第四章-大跨建筑结构选型

第四章大跨度结构选型建筑结构选型1大跨度建筑概况2拱结构3刚架结构4桁架结构5网架结构6折板结构7薄壳结构8悬索结构9其它结构型式按网架结构设计规范规定≤30米，小跨度30～60米，中跨度60米，大跨度1大跨度建筑概况1.1大跨度建筑定义第四章大跨度建筑结构选型----1大跨度建筑概况1.2.1古典大跨结构（2000多年前～文艺复兴）特征：“砖石结构”1）从梁到三角璇梁：受弯，砖石不宜拱：受压，发挥材料特性2）从筒拱到交叉拱筒拱：墙承重，平面狭长交叉拱：柱承重，空间贯通3）从交叉拱到拱肋结构交叉拱：屋面自重较大拱肋：结构高直轻巧4）从穹窿结构到帆拱穹隆：圆形平面帆拱：方形平面1.2大跨度建筑的发展过程古典大跨结构古典大跨结构••从梁到三角璇从梁到三角璇••从筒拱到交叉拱从筒拱到交叉拱••从交叉拱到拱肋结构从交叉拱到拱肋结构••从穹隆到帆拱从穹隆到帆拱1.2.2平面大跨结构（19世纪后半叶～二战）特征：“桁架、刚架、拱结构”1）从梁到桁架2）从梁到刚架3）从梁到拱平面大跨结构平面大跨结构••从梁到桁架从梁到桁架••从梁到刚架从梁到刚架••从梁到拱肋从梁到拱肋1.2.3新型大跨结构（二战～）特征：“薄壳、悬索、网架”1）鸡蛋壳—薄壁结构合理的外形，充分发挥材料受压性能，以较薄的壳体跨越很大的空间，而具有足够的强度和刚度。2）蜘蛛网—悬索结构纤细的索网，充分发挥钢材抗拉性能，轻盈活波，适宜与大跨度3）蜜蜂巢—网架结构利用小型杆件，组合成整体结构，刚度大，变形小，自重轻，材料省新型大跨结构新型大跨结构••从鸡蛋壳到薄壁结构从鸡蛋壳到薄壁结构••从蜘蛛网到悬索结构从蜘蛛网到悬索结构••从蜜蜂巢到网架结构从蜜蜂巢到网架结构1.3.1大跨建筑主要承受竖向荷载1）高层结构荷载：水平荷载为控制因素构件：竖向悬臂构件—柱(线)，墙(面)，筒(体)变形：水平侧移2）大跨结构荷载：竖向荷载为控制因素构件：水平简支构件变形：竖向挠曲1.3大跨度建筑的结构特征1.3.2大跨结构是梁结构的改造和演变1.3.3新型大跨结构的特点①整体上是空间结构②跨度大，可覆盖巨大的室内空间③矢高小、曲率平缓，可有效利用空间④厚度薄、自重轻，节省材料⑤形式多样，可适合于各种形状的平面组合1）拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力2）拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩3）拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大2拱结构2.1拱结构的特点1）按受力①三铰拱②两铰拱③无铰拱2）按外形①双折线型②圆弧线型③抛物线型2.2拱结构的型式第四章大跨度建筑结构选型----2拱结构1）跨度：公建主体30～40米，可达到95～200米，经济跨度80～100米2）矢高：与建筑外形、使用要求、屋面构造、内力计算有关屋盖结构f=(1/10～1/5)L公建主体f=(1/5～1/2)L2.3拱结构的主要尺寸2.4拱结构屋盖布置1）跨度40～60米时拱间距6～10米，设上弦横向支撑及纵向支撑2）跨度70～120米时拱间距9～15米，采用相距3～6米的成对拱拱结构屋盖布置1）由拉杆承受推力2）由框架承受推力3）基础承受推力4）刚性水平构件承受推力2.5拱结构支座处理1）内力分布均匀2）结构轻巧，节省材料，制作方便3）空间高度大4）结构刚度差3刚架结构3.1刚架结构的特点3.2刚架结构的型式1）按组成①三铰刚架②两铰刚架③无铰刚架2）按断面①实腹式②格构式第四章大跨度建筑结构选型----3刚架结构1）跨度①实腹式：50～60米②格构式两铰刚架：60～120米③格构式无铰刚架：120～150米④折线弓形刚架：40～50米高15～20米2）断面①实腹式梁高h=(1/12～1/20)L设预应力拉杆h=(1/30～1/40)L②格构柱宽同横梁节间5～7米③折线弓形刚架梁高、柱宽(1/15～1/25)L3.2刚架结构的主要尺寸1）顶