构造第12章

大跨度建筑及其构造ConstructionofLarge-spanBuilding教学目的与要求•掌握各基本大跨结构体系的受力特点、类型适用情况，能灵活运用于设计；•熟悉各种基本结构体系的尺度估计、构造要点；基本类型•平面结构体系荷载传递路径在同一平面内，一般用于中小跨度•空间结构体系荷载传递路径呈空间分布，可以跨越大跨度空间，计算机在设计中使用后在中小跨度也广泛使用平面结构体系分类•梁式体系（桁架式）Beam(Truss)•刚架式体系RigidFrame•框架式体系Framework•拱式体系Arch桁架（屋架）—梁式体系•桁架的受力特点桁架的受力以轴力为主，各杆是承受拉（压）力的二力杆件，受力状态比梁合理，计算简单、施工方便、自重较轻、适应性强。但也存在结构高度大，侧向刚度小的缺点，为保证其侧向稳定而设置的支撑往往耗费过多的材料，为了构造和制作的方便往往采取由最大内力控制的等截面杆件而使材料未尽其用。桁架结构的支撑体系上弦支撑下弦支撑垂直支撑桁架的主要形式及尺度•木屋架、钢-木组合屋架跨高比约1/5-1/7三角形跨度≤18m弧形、梯形跨度约18m-24m••钢筋混凝土屋架普通混凝土屋架适宜跨度15-24m预应力混凝土屋适宜跨度18-36m••钢屋架高跨比：1/10~1/5适宜跨度：40－90m间隔：约9－15m（采用轻型）•单层门式刚架Single-StoreyPortalFrame刚架的基本特点及类型•直观表现梁柱刚性连接梁起坡•力学表现梁受竖载、柱受侧力都是受弯构件，梁柱合一的刚架仍是横向受弯为主的结构，但梁柱刚接的相互约束减少了梁跨中与柱内弯矩，内力虽有轴力，但以弯矩为主•刚架的类型按结构形式分无铰、两铰、三铰刚架；按材料分为胶合木、钢、钢筋混凝土刚架刚架的基本尺度•实腹式刚架高跨比：1/20~1/12截面宽H/30(H为柱高≤10m)适宜跨度：钢40m以下，混凝土18m以下间隔：约6m•空腹式刚架（钢结构）高跨比：1/20~1/15适宜跨度：60m间隔：约9－15m多层框架Multi-StoreyFrame高跨比：1/13~1/9适宜跨度：12m以下间隔：约6~9m多层钢框架拱结构ArchStructure拱式结构特点直观表现•有拱形曲线形状（以倒悬链型最合理）•支承端须能抵抗强大的水平推力拉杆、框架、扶壁、斜柱墩、飞券、基础力学表现•主要承受压力，弯矩作用很小拱结构尺度•实腹式高跨比：砼1/40~1/30、钢1/30~1/80矢高：f＝1/5~1/7且≮1/10适宜跨度：80m左右间隔：约9－15m•桁架式（格构式）高跨比：1/60~1/30适宜跨度：80m以上间隔：约9－15m空间结构基本类型•网架结构SpaceTruss•折板结构Table-flap•薄壳结构Shell•悬索结构SpanWire（张力结构TensileStructures）•薄膜结构MembraneStructure•组合结构HybridStructure自然界中的空间结构•蛋壳、海螺——薄壳结构•蜂窝——空间网格结构•肥皂泡——充气膜结构•棕榈树叶——折板结构蒙特利尔短程线型双层网壳(三角锥腹杆体系),D=76mDouble-LayerGeodesicDomewithTri-PyramidSystem,Montreal不能被分解为平面体系的结构ConstructionUnabletobedecomposedintoPlaneSystems•将曲面分成三角形网格•向里生成腹杆，形成锥体•小杆件拼成大结构（这里可以把这些小杆件视为填充材料，好比结构体形是模板，杆件即为混凝土。只要杆件布置得当，就能得到稳定的结构），只要结构整体形式合理，可以采用网格结构（网架与网壳的统称，平的叫网架，不平的叫网壳）来拼成。