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定的假想条件下进行的, 尽管分析手段不断提高, 分析的原则不断完善, 但由于地震作用的复杂性和不确定性, 地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性, 可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多, 尤其是当结构进入弹塑性阶段之后, 会出现构件局部开裂甚至破坏, 这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。
2 高层建筑的结构体系
2.1 高层建筑结构设计原则
(1) 钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合, 做到安全适用、技术先进、经济合理, 并积极采用新技术、新工艺和新材料。
(2) 高层建筑结构设计应重视结构选型和构造, 择优选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系与平、立面布置方案, 并注意加强构造连接。在抗震设计中, 应保证结构整体抗震性能, 使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。
2.2 高层建筑结构体系及适用范围
目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有:框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等。
(1) 框架结构体系。框架结构体系是由楼板、梁、柱及基础四种承重构件组成。由梁、柱、基础构成平面框架, 它是主要承重结构, 各平面框架再由连系梁连系起来, 即形成一个空间结构体系, 它是高层建筑中常用的结构形式之一。其使用范围:框架结构的合理层数一般是6到15层, 最经济的层数是10层左右。由于框架结构能提供较大的建筑空间, 平面布置灵活, 可适合多种工艺与使用的要求, 已广泛应用于办公、住宅、商店、医院、旅馆、学校及多层工业厂房和仓库中。
(2) 剪力墙结构体系。剪力墙结构中, 由钢筋混凝土墙体承受全部水平和竖向荷载, 剪力墙沿横向纵向正交布置或沿多轴线斜交布置, 它刚度大, 空间整体性好, 用钢量省。历史地震中, 剪力墙结构表现了良好的抗震性能, 震害较少发生, 而且程度也较轻微, 在住宅和旅馆客房中采用剪力墙结构可以较好地适应墙体较多、房间面积不太大的特点, 而且可以使房间不露梁柱, 整齐美观。
在框支剪力墙中, 底层柱的刚度小, 形成上下刚度突变, 在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形, 因此, 在地震区不允许采用这种框支剪力墙结构。
2.3 框架—剪力墙结构体系
在框架结构中布置一定数量的剪力墙, 可以组成框架—剪力墙结构, 这种结构既有框架结构布置灵活、使用方便的特点, 又有较大的刚度和较强的抗震能力, 因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆。
2.4 筒体结构体系
随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高, 以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系, 往往不能满足要求。这时可以由剪力墙构成空间薄壁筒体, 成为竖向悬臂箱形梁, 加密柱子, 以增强梁的刚度, 也可以形成空间整体受力的框筒, 由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。通常筒体结构有以下几种。
(1) 框架—筒体结构。中央布置剪力墙薄壁筒, 由它受大部分水平力, 周边布置大柱距的普通框架, 这种结构受力特点类似框架—剪力墙结构, 目前南宁市的地王大厦也用这种结构。
(2) 筒中筒结构。筒中筒结构由内、外两个筒体组合而成, 内筒为剪力墙薄壁筒, 外筒为密柱 (通常柱距不大于3米) 组成的框筒。由于外柱很密, 梁刚度很大, 门密洞口面积小 (一般不大于墙体面积50%) , 因而框筒工作不同于普通平面框架, 而有很好的空间整体作用, 类似一个多孔的竖向箱形梁, 有很好的抗风和抗震性能。
(3) 成束筒结构。在平面内设置多个剪力墙薄壁筒体, 每个筒体都比较小, 这种结构多用于平面形状复杂的建筑中。
3 结语
总之, 高层建筑结构的使用上, 无论采用哪种结构体系, 都需要结合、运用建筑结构概念设计理论, 综合考虑业主的要求与项目的需要, 做好建筑工程的结构性控制工作。
参考文献
[1]乔冬雪, 高层建筑结构的特点及其发展趋势探究[J].黑龙江科学, 2014, (6) .
体系结构实验报告 篇4
学生姓名：所在学院：学生学号：学生班级：指导老师：完成日期：
软件体系结构 设计模式实验报告
宋昂
软件学院 3901080115 软件0801 刘伟 2010-12-7
一、实验目的
熟练使用PowerDesigner和任意一种面向对象编程语言实现几种常见的设计模式，包括简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式和适配器模式，理解每一种设计模式的模式动机，掌握模式结构，学习如何使用代码实现这些模式，并学会分析这些模式的使用效果。
二、实验内容
使用PowerDesigner和任意一种面向对象编程语言实现简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式和适配器模式，包括根据实例绘制模式结构图、编写模式实例实现代码，运行并测试模式实例代码。
(1)简单工厂模式
使用简单工厂模式设计一个可以创建不同几何形状(Shape)的绘图工具类，如可创建圆形(Circle)、方形(Rectangle)和三角形(Triangle)对象，每个几何图形都要有绘制draw()和擦除erase()两个方法，要求在绘制不支持的几何图形时，提示一个UnsupportedShapeException，绘制类图并编程实现。
(2)简单工厂模式
使用简单工厂模式模拟女娲(Nvwa)造人(Person)，如果传入参数“M”，则返回一个Man对象，如果传入参数“W”，则返回一个Woman对象，使用任意一种面向对象编程语言实现该场景。现需要增加一个新的Robot类，如果传入参数“R”，则返回一个Robot对象，对代码进行修改并注意女娲的变化。
(3)工厂方法模式
某系统日志记录器要求支持多种日志记录方式，如文件记录、数据库记录等，且用户可以根据要求动态选择日志记录方式，现使用工厂方法模式设计该系统。用代码实现日志记录器实例，如果在系统中增加一个中的日志记录方式——控制台日志记录(ConsoleLog)，绘制类图并修改代码，注意增加新日志记录方式过程中原有代码的变化。
ClientLogFactory+createLog(): Log...Log+writeLog(): void...FileLogFactory+createLog(): Log...DatabaseLogFactory+createLog(): Log...<
现需要设计一个程序来读取多种不同类型的图片格式，针对每一种图片格式都设计一个图片读取器(ImageReader)，如GIF图片读取器(GifReader)用于读取GIF格式的图片、JPG图片读取器(JpgReader)用于读取JPG格式的图片。图片读取器对象通过图片读取器工厂ImageReaderFactory来创建，ImageReaderFactory是一个抽象类，用于定义创建图片读取器的工厂方法，其子类GifReaderFactory和JpgReaderFactory用于创建具体的图片读取器对象。使用工厂方法模式实现该程序的设计。
(5)抽象工厂模式
某系统为了改进数据库操作的性能，自定义数据库连接对象Connection和语句对象Statement，可针对不同类型的数据库提供不同的连接对象和语句对象，如提供Oracle或SQL Server专用连接类和语句类，而且用户可以通过配置文件等方式根据实际需要动态更换系统数据库。使用抽象工厂模式设计该系统。用代码模拟实现数据库操作工厂实例，要求可以通过配置文件改变数据库类型。
DBFactory+createConnection(): Connection+createStatement(): Statement...ConnectionOracleFactory+createConnection(): Connection+createStatement(): Statement...OracleConnectionMySQLConnectionMySQLFactory+createConnection(): Connection+createStatement(): Statement...OracleStatementStatementMySQLStatement(6)抽象工厂模式
