第九章大跨度建筑

1、一、受力特点刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。一、受力特点结构特点结构特点：梁柱合一，以横向受弯为主，梁柱刚接：梁柱合一，以横向受弯为主，梁柱刚接的相互约束减少了梁跨中与柱内弯矩，虽有轴力，的相互约束减少了梁跨中与柱内弯矩，虽有轴力，但以弯矩为主，是其承荷传力的基本特性但以弯矩为主，是其承荷传力的基本特性刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。1.1.按结构形式分类：按结构形式分类：刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。按结构

2、组成和构造方式的不同，分为无铰结构。按结构组成和构造方式的不同，分为无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架。刚架、两铰刚架和三铰刚架。 2.2.按材料分类：按材料分类：（1 1）胶合木刚架）胶合木刚架利用短薄的板材拼接而成，具有较好的防腐和耐燃性利用短薄的板材拼接而成，具有较好的防腐和耐燃性能，可提高生产效率，另外，构造简单、造型美观且能，可提高生产效率，另外，构造简单、造型美观且便于运输安装。便于运输安装。（2 2）钢刚架）钢刚架实腹式和格构式。实腹式适用于跨度不很大的结构。实腹式和格构式。实腹式适用于跨度不很大的结构。当跨度或荷载较大时构件应为变截面，使截面高度适当跨度或荷载较大时构件应为变截面，使

3、截面高度适应弯矩图的变化。为充分发挥材料的作用，可在支座应弯矩图的变化。为充分发挥材料的作用，可在支座内设拉杆，并施加预应力使刚架横梁产生卸荷力矩及内设拉杆，并施加预应力使刚架横梁产生卸荷力矩及反拱。反拱。2.2.按材料分类：按材料分类：（2 2）钢刚架）钢刚架实腹式和格构式。实腹式和格构式。实腹式跨度不大，两实腹式跨度不大，两铰式结构，横截面一般为焊接工字形，变截面。梁柱转角处应铰式结构，横截面一般为焊接工字形，变截面。梁柱转角处应力集中，采取构造措施：圆弧过渡并设置必要的加劲肋。力集中，采取构造措施：圆弧过渡并设置必要的加劲肋。h/Lh/L约约1/121/121/20 1/20 施加预应力

4、时，约为施加预应力时，约为1/301/301/401/40实腹式刚架实腹式刚架2.2.按材料分类：按材料分类：（2 2）钢刚架）钢刚架格构式具有刚度格构式具有刚度大、耗钢省等优点。大、耗钢省等优点。格构式格构式 h/Lh/L约约1/151/151/201/20跨度较小时，三铰式结构跨度较小时，三铰式结构跨度较大时，无铰或两铰结构跨度较大时，无铰或两铰结构2.2.按材料分类：按材料分类：（3 3）钢筋混凝土刚架）钢筋混凝土刚架一般适用于跨度一般适用于跨度18m,高度高度10m的无吊车或吊车荷的无吊车或吊车荷载载 100KN的建筑中，最大跨度可达的建筑中，最大跨度可达30m 截面：矩形，工字形。立

5、柱上大下小为锲形构件，横梁为直线变截面。梁柱转角处应力集中，采取构造措施结构的布置：结构的布置：可平行布置、辐射状布置或者其他方式。可平行布置、辐射状布置或者其他方式。刚架的间距：钢筋混凝土刚架一般不大于刚架的间距：钢筋混凝土刚架一般不大于9m9m，钢刚架，钢刚架当采用轻型屋面时可达当采用轻型屋面时可达12m12m，甚至，甚至15m15m。桁架结构形式桁架结构形式1. 1. 组成：由杆件组成的格构体系组成：由杆件组成的格构体系（二）受力特点、优缺点（二）受力特点、优缺点1. 1. 受力特点：当荷载只作用于结点时，各受力特点：当荷载只作用于结点时，各杆只受轴力，截面上应力分布均匀。杆只受轴力，截

6、面上应力分布均匀。2. 2. 优点：材料强度利用充分，减少材料用量优点：材料强度利用充分，减少材料用量和结构自重，使结构跨度增大和结构自重，使结构跨度增大3. 3. 适用范围：用于体育馆、影剧院、展览馆、适用范围：用于体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等公共建筑。食堂、菜场、商场等公共建筑。u按所使用材料的不同：木屋架、钢木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、预应力混凝土屋架、钢筋混凝土钢组合屋架等u按屋架外形的不同：三角形、梯形、抛物线形屋架、折线形屋架、平行弦屋架等。u根据受力特点及材料性能的不同：桥式屋架、无斜腹杆屋架、刚接桁架、立体桁架等。1、木屋架1、木屋架2、钢木组合屋架采用钢拉杆

