第九章 大跨度建筑

第九章大跨度建筑結構第一節(jié)單層剛架一、受力特點剛架是橫梁和柱以整體連接方式構成的一種門形結構。第九章大跨度建筑結構第一節(jié)單層剛架一、受力特點結構特點：梁柱合一，以橫向受彎為主，梁柱剛接的相互約束減少了梁跨中與柱內彎矩，雖有軸力，但以彎矩為主，是其承荷傳力的基本特性剛架是橫梁和柱以整體連接方式構成的一種門形結構。豎向荷載作用下，柱對梁的約束作用，減小了梁跨中的彎矩和撓度。水平荷載作用下，梁對柱的約束作用，減小了柱內的彎矩和側向變位。二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架1.按結構形式分類：

剛架是橫梁和柱以整體連接方式構成的一種門形結構。按結構組成和構造方式的不同，分為無鉸剛架、兩鉸剛架和三鉸剛架。無鉸剛架 三次超靜定，剛度大、內力??；基礎較大、對地基要求高。

兩鉸剛架 一次超靜定，基礎處為鉸支承；為常用的一種剛架。

二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架三鉸剛架 靜定結構，剛度較差、內力大；地基條件較差時使用。懸臂剛架

二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架2.按材料分類：

（1）膠合木剛架

利用短薄的板材拼接而成，具有較好的防腐和耐燃性能，可提高生產效率，另外，構造簡單、造型美觀且便于運輸安裝。

（2）鋼剛架

實腹式和格構式。實腹式適用于跨度不很大的結構。當跨度或荷載較大時構件應為變截面，使截面高度適應彎矩圖的變化。為充分發(fā)揮材料的作用，可在支座內設拉桿，并施加預應力使剛架橫梁產生卸荷力矩及反拱。二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架2.按材料分類：

（2）鋼剛架——實腹式和格構式。實腹式跨度不大，兩鉸式結構，橫截面一般為焊接工字形，變截面。梁柱轉角處應力集中，采取構造措施：圓弧過渡并設置必要的加勁肋。h/L約1/12～1/20施加預應力時，約為1/30～1/40

實腹式剛架二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架2.按材料分類：

（2）鋼剛架——格構式具有剛度大、耗鋼省等優(yōu)點。

格構式h/L約1/15～1/20

跨度較小時，三鉸式結構

跨度較大時，無鉸或兩鉸結構二、類型及適用范圍第一節(jié)單層剛架2.按材料分類：

（3）鋼筋混凝土剛架

一般適用于跨度≦18m,高度≦10m的無吊車或吊車荷載≦100KN的建筑中，最大跨度可達30m截面：矩形，工字形。立柱上大下小為鍥形構件，橫梁為直線變截面。梁柱轉角處應力集中，采取構造措施三、常用單層剛架基本尺度第一節(jié)單層剛架見P279表9-1四、單層剛架的布置第一節(jié)單層剛架結構的布置：可平行布置、輻射狀布置或者其他方式。

剛架的間距：鋼筋混凝土剛架一般不大于9m，鋼剛架當采用輕型屋面時可達12m，甚至15m。一、受力特點第二節(jié)桁架結構桁架結構形式1.組成：由桿件組成的格構體系一、受力特點第二節(jié)桁架結構（二）受力特點、優(yōu)缺點