计算机包含内存(RAM)、CPU等硬件设备，根据下面的“产品等级结构-产品族”示意图，使用抽象工厂模式实现计算机设备创建过程并绘制相应的类图。
产品族一个产品族PcCPUPcRAMPcMacMacCPUMacRAMCPU(7)单例模式
RAM产品等级结构
使用单例模式的思想实现多例模式，确保系统中某个类的对象只能存在有限个，如两个或三个，设计并编写代码实现一个多例类。
(8)单例模式
使用单例模式设计一个多文档窗口（注：在Java AWT/Swing开发中可使用JDesktopPane和JInternalFrame来实现），要求在主窗体中某个内部子窗体只能实例化一次，即只能弹出一个相同的子窗体，如下图所示：
（注：用C#或C++实现类似功能也可以）
(9)适配器模式
现有一个接口DataOperation定义了排序方法sort(int[])和查找方法search(int[], int)，已知类QuickSort的quickSort(int[])方法实现了快速排序算法，类BinarySearch 的binarySearch(int[], int)方法实现了二分查找算法。现使用适配器模式设计一个系统，在不修改源代码的情况下将类QuickSort和类BinarySearch的方法适配到DataOperation接口中。绘制类图并编程实现。（要求实现快速排序和二分查找）
(10)适配器模式
使用任意一种面向对象编程语言实现一个双向适配器实例，使得猫可以学狗叫，狗可以学猫抓老鼠。绘制相应类图并使用代码编程模拟。
三、实验要求
1.正确无误绘制简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式和适配器模式实例的模式结构图；
2.使用任意一种面向对象编程语言实现简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式和适配器模式实例，代码运行正确无误。
四、实验步骤
1.熟悉PowerDesigner15的常用功能；
2.使用PowerDesigner绘制简单工厂模式实例结构图并用面向对象编程语言实现该模式实例；
3.使用PowerDesigner绘制工厂方法模式实例结构图并用面向对象编程语言实现该模式实例；
4.使用PowerDesigner绘制抽象工厂模式实例结构图并用面向对象编程语言实现该模式实例；
5.使用PowerDesigner绘制单例模式实例结构图并用面向对象编程语言实现该模式实例； 6.使用PowerDesigner绘制适配器模式结构图并用面向对象编程语言实现该模式。
五、实验结果
(1)简单工厂模式1：
类图：
结果：
(2)简单工厂模式2： 类图：
结果：
(3)工厂方法模式1 类图：
结果：
(4)工厂方法模式2 类图：
结果：
(5)抽象工厂模式1 类图：
结果：
(6)抽象工厂模式2 类图：
结果：
(7)单例模式1 类图：
结果：
(8)单例模式1 类图：
结果：
(9)适配器模式1 类图：
结果：
(10)适配器模式2 类图：
结果：
六、实验总结
异形柱结构体系综述 篇5
【摘 要】异形柱的出现极大的丰富了建筑布局的灵活性，其独有的柱截面形式多样、柱肢厚度与墙体等厚、室内没有柱楞突出等诸多优点，使得它很快被应用于实际工程。但其“先天”带来的承载力与抗震性能差使其在推广使用中具有很大的局限性。本文介绍了混凝土异形柱的发展和研究现状，浅析了目前研究中存在的一些问题，同时提出了今后研究方向并展望了应用前景。
【关键词】钢筋混凝土；异形柱；抗震性能
前言
近年来，随着国民经济的发展和人们生活水平的不断提高，商品化住宅产业已经成为房地产业不可或缺的一个重要组成部分，拥有一幢满意的住宅俨然已经成为了我国老百姓消费的第一大支出，同时人们对房屋的安全、舒适、布局等方面也有了更高的要求。所以，探索适应我国经济发展的住宅体系就变成了研究人员亟待解决的问题。我国上世纪曾一度使用多层砖混结构，然而由于其自重大、承载力低以及污染环境等缺点已经被基本淘汰。紧接着，多高层结构由于其更高的土地利用率、自重轻、抗震性能好等诸多优点成为了主流结构，在实际工程中很快被推广应用。
但是，框架或框架—剪力墙结构体系层数较多，为了满足结构的承载力和延性要求，传统矩形柱的截面尺寸不得不大于墙体厚度，使得柱子产生柱楞外凸，直接影响居室的使用面积并且影响家具家具布置。基于此，柱肢宽度与墙同厚的 L 形、T形及十字形等异形柱应运而生。使用的灵活性和建筑的美观性被异形柱有机地结合起来，为用户提供舒适的居住环境，完美解决了柱楞外凸的问题。
1.异形柱研究现状
早在20世界80年代中期，国外学者就发现了异形柱有着极大的应用前景并且对其进行了研究，但由于是开拓性探索，研究条件与思路都有一定的局限，当时的仅研究了异形柱构件单向和双向压弯受力性能。之后，国内学者紧跟国际发展潮流，引进并发展了异形柱结构，并对新型的异形柱形式展开了研究工作。目前国内外异形柱结构主要有钢筋混凝土异形柱、钢骨混凝土异形柱、钢异形柱与钢管混凝土异形柱。
1.1钢筋混凝土异形柱
这是最早形式的异形柱，如前文所述，国外学者早在20世纪80年代就开始了对钢筋混凝土异形柱的轴心受压性能和偏心受压性能的研究，并且提出了计算钢筋混凝土异形柱承载力的方法 [1]。在上世纪末，国内研究人员在国外研究结果的基础上，对钢筋混凝土异形柱进行了进一步的研究，提出了用于钢筋混凝土异形柱的抗震性能、节点承载力、截面承载力的设计方法 [2]。
1.2钢骨混凝土异形柱
由于在研究中发现了钢筋混凝土异形柱存在很大缺陷，所以研究人员尝试在钢筋混凝土异形柱内部设置型钢来增强其抗震性能，即钢骨混凝土异形柱。通过在各单肢型钢之间连接水平和斜向杆，然后浇筑混凝土，包裹型钢骨架，称为桁架式型钢混凝土异形柱 [3]。实验表明，在内部设置桁架体系虽然一定程度上提高了抗震性能，但依然没有解决钢筋混凝土异形柱与钢骨混凝土异形柱抗裂性能较弱的问题。
1.3 钢异形柱
钢异形柱是将若干（通常是1-2个）T形截面连接在一个H型钢截面上，从而组成十字形、 T形、L形柱[4] 。钢异形柱的出现很大程度上拓宽了异形柱的发展前景，它的翼缘宽度设置十分灵活，可以随着建筑墙体厚度的改变而改变，柱的翼缘与框架梁采用刚接的形式，进一步提高了结构的稳定性。钢异形柱因其使用灵活、便于施工等优点，广受研究与施工人员推崇，但其梁柱节点与形心偏离时，受力方向有很大的随机性，目前也并没有统一的计算标准，致使计算复杂且给后期分析带来不小的难度。并且为了防止局部失稳，必须提高用钢量，导致建设成本有较大提高，并不经济。
1.4钢管混凝土异形柱
钢管混凝土异形柱是通过在异形钢管柱中浇筑混凝土形成的。我们在施工中经常使用添加加劲肋等方法来提高砼与钢管的契合度，从而提高工作质量。试验结果表明[5] ，与钢筋混凝土异形柱相比，钢管混凝土异形柱明显具有更高的承载能力。但是在钢管内部放置加劲肋的工序太过繁琐复杂，给实际施工带来很大的不便，所以并不适合推广应用，假设使用螺栓机械咬合，那么螺母与螺帽在一定程度上也会妨碍墙体的立面效果。
2. 异形柱框架结构研究存在的问题
异形柱框架结构研究目前存在以下几点问题：
2.1异形柱结构的计算通常使用的方法为有限元分析法，该方法虽然有广泛的适用性，但不够系统，理论也不够完善。
2.2 由于异形柱框架结构是由钢管、钢筋、混凝土等许多不同材料及不同构件构成，且构成方式各有异同，所以其传导力的方式以和整体的受力性能并不能用“1+1=2”的思路来解决，而是要从整体来研究，但目前的研究更多的是局限在了局部性能和单个构件。
2.3 目前国内各研究机构及院校，对异形柱框架结构整体抗震性能方面的研究大多仅仅是停留在多层结构，对高层结构的研究鲜有涉足，并且得出的结果通常都是定性分析，并没能进一步得出更深入的结论，没有统一的计算方法，无法形成标准和行业规范。
3.结束语
虽然由于异形柱截面本身的承载力较低，抗震性能较差，导致钢筋、钢管混凝土异形柱结构存在某些“先天不足”，但所谓“瑕不掩瑜”，异形柱的优越性也是被广泛认同的，相信随着众多科研人员的不断探索，异形柱的缺点会被逐渐弥补，从而达到地震区的抗震设防要求，在建设21世纪新型住宅工程中发挥重要的作用。
参考文献：
[1] DEMAGH K， CHABIL H， HAMZAOUI L. Analysis of reinforced concrete columns subjected to biaxial loads [C]//Proceedings of the International Conference on Concrete for Transportation Infrasturcture. Dundee，2005：433-440.
[2] 赵艳静. 钢筋混凝土异形柱结构体系理论与实验研究[D]. 天津：天津大学，2004.
[3] 陈宗平，薛建阳，赵鸿铁.低周反复荷载作用下型钢混凝土异形柱的抗剪承载力分析[J].土木工程学报，2007，40（7）：30-36.
[4] 王明贵，张莉若，谭世友.钢异形柱弯扭相关屈曲研究[J].钢结构，2006，21（4），35-37.