7、做屋架下弦，代替存在干裂缺陷且连接不便的木材，大大提高了结构的可靠性、刚度和承载能力。而用钢量仅增加2-4KG每平方。3、钢屋架：（1）连接形式：铆接、焊接或螺栓连接4、钢筋混凝土屋架5、钢筋混凝土钢组合屋架6、其他形式的桁架6、其他形式的桁架6、其他形式的桁架与梁结构相比，拱结构受力有什么特点？与梁结构相比，拱结构受力有什么特点？梁结构是以受弯为主，拱结构是以受压为主。梁结构是以受弯为主，拱结构是以受压为主。与桁架结构相比，拱结构受力有什么特点？与桁架结构相比，拱结构受力有什么特点？桁架结构相当于一个受弯构件（弦杆承受弯矩，腹杆桁架结构相当于一个受弯构件（弦杆承受弯矩，腹杆承受剪力），而拱结

8、构是以受压为主。承受剪力），而拱结构是以受压为主。1 1）优点：截面较小，充分利用了抗压性能好的材料。）优点：截面较小，充分利用了抗压性能好的材料。2 2）缺点：水平推力的存在是一件麻烦且费材料的事。）缺点：水平推力的存在是一件麻烦且费材料的事。二、平衡拱推力的方式（1 1）推力由拉杆承受）推力由拉杆承受拉杆供：在拱脚处设置钢杆，利用钢杆受拉从拉杆供：在拱脚处设置钢杆，利用钢杆受拉从而抵抗拱的推力。而抵抗拱的推力。在拱结构的范围内直接解决推力问题，而不致在拱结构的范围内直接解决推力问题，而不致将推力传给支承拱的结构构件上。故普遍用于将推力传给支承拱的结构构件上。故普遍用于屋盖结构上。屋盖结构上

9、。二、平衡拱推力的方式拉杆的设计要求拉杆的设计要求1 1）推力较大时用型刚劲性拉杆；推力）推力较大时用型刚劲性拉杆；推力较小时采用圆钢柔性拉杆。较小时采用圆钢柔性拉杆。2 2）根数不超过三根，使拉杆受力均匀。）根数不超过三根，使拉杆受力均匀。为了避免拉杆在自重作用下严重下垂，为了避免拉杆在自重作用下严重下垂，通常设置吊杆以维持拉杆的水平位置通常设置吊杆以维持拉杆的水平位置吊杆的作用是为了避免拉杆在自重作用吊杆的作用是为了避免拉杆在自重作用下严重下垂下严重下垂二、平衡拱推力的方式（2 2）推力由水平结构承担）推力由水平结构承担（3 3）推力由竖向结构承担）推力由竖向结构承担为了避免框架产生过大的

10、水为了避免框架产生过大的水平位移和或倾斜，拱结构两平位移和或倾斜，拱结构两侧的框架必须有足够的刚度。侧的框架必须有足够的刚度。（4 4）推力由基础直接承担）推力由基础直接承担落地拱结构的优缺点？落地拱结构的优缺点？优点：外型别致。优点：外型别致。 缺点：建筑空间高度较小。缺点：建筑空间高度较小。（4 4）推力由基础直接承担）推力由基础直接承担自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵御外界的侵袭。以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形式存在，在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位，但实际情况结构

11、产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如果一枚鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米，二者的比值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而，蛋壳的形状可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均匀散开。特别是当它均匀受力时，抗压性就更大了，远不是看上去的那么脆弱。可见薄壳结构运用到大跨度建筑中，能够达到满应力设计准则的要求。人们从这些天然壳体中受到启发，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造出各种形式的薄壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足t/R1/20的壳体定义为薄壳）。 受力特点、优缺点和适用范围1. 受力特点：双向直接传力强度大；空间受力空间刚度大；

12、屋面与承重合一。主要承受曲面内的轴向力，而弯矩和扭矩很小。2. 优缺点：a. 优点：自重轻、省材料、跨度大，外形多样b. 缺点：形体复杂，需现浇施工，结构计算较复杂，不宜承受集中荷载3. 适用范围： 圆顶壳用于大型公共建筑，如天文馆、展览馆、体育馆、会堂等各种建筑高斯曲率高斯曲率)1 (112121RRkkK零高斯曲率零高斯曲率正高斯曲率正高斯曲率负高斯曲率负高斯曲率21kkK000: :xNyNyxxySS薄膜内力薄膜内力：弯曲内力：弯曲内力：xMyMyxxyMMxVyV支座环支座环壳身壳身下部支承下部支承平滑圆顶平滑圆顶肋形圆顶肋形圆顶多面圆顶多面圆顶作用：作用：支座环支座环斜拱斜拱支座环