1.受力特點：當荷載只作用于結點時，各桿只受軸力，截面上應力分布均勻。

2.優(yōu)點：材料強度利用充分，減少材料用量和結構自重，使結構跨度增大

3.適用范圍：用于體育館、影劇院、展覽館、食堂、菜場、商場等公共建筑。二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構工程中的桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構按所使用材料的不同：木屋架、鋼—木組合屋架、鋼屋架、輕型鋼屋架、預應力混凝土屋架、鋼筋混凝土—鋼組合屋架等按屋架外形的不同：三角形、梯形、拋物線形屋架、折線形屋架、平行弦屋架等。根據受力特點及材料性能的不同：橋式屋架、無斜腹桿屋架、剛接桁架、立體桁架等。二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構1、木屋架二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構1、木屋架二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構2、鋼木組合屋架——采用鋼拉桿做屋架下弦，代替存在干裂缺陷且連接不便的木材，大大提高了結構的可靠性、剛度和承載能力。而用鋼量僅增加2-4KG每平方。3、鋼屋架：（1）連接形式：鉚接、焊接或螺栓連接二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構4、鋼筋混凝土屋架二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構5、鋼筋混凝土——鋼組合屋架二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構6、其他形式的桁架二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構6、其他形式的桁架二、桁架的類型及適用情況第二節(jié)桁架結構6、其他形式的桁架第三節(jié)拱結構第九章大跨度建筑結構一、受力特點與梁結構相比，拱結構受力有什么特點？梁結構是以受彎為主，拱結構是以受壓為主。與桁架結構相比，拱結構受力有什么特點？桁架結構相當于一個受彎構件（弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力），而拱結構是以受壓為主。一、受力特點第三節(jié)拱結構1）優(yōu)點：截面較小，充分利用了抗壓性能好的材料。2）缺點：水平推力的存在是一件麻煩且費材料的事。二、平衡拱推力的方式第三節(jié)拱結構（1）推力由拉桿承受拉桿供：在拱腳處設置鋼桿，利用鋼桿受拉從而抵抗拱的推力。在拱結構的范圍內直接解決推力問題，而不致將推力傳給支承拱的結構構件上。故普遍用于屋蓋結構上。二、平衡拱推力的方式第三節(jié)拱結構拉桿的設計要求1）推力較大時用型剛勁性拉桿；推力較小時采用圓鋼柔性拉桿。2）根數(shù)不超過三根，使拉桿受力均勻。為了避免拉桿在自重作用下嚴重下垂，通常設置吊桿以維持拉桿的水平位置吊桿的作用是為了避免拉桿在自重作用下嚴重下垂二、平衡拱推力的方式第三節(jié)拱結構（2）推力由水平結構承擔二、平衡拱推力的方式第三節(jié)拱結構（3）推力由豎向結構承擔為了避免框架產生過大的水平位移和或傾斜，拱結構兩側的框架必須有足夠的剛度。（4）推力由基礎直接承擔落地拱結構的優(yōu)缺點？優(yōu)點：外型別致。缺點：建筑空間高度較小。二、平衡水平推力的方式第三節(jié)拱結構二、平衡水平推力的方式第三節(jié)拱結構（4）推力由基礎直接承擔第四節(jié)薄殼結構第九章大跨度建筑結構自然界某些動植物的種子外殼、蛋殼、貝殼，可以說是天然的薄殼結構，它們的外形符合力學原理，以最少的材料獲得堅硬的外殼，以抵御外界的侵襲。以蛋殼為例，由于工程中結構自重是以均布荷載的形式存在，在蛋殼上施加均布力，一般認為在蛋殼中部為最脆弱的部位，但實際情況結構產生應力均勻，而在兩端較大。通常情況，如果一枚雞蛋的橫徑在4厘米左右，那么蛋殼厚度就只有0.38毫米，二者的比值接近1：105。這么薄的蛋殼，簡直不堪一擊。然而，蛋殼的形狀可以影響它的受力，凸出向外的曲面能把力均勻散開。特別是當它均勻受力時，抗壓性就更大了，遠不是看上去的那么脆弱?？梢姳そY構運用到大跨度建筑中，能夠達到滿應力設計準則的要求。人們從這些天然殼體中受到啟發(fā)，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，創(chuàng)造出各種形式的薄殼結構。建筑工程中的殼體結構多屬薄殼結構（學術上把滿足t/R≤1/20的殼體定義為薄殼）。