空间结构形式丰富多彩，但有共同点：三维受力通过合理的曲面形体抵抗外荷载作用（一般取拱形曲面比较合理，在前面已经说过拱形跨越大空间的好处）ThecommonfeaturesofspacestructuresThree-dimensionalbehaviorsLoad-resistanceviaproperconfigurations网架结构特点网架是由许多杆件按照一定规律组成的网状结构，是一种受力性能很好的空间高次超静定结构体系。网架结构的材料多采用钢管或角钢制作，节点多为空心球或钢板用焊接或螺栓相连。网架结构优点（1）整体为三维受力，而各杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料强度，比传统的钢结构节省20%～30%的用钢量。（2）应用范围广、适应性强。网架结构不仅用于大中小跨度的建筑，且能适应各种平面形状，网架形式也多样，给建筑带来极大的灵活性与通用性。（3）网架结构上、下弦之间的结构空间可以利用，这样可以降低层高，减少造价，获得良好的经济效果。（4）网架结构整体空间刚度大，稳定性能及抗震性能好，安全储备高，对于承受集中荷载、非对称荷载、局部超载、地基不均匀沉陷等均较有利。（5）网架结构采光通风方便，可设置点式采光、块式采光或带式采光，可设置升起的平天窗或侧天窗。（6）便于定型化、工业化、工厂化、商品化生产，零件尺寸小，重量轻，便于存放、装卸、运输和安装，不需要大型起重设备。（7）网架结构如采用螺栓连接，便于拆卸，可适用于临时建筑。平板网架结构的网格形式NetSystemsofPlate-likeSpaceTrusses交叉桁架体系LatticeGridsComposedofIntersectedTrusses•就是用桁架梁交叉组成，赘余杆件不多，跨越跨度不大，以前经济紧张采用，•画桁架梁图示意•判断自己布置的结构稳定（不是机构）的方法1、靠结构力学的知识判断（比较简单清楚的可以判断，练习多了能力就强了，鸟巢投标时有个方案由于是机构而失败）2、复杂的结构（通过结构师计算来判定）四角锥体系Quadri-PyramidSystems三角锥体系Tri-PyramidSystems•由于其整体形式为板的形式，其力学特性与板一致•支承方式可以是点支承和四边支承（点支承至少要3点才稳定）平板网架结构尺度•网架的高度与短向跨度之比一般为：跨度＜30m时，约为1/10~1/14跨度=30~60m时，约为1/12~1/16跨度＞60m时，约为1/14~1/20。•网格尺寸与网架短向跨度之比一般为：跨度＜30m时，约为1/8~1/12跨度=30~60m，约为1/10~1/16跨度＞60m时，约为1/12~1/20。平板网架工程实例ExamplesofPlate-likeSpaceTrusses首都体育馆TheCapitalGymnasium首都体育馆TheCapitalGymnasium网架吊装LiftoftheSpaceTruss网架吊装LiftoftheSpaceTruss网架吊装LiftoftheSpaceTruss深圳市体育馆ShenzhenGymnasium北京机场四机位库BeijingAirportHangar哈尔滨水上世界HarbinWaterWorld网壳结构ReticularShell•网架结构就整体而言是一个受弯的平板，支座无推力；网壳结构则是主要承受膜内力的壳体，支座一般有推力•一般情况下，同等条件的网壳比网架要节约钢材约20％（这里说的是合理曲面网壳）•网壳结构外形美观，富于变化•网壳在制作和拼装方面技术要求比网架高(1)制造精度要求更高(2)节点和杆件在空间交汇角度必须计算准确(3)拼装时必须精确地测量和控制节点坐标网壳分类•按层数分单层双层•按形式分球面网壳椭圆抛物面网壳柱面网壳双曲抛物面网壳双曲抛物面组合网壳球面切割网壳(三角形)球面切割网壳(六边形)网壳的网格形式及图面表达示例杆件类型少，节点构造简单，刚度大，是目前最常用形式之一正放四角锥柱面网壳网壳结构尺度•柱面网壳的矢跨比可取1/4~1/8，•单层柱面网壳的矢跨比宜大于1/5，•球面网壳的矢跨比一般取1/2~1/7。