高层建筑结构的设计特点及体系 篇6
1. 高层建筑结构设计的特点分析
1.1 结构设计的主要因素
在高层建筑工程项目中, 建筑结构的设计主要取决于结构自重所产生的水平荷载。究其原因, 主要是由于建筑的自重对竖向构件施加荷载所产生的弯矩数值、轴力数值, 将随着建筑层高的增加而呈小倍数同步增长;而建筑自重所产生的水平荷载, 对竖向构件施加作用力所引起的轴力、对结构体系施加的倾覆力矩, 将随着建筑层高的增加而呈多倍数同步增长。此外, 一般情况下, 高层建筑的竖向荷载通常是不变的, 而当建筑结构的动力特性发生改变时, 作为水平荷载的地震作用、风荷载的具体数值将不同程度的发生变化。
1.2 主要控制指标
相较于普通建筑、多层建筑, 高层建筑结构设计的控制, 其关键在于建筑结构的位移, 而随着现代高层建筑的层数的不断加大、水平荷载的持续增加, 其主体结构的侧向位移、变形幅度也将同步加大。在实际进行高层建筑的设计时, 不仅需要考虑到建筑结构的强度要求, 同时还要保证其具有足够的抗推刚度, 从而在水平荷载下, 将结构的位移控制在安全范围之内。
1.3 轴向变形问题
由于现代高层建筑的层数不断增加, 其竖向荷载所施加的作用力也将同步提高, 从而往往会造成柱体内部出现大幅度的轴向变形, 以至于影响到连续梁弯矩, 最终势必会降低连续梁中部支座区域的负弯矩数值, 而端支座的负弯矩数值、梁跨中正弯矩数值将有所增加。此外, 轴向变形还会影响到建筑预制构件的下料长度。在实际进行构件的预制时, 应根据轴向变形的具体情况进行全面、系统的计算, 将其结果作为主要依据, 及时调整下料长度。
1.4 关键设计指标
在由地震所产生的作用力之下, 相较于普通房屋、多层建筑, 高层建筑结构延展度、允许变形幅度较大。究其原因, 主要是由于高层建筑的高度过大, 在外在作用力之下, 为避免发生倒塌, 需要在建筑的构造上采取特殊处理, 以此保证建筑的主体结构在进入塑性变形期后, 仍具备一定的变形能力, 提高其延展性, 保证变形范围的最大化。
2. 高层建筑结构设计方案的对比
以某在建12层的高综合写字间为例, 该建筑的长、高、宽分别为48m、36m、18m, 两侧共设有9根纵向间距设定在6m、横向间距设定为18m的柱体。此外, 建筑的内部设有6×12m的管道井筒、电梯。
结构设计方案1:该方案是利用建筑的框架结构来承担所有水平力, 在方向不变的风载作用下, 框架两侧的柱体各自处于受压、受拉状态, 按照有关公式经过计算得出67.2×36×18/18=2418.2KN, 即总压力、拉力。在此基础上, 通过计算公式2419.2/9=268, 8KN/柱<7×3×9×10=1890KN可得9根柱体的平均受力小于恒载, 建筑的基础相对稳定、安全。
结构设计方案2:经过详细计算6×36× (6+12) ×2, 可得出建筑井筒墙的重量为7776KN, 而井筒所承受的风力荷载为1.4×6×8=67.2KN/m, 建筑结构的竖向荷载约15120KN左右, 抵抗倾覆弯矩的竖向荷载为22896KN。最后, 通过计算合力偏心距, e=M/G=67.2×36×18/22896=1.9m, 确认其超出安全范围、不符合稳定标准, 必须采取基础加固措施。
综合考虑多种形式的水平荷载, 对两种方案进行对比、分析, 不难发现, 方案1的稳定性、安全性优于方案2。由此可见, 高层建筑结构设计有着多种体系, 在设计前应综合考虑项目的实际需要与情况, 进行严格的筛选, 从中选取最佳方案才能确保建筑的质量安全。
3. 高层建筑的结构设计体系
3.1 剪力墙结构体系
高层建筑的剪力墙体系, 其主要是指全部采用了平面剪力墙构件的主体受力结构。在此种高层建筑结构设计体系中, 所有的水平作用力、垂直荷载均施加在单片剪力墙之上, 该结构设计体系主要采用的是刚性结构, 从而有着较高的刚度、强度, 其位移曲线呈弯曲形态。高层建筑采用剪力墙体系的优点在于, 延展性较强, 传力均匀且性能较强, 有着良好的整体性, 适用高度超出框架、框架——剪力墙体系, 是一种性能良好、状态稳定的结构体系。
3.2 框架结构体系
高层建筑结构的设计, 倘若采用框架结构体系, 其主要是利用柱体、梁架、基础共同组成一个平面框架, 同时将其作为建筑的主要承重结构, 最后通过梁的连结, 使各个平面框架组合形成一个整体的空间结构体系。此种结构体系的优点在于:可灵活布置建筑的内部平面, 可从中设置空间容积较大的餐厅、会议室、教室等;必要时, 可通过隔断的安设与拆除, 将建筑的平面布局为大空间或分割成小居室, 灵活调整以满足使用需求;建筑的外墙通常会选择使用非承重构件, 从而能够自由调整建筑的立面设计。值得注意的是, 此种结构的刚度较小、抗测力能力较差, 在地震所产生的荷载与水平荷载的作用力下, 将发生大幅度位移、破损, 对于超出十五层高度的建筑不宜采纳, 相反则可实现建筑结构经济性、安全性的平衡。
3.3 框架——剪力墙体系
对于选择框架结构体系的高层建筑, 倘若其刚度、强度无法满足安全标准及有关要求时, 通常需要利用质量较大的剪力墙, 来替换建筑平面部分位置的框架结构, 使剪力墙与框架形成一个整体, 即框架——剪力墙结构体系。在水平荷载的作用下, 充分利用了刚度较强的连梁、楼板, 使剪力墙结构体系部分与原有框架结构体系形成一个整体, 协同承受水平力。高层建筑采用框架——剪力墙结构体系, 水平剪力主要由剪力墙部分结构来承受, 而垂直荷载则由原有框架结构承担, 其位移曲线呈弯剪形态。此种结构体系的优点在于:通过剪力墙的增设, 提高了建筑结构体系的侧向刚度, 大幅缩减了建筑的位移数值, 同时也有效降低了原有框架结构所负担的水平剪力并竖向均匀地分散了内力。由此可以看出, 此种结构体系的总体性能优于框架体系。
3.4 筒体结构体系
筒体结构体系, 其主要是指将筒体作为主要抗侧力构件的建筑结构。高层建筑所采用的筒体受力构件, 可大致将其分为空腹筒、实腹筒两种。其中, 空腹筒受力构件, 主要是由开孔钢筋混凝土外墙、密排柱、窗裙梁以几种组合方式构成的构件;实腹筒受力构件, 主要是由曲面墙、平面墙共同围组而成的立体竖向结构单体。此种体系的优点在于:强度、刚度较大;各个构件的受力均匀、合理;有着良好的抗震性能、抗风能力。对于空间、跨度较大的超高层建筑, 采用此种结构体系较为适宜。
4. 结束语
建筑结构体系 篇7
在冯诺依曼体系结构教学方面, 许多大学已经开始研发各种基于软件和硬件模拟器来辅助课程教学和实验教学。[5]但在哈佛体系结构教学方面仍然缺乏有效的模拟器。[6]针对这一问题, 本文介绍了我们基于开源软件包Multimedia Logic (MML) 所开发的用于哈佛体系结构教学的模拟器。
模拟器结构和指令
1.总体结构
哈佛体系结构具有程序与数据物理上分开存储的特点, 从而提供了较大的数据存储器带宽。哈佛体系结构的工作原理是:CPU控制器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容, 根据指令中操作数的地址, 再到相应的数据存储器中读取数据, 并进行下一步的运算。
图1给出了我们所开发的哈佛体系结构模拟器框图。其中M1 (DataMem) 作为数据存储器, 其主要功能是用于存放执行的中间结果和过程数据。M2 (ProgramMem) 作为程序存储器, 其主要功能是用于存储程序指令。M3 (OpDecode) 作为指令译码器, 其主要功能是将操作码信号翻译成机器能够识别的控制信号。M4 (RI) 作为输入寄存器, 其主要功能是用于暂时存放数据存储器输出的数据。M5 (RO) 作为输出寄存器, 其主要功能是用于暂时存放运算结果。M6 (PC) 作为程序计数器, 其主要功能是用于存放下一条指令所在单元的地址。ALU1和ALU2是算术逻辑单元, 其功能分别是控制程序计数器的地址和执行相关的逻辑运算。Display作为显示器, 其主要功能是输出相关的结果。
2.指令系统
在哈佛体系结构模拟器设计中涉及的指令有5条[7], 分别是加法指令、跳转指令、加载指令、存储指令和输出指令。这些指令的具体说明详见下页表1。在这些指令中, 涉及寻址方式有立即寻址和直接寻址。
1.数据寄存器设计
在哈佛体系结构模拟器设计中涉及的数据寄存器有输入寄存器M4和输出寄存器M5。