受力特點、優(yōu)缺點和適用范圍1.受力特點：雙向直接傳力——強度大；空間受力——空間剛度大；屋面與承重合一。主要承受曲面內的軸向力，而彎矩和扭矩很小。2.優(yōu)缺點：a.優(yōu)點：自重輕、省材料、跨度大，外形多樣b.缺點：形體復雜，需現(xiàn)澆施工，結構計算較復雜，不宜承受集中荷載3.適用范圍：圓頂殼用于大型公共建筑，如天文館、展覽館、體育館、會堂等各種建筑一、結構特點與優(yōu)缺點第四節(jié)薄殼結構中曲面高斯曲率法截線二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構按高斯曲率分類零高斯曲率正高斯曲率負高斯曲率零高斯曲率正高斯曲率負高斯曲率二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構按其形成的幾何特點分類——旋轉曲面由一條平面曲線繞著該平面內某一指定的直線旋轉一周所形成的曲面二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構由一條豎向曲線做母線沿著另一條豎向曲線（導線）平行移動所形成的曲面橢圓拋物面雙曲拋物面按其形成的幾何特點分類——平移曲面二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構橢圓拋物面雙曲拋物面按其形成的幾何特點分類——平移曲面二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構柱面由一段直線（母線）的兩端分別沿著二固定曲線（導線）移動所形成的曲面扭曲面扭面也可認為是從雙曲拋物面中沿直紋方向截取的一部分按其形成的幾何特點分類——直紋曲面二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構劈錐曲面由一段直線（母線）沿一直導線和一根豎向曲導線移動并始終平行于一導平面形成的曲面劈錐曲面由一段直線（母線）沿一豎向曲線（導線）移動并始終通過一定點形成的曲面錐面:錐面按其形成的幾何特點分類——直紋曲面二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構曲面的組合雙曲扁殼柱殼扭殼錐形殼劈錐殼二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構三、薄殼結構的內力薄膜內力為主要內力的情況：殼體結構的內力薄膜內力薄膜內力：彎曲內力：雙軸力順剪力雙彎矩扭矩橫向剪力圓頂?shù)慕Y構組成及結構型式1.殼身結構支座環(huán)殼身下部支承平滑圓頂肋形圓頂多面圓頂三、常用形式及尺度第四節(jié)薄殼結構圓頂?shù)慕Y構組成及結構形式2.支座環(huán)阻止裂縫開展保證殼體處于受壓工作狀態(tài)實現(xiàn)結構的空間平衡作用：支座環(huán)二、薄殼結構的曲面形式第四節(jié)薄殼結構圓頂?shù)慕Y構組成及結構形式3.支承結構的類型支承在豎向承重構件上支承在框架上象落地拱直接落地并支承在基礎上支承在斜柱或斜拱上斜拱圓頂?shù)氖芰μ攸c1.圓頂?shù)钠茐?.圓頂?shù)谋∧攘っ鎲卧w的主要內力徑向應力狀態(tài)環(huán)向應力狀態(tài)3.支座環(huán)的受力圓頂?shù)氖芰μ攸c支座環(huán)圓頂?shù)墓こ虒嵗_馬小體育宮鋼筋混凝土網肋形扁球殼結構施工時起重機安裝在中央天窗處十分合理球殼采用預制鋼絲網水泥菱形構件作模板，與殼板現(xiàn)澆成整體的肋形球殼殼肋——葵花圖案具有裝飾性采用36根Y字型斜柱支承結構明朗輕快富有表現(xiàn)力三、常用形式第四節(jié)薄殼結構筒殼的結構組成邊梁(側邊構件)：是否有橫隔板是筒殼和筒拱的區(qū)別橫隔板三、常用形式第四節(jié)薄殼結構筒殼的結構組成邊梁的型式a最經濟b適用于邊梁下有墻或中間支承的建筑c適用于小型筒殼d邊梁可兼作排水溝三、常用形式第四節(jié)薄殼結構筒殼的結構組成橫隔板的型式框架橫隔空腹桁架橫隔三、常用形式第四節(jié)薄殼結構筒殼的受力特點是否有橫隔板是筒殼和筒拱的區(qū)別筒殼縱向與梁類似把上部豎向荷載傳遞給橫隔橫向與拱類似殼身產生環(huán)向壓力按梁理論計算橫向拱的作用小；縱向梁傳力顯著。近似梁作用橫向拱的作用明顯；縱向梁傳力作用很小。近似拱作用內力主要為薄膜內力，按薄膜理論計算長殼短殼中長殼拱和梁的作用都明顯。存在薄膜內力和彎曲內力，按彎矩理論或半彎矩理論計算三、常用形式第四節(jié)薄殼結構我國許多紡織廠采用鋸齒形的長筒殼，有利于采光某禮堂某飛機場哥倫比亞塔基納運動場的雨蓬三、常用形式——筒殼第四節(jié)薄殼結構一、雙曲扁殼的組成扁殼：（微彎平板）——橢圓拋物面扁殼優(yōu)點：矢高小，結構空間小，屋面面積相應減小，比較經濟；平面多變，適用于圓形、正多邊形、矩形等建筑平面。邊緣構件帶拉桿的拱，拱形桁架，薄腹梁，拱形剛架種類：具有較大的剛度在四角交接處應有可靠連接構造措施要求：三、常用形式——雙曲扁殼第四節(jié)薄殼結構受力特點——薄膜受力為主三個受力區(qū)主要承受雙向軸壓力按構造配筋洞口開在此區(qū)主要承受正彎矩殼體下表面受拉，布置鋼筋

