第九章大跨度建筑结构

第九章大跨度建筑结构门式刚架结构桁架结构拱结构薄壳结构折板结构悬索结构薄膜结构大跨度建筑发展的原因：社会的需要、新材料与新技术的应用。大跨度建筑的结构形式：钢筋混凝上薄壳与折板，以及悬索结构、网架结构、钢管结构、张力结构、悬挂结构、充气结构等主要主要应用于：用于展览馆、体育馆、大型公共建筑、飞机库，大型仓库、大型厂房一.门式刚架结构（单层刚架）1.门式刚架的类型与构造（1）按结构形式分无铰刚架、双铰刚架、三铰刚架无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀沉降时，将使结构产生附加内应力有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于小跨度（12m）和基础较差的情况（2）按材料分钢筋混凝土刚架、钢结构刚架2.基本尺度轻钢结构：刚接支座1/25～1/30跨中1/40～1/50钢筋混凝土结构：特点：•杆件较少，制作方便，结构内部空间较大•梁柱刚接，横梁弯矩较铰接减少，适用于中小跨结构，跨度可达４０米，最适宜20米左右•刚度较差，受荷后产生挠度，用于工业厂房时，吊车起重量不能过大•广泛用于工业厂房、单层的大型公共建筑、体育馆等二.桁架结构湖南国际会展中心空间桁架：1.桁架结构的组成：上弦杆、下弦杆、腹杆2.桁架结构的受力特点：节点为铰接、各杆为承受拉或压的二力杆3.桁架的类型木屋架钢木屋架钢屋架轻钢屋架、钢筋混凝土屋架、实腹桁架立体桁架结构3.桁架结构的选型•屋架结构的受力•屋面防水需要•使用环境需要•屋架结构的跨度4.桁架结构的布置•桁架跨度：3m为模数•桁架间距：6m、7.5m、9m、12m三.拱结构拱结构1.受力特点和水平推力的处理方式杆件为压弯构件，产生水平推力H=M/f•拱轴形式的选择：•合理的拱轴线，只有轴力，没有弯矩•均布荷载：二次抛物线)(42xlxlfy3.矢高ｆ的影响：矢高小时，拱身轴力大而且拱脚水平推力也大矢高大时，拱身轴力和拱脚水平推力都小，但拱身的长度增大矢高f=1/2时，拱轴形式为半圆，水平推力为０，受力合理，但大跨度时显得高耸，很少用于建筑物盖合理矢高:f=(1/2~1/8)L屋盖结构：f=(1/5~1/7)L4.基本尺寸拱的矢高：f=(1/7～1/5)L且应1/10L拱身截面高度：钢筋混凝土拱(1/30～1/40)L钢结构拱(1/30～1/80)L四.薄壳结构罗马小体育宫（1957，网格形薄壳屋顶）1.结构特点•双向直接传力（强度大）•极大空间刚度（刚度大）•屋面承重合一（板架合一）2.壳体的优缺点优点：自重轻、刚度大、强度大、充分发挥材料的重大潜力、造型优美缺点：施工困难、易产生声音聚焦、隔热差4.曲面形式高斯曲率分类按几何特点分类5.常用形式和尺度筒壳f(1/10～1/15)L1t=(1/300～1/500)L2且50mm边梁：(1/10～1/15)L1横隔：6～12m球壳f1/5L1L2/L12t～1/600R且40mm五.折板结构巴黎，联合国教科文组织会议厅（1953～1958）六.网架结构1.网架结构的特点、优点与适用范围•特点：平面桁架相互交叉结合而成•优点：•多向受力的空间结构，跨度大•刚度大，稳定性好•杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料的强度•高次超静定，安全度高•结构高度小(1/10~1/20)，可以有效地利用建筑空间，能够利用较小的杆件建造大跨度结构•杆件类型单一，适用于工业化生产、地面拼装，整体吊装•材料：一般为钢结构（16锰钢）•杆件：钢管、角钢•结点：空心球结点、钢板焊接结点•适用范围：中小跨度的工业和民用建筑、大跨度的体育馆、展览馆等屋盖结构2.