其中输入寄存器M4的数据输入端与数据存储器的输出端相连;地址输入端与低电平相连;将控制信号DC1和时钟信号作为与门的两个输入端, 再与输入寄存器的读写控制端相连; 将输入寄存器的输出端与ALU2的其中一个输入端相连。图2给出了输入寄存器的设计图。[8]
输出寄存器M5的数据输入端与ALU2的输出端相连;地址输入端与低电平相连;将控制信号DC2和时钟信号作为与门的两个输入端, 再与输入寄存器的读写控制端相连;电平相连;将控制信号DC2和时钟信号作为与门的两个输入端, 再与输入寄存器的读写控制端相连;将输出寄存器的输出端通过信号I-Mem与数据存储器的输入端相连。图3给出了输出寄存器的设计图。
将输出寄存器的输出端通过信号I-Mem与数据存储器的输入端相连。图3给出了输出寄存器的设计图。
2.存储器设计
在哈佛体系结构模拟器设计中涉及的存储器有数据存储器M1和程序存储器M2。
图4给出了数据存储器的设计图。数据存储器M1的数据输入端通过信号I-Mem与输出寄存器的输出端相连;地址输入端通过信号Imm与程序存储器的指令地址码 (由于程序存储器M2输出的地址码Imm只有五位, 故在其高位补零使其成为八位Imm) 相连;将控制信号DC5和时钟信号作为与门的两个输入端, 再与数据存储器的读写控制端相连;将数据存储器的输出端通过信号Mem与输入寄存器的输入端相连。
图5给出了程序存储器的设计图。程序存储器的数据输入端与低电平相连;地址输入端与程序计数器的输出端相连;将读写控制端直接与低电平相连;将程序存储器输出端的高三位作为指令译码器的操作码与指令译码器相连, 低五位作为地址码与数据存储器的地址输入端相连。
3.指令设计
哈佛体系结构模拟器采用的指令格式为:每条指令长度为11位, 其中操作码长度为三位, 地址码长度为八位。三位操作码在经过指令译码器之后, 可以形成8个八位的控制信号DC0~DC7。由于程序存储器M2的高位输出端有三位操作码, 低位输出端的地址码只有五位, 故在其高位补零使其成为八位地址码。表2给出各条指令的操作码和控制码分配方案。
应用
我们以计算y=x+1为例说明模拟器应用操作过程。在应用操作过程中, 程序存储器中存储的内容既和程序的操作码有关, 同时与地址码也有一定关系, 所以在设计程序存储器相关程序时, 要考虑到操作码和地址码两部分。在设计程序存储器时, 需要注意一点:由于程序存储器输出端只有3位操作码, 故在设置时, 当程序指令为“0*”时, 操作码指向指令译码器的第0位; 当程序指令为“2*”时, 操作码指向指令译码器的第1位;当程序指令为“4*”时, 操作码指向指令译码器的第2位; 当程序指令为“6*”时, 操作码指向指令译码器的第3位;余下几位, 以此类推。以上所用“*”表示指令的地址码。
在设计数据存储器时, 需要事先在数据存储器的地址端存入十六进制数“79, 3D, 78, 2B, 31, 0D, 78, 3D, 34, 0D, 79, 3D”, 其所对应的ASCII值为“y=x+1_x=4_y=”, 其中“_”代表回车。这样的数据安排, 能够使指令顺序执行, 使显示器依次输出想要的结果。十六进制数“34”所对应的ASCII码值为4, 其值可以修改为30~38中的任意值, 最终的输出结果也会随之改变。
在整个程序的执行过程中, 前12个周期是按照指令存储的顺序依次执行, 其功能是为了实现“y=x+1_ x=4_y=”, 其中“_”表示回车。第13个周期是一条跳转指令, 其功能是将第9条指令输出的数据取来, 也就是输出“4”;第14个周期是一条跳转指令, 其功能是将第4条指令输出的数据取来, 也就是输出“+”;第15个周期是采用立即寻址的方式, 通过指针PC指向程序存储器所在的位置, 使信号Imm成为00000001, 并通过信号Bin传输到ALU的输入端, 最终使显示器输出“1”;第16个周期是一条跳转指令, 其功能是将第2条指令输出的数据取来, 也就是输出“=”;接下来的几个周期, 使DC6为低电平, 使显示器无法输出, 将信号RIO中的内容与信号Bin中的内容相加, 并在经过两个周期后, 传输至信号Mem, 此时再将DC6设为高电平, 使下一个时钟信号由低电平变为高电平时, 将信号Mem中的内容输出至显示器。
结论
面向本科生“计算机体系结构”课程教学的模拟器有很多, 但由于MML一方面具有软件的易动态运行、易修改、易二次开发的优点, 同时实现了硬件结构的逻辑门级映射, 弥补了其他计算机组成结构模拟器的不足之处, 因而, 本文推荐使用MML模拟器来进行教学活动。同时, 计算机体系结构主要有两类:冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构。由于笔者近期已经提出了基于开源软件包Multimedia Logic (MML) ·冯诺依曼模拟器ARCH, 因而, 笔者在本文中提出了另一种想法——用于计算机体系结构教学的哈佛体系结构模拟器。这样就弥补了MML模拟器在哈佛体系结构教学方面的不足, 从而使MML模拟器能够更好地用于计算机体系结构的教学工作。
通过本文设计的用于计算机体系结构教学的哈佛体系结构模拟器, 学生能够更加轻松且深刻地理解哈佛体系结构, 从而为以后步入社会打下坚实的基础。
摘要：已有的计算机体系结构教学模拟器主要是面向冯诺依曼体系结构。针对缺乏面向哈佛体系结构模拟器这一问题, 本文提出并设计了基于开源软件包Multimedia Logic (MML) [1]哈佛体系结构模拟器。该模拟器不仅具有软件的易动态运行、易修改、易二次开发的优点, 同时还实现了硬件结构的逻辑门级映射[2], 从而在课程教学和实验设计方面对哈佛体系结构教学提供了很好的支持。
关键词：模拟器,哈佛体系结构,MML
参考文献
[1]Multimedia Logic (Version 1.4) Emulator Program.http://www.softronix.comllogic.html.
[2]莫毓昌, 张前贤, 陈荣根.ARCH:用于计算机组成与结构课程教学的模拟器[J].计算机教育, 2013 (10) :56-61.
[3]W.Stallings.Computer Organization and Architecture[M].5th edition NJ:Prentice Hall, 2000:1-98.
[4]A.Tanenbaum.Structured Computer Organization[M].4th edition, NJ:Prentice Hall, 1999:1-320.
[5]C Yehezkel, W.Yurcik, M.Pearson, and D.Armstrong.Three Simulator Tools For Teaching Computer Architecture:EasyCPU, Little Man Computer, and RTLSim[J].Journal on Educational Resources in Computing, 2001, 1 (4) :60-80.
[6]D.Colton, G.Embrey, L.Fife, S.Mikolyski, D.Prigmore, and T.D.Stanley.From Architecture to Architecture:Undergraduate Students Design and Implement Computers Using the Multimedia Logic Emulator[J].Computer Science Education, 2007, 17 (2) :141-152.
[7]H.Oztekin, F.Temurtas1, A.Gulbag.BZK.SAU Implementing a Hardware and Software-based Computer Architecture Simulator for Educational Purpose[C].Proceedings of the 201O International Conference On Computer Design And Appliations (ICCDA 2010) , 2010:90-97.