殼體越高越薄，彎矩越小，彎矩作用區(qū)越小1中央區(qū)：2邊緣區(qū)：3四角區(qū)：主要承受順剪力，主應力為拉力——配45度斜筋主應力為壓力——局部增大混凝土厚度邊緣構件主要承受殼板邊緣傳來的順剪力三、常用形式——雙曲扁殼第四節(jié)薄殼結構工程實例北京火車站中央大廳頂蓋、檢票口通廊——雙曲扁殼中央大廳頂蓋：35m*35m，f=7m，厚度80mm；四周有拱形高窗，采光充分檢票口通廊：五個雙曲扁殼，中間的為21.5m*21.5m，其余16.5m*16.5m

矢高3.3m，厚度60mm，每個頂蓋均可采光工程實例北京網球館扁殼中央隆起，適應網球在空中弧形軌跡，空間充分利用殼體穩(wěn)定性好雙曲拋物面是直紋曲面，配筋和模板制作簡單扭面也可以認為是從雙曲拋物面中沿直紋方向截取的一部分，如abcd扭殼——從雙曲拋物面中沿直紋曲面切取的一部分上凸——薄拱（受壓）下凹——索網（受拉）避免屈曲失穩(wěn)，提高穩(wěn)定性。殼板可以很薄扭殼單塊作屋面或組合三、常用形式——雙曲拋物面扭殼第四節(jié)薄殼結構一、扭殼的結構組成和型式形式雙傾單塊扭殼單傾單塊扭殼組合型扭殼屋頂四邊采光，排水方便。組成：殼板和邊緣構件二、扭殼的受力特點只有順剪力平行于直紋方向順剪力產生的主拉或主壓應力，下凹——受拉“索”上凸——受壓“拱”整個扭殼看成一系列受拉索與一系列受壓拱組成的曲面組合結構扭殼的殼板

二、扭殼的受力特點邊緣構件軸力圖四坡屋頂邊緣構件——順剪力上弦桿受壓，下弦桿件受拉順剪力使拱方向的支座受推力單塊扭殼屋蓋錨于地下的斜拉桿拉桿扭殼的邊緣構件落地拱單塊扭殼屋蓋落地拱扭殼屋蓋邊框推力的平衡扭殼的邊緣構件順剪力合力R作用于A、B的基礎上當?shù)鼗箓纫颇芰Σ蛔銜r，在基礎之間設置拉桿三、常用形式——雙曲拋物面扭殼第四節(jié)薄殼結構三、雙曲拋物面扭殼的工程實例透視圖平面圖扭殼的幾何圖形大連海港轉運倉庫鋼筋混凝土組合型雙曲拋物面扭殼屋蓋邊緣構件為人字形拉桿拱曲面的切割與組合雙曲扁殼鋸齒形狀（柱狀）柱殼扭殼錐形殼劈錐殼兩柱殼相貫兩雙曲拋物面殼相貫錐形殼錐形殼鳥瞰圖室內透視室外透視由三組殼體組成每組有兩個圓柱形曲面正交形成兩個柱形曲面的交線為十字形交叉拱，加強殼體，并將荷載傳至支座三組殼體的相交處為采光帶美國圣路易航空港候機室殼體組合頂視圖兩圓柱正交幾何圖墨西哥霍奇米洛科餐廳立面平面幾何形體建筑由八瓣鞍殼交叉組成，相交處加厚形成剛度極大的拱肋，直接支承在八個基礎上建筑平面為30m*30m的正方形，殼厚40mm殼體的外圍八個立面是傾斜的，整個建筑猶如一朵覆地蓮花，造型別致室內采光、通風效果好美國麻省理工學院禮堂立面圖腳點處理平面圖剖面圖屋頂為球面薄殼，三角落地薄殼曲面由1/8球面構成，從球面上切割出來的平面形狀為曲邊三角形薄殼的三個邊為向上卷起的邊梁，并通過它將殼面荷載傳至三個支座。支座為鉸接第五節(jié)折板第九章大跨度建筑結構第五節(jié)折板第九章大跨度建筑結構受力特點、優(yōu)缺點及適用范圍1.受力特點：在波長方向，猶如一塊折疊起伏的鋼筋混凝土連續(xù)板，跨度方向，折板如同一鋼筋混凝土梁。2.優(yōu)缺點：呈空間受力狀態(tài)，具有良好的力學性能，結構厚度薄，省材料，可預制裝配，省模板，構造簡單3.適用范圍：用來建造大跨度屋頂，也可用作外墻第五節(jié)折板第九章大跨度建筑結構折板建筑造型構造簡單，并可預制裝配施工，用于矩形、方形、梯形、多邊形、圓形等平面，由折板結構建造的房屋，造型新穎，具有獨特的外觀。第五節(jié)折板第九章大跨度建筑結構折板建筑造型構造簡單，并可預制裝配施工，用于矩形、方形、梯形、多邊形、圓形等平面，由折板結構建造的房屋，造型新穎，具有獨特的外觀。（一）網架結構形式