13、支座环罗马小体育宫罗马小体育宫钢筋混凝土网肋形扁球壳结构钢筋混凝土网肋形扁球壳结构 施工时起重机安装在中央天窗处施工时起重机安装在中央天窗处 十分合理十分合理球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板，与壳板现浇成整体的肋形球壳球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板，与壳板现浇成整体的肋形球壳壳肋壳肋葵花图案葵花图案 具有装饰性具有装饰性采用采用36根根Y字型斜柱支承字型斜柱支承 结构明朗结构明朗 轻快轻快 富有表现力富有表现力边梁边梁(侧边构件侧边构件)：横隔板横隔板a 最经济最经济b 适用于边梁下有墙或中间支承的建筑适用于边梁下有墙或中间支承的建筑c 适用于小型筒壳适用于小型筒壳d 边梁可兼作排水

14、沟边梁可兼作排水沟横隔板的型式横隔板的型式框架横隔框架横隔空腹桁架横隔空腹桁架横隔筒壳筒壳按梁理论计算按梁理论计算横向拱的作用小；纵向梁传力显著。横向拱的作用小；纵向梁传力显著。近似梁作用近似梁作用横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。近似拱作用近似拱作用内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算3/21ll长壳长壳短壳短壳2/1/21ll中长壳中长壳3/2/121ll拱和梁的作用都明显拱和梁的作用都明显。存在薄膜内力和弯曲内力，按弯矩理论或半弯矩理论计算存在薄膜内力和弯曲内力，按弯矩理论或半弯矩理论计算我国许多纺织厂采用锯齿形的

15、长筒壳，有利于采光我国许多纺织厂采用锯齿形的长筒壳，有利于采光某礼堂某礼堂某飞机场某飞机场哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬5/1/ lf带拉杆的拱，拱形桁架，薄腹梁，带拉杆的拱，拱形桁架，薄腹梁，拱形刚架拱形刚架种类：种类：具有较大的刚度具有较大的刚度在四角交接处应有可靠连接构造措施在四角交接处应有可靠连接构造措施要求：要求： 1 ：2 3 北京火车站北京火车站北京网球馆北京网球馆扭面也可以认为是从双扭面也可以认为是从双曲抛物面中沿直纹方向曲抛物面中沿直纹方向截取的一部分，如截取的一部分，如abcdabcd上凸上凸薄拱（受压）薄拱（受压）下凹下凹索网（受拉）索网（受拉）形式

16、形式屋顶四边采光，屋顶四边采光，排水方便。排水方便。组成：壳板和边缘构件组成：壳板和边缘构件只有顺剪力只有顺剪力 平行于直纹方向平行于直纹方向顺剪力产生的主拉或主压应力，顺剪力产生的主拉或主压应力，下凹下凹受拉受拉 “索索”上凸上凸受压受压 “拱拱”整个扭壳看成一系列受拉索与一系整个扭壳看成一系列受拉索与一系列受压拱组成的曲面组合结构列受压拱组成的曲面组合结构扭壳的壳板扭壳的壳板 边缘构件轴力图边缘构件轴力图扭壳的边缘构件扭壳的边缘构件落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡扭壳的边缘构件扭壳的边缘构件透视图透视图平面图平面图扭壳的几何图形扭壳的几何图形钢筋混凝土组合型双曲钢筋

17、混凝土组合型双曲抛物面扭壳屋盖抛物面扭壳屋盖边缘构件为人字形拉杆边缘构件为人字形拉杆拱拱双曲扁壳双曲扁壳锯齿形状锯齿形状（柱状）（柱状）柱壳柱壳扭壳扭壳锥形壳锥形壳劈锥壳劈锥壳两柱壳相贯两柱壳相贯两双曲抛物面两双曲抛物面壳相贯壳相贯锥形壳锥形壳锥形壳锥形壳鸟瞰图鸟瞰图室内透视室内透视室外透视室外透视由三组壳体组成由三组壳体组成每组有两个圆柱形曲面正交形成每组有两个圆柱形曲面正交形成两个柱形曲面的交线为十字形交叉拱，加强壳体，两个柱形曲面的交线为十字形交叉拱，加强壳体，并将荷载传至支座并将荷载传至支座三组壳体的相交处为采光带三组壳体的相交处为采光带美国圣路易航空港候机室美国圣路易航空港候机室两圆