矢跨比对建筑体型有直接影响，也是影响网壳结构内力的主要因素之一。矢跨比越大，网壳表面积越大，屋面材料及用钢量增加，室内空间大，使用期间能耗大，但可减少推力，降低下部结构的造价；矢跨比越小，材料消耗量相应减少，但侧推力增加，从而提高了下部结构的造价。网架的节点构造JointsofSpaceTrusses螺栓球节点BoltedSphericalJoints缀板节点BattenPlateJoints螺栓球节点BoltedSphericalJoints焊接球节点WeldedHollowSphericalJoints结点板螺栓节点BoltedGussetConnection结点板焊接节点WeldedGussetConnection相贯连接DirectWeldConnectionofMembers毂式结点AssembledCylinderJoint胶合木构件之节点连接ConnectionofLamellaTimberMembers胶合木构件之节点连接ConnectionofLamellaTimberMembers折板结构•受力特点它是以一定角度整体联系的薄板体系。折板结构通过折缝和端部支座或中部横隔的加劲作用，能形成具有折线形横截面的梁、刚架、拱或穹顶等结构，是一种双向受力与传力体系，横向靠多跨连续板传力，纵向靠侧缝及两侧斜板传力。故受力性能良好，又因主要是板式结构，构造简单、施工方便、模板消耗少。•结构形式与尺寸折板结构的形式主要分为有边梁的和无边梁的两种。无边梁的折板由若干等厚度的平板和横隔构件组成，预制V形折板就是其中的一种。有边梁的折板一般为现浇结构，由板、边梁和横隔构件三部分组成，与筒壳类似（见图）。边梁的间距ι2通常也称为波长，横隔的间距ι1称为跨度。折板的尺度巴黎联合国教科文组织会议大厅小试验•用书做两个支座，找一张纸放在书上，用手压•把纸折成许多小片，同样放在书上•——折板结构，可以是混凝土板，也可以是折板网架（与上图类似）钢筋混凝土薄壳结构R.C.ShellStructures•可以直接落在地上，（做强基础抗推）也可以落在周边框架柱（一般做成斜撑，抗侧力性能比规则框架好）上•方便采光或出入可在拱脚处开比较大的洞薄壳结构特点•双向直接传力—强度大当t/R≤1/20时，薄壳中内力可忽略弯曲内力而只考虑薄膜内力•极大空间刚度——刚度大双曲是使薄板以最少之料构成最坚之形的最经济途径•屋面承重合一——板架合一，材尽其用•曲线优美形态多变•计算及施工复杂•内部空间有回声及声音聚焦问题薄壳结构尺度•筒壳筒壳有边梁和横隔板以纵向直线两端为其支座或四边支承，L1/L2小于1为短壳，反之为长壳，矢高ƒ1不应小于L2/8，壳体截面的总高度≥(1/15~1/10)L1长壳的厚度t=(1/500~1/300)L1，且≥50mm。•球壳壳板厚t一般由构造要求定，可取球壳半径的1/600，对于现浇钢筋混凝土球壳其厚度应≥40mm，对于装配整体式球壳其厚度应≥30mm，壳板边缘应局部加厚，加厚范围一般不小于壳体直径的1/12~1/10，增加的厚度不小于壳体中间部分的厚度。薄壳结构尺度•双曲扁壳双曲扁壳矢高与底面短边之比应不大于1/5，但也不能太扁以避免向平板转化。当双面扁壳双面曲率不等时，较大曲率与较小曲率之比，以及底面长边与短边之比，均不宜超过2。双曲扁壳允许倾斜放置，但壳体底平面的最大倾角不宜超过10°，其它尺度要求同球壳。•双曲抛物面壳壳厚尺度要求同球壳，但在靠近边缘1/10短边长范围内壳板应加厚。对于组合型扭壳，在屋脊交接缝附近的局部区域还应逐渐加厚到3～4倍壳厚，加厚范围需满足受力要求，但不小于短边边长的1/10，同时应使加厚部分光滑地过渡。钢筋混凝土薄壳结构工程实例SomeExamplesofR.C.ShellStructures钢筋混凝土薄壳结构工程实例SomeExamplesofR.C.ShellStructures