结构造型有学问课件

1、0建筑结构力学建筑结构力学上海大学2014.3Company LogoCompany Logo1一 、结构概述 建筑物和构筑物中承受荷载、传递荷载起骨架作用的部分称为建筑物和构筑物中承受荷载、传递荷载起骨架作用的部分称为工程结构工程结构，简称为，简称为结构结构。Company LogoCompany Logo2欧洲教堂欧洲教堂一 、结构概述Company LogoCompany Logo3穹顶：罗马万神庙穹顶：罗马万神庙一 、结构概述Company LogoCompany Logo4巴塞罗那圣家族教堂巴塞罗那圣家族教堂一 、结构概述Company LogoCompany Logo5古建筑古建筑

2、一 、结构概述Company LogoCompany Logo6古建筑古建筑一 、结构概述Company LogoCompany Logo7上海地标上海地标结构概述Company LogoCompany Logo8房屋建筑：框架结构房屋建筑：框架结构香港中国银行大厦，地上香港中国银行大厦，地上7070层，高层，高315 315 m m，建成时为香港最高、世界第五的建筑物。建成时为香港最高、世界第五的建筑物。混凝土厂房框架混凝土厂房框架一 、结构概述Company LogoCompany Logo9南京紫峰大厦，地上南京紫峰大厦，地上8989层，建筑高度为层，建筑高度为450 450 m m。房

3、屋建筑房屋建筑：框架框架核心筒混合结构核心筒混合结构 一 、结构概述Company LogoCompany Logo10一 、结构概述桥梁工程桥梁工程拱桥拱桥赵州桥，约赵州桥，约14001400年，空腹式圆弧年，空腹式圆弧形石拱桥，净跨形石拱桥，净跨37 m37 m。钱塘江四桥，全长钱塘江四桥，全长1376 m1376 m，主桥跨径组合为主桥跨径组合为2 2190 m+9190 m+985 m85 m。Company LogoCompany Logo11一 、结构概述桥梁工程桥梁工程悬索桥悬索桥金门大桥（金门大桥（19371937年）年）建于建于19001900多米的多米的金门海峡上金门海峡上

4、总长度：总长度：2737 m2737 m桥塔高度：桥塔高度：342 342 mCompany LogoCompany Logo12一 、结构概述结构的选型原则：结构的选型原则：u建筑功能建筑功能u安全可靠安全可靠u造价经济造价经济u造型美观造型美观结构造型的选择称为结构选型。结构造型的选择称为结构选型。结构选型合理的基础：结构选型合理的基础：了解结构受力特点，发挥材料性能。了解结构受力特点，发挥材料性能。Company LogoCompany Logo13一 、结构概述使用功能、结构效应、建筑艺术完美统一。使用功能、结构效应、建筑艺术完美统一。 在原场馆上加上两根大型拱，再用钢缆拉起总面积超过

5、在原场馆上加上两根大型拱，再用钢缆拉起总面积超过10000 10000 ，总重量总重量16000 t16000 t的屋顶。有盖座位由的屋顶。有盖座位由35%35%增加至增加至95%95%。 传力路线清晰合理；造型简洁优雅；功能最大化满足。传力路线清晰合理；造型简洁优雅；功能最大化满足。卡拉特拉瓦卡拉特拉瓦Company LogoCompany Logo14一 、结构概述创作理念：创作理念： 建筑的美能够由力学的工程设计表达出来，建筑的美能够由力学的工程设计表达出来，大自然中的形态美同时也有惊人的力学效应。大自然中的形态美同时也有惊人的力学效应。Company LogoCompany Logo1

6、5一 、结构概述法国里昂法国里昂TGV车站车站 美国密尔沃基美术馆美国密尔沃基美术馆 卡拉特拉瓦作品卡拉特拉瓦作品Company LogoCompany Logo16一 、结构概述 结构力学的研究任务结构力学的研究任务（1 1）研究结构的组成规律和合理形式；）研究结构的组成规律和合理形式；（2 2）研究结构内力、位移的计算方法，以保证）研究结构内力、位移的计算方法，以保证 结构结构强度强度、刚度刚度和和稳定性稳定性设计的科学性。设计的科学性。Company LogoCompany Logo17（二）结构分类（二）结构分类按照结构的力学特点来分类按照结构的力学特点来分类1.1.梁梁通常由水平方向