点铰钢销栓2）实腹刚架支座①固定支座细石砼填实②铰支座沥青麻丝填3）格构刚架支座①板式支座支反力≤100t②臼式支座支反力100t③平衡支座支反力≤100t3.4刚架结构节点构造1）将受弯杆件转化为轴力杆件2）充分利用三角形的刚性特点3）充分利用材料特性，以小杆件拼合跨越大空间4桁架结构4.1桁架结构的特点4.2桁架结构的型式1）按材料：木、钢砼、钢、组合式2）按外形：①三角形L≤18m，i=1/5～1/2②梯形L=18～36m，≤72m，f/L=1/6～1/8③拱形L=18～36m，≤60m，f/L=1/6～1/8④折线形⑤平行弦第四章大跨度建筑结构选型----4桁架结构1）支座①平板支座②滚轴支座2）屋架端部①内天沟式②自由落水③外天沟式4.3桁架结构节点构造1）整体刚度大，稳定性好，为空间多向受力状态2）杆件受力合理，能充分利用材料特性3）高跨比小，能有效利用空间4）杆件规格少，便于工厂化、装配化5）建筑造型新颖，可适合于多种平面5网架结构5.1网架结构的特点1）按材料：木、钢砼、钢、组合式2）按外形：①平板网架a.交叉桁架体系b.角锥体系②曲面网架a.球面网壳b.柱面网壳c.双曲面网壳5.2网架结构的型式第四章大跨度建筑结构选型----5网架结构1）交叉桁架体系①两向正交正放:适用于正方形平面②两向正交斜放：适用于矩形平面③三向交叉网架：适用于圆形、三角形、多边形平面2）角锥体系①三角锥体②四角锥体③六角锥体3）平板网架的主要尺寸5.3平板网架网架短向跨度高跨比网格尺寸与短跨比30m1/10～1/131/8～1/1230～60m1/12～1/151/11～1/1460m1/14～1/181/13～1/181）杆件①角钢②钢管2）节点①十字钢板节点：用于角钢杆件，焊接或螺栓②球节点：用于钢管杆件a.实心球：螺栓连接b.空心球：焊接连接3）网架上弦起坡排水坡度要求2～5%①结构起拱：跨度60m时，起拱1/300②上弦加柱：按坡度变高5.4平板网架杆件与节点1）支承方式①四边支承：四边设圈梁，支于列柱②柱支承：四点或多点柱支承③三边支承：三边支于列柱自由边加托梁、边桁架、拱2）支座构造①平板铰支座：用于跨度较小②转动弧形支座：用于跨度大③摇摆支座：用于跨度大、温差大5.5平板网架构造1）球面网壳2）柱面网壳5.6网壳简介曲面网壳应用1）折板：由钢砼或钢网水泥平板组成2）横隔构件：可用横隔板、横隔梁、横隔桁架3）边梁：当跨度较大时设边梁，以减小折板倾角6折板结构6.1折板结构的组成第四章大跨度建筑结构选型----6折板结构1）折板类型①长折板：L/B1，f≥(1/10～1/15)L②短折板：L/B≤1，f≥1/8L2）跨度：普通砼可达到21米，预应力砼可达到27米3）一般尺寸：B=2～3米，f=0.5～1.2米，板厚≥B/40L≥24米，B=1～2米，板厚25～45BLf≥L/406.2折板结构的主要尺寸曲面厚度/曲率半径≤1/20时称为薄壳建筑工程结构中常为1/50～1/1007薄壳结构7.1定义7.2特点1）受力主要是面内力（薄膜内力）2）可覆盖大空间而不设柱3）自重轻，刚度大，整体性好，利于抗震4）节省材料，经济效果好5）造型美观，活波新颖第四章大跨度建筑结构选型----7薄壳结构7.3.1筒壳1）组成：壳面、边梁、横隔2）几何尺寸①跨度/波长：长壳=1.5～2.5；短壳=1～0.5②失高：f≥(1/10～1/15)跨度③壳板厚：现浇式≥50装配式≥30小跨度=50～60，大跨度≥803）边梁形式4）横隔形式7.3薄壳结构型式及构造7.3.2球面壳1）组成：壳面、支承环2）几何尺寸①跨度：可达100米，多用60米以下②失高：f≥(1/8～1/4)跨度③壳板厚：现浇式≥40装配式≥303）支承环：同筒壳边梁7.3.3双曲扁壳1）组成：壳面、边缘构件2）几何尺寸①跨度：经济跨度30～60米②失高：f≥(1/5～1/6)短边长度③壳板厚：跨度30～60米时，板厚50～1003）边缘构件薄腹梁拉杆拱桁架密柱曲梁7.3.4双曲抛物面壳1）组成：壳面、边缘构件2）几何尺寸①跨度：单块柱