轻型木结构房屋结构体系 篇8
在加拿大和美国,几乎所有的低层住宅都是轻型木结构房屋。最近几年,在我国的大连、北京、上海和南京等地的别墅建筑中,轻型木结构房屋也得到了快速的发展。为了吸收国外木结构的先进技术和成熟经验,2003年颁布的GB 50005-2003木结构设计规范增加了轻型木结构的内容,该规范以现代木结构观点,给出了木结构的使用条件,进一步扩大了木结构的适用范围。
轻型木结构有显著的优点,其设计多样化,易于建筑美观的表现;耐久性好,节能,环保,建筑材料可再生;构造简单、施工方便,建造速度快,可现场制作或者工厂预制。
1 轻型木结构房屋的定义
在我国木结构设计规范中,轻木结构房屋是指“由木构架墙、木楼盖和木屋盖系统构成的结构体系,适用于三层及三层以下的民用建筑”。这种结构体系是由各种木产品建造而成,承担并传递作用于结构上的各类荷载。这些木产品主要包括建造结构框架的规格材(实心木)、工程木产品(再造木),以及用来覆盖在框架上作为覆面板之用的板材,如胶合板或定向木片板。这里所说的覆面板是墙面板、屋面板和楼面板的统称。
我国木结构设计规范中所指的轻型木结构亦称“平台式框架结构”。平台式框架结构是一种更精确的表达方式,它描述了此种建筑结构的施工技术及方法。轻型木结构房屋通常采用混凝土基础,基础完成后将木材和楼面板制成的楼盖锚固在基础上,就形成了一层地面,同时也为一层墙体框架的施工提供了工作平台。墙体框架也是由木材和墙面板组成,每个墙肢相互连接,同时与楼盖连接在一起,从而形成一层房屋。建造两层房屋时,将第2层楼的楼盖锚固在第1层楼的墙顶,从而为建造第2层墙体框架提供工作平台。对于3层楼的房屋,可重复第2层楼的建造工序。最后将由木材和屋面板制成的屋盖安装在顶楼的墙顶上,并与墙顶紧固在一起,这就形成了完整的房屋。
2 轻型木结构的构造特征
2.1 墙体的构造特征
墙体的作用是承受竖向荷载并将屋盖和楼盖荷载传至房屋基础,并且承担由地震和风荷载引起的侧向力。采用木基结构板材的墙体是轻型木结构房屋中主要的抗侧力构件,因此墙体多数时候被称为“剪力墙”。从建筑功能上讲,外墙控制热量、潮气和空气在建筑物内外的流动;内墙分隔室内空间,并容纳机械、电器和管道部件。
墙体主要包括如下结构构件:
1)底梁板:水平结构构件,与墙骨柱的底部连接并固定于楼面板和楼面板下的楼盖搁栅,由规格材制成。
2)墙骨柱:顶梁板和底梁板之间的垂直构件,由规格材制成,截面尺寸一般为40 mm×90 mm或140 mm±2 mm。
3)顶梁板:墙骨柱顶端的水平结构构件,由规格材制成。一般为双层,上层顶梁板将墙肢连接在一起,并支撑搁置在其上面的楼盖搁栅或屋面桁架。
4)门窗过梁:由规格材、工程木产品或组合梁制成,连接门窗洞口两边的墙骨柱起到横梁作用,并支承门窗洞口上部的短墙骨柱和顶梁板。
5)托柱:比全长墙骨柱短,规格材制成,支承门窗过梁。
6)窗台梁:由规格材制成,构成窗洞口的底部边框。
7)短柱:比全长墙骨柱短,由规格材制成,支承门窗过梁上方的顶梁板或底梁板上方的窗台梁。
8)墙面板:相邻竖直放置的结构面板,和墙骨柱外侧固定在一起,墙面板之间应有一定的空隙。墙面板可采用木基结构板材或石膏板。在外墙中,一般为外侧采用木基结构板材,内侧采用石膏板;在内隔墙中,一般两侧均采用石膏板。
2.2 楼盖体系的构造特征
如图1所示,楼盖体系一般包括以下结构构件:1)搁栅:由一系列水平结构构件组成,用于支撑楼板、吊顶和屋盖。搁栅由规格材或工程木产品制成。2)封头搁栅:和搁栅末端垂直,用来固定搁栅端部并连接上层墙体的底梁板和下层墙体的顶梁板,由规格材或工程木产品制造而成。3)木底撑:一种水平支撑,固定于搁栅底部作为加劲杆之用。木底撑由小尺寸的规格材制成。4)梁(组合梁):较大规格的水平结构构件,为楼盖与屋盖搁栅提供中间支撑。梁由紧固在一起的规格材或工程木产品制造而成。5)楼面板:水平铺设的结构面板,彼此相接,并固定于楼盖搁栅的顶部。楼面板由胶合板或定向木片板制成。6)剪刀撑:在楼盖搁栅之间作为加劲杆的短交叉斜撑。由规格材制造而成。7)地梁板:水平结构构件,采用经过防腐剂加压处理的规格材,通过螺栓锚固于基础墙顶部,并支撑搁置在其上面的楼盖搁栅。地梁板只存在于基础楼盖中。8)地梁板锚栓:将地梁板锚固于混凝土基础上的L形钢螺栓,以抵抗作用于结构构件上的上拔力及横向力。埋在混凝土中的钢螺栓的端头通常弯曲以确保钢螺栓和混凝土之间的锚固力。地梁板锚栓只存在于基础楼盖中。
2.3 屋盖的构造特征
屋盖按照建造方法的不同可以分为传统屋盖和木桁架屋盖两种。传统屋盖是指采用单个构件(如椽条和搁栅等)在现场组装构成的屋盖;木桁架屋盖是指在工厂预制好桁架、运输到现场后安装桁架和屋面板而成的屋盖。
为了节约现场工作时间和材料,现在多数屋盖采用桁架建造。桁架是工程木产品,可通过设计来满足雪载和屋盖自重等特定荷载。屋盖桁架横跨两侧外承重墙,无需中间支撑,可适用于几乎任何形状的屋顶,也可用于屋面悬挑结构。木桁架有中柱式、豪式、芬克式、剪刀式、高脚式等多种形式,具体采用哪种形式需要根据桁架的跨度和建筑功能的要求确定。木桁架通常采用齿板连接,桁架的设计也由桁架齿板制造商根据桁架制造商的要求进行设计。
3 结语
与我国传统梁柱体系的木结构房屋不同,轻型木结构房屋主要以小尺寸的规格材和板材组合成的木剪力墙、楼盖、屋架作为主要受力构件。作为一种新型的结构体系,它具有绿色、环保、建筑材料可再生等优点,推广普及木结构将具有很好的市场前景和社会效益。
参考文献
轻钢民用建筑结构体系分析 篇9
过去, 我国钢材年产量较低, 建筑行业一直限制钢材的使用, 提倡大力发展混凝土结构和混合结构, 因此民用钢结构一直发展缓慢。80年代以后, 随着经济发展的需要, 我国开始引进钢结构房屋, 以门式刚架为主, 主要用于工业厂房、库房和一些公共设施。多层轻钢结构采用钢骨架和轻质围护结构, 自重轻, 对地质条件要求低。
2 结构方案
2.1 结构体系的选择
结构体系的选择, 不仅要从满足建筑的使用功能出发, 节约投资考虑, 更主要的是取决于建筑的高度, 即取决于建筑层数的多少。建筑层数越多, 高度越高, 则由于风力或地震力引起的侧向力就越大, 建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此, 随着建筑层数的不断增加, 结构体系也就需要不断的发展。目前, 多层和小高层钢结构建筑常用的结构体系有以下几种。
(1) 纯框架结构体系。纯框架结构体系在地震区一般不超过15层。框架结构的平面布置灵活, 可为建筑提供较大的室内空间, 且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性, 自振周期较长, 因而对地震作用不敏感, 抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小, 由于侧向位移大, 易引起非结构构件的破坏, 因此不宜建的太高。
(2) 框支结构体系。纯框架在风、地震荷载作用下, 侧移不符合要求时, 可以采用带支撑的框架, 即在框架体系中, 沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中, 框架的布置原则和柱网尺寸, 基本上与框架体系相同, 支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置, 沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接, 形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构, 能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度, 可以明显减小建筑物的层间位移。
(3) 框架剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系, 这种结构以剪力墙作为抗侧力结构, 既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点, 又有较大的刚度, 可用于40至60层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积 (如楼梯间、电梯间和卫生间) 周围设置, 就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度, 成为主要的抗侧力构件, 承担大部分水平荷载, 钢框架主要承受竖向荷载。