7、的受弯杆组成通常由水平方向的受弯杆组成 二、结构的计算简图及分类Company LogoCompany Logo18 二、结构的计算简图及分类2.2.刚架刚架通常由受弯的梁、柱组成，常含有刚结点通常由受弯的梁、柱组成，常含有刚结点Company LogoCompany Logo193.3.桁架桁架由拉压杆组成，仅结点受荷载由拉压杆组成，仅结点受荷载 二、结构的计算简图及分类Company LogoCompany Logo204.4.拱拱在竖向荷载下产生水平推力的曲杆结构在竖向荷载下产生水平推力的曲杆结构 二、结构的计算简图及分类其他还有板壳结构、索膜结构和组合结构其他还有板壳结构、索膜结构和组

8、合结构Company LogoCompany Logo21按照计算特性来分类按照计算特性来分类静定结构静定结构：杆件的内力可由平衡条件唯一确定。：杆件的内力可由平衡条件唯一确定。 二、结构的计算简图及分类超静定结构超静定结构：杆件的内力不能由平衡条件唯一确定，必须同时考虑：杆件的内力不能由平衡条件唯一确定，必须同时考虑 变形条件才能唯一确定。变形条件才能唯一确定。Company LogoCompany Logo22结构力学中定量计算的方法主要有：结构力学中定量计算的方法主要有：计算静定结构内力的计算静定结构内力的隔离体平衡法；隔离体平衡法；计算结构位移的计算结构位移的虚功法；虚功法；计算超静定

9、结构的计算超静定结构的力法和位移法；力法和位移法；用计算机计算的方法用计算机计算的方法有限单元法。有限单元法。三、结构造型的学问：结构的力学分析 结构的力学分析：结构的力学分析：定量的计算和定性的分析定量的计算和定性的分析 Company LogoCompany Logo23三、结构造型的学问：结构的力学分析1 1. . 简单构件简单构件块体间抗剪不足时，不能传递剪力块体间抗剪不足时，不能传递剪力柱传递水平荷载作用下的剪柱传递水平荷载作用下的剪力以及弯矩力以及弯矩MCompany LogoCompany Logo24三、结构造型的学问：结构的力学分析柱的弯矩和位移柱的弯矩和位移3 1l与 成正

10、比Company LogoCompany Logo25三、结构造型的学问：结构的力学分析12=2顶部水平位移 1 2=2顶部水平位移2 2. .框架式空间结构框架式空间结构四根独立的柱四根独立的柱柱之间用连杆连接柱之间用连杆连接 1顶部水平位移Company LogoCompany Logo26三、结构造型的学问：结构的力学分析变成平面问题来讨论变成平面问题来讨论铰接铰接刚性连接刚性连接结论：结论：刚性连接的位移刚性连接的位移仅为铰结的仅为铰结的1/41/4 1 2=2 2 3=4Company LogoCompany Logo27框架结构的受力讨论框架结构的受力讨论三、结构造型的学问：结构的

11、力学分析单跨与双跨单跨与双跨单层与双层单层与双层下一页下一页Company LogoCompany Logo28三、结构造型的学问：结构的力学分析单层单跨水平位移单层单跨水平位移8.70 cm 8.70 cm 单层双跨水平位移单层双跨水平位移5.69 cm5.69 cm 结论：位移比值为结论：位移比值为:0.65:0.65Company LogoCompany Logo29三、结构造型的学问：结构的力学分析 单层水平位移单层水平位移8.70 cm 8.70 cm 双层水平位移双层水平位移2.58 cm2.58 cm 结论：位移比值为结论：位移比值为1:0.301:0.30Company Log