网架分类按外形分：曲面网架、平面网架曲面网架（网壳）单曲、双曲、单层、双层特点：•利用一定的起拱度来实现外力的空间传递•多余的上凸增加了建筑容积•巨大的推力，造成施工困难，材料消耗大•网格尺寸选择适合的网格，使腹杆和弦杆夹角在40～55度•网壳的矢高柱面网壳：1/4～1/8球面网壳：1/2～1/7平面网架（平板网架）•平行桁架交叉而成，双层平面网格•特点：空间受力，无推力两向正交正放网架正交：两个方向桁架互相垂直正放：两个方向桁架都与建筑平面的边线平行特点：两个方向桁架跨度相等或接近时，两个方向桁架受力比较均匀，且能发生整体空间作用适用范围：建筑平面为正方形或接近正方形中等跨度：30~60米两向正交斜放网架正交：两个方向桁架互相垂直斜放：两个方向桁架都与建筑平面的边线成45度角特点:•桁架长度不统一•桁架长度不因平面长边的增加而改变•短桁架对长桁架起支承作用，可降低长桁架的内力•网格平面图形可维持几何不变形，空间刚度好适用范围：任意尺寸的矩形建筑平面中等跨度：30~60米大跨度：60米以上三向交叉网架三个方向的桁架相互交叉60度而成特点：•上下玄网格均为三角形•空间刚度比两向网架好•杆件内力更均匀•结点汇交杆件多，构造复杂锥体网架由三角锥、四角锥或六角锥单元组成棱角斜杆作竖向腹杆三角锥体网架•上下玄均为三角形网格---空间刚度好•跳格三角锥体网格：上玄为三角形网格，下玄为三角形和六角形网格四角锥体网架上下弦均为方格，上下弦错开半格适用范围：中小跨度结构型式：1正放四角锥体网架2斜放四角锥体网架六角锥体网架锥尖向下：上玄为正六角形网格，下玄为正三角形网格3.平板网架的主要尺寸网格尺寸：跨度L30m时,（1/8~1/12）L跨度L=30~60m时，（1/10~1/16）L跨度L60m时，（1/12~1/20）L钢筋混凝土屋面板时，不宜超过3mX3m轻型屋面：3~6米网格尺寸还应考虑腹杆倾角、柱距模数、屋面板尺寸网架高度和网格尺寸相匹配短向跨度L30m时，取（1/10~1/14）L短向跨度L=30~60m时，取（1/12~1/16）L短向跨度L60m时，取（1/14~1/20）L腹杆布置交叉桁架体系：腹杆倾角40~55度角锥网架：腹杆倾角60度大跨度网架：再分式腹杆4.平板网架的支承方式周边支承于柱每个结点都设置柱周边不设置边桁架用钢量省适用范围：大跨度和中等跨度周边支承于圈梁柱子数量少、柱距布置灵活、周边可不设置边桁架、圈梁有利于抗震适用范围：中小跨度点支承柱子数量少，建筑物使用灵活适用范围：大柱距的厂房或仓库三边支承自由边必须设边梁或桁架梁适用范围：飞机库或飞机修理装配车间七.悬索结构美国罗利市牲畜展赛馆（1953～1954）1.悬索结构的发展2.悬索结构的组成：悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。3.悬索结构的特点优点：•受力合理，用料经济•施工简便•适应性强，造型美观缺点：•共振问题，稳定问题•不能承受反向荷载4.悬索的受力与变形特点柔性构件：既无弯矩也无剪力，只有轴向拉力H=M/fN=H/cosa单层索属于几何可变体、双层索属于几何不变体变形特点：索的变形随荷载的不同而改变5.悬索结构的分类：单层悬索体系、双层悬索体系、交叉索网体系单层悬索体系：平行布置单层悬索体系的优点：传力明确，构造简单；缺点：屋面稳定性差，抗风（上吸力）能力小。常采用重屋面，适用于中小跨度建筑的屋盖。辐射形布置：内环受拉、外环受压网状布置：双层悬索体系特点：稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承受不同方向的荷载作用。适宜采用轻屋面，如铁皮、铝板、石棉板等屋面材料和轻质高效的保温材料，以减轻屋盖自重、节约材料、降低造价。分类：单曲面、双曲面、1．单曲面双层拉索体系常用于矩形平面的单跨或多跨建筑单曲面双层拉索体系中的承重索和稳定索也可以不在同一竖向平面内，而是相互错开布置，构成波形屋面双曲面双层拉索体系承重索和稳定索均沿辐射方向布置，周围支承在周边柱顶的受压环梁上，中心则设置受拉内环梁。整个屋盖支承于外墙或周边的柱上。交叉索结构（马鞍形）交叉索网体系也由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接交叠组成，形成双曲抛物面边缘构件：a.闭合空间曲梁b.拱结构c.边界索六.索结构的尺度承重索的垂跨比、稳定索的拱跨比八.薄膜结构东京充气竞技馆（1988）冲气结构优点：•质轻、强度高•不透气、不透水、透光好•耐火性好•抗震好•制作方便缺点：耐久性差膜结构分类：1.冲气薄膜气压式薄膜气承式混合式2.悬挂薄膜结构3.骨架支撑薄膜结构