1.組成：很多桿件以一定規(guī)律組成的網狀結構

2.分類：

a.外形：平板網架和曲面網架

b.材料：鋼網架、木網架、鋼筋混凝土網架

c.自身構造：單層網架、雙層網架第六節(jié)網架結構第九章大跨度建筑結構受力特點、優(yōu)缺點和適用范圍第六節(jié)網架結構受力特點：桿件之間互相起支撐作用，形成多向受力的空間結構，當荷載作用于網架各節(jié)點時，桿件主要承受軸向力。優(yōu)點：整體性強、穩(wěn)定性好、空間剛度大、利于抗震；充分發(fā)揮材料的強度，節(jié)省材料；結構高度小，有效利用空間；桿件規(guī)格統(tǒng)一，有利于工廠化生產；形式多樣，造型豐富多彩適用范圍：適用于平面形狀如圓形、方形、三角形、多邊形等各種平面的建筑1.類型：

a.交叉桁架構成的平板網架

平板網架的類型和尺寸第六節(jié)網架結構b.角錐體系平板網架2.尺寸平板網架的類型和尺寸第六節(jié)網架結構1.網架桿件斷面：

常用鋼管或角鋼，鋼管比角鋼受力合理，省材料，應用最廣。鋼管壁厚不應小于1.5mm

2.節(jié)點構造

3.網架排水坡度的形成方法

網架桿件斷面與節(jié)點連接第六節(jié)網架結構1.影響因素：網架的形式和支承方式

2.網架形式：

a.平板網架：屋頂是平屋頂，平面形式多樣化

b.拱形網架：建筑外形呈拱曲面，平面形式比較單一，多為矩形平面

c.穹形網架：外形獨具特色，呈半球形，形成拋物面圓頂，平面為圓形或其他形狀網架結構的建筑造型第六節(jié)網架結構3.網架支承方式對造型的影響網架四周或為墻，或為柱，或懸挑，或封閉，或開敞（1）跨度不大時（2）跨度較大時（3）當建筑不允許出現(xiàn)較多的柱時（4）當建筑物的一邊需要開敞或開設寬大的門時（5）拱形網架的支承考慮水平推力網架結構的建筑造型第六節(jié)網架結構網架結構建筑造型實例網架結構的建筑造型第六節(jié)網架結構（一）受力特點、優(yōu)缺點和適用范圍1.組成：索網、邊緣構件、下部支承結構2.受力特點：索網只承受軸向拉力，既無彎矩也無剪力，邊緣構件是索網的支座，必須具有足夠的剛度，以承受索網的拉力，下部支承結構一般是受壓構件，常采用柱結構第七節(jié)懸索結構第九章大跨度建筑優(yōu)缺點優(yōu)點：節(jié)省大量材料，減輕結構自重；造型新穎，平面形式多樣，如方形、矩形、橢圓形均可；功能安排靈活；施工方便、快速。缺點：在強風吸引力的作用下容易喪失穩(wěn)定而破壞適用范圍：主要用于體育館、大會堂、展覽館等建筑的屋頂（二）懸索結構形式根據外形和索網的布置方式分：單曲面懸索、雙曲面懸索、單層懸索、雙層懸索優(yōu)缺點及適用范圍第七節(jié)懸索結構懸索結構的建筑造型懸索結構與薄殼結構一樣是以幾何曲面圖形為特征，二者存在差別,如下：1.外形：2.材料：3.造型：帳篷薄膜結構及其建筑造型：（一）受力特點、優(yōu)缺點和適用范圍1.組成：用骨架、網索將各種現(xiàn)代薄膜