12、oCompany Logo30三、结构造型的学问：结构的力学分析 单层单跨水平位移单层单跨水平位移8.70 cm8.70 cm 双层双跨水平位移双层双跨水平位移1.55 cm1.55 cm 结论：位移比值为结论：位移比值为1:0.181:0.18Company LogoCompany Logo31三、结构造型的学问：结构的力学分析 结论：增加框架结构刚度的方法有结论：增加框架结构刚度的方法有（1 1）加设更多或更刚的水平梁；）加设更多或更刚的水平梁；（2 2）在框架内加设内柱；）在框架内加设内柱；（3 3）增大边柱的尺寸。）增大边柱的尺寸。问题：加设内柱和增大边柱的尺寸问题：加设内柱和增大边柱

13、的尺寸哪一种效果更好？哪一种效果更好？Company LogoCompany Logo32加设内柱与增加柱刚度比较加设内柱与增加柱刚度比较三、结构造型的学问：结构的力学分析加设两根加设两根内柱比较内柱比较加设四根加设四根内柱比较内柱比较下一页下一页Company LogoCompany Logo33三、结构造型的学问：结构的力学分析 加设两根内柱水平位移加设两根内柱水平位移4.22 cm4.22 cm 增加边柱的刚度水平位移增加边柱的刚度水平位移1.40 cm1.40 cm 结论：位移比值为结论：位移比值为:0.33:0.33Company LogoCompany Logo34 加设四根内柱水

14、平位移加设四根内柱水平位移2.79 cm2.79 cm 增加柱的刚度水平位移增加柱的刚度水平位移0.60 cm0.60 cm 结论：位移比值为结论：位移比值为:0.21:0.21三、结构造型的学问：结构的力学分析Company LogoCompany Logo35三、结构造型的学问：结构的力学分析 结论：增加边柱刚度效果显著！结论：增加边柱刚度效果显著！ 对于超高型建筑物可以通过设置对于超高型建筑物可以通过设置剪力墙、筒体结构的方法提高整体刚剪力墙、筒体结构的方法提高整体刚度和承载力。度和承载力。问题：筒体太薄会出现屈曲破坏问题：筒体太薄会出现屈曲破坏!.Company LogoCompany

15、 Logo36三、结构造型的学问：结构的力学分析剪力墙剪力墙 筒体筒体 核心筒核心筒 束筒束筒 可以将框架和它们结合形成：框架可以将框架和它们结合形成：框架剪力墙、框架剪力墙、框架筒体混筒体混合结构。南京紫峰大厦就是框架合结构。南京紫峰大厦就是框架核心筒混合结构。核心筒混合结构。Company LogoCompany Logo37三、结构造型的学问：结构的力学分析0M0NMFh 上弦杆受压上弦杆受压上下弦杆轴力上下弦杆轴力FN与力与力臂臂h形成力矩，所以形成力矩，所以剪力由腹杆承受。剪力由腹杆承受。 上下弦杆的轴力是中上下弦杆的轴力是中间大，两头小。间大，两头小。3 3. .桁架结构桁架结构下

16、弦杆受拉下弦杆受拉同跨简支梁的弯矩图同跨简支梁的弯矩图0MCompany LogoCompany Logo38三、结构造型的学问：结构的力学分析 折线式桁架可调整折线形式折线式桁架可调整折线形式使轴力使轴力均匀，受力合理均匀，受力合理。 图示荷载，用抛物线屋架最图示荷载，用抛物线屋架最合理，但施工最繁琐。合理，但施工最繁琐。 平行弦桁架施工最简单，要平行弦桁架施工最简单，要综合考虑。综合考虑。3 3. .桁架结构桁架结构同跨简支梁的弯矩图同跨简支梁的弯矩图0MCompany LogoCompany Logo39三、结构造型的学问：结构的力学分析4.4.拱结构拱结构拱的受力特点拱的受力特点水平推