18、柱正交几何图两圆柱正交几何图墨西哥霍奇米洛科餐厅墨西哥霍奇米洛科餐厅立面立面平面平面几何形体几何形体建筑由八瓣鞍壳交叉组成，相交处加厚形成刚度极大建筑由八瓣鞍壳交叉组成，相交处加厚形成刚度极大的拱肋，直接支承在八个基础上的拱肋，直接支承在八个基础上建筑平面为建筑平面为30m*30m的正方形，壳厚的正方形，壳厚40mm壳体的外围八个立面是倾斜的，整个建筑犹如一朵覆壳体的外围八个立面是倾斜的，整个建筑犹如一朵覆地莲花，造型别致室内采光、通风效果好地莲花，造型别致室内采光、通风效果好美国麻省理工学院礼堂美国麻省理工学院礼堂立面图立面图脚点处理脚点处理平面图平面图剖面图剖面图受力特点、优缺点及适用范围

19、1. 受力特点：在波长方向，犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板，跨度方向，折板如同一钢筋混凝土梁。2. 优缺点：呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄，省材料，可预制装配，省模板，构造简单3. 适用范围：用来建造大跨度屋顶，也可用作外墙折板建筑造型构造简单，并可预制装配施工，用于矩形、方形、梯形、多边形、圆形等平面，由折板结构建造的房屋，造型新颖，具有独特的外观。折板建筑造型构造简单，并可预制装配施工，用于矩形、方形、梯形、多边形、圆形等平面，由折板结构建造的房屋，造型新颖，具有独特的外观。（一）网架结构形式1. 组成：很多杆件以一定规律组成的网状结构2.分类：a. 外形：平板网架和曲

20、面网架 b. 材料：钢网架、木网架、钢筋混凝土网架c. 自身构造：单层网架、双层网架u受力特点：杆件之间互相起支撑作用，形成多向受力的空间结构，当荷载作用于网架各节点时，杆件主要承受轴向力。u优点：整体性强、稳定性好、空间刚度大、利于抗震；充分发挥材料的强度，节省材料；结构高度小，有效利用空间；杆件规格统一，有利于工厂化生产；形式多样，造型丰富多彩u适用范围：适用于平面形状如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面的建筑1.类型：a. 交叉桁架构成的平板网架平板网架的类型和尺寸b. 角锥体系平板网架2. 尺寸平板网架的类型和尺寸1.网架杆件断面： 常用钢管或角钢，钢管比角钢受力合理，省材料，应用最

21、广。钢管壁厚不应小于1.5mm2. 节点构造 3.网架排水坡度的形成方法 网架杆件断面与节点连接1. 影响因素：网架的形式和支承方式2. 网架形式：a. 平板网架： 屋顶是平屋顶，平面形式多样化b. 拱形网架：建筑外形呈拱曲面，平面形式比较单一，多为矩形平面c. 穹形网架： 外形独具特色，呈半球形，形成抛物面圆顶，平面为圆形或其他形状网架结构的建筑造型3.网架支承方式对造型的影响网架四周或为墙，或为柱，或悬挑，或封闭，或开敞（1）跨度不大时（2）跨度较大时（3）当建筑不允许出现较多的柱时（4）当建筑物的一边需要开敞或开设宽大的门时（5）拱形网架的支承考虑水平推力网架结构的建筑造型网架结构建筑造

22、型实例网架结构的建筑造型（一）受力特点、优缺点和适用范围1. 组成：索网、边缘构件、下部支承结构2. 受力特点：索网只承受轴向拉力，既无弯矩也无剪力，边缘构件是索网的支座，必须具有足够的刚度，以承受索网的拉力，下部支承结构一般是受压构件，常采用柱结构第七节 悬索结构u 优缺点优点：节省大量材料，减轻结构自重；造型新颖，平面形式多样，如方形、矩形、椭圆形均可；功能安排灵活；施工方便、快速。缺点：在强风吸引力的作用下容易丧失稳定而破坏u 适用范围：主要用于体育馆、大会堂、展览馆等建筑的屋顶（二）悬索结构形式根据外形和索网的布置方式分：单曲面悬索、双曲面悬索、单层悬索、双层悬索优缺点及适用范围悬索结构的建筑造型悬索结构与薄壳结构一样是以几何曲面图形为特征，二者存在差别,如下：1. 外形：2. 材料：3. 造型：帐篷薄膜结构及其建筑造型：（一）受力特点、优缺点和适用范围1. 组成：用骨架、网索将各种现代薄膜材料绷紧形成建筑空间。2. 受力特点：柔软的薄膜不承受荷载，只有将它绷紧后才能受力，而且这种结构只能承受拉力，而且在任何情况下都必须保持受拉