网可达30x30米②失高：f≥(1/5～1/8)短边长度③壳板厚：跨度30～60米时，板厚50～1003）边缘构件：桁架、密柱边梁、刚性墙7.3.5自由曲面壳1）自由山丘型2）低压薄膜型3）悬挂布型1）体系构成①索网②支承结构2）特点①跨度大，空间灵活②利用钢索受拉、砼受压，自重轻，节省材料③施工方便④造型新颖，适用性广⑤由于风力作用而容易失稳3）适用范围用于跨度60～150米方形、矩形、圆形、椭圆形平面8悬索结构8.1体系特征第四章大跨度建筑结构选型----8悬索结构1）单层单曲面索2）双层单曲面索3）轮辐式索4）鞍形索网8.2结构型式1）采用斜向牵索将悬索拉到基础上8.3悬索结构支承处理2）设置对称的斜撑体系平衡内拉力3）设置对称的斜拱体系平衡内拉力4）设置封闭环梁活马鞍形环梁平衡内拉力5）设置竖拱和扁圆环梁平衡内拉力6）设置横向水平桁架和纵墙体系平衡内拉力拱—索8.4悬索结构的混合体系梁—索悬臂梁—索板—索悬索结构屋顶实例柏林会堂代代木体育馆华盛顿杜勒斯机场耶鲁大学冰球馆悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶1260004400440014400锚块斜拉索塔柱索网曲线边梁主悬索拉杆悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构屋顶悬索结构悬索结构悬索结构9其它结构型式9.1薄膜结构体系1）体系构成①覆盖膜面②支撑结构胞体仿生→建筑结构2）薄膜材料①聚脂织物加聚氯乙烯涂层：适用于中小跨度的临时性建筑屋盖。②无机织物加聚四氟乙烯涂层：适用于大跨度永久性建筑屋盖。3）结构类型①充气薄膜结构②悬挂薄膜结构③骨架支撑薄膜结构9.1.1结构体系概述9.1.2结构体系类型1）充气薄膜结构①气压式薄膜：膜构成管或囊充气保持形状承受外部荷载②气承式薄膜：薄膜构成气球不断向内充气抵御外部荷载维持形态稳定③混合式薄膜：a气压式与气承式混合b充气结构与其他结构结合波士顿艺术中心剧场直径44m圆盘形充气屋盖，中心高6m，双层屋面是用拉链连起来的，固定在支承于柱子上的受压钢环上气压薄膜工作原理美国密执安州庞提亚克体育馆平面尺寸220m×168m，失高15.2m，采用单层玻璃纤维薄膜结构，膜片固定在按对角布置的钢壳上，共18根，间距约13m是第一个永久性建筑的充气结构。气承薄膜工作原理英国千禧帐篷直径320米薄膜结构薄膜结构薄膜结构千禧帐篷展厅布置内景薄膜结构2）悬挂薄膜结构通过桅杆、边缘索和锚索等对膜施加预应力，使其形成并保持反向双曲面特征，具有一定刚度，维持结构形态的相对稳定，适合于中小跨度的建筑物。3）骨架支撑膜结构以桁架、拱、空间网架等作为结构骨架，再在其上覆盖膜材料，并使之张紧成型。9.1.2结构体系类型索膜结构慕尼黑奥运馆索膜结构索膜结构索膜结构索膜结构索膜结构索膜结构索膜结构9.2结构的混合体系1）刚架–悬索混合丹东体育馆比赛大厅屋盖承重结构简图，采用了刚架-索混合空间结构，大厅平面尺寸为45m×80m。横剖面纵剖面9.2结构的混合体系2）拱-网架混合江西省体育馆平面呈长八边形，东西长84.3m，南北宽74.6m。主拱矢高51m，跨度88m，正立面呈抛物线形，侧立面呈人字形。大拱悬吊空间桁架，作为网架的支座，大跨度网架分成两榀较小跨度网架。耶鲁大学冰球馆耶鲁大学冰球馆主拱跨度69.5m，矢高53.4m，承重索一端挂在索上，另端固定在周边墙上。稳定索锚固在桁架上。9.2结构的混合体系3）拱-索混合9.2结构的混合体系4）悬索-拱交叉索网混合北京朝阳体育馆索网悬挂在中央“索-拱结构”和外侧的边缘构件之间，中央索拱结构由两条悬索和两个格构式的钢拱组成。大跨度建筑屋顶大跨度建筑屋顶实例肯尼迪机场利雅得机场罗马小体育宫其他实例薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构薄壳结构屋顶屋顶屋顶屋顶屋顶大跨度建筑屋顶梁索结构屋顶球面网壳屋顶球面网壳屋顶曲面网壳屋顶桁索结构屋顶薄膜结构屋顶国家体育场“鸟巢”，网