2.2 楼面结构
多层轻钢建筑楼板必须有足够的刚度、强度和整体稳定性, 同时应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重, 并提高施工速度, 组合楼盖是常用的楼盖之一。到目前为止, 组合楼盖主要有以下三种形式: (1) 压型钢板组合楼盖, 其下表面凹凸不平, 在民用建筑中需做吊顶, 造价较高; (2) 现浇整体组合楼盖, 其整体性能好, 但需要支模板, 施工速度慢; (3) 钢-混凝土叠合板组合楼盖, 其整体性好, 还能节省支模和吊顶的费用。
在组合楼板的应用中, 为使楼层高度减到最小, 提供更大的无柱空间, 现在的趋势是把楼板和钢梁合为一体, 形成组合扁梁楼盖。
2.3 支撑和剪力墙形式
多层框架钢结构体系的侧向刚度较弱, 随着层数的增加, 为了抵抗水平地震作用, 减小层间错移, 常在墙体内布置垂直支撑, 为了方便门窗开洞, 支撑形式可以灵活采用, 如X型、单斜杆型、K型、M型、W型、V型和人型等。建议多采用偏心支撑, 因其在地震作用下具有较好的延性和耗能性能。
剪力墙按其材料和结构的形式可分为钢筋混凝土剪力墙、钢筋混凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。钢筋混凝土剪力墙刚度较大, 地震时易发生应力集中, 导致墙体产生斜向大裂缝而脆性破坏。为避免这种现象, 可采用带缝剪力墙。钢板剪力墙是以钢板做成剪力墙结构, 与钢框架组合, 起到刚性构件的作用。
3 工程实例分析
3.1 工程概述
分析以典型的办公楼布置为基础, 平面尺寸为72m×14.4m, 基本柱网尺寸为8.4m×7.2m, 跨度为6m, 柱距为7.2m, 内走廊宽2.4m, 层高为3.2m, 层数考虑3至18层。采用钢框架结构体系, 若不满足侧移要求, 适当加一些支撑。主梁采用焊接工形截面, 柱采用焊接箱型截面。框架的横向和纵向梁柱按刚性连接设计, 现场采用摩擦性高强螺栓和焊接连接, 次梁为工字型截面单跨简支梁。外墙正立面为240厚瓷砖饰面的混凝土砌块, 主要隔断内墙为200厚混凝土砌块, 次要内墙为轻钢龙骨石膏板轻质隔墙。楼盖采用钢-混凝土叠合板组合楼盖, 设计主次梁时充分考虑楼盖与钢梁的组合作用。
3.2 计算参数及计算软件
本工程设计主要依据国家有关设计规程、规范, 如《建筑结构荷载规范》 (GBJ9-87) 、《建筑抗震设计规范》 (GBJ11-89) 、《钢结构设计规范》 (GBJ17-88) 、《混凝土结构设计规范》 (GBJ10-89) 、《建筑地基基础设计规范》 (GBJ7-89) 等。所有梁柱均采用Q345钢, 基础和负弯距受拉钢筋为Ⅱ级, 楼板及分布筋Ⅰ级, 楼板混凝土标号为C40。
结构上作用活荷载包括楼面活荷、风荷和地震作用, 横荷载包括楼板和墙体自重, 均按《建筑结构荷载规范》 (GBJ9-87) 取用, 梁柱自重按实际重量取用;基本风压按北京地区0.35k N/m2取用;设计地震烈度为8度, Ⅱ类场地。
计算软件采用通用有限元软件ANSYS, 它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型软件包。主要利用ANSYS软件提供的结构静力分析模块, 采用三维beam4梁单元和shell93壳单元按空间模型进行计算载荷引起的位移和应力, 并按照《钢结构设计规范》验算构件的强度、刚度、整体稳定和局部稳定性。同时采用通用结构分析软件SAP93进行结构复验计算分析。
3.3 计算工况及说明
计算时考虑以下主要的3种工况:1.2恒荷+1.4活荷、1.2恒荷+1.4×0.85 (活荷+风荷) 以及地震作用。在计算地震作用时, 12层以下采用底部剪力法, 13至18层采用振型叠加法, 考虑前5个自振周期。
4 计算结果及分析
4.1 层数对结构体系及平面布置的影响
3至6层建筑物的设计是由竖向荷载控制着结构布置和构件截面尺寸的选择, 由于其侧移很容易满足, 为了节省钢材, 可以抽去靠近走廊的一排柱子, 每榀刚架布置3根柱子。
随着层数的增加, 尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响, 但水平荷载却起着决定性的因素, 控制着构件截面的选择。此时, 为了满足侧移要求, 要么保持3排柱子布置不变, 增大柱子截面尺寸;要么改3排柱子为4排。两种方案分析比较发现改为4排柱子更为经济。
当房屋层数达到15层时, 其顶点位移和层间位移已经非常大, 欲满足设计要求, 仅仅靠增大柱截面已经不经济了, 这时沿横向和纵向在边跨和中跨适当的布置一些支撑反而更节省钢材。
5 结论
本文通过对各种方案的分析比较发现, 3-6层设计由竖向荷载来控制, 采用三排柱布置纯框架比较经济;7-14层竖向荷载和水平荷载作用都很显著, 采用四排柱布置的纯框架用钢量较为节省;而对于15-18层, 水平荷载作用占主导地位, 适当增加一些支撑, 增大整个结构的抗侧力刚度, 比单纯靠梁柱的受弯来抵抗水平位移更为经济。
参考文献
[1]李科.地下工程结构耐久性分析与评价[D].郑州大学, 2010.
钢结构体系技术在建筑工程中应用 篇10
【关键词】钢结构体系；技术；工程应用
1.高层钢结构住宅承重钢结构体系
1.1体系的分类
1.1.1钢框架结构体系
其特点是受力明确，平面布置灵活，为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀，具有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好，结构简单，构件易于标准化、定型化，施工速度快.但框架结构属典型的柔性结构体系，其侧向刚度差，易引起非结构构件的破坏。
1.1.2钢框架-支撑结构体系
为了提高钢框架的侧向刚度，有效地抵抗水平荷载，减少层间位移，通常在墙体平面内布置由角钢或槽钢构成的垂直支撑体系，当房屋较高时，较纯框架经济。支撑设置的位置要合适，为了与建筑设计相协调，一般布置在窗台下至下层窗顶之间，既隐蔽又能满足支撑体系的需求。考虑到门窗的布置，可采用W 形、X 形、K 形、人字形和门式等形式。支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况调整支撑的数量、形式和刚度。为了有效地提高钢框架的侧向刚度，支撑应沿建筑物同一平面四周环向封闭布置，以形成一个封闭的加强箍。偏心支撑在地震作用下具有较好的延性和耗能性能，可在强震区采用。
1.1.3交错桁架结构体系
由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成，桁架高度等于层高，在相邻柱上为上下层交错布置，楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两开间布置一榀桁架，且中间无柱子，所以非常适合要求各单元灵活布置的住宅、旅馆建筑。同时，因为桁架隔层布置，减小了桁架弦杆引起的局部弯矩，使柱在框架平面内的弯矩很小，主要受轴力，有利于减小柱的断面尺寸，框架的横向刚度大，侧向位移小。
1.2设计原则
承重钢结构体系的结构设计宜遵循强柱弱梁、强节点弱构件的一般设计原则，在具体设计时，若较难满足强柱弱梁的设计公式，则满足轴压比要求也可。框架主梁的材料一般可选用热轧或高频焊接H 型钢，次梁可以有多种作法。框架柱子的材料一般可选用热轧或焊接工字钢、H 型钢、方（箱形）钢管、圆钢管或冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢。为了节约钢材，降低造价，框架柱也可采用在空钢管内浇筑高强素混凝土而形成的钢管混凝土框架柱。由于钢管混凝土柱结合了钢柱与混凝土柱的优点，具有良好的受力性能、抗震性能和耐火性能。其单柱的轴向承载力大幅提高，使钢柱截面尺寸大幅减小。与H 型钢柱相比，用钢量可节省约50％，造价约降低45%。