17、力与拱高成反比（对地基作用大）水平推力与拱高成反比（对地基作用大）( (2 2) ) 轴力为压力；轴力为压力；(3) (3) 因推力的作用，拱的弯矩远小于简支梁；因推力的作用，拱的弯矩远小于简支梁；(4) (4) 调整拱轴线可减小拱的弯矩。调整拱轴线可减小拱的弯矩。0HCMFh0M同跨简支梁的弯矩图同跨简支梁的弯矩图CCompany LogoCompany Logo40三、结构造型的学问：结构的力学分析合理拱轴线：只有轴力，无弯矩，无剪力合理拱轴线：只有轴力，无弯矩，无剪力均布荷载下，拱轴线取抛物线时，均布荷载下，拱轴线取抛物线时，拱截面的弯矩和剪力全部为零。拱截面的弯矩和剪力全部为零。 5.

18、5.索结构索结构索的受力情况正好和拱相反索的受力情况正好和拱相反CCompany LogoCompany Logo41三、结构造型的学问：结构的力学分析拱拱 壳体壳体Company LogoCompany Logo42三、结构造型的学问：结构的力学分析为什么不用简支梁？为什么不用简支梁？6.梁式结构梁式结构Company LogoCompany Logo43三、结构造型的学问：结构的力学分析连续梁和简支梁连续梁和简支梁 的弯矩图比较：的弯矩图比较：连续梁和简支梁比较：连续梁和简支梁比较： 连续梁的最大弯矩和位移小于同跨度的简支梁。连续梁的最大弯矩和位移小于同跨度的简支梁。Company Log

19、oCompany Logo44三、结构造型的学问：结构的力学分析7.水水工建筑工建筑大坝大坝三峡大坝（三峡大坝（2006）:混凝土重力坝混凝土重力坝最大坝高最大坝高181 m；坝址处河谷宽阔，坝址处河谷宽阔，U形。形。二滩拱坝（二滩拱坝（1999）:混凝土拱坝混凝土拱坝坝高坝高240 m；坝址处河谷狭窄，坝址处河谷狭窄，V形。形。Company LogoCompany Logo45三、结构造型的学问：结构的力学分析坝的主要荷载为水压力。坝的主要荷载为水压力。 重力坝依靠自身的重力维持平衡，重力坝依靠自身的重力维持平衡，坝体越高，混凝土用量越大。坝体越高，混凝土用量越大。 问题：坝高问题：坝高1

20、81 m，为什么不用拱坝？，为什么不用拱坝？Company LogoCompany Logo46拱坝拱坝三、结构造型的学问：结构的力学分析受力特点：受力特点： 拱坝在水荷载作用下产生很拱坝在水荷载作用下产生很大的拱端推力，对两侧山体的坚大的拱端推力，对两侧山体的坚固性要求较高，适合固性要求较高，适合V V型河谷。型河谷。 拱坝体积小，造型优美拱坝体积小，造型优美Company LogoCompany Logo47三、结构造型的学问：结构的力学分析实例分析：失事建筑实例分析：失事建筑20072007年年8 8月月1313日，湖南省凤凰县堤日，湖南省凤凰县堤溪沱江大桥发生垮塌，溪沱江大桥发生垮塌，

21、6464人死亡。人死亡。 原因：原因：1.1.拱产生水平推力，高桥墩应用钢筋混拱产生水平推力，高桥墩应用钢筋混凝土。凝土。2.2.连拱桥桥墩两边拱的推力可以抵消，连拱桥桥墩两边拱的推力可以抵消，拆脚手架时要保持对称性。拆脚手架时要保持对称性。3.3. 地基沉陷对无铰拱产生很大内力。地基沉陷对无铰拱产生很大内力。4.4.主拱圈未达到设计强度就开始拆脚手主拱圈未达到设计强度就开始拆脚手架。架。Company LogoCompany Logo48三、结构造型的学问：结构的力学分析美国明尼阿波利斯市大都会美国明尼阿波利斯市大都会球场球场, ,巨大充气屋顶。巨大充气屋顶。20102010年年1212月月