1.3连接形式
框架横梁与柱在强轴方向适于采用刚性连接；而在弱轴方向宜结合支撑布置采用钢管柱设计方案。钢框架梁柱节点连接的构造形式为：①螺栓连接；②焊接连接；③栓、焊混合连接。焊接节点的连接刚度大，混合节点次之，螺栓节点的连接刚度较小，但螺栓连接的安装施工速度最快，且在现场拼接和安装时，施工质量容易保证。主梁与次梁之间一般也采用铰接，在连接构造上以焊接和高强度螺栓连接为主，也可采用栓、焊混合的连接方式：梁腹板用高强度螺栓连接，翼缘用焊接，可先用螺栓安装定位，再对翼缘施焊。
2.楼面结构体系
楼面结构由钢梁和楼面板组合而成。楼盖除了将竖向荷载直接分配给墙、柱外，更主要的作用是参与并保证和抗侧结构的空间协同作用。因此，必须保证楼盖有足够的强度、刚度和整体稳定性，同时应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度。作为民用住宅的楼面结构，楼板还应具有较好的隔热、隔声、保温、防水和防火性能。为了保证钢梁的整体稳定性，楼面主、次梁应采取紧凑型构造措施。目前主要采用的楼板形式如下：
2.1压型钢板-现浇混凝土组合楼板
整体分析时要考虑组合楼板的各向异性对框架梁的影响：①根据楼板设置情况确定是连续板或简支板、传力路径是单向还是双向；②组合钢梁是按强边还是弱边组合造成的刚度差异；
2.2预制预应力混凝土叠合楼板
即钢梁与预制预应力混凝土薄板连接，上浇混凝土薄板以组成叠合楼板。由于这种楼板不仅具有现浇组合楼盖的整体性，还可以省去压型钢板，也无需支模，施工方便，可降低楼板造价，应为首选。
3.围护结构体系
内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的30%，对钢结构住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求，故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板（ALC板）、SRC 复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ALC 轻质砌块、轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。ALC 板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性，非常适合与钢结构配套使用，使用250mm 以上厚度的ALC 板作为外墙，可达到节能50%的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔音等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外，还具有抗震、透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙。屋盖系统尽量采用有檩体系，屋面材料可与楼面相同，也可采用彩色压型钢板防水屋盖，该屋盖系统既具备了良好的防水防腐效果，又起到了屋面的隔热保温作用，丰富了建筑物的外部造型。如洁面彩色涂层压型钢板屋面系统，具有如下特点：①屋面无明钉，防水性能极佳，可做成大小头，适应屋面的复杂变化，且可自由伸缩；②板肋较低，采用卷边方式固定；③惯性矩小，易做成三维曲面板，屈服强度为300MPa；④造价适中；⑤适用板材：钢板、铝板、铜板、钛鋅板等，其中尤以钢板的造价最经济。彩涂板本身具有良好的防水性，不会漏水，产生漏水的主因是压型钢板、夹芯板板缝处理不好。
4.钢结构住宅的特点和综合效益
4.1结构轻质高强，抗震性好，工程造价低
钢材的抗拉、抗剪强度相对较高。钢结构住宅可以充分发挥钢材自重轻、强度高、延性好、塑性变形能力强、抗震性能好的特点，不仅所受的重力和地震作用小，从而减小梁、柱截面尺寸，节约钢材，而且还可以降低造价和运输安装费用。
4.2外部造型美观，空间布局灵活，建筑功能增强
由于钢材轻质高强的特点，便于形成大柱距、大开间的建筑空间，灵活地分隔和布置室内的分区，更好地满足现代住宅建筑的使用功能要求，与砖混结构或混凝土结构相比，其有效使用面积可提高10～15％。建筑造型可丰富多彩，也可简洁明快。
4.3易于改造，管线布置方便
钢结构的内部分割、接高、加固等较为灵活。钢梁的腹板允许穿越小于一定直径的管线，加之结构空间的孔洞与空腔，使管线布置、更换、修理方便。
4.4符合节能环保要求
钢结构住宅建筑所用材料主要是环保型绿色可回收或易降解的材料，在建筑物需拆除时，钢材可全部回收利用，大大减少了建筑垃圾，对周围环境污染小，利国利民。
5.结束语
浅述钢结构住宅结构体系 篇11
1) 钢框架与砼筒体 (墙体) 的混合结构体系;2) 钢框架加支撑的结构体系;3) 钢框架与预制砼墙体的框剪结构体系;4) 纯钢框架结构体系;5) 错列桁架结构体系;6) 轻钢龙骨结构体系。
1.1 钢框架与砼筒体 (墙体) 的混合结构体系
钢———砼混合结构的平面布置一般为楼电梯或卫生间采用钢筋砼, 形成主要的抗侧力结构, 而外周的框架则采用钢框架。此结构体系将钢的强度高、重量轻、施工快和砼的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机地结合起来, 外周梁柱连接一般采用刚性连接, 而楼面钢梁与砼墙则采用铰结。
1.2 钢框架支撑体系
对多层及小高层建筑, 可以建筑的外墙, 结合门窗位置布置双向交叉支撑, 支撑采用角钢、槽钢或圆钢, 可按拉杆设计, 而且在轻钢结构中, 支撑也未必自下而上同位置设置, 也可跳格布置, 其目的主要是增加结构刚度。当外墙开有门窗时, 也可在窗台高度范围内布置, 形成类似周边带状桁架的结构形式, 对结构整体刚度进行加强。对高层住宅, 可选择山墙和内墙布置中心支撑或偏心支撑, 值得注意的是, 当采用单斜杆体系时, 应设置不同倾斜方向的两组单斜杆, 以抵抗双向地震作用, 在节点方面, 若支撑足以承受建筑物的全部侧向力作用, 则梁柱可部分或全部做成刚接。
1.3 钢框架———预制砼墙体
该体系一般在预制砼墙体中均埋有钢板支撑, 只在支撑点处与钢框架相连, 且砼墙板与框架梁柱留有空隙。从受力上讲, 它仍是一种支撑, 但其特点是内藏钢板按强度控制设置, 不考虑屈曲。
对砼墙体应双面配筋, 且应布置拉结筋, 在钢支撑端部范围内, 应设置构造加强筋, 如采用梅花筋、螺旋筋、钢箍等。这种体系受力性能好, 支撑构件相对较经济, 且能与隔墙布置相结合。但现场安装比较困难, 制作比较复杂。
1.4 钢框架结构体系
该体系受力明确, 它的延性好, 抗震性能也是最好的。其使用灵活, 制作安装简单, 施工较快, 但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大, 一般多用于6层以下的多层建筑, 且一般情况下, 梁柱节点应采用刚接。这种体系用于高层建筑经济性较差, 但用在双向开间较多的多层建筑, 用钢量并不多。在日本60米以下的钢结构大多采用此结构体系。
1.5 错列桁架结构体系
该体系产生于20世纪60年代, 由美国麻省理工学院首先提出, 并成功用于多个公寓及旅馆建筑中。
该体系是由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成, 桁架高度等于层高, 在相邻柱上为上下层交错布置, 楼板一端搁置在桁架的上弦, 另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两开间布置一榀桁架, 且中间无柱子, 所以非常适合住宅、旅馆建筑各单元的灵活布置要求。这种体系的用钢量可较框架结构减少30～40%, 因此该体系是一种经济、实用、高效的新型结构体系。
1.6 轻钢龙骨结构体系
该体系主要用于中低层住宅或别墅, 大致可分为两类, 一类为以冷弯C型钢组成的龙骨体系, 另一类以小型热轧型钢组成的龙骨结构体系。
2 柱形式
柱形式一般有:圆钢管砼;方钢管砼;方钢管;热轧H型钢;钢骨砼。
圆钢管砼:其主要优点是受力性能好、小柱截面、耐火性能好、易加工。对于该柱一般不控制其轴压比, 而控制其长细比, 以使柱具有必要的延性, 要求延性系数大于5.0时一般控制其长细比L/D小于8.25即可。如层高小于2.9米, 梁高取400, 钢管取300, 则L/D=8.3, 延性可满足。若层高大于2.9米, 建议钢管直径取为350。
方钢管砼:其主要优点是便于梁柱连接、耐火性能好, 虽受力性能较圆钢管略差, 但受力性能及刚度仍较H型钢柱为佳。该柱的延性与轴压比、长细比、含钢率、钢材屈服强度及砼抗压强度有关。
对该柱, 一般应控制其轴压比。如长细比λ=30, 含钢率α=0.2, Q345钢材Fy=345Mpa, 容许轴压比[n]=0.889, 则可保证柱子的延性系数大于6.0。对C40以上砼, 轴压比应适当加严。
在钢管砼中, 若采用高强钢管砼, 可节省钢、砼用量50%以上, 并大幅减轻结构自重;若采用耐火耐候钢, 防火涂料可省一半以上;若有多层地下室, 地下部分还可采用逆作法施工, 省去大开挖所需可观的岩土工程费用, 更重要的是还可缩短施工工期3～9个月, 综合经济效益巨大。
方钢管:其主要优点是便于梁柱连接, 双向受力性能较好, 抗扭能力强;缺点是耐火性能差、不易加工、节点连接困难, 若无成品钢管, 焊接工作量较大。
热轧H型钢:其主要优点是材料供应充分, 加工制作方便, 连接简单;但弱轴方向刚度较差, 若满足强柱弱梁要求, 柱尺寸要增大许多。
钢骨砼:其主要优点是耐火性能更好, 无需做防火处理。较热轧H型钢、方钢管用钢量省, 能节省材料造价;但施工复杂, 周期长。
3 墙体材料
为体现高层钢结构住宅的优越性, 减轻结构自重, 外墙体一般采用轻质复合墙板, 与梁柱的连接方式, 主要采用外挂式。
外墙材料主要有高密度水泥纤维板、墙用PVC板、轻质加气砼板材、蒸压轻质加气砼 (ALC) 板、GRC板、预应力空心墙板、钢丝网水泥夹心板等。前两种国内基本未生产。
内墙材料一般可采用加气砼砌块, 也可采用纸面石膏板、纤维石膏板、玻璃纤维增强水泥板、预应力空心墙板、GRC板、钢网泡沫塑料墙板、纸面稻草板、定向刨花板等。
墙用保温隔热、隔声材料一般采用玻璃丝棉。
墙用防水材料种类较多。国外一般采用单向透气透水的防水纸, 国内未具备生产能力。
4 楼板体系
钢结构住宅中, 楼板体系一般有以下几种:压型钢板砼组合楼板、预制砼叠合板、现浇钢筋砼楼板
1) 压型钢板砼组合楼板:
由于要满足楼板1.5小时的防火要求, 其上须浇80厚的砼, 采用蝶型压型钢板楼板总厚度将达130～150m m, 且用于居住建筑时, 室内需另加吊顶, 如采用劲扣式的压型钢板楼板厚度可减为110mm, 对钢结构住宅可采用bardeck的BD-40型劲扣式压型钢板, 其肋高仅为40m m, 且内口封闭, 不需要再做吊顶, 仅需在缝隙处加贴绷带即可。由于组合楼板担负着传递水平力的作用, 故而钢梁与压型钢板连接处应设置必要的栓钉, 设计时考虑钢梁与楼板的组合作用, 可显著提高梁的承载力及稳定性, 有效降低梁高。但组合楼板应满足计算标准化撞击声压级小于75dB的要求。楼板的隔声要求在住宅的设计中已显得日益重要。
2) 预制砼叠合板:
砼叠合板就是将现浇结构根据使用要求和制造时的受力特点改为预制的单个构件和现浇部分, 其中预制的单个构件在工厂制造, 然后将其运至现场装配, 再在其上浇捣现浇砼, 从而形成叠合装配整体结构, 这种结构的主要优点是:机械化程度高、工期短、可采用预应力技术及高强度钢材、预制部分体积小、重量轻、运输吊装方便;但预制部分的砼与现浇砼存在龄期上的差别, 两者之间存在收缩应力, 且板缝之间易于出现裂缝。
3)
现浇楼板采用工具式支撑楼板, 其优点是整体性好、装修方便、但模板较费, 钢筋与钢梁的连接和构造比较复杂, 且施工周期较长, 同时为保证砼楼板与钢梁的共同作用, 钢梁上翼缘也必须设置必要的栓钉。
5 梁柱节点及柱脚节点
在钢框架———砼筒体和钢框架加支撑体系中, 梁柱节点均可采用铰接、刚接或半刚接, 在高层钢结构住宅中, 为保证砼筒体开裂后, 钢框架仍有足够的承载力, 一般外围的钢框架采用刚接, 而楼面梁与砼筒体则采用铰接。结构布置时, 一般将主轴设置在钢框架平面内。梁柱采用刚接时, 应满足强柱弱梁的要求。大开间住宅要满足此条件, 柱子尺寸会比较大, 因此在可能的条件下, 外围柱子应尽可能采用小开间, 从现有的工程情况来看, 结构布置时, 除将楼电梯间设成筒体, 还可将卫生间布置成砼筒体。至于钢柱脚的连接方式也可采用铰接或刚接, 对多层和小高层及地下层数较多时可采用铰接, 但应考虑柱脚在地下部分的防腐;而对高层住宅, 柱脚宜采用刚接。《钢框架核芯筒住宅建筑体系技术导则》中推荐了几种连接方式。复杂节点设计可采用ansys等软件分析, 并辅以模型实验验证。
另外, 高层及小高层住宅多采用条形挂板或整开间外挂大板, 但必须注意接缝设计和有安装调节措施。对于高度不太高的建筑 (18米以下) 可通过钢梁与板构件上的预埋件焊接加以解决, 对于高度大于18米的建筑, 除应将接缝处板预埋件与钢梁焊接外, 板中还应设勾头螺栓与钢梁拉接。
6 钢结构住宅的防火要求
根据《高层民用建筑设计防火规范》的规定, 19层以上的住宅防火等级为一级, 构件的耐火时间要求为柱:3小时、梁:2小时、楼板:1.5小时;19层以下的住宅防火等级为二级, 构件的耐火时间要求为柱:2.5小时、梁:1.5小时, 楼板:1.0小时。对防火涂料而言, 一般薄型防火涂料的耐火时间不超过1.5小时, 超过1.5小时应采用厚型防火涂料。钢构件的防火可采用外包砼 (或砖砌法) 、防火涂料、防火板包覆和复合结构等多种方式, 防火板又可分为防火厚板和薄板, 防火厚板厚度为20～50mm, 主要有硅酸钙防火板和膨胀蛭石防火板, 主要品种有KB板、GF板;防火薄板厚度在6～15mm之间, 主要品种有短纤维增强水泥压力板、纤维增强的普通硅酸钙板及玻璃布增强无机板。对型钢柱子, 因柱子的防火要求较高, 一般采用外包砼 (或砖砌法) 、厚型防火涂料、防火厚板和复合结构几种方式, 0.000以下应采用外包砼的方式, 当采用防火厚板包覆时, 大多数情况下4～5cm的板厚可满足3小时的要求, 当采用复合结构防火时, 钢梁钢柱经厚型防火涂料涂覆后用防火薄板作为装饰面板。
钢管砼的耐火性能较型钢柱有很大改善, 且钢管直径越大, 耐火时间越长, 反之直径越小, 达到相同耐火时间所需防火涂料厚度愈厚, 深圳赛格广场的试验及工程实践的数据表明, 直径500的钢管砼防火涂料厚度为15mm即可满足3小时的耐火时间, 而对直径300mm的钢管砼柱, 防火涂料厚度则需25mm。钢梁的防火可采用H型钢翼缘内填充加气砼砌块, 再用金属网抹25厚蛭石砼包覆, 也可采用防火板或防火涂料, 考虑住宅的特殊性, 一般配合装修应采用防火板包覆。
随着冶炼技术的提高, 为适应市场的需求, 多家钢铁企业开发成功了耐火耐候钢。它是通过的技术, 使钢材含有特定的成分 (如加钼等) , 使其表观结构及金相组织发生变化, 从而具有特定的耐火性和耐候性。该钢的耐候性为普通钢的2～8倍, 耐火性可使钢材在600度时屈服强度下降不大于1/3, 使用耐候钢可减少防火涂料1/3, 省去防锈漆, 节约综合成本30%, 但其价格仅比普通钢材增加10%, 综合效益显著。因此耐火耐候钢具有更广阔的发展前景, 应提倡推广应用。
7 钢结构住宅的经济性
钢结构住宅的经济性是阻碍其发展的最大障碍。根据现有水平, 钢结构土建造价要比钢砼住宅高10%～20%左右, 但钢结构较砼结构在基础造价上可节约30%, 且钢结构住宅的得房率较砼住宅高7%～10%, 此外钢结构的施工工期也可减少约30%以上。综合考虑, 钢结构住宅造价大致可与砼住宅持平, 特别是随着房屋层数的增加, 钢结构更能体现其优越性。对于北方地区, 钢结构住宅更能节约节能费用8%。并且住宅到寿需拆除时, 钢结构比砼结构住宅的循环利用价值更高。所以对钢结构住宅的经济性应综合衡量, 工期缩减、使用面积增加、银行贷款利息减少等因素决定了钢结构住宅的有利经济性。根据现有的工程经验, 一般9～14层的钢结构住宅的土建造价约1100～1500元/m2左右, 型钢用钢量约40～50kg/m2左右。
8 需要进一步明确的技术问题 (高层住宅)