22、1212日倒塌。日倒塌。原因：原因：归咎于强风、低温和大雪负归咎于强风、低温和大雪负荷的组合。荷的组合。失事建筑失事建筑Company LogoCompany Logo49三、结构造型的学问：结构的力学分析争议建筑争议建筑 丹麦建筑师乌特松的得奖方案丹麦建筑师乌特松的得奖方案 因结构选型与施工工艺两方面的失误，因结构选型与施工工艺两方面的失误，无法把原设计的壳体选型付之实现。无法把原设计的壳体选型付之实现。 开工后的第五年，不得不修改原设计，开工后的第五年，不得不修改原设计，采用预制的预应力混凝土落地三铰拱。采用预制的预应力混凝土落地三铰拱。 施工工期长达施工工期长达1414年，于年，于197

23、31973年建成，年建成，造价造价50005000万英镑，是预算的万英镑，是预算的1414倍。倍。 艺术造型违背结构选型所致艺术造型违背结构选型所致Company LogoCompany Logo50争议建筑争议建筑造型新奇、大胆，造型新奇、大胆，因为扭曲的塔楼和大尺度的悬挑，因为扭曲的塔楼和大尺度的悬挑，使结构传力不合理，饱受争议。使结构传力不合理，饱受争议。三、结构造型的学问：结构的力学分析Company LogoCompany Logo51幕墙结构幕墙结构三、结构造型的学问：结构的力学分析Company LogoCompany Logo52迪拜建筑迪拜建筑三、结构造型的学问：结构的力学分

24、析Company LogoCompany Logo53迪拜建筑迪拜建筑三、结构造型的学问：结构的力学分析Company LogoCompany Logo54三、结构造型的学问：结构的力学分析 建筑杰作建筑杰作 香港中国银行大厦香港中国银行大厦Company LogoCompany Logo55三、结构造型的学问：结构的力学分析建筑杰作：美国雷里竞技馆建筑杰作：美国雷里竞技馆两组曲率相反的拉索：承重索、稳定索两组曲率相反的拉索：承重索、稳定索边缘构件为两个落地交叉斜拱：斜拱承受索的拉力，拱底部的倒边缘构件为两个落地交叉斜拱：斜拱承受索的拉力，拱底部的倒V V型钢架传递拱的压力，型钢架传递拱的压力

25、，下部的基础拉杆平衡水平分力。下部的基础拉杆平衡水平分力。中间低两端高的形状，合理地利用建筑空间。中间低两端高的形状，合理地利用建筑空间。马鞍形悬索结构马鞍形悬索结构Company LogoCompany Logo56结构造型有学问建筑之美源于结构之美，建筑之美源于结构之美，结构之美源于力学之美！结构之美源于力学之美！57南京紫峰大厦(381 m)在7度地震下大厦顶部位移近2.0 m。迪拜“公主塔”全球最高住宅建筑107层，高413.4 m。 高层建筑在风载、地震作用下的振动结构抗震58 已建和开工建设的小湾、大岗山、二滩和溪洛渡等工程，都是300 m级高坝，坝址都位于高烈度地震区(8度)，抗

26、震安全成为工程设计的控制工况。 大坝在地震作用下的振动结构抗震59 分析工程对象，提炼力学模型。 建立数学模型，通常是微分方程组或代数方程组。 方程求解，解析解或数值解。1.2 研究思路60 理论计算法 试验量测法 计算-试验混合法1.3 研究方法61军队行军经过桥梁时，长官为什么会命令士兵“便步走”？1.4 共振现象为了避免有节奏的行军导致桥梁产生共振。62-增大结构刚度和强度抵御地震作用。 地震时承重构件（梁,柱,节点）通过产生裂缝或破坏，实现消能，导致在强烈地震下工程结构由于关键承重构件的破坏而丧失承载力。截面增大质量增大地震荷载增大如何解决这一问题呢？2.1 地震灾害传统结构如何抵御地震作用？63什么是工程振动控制？能量原结构控制装置吸能响应减小控制装置2.2 基本概念64 被动控制 附加控制装置使原结构动特性发生变化，受控结构的响应达到预期目标，控制过程不需能量。 主动控制