建筑构造第二十讲——大跨度结构屋顶

1、大跨度建筑屋顶主要内容主要内容一、大跨度建筑屋顶的发展一、大跨度建筑屋顶的发展二、大跨度建筑屋顶的结构类型二、大跨度建筑屋顶的结构类型三、大跨度建筑屋顶的类型案例三、大跨度建筑屋顶的类型案例一、大跨度建筑的发展： 近代近代大跨度建筑在十九世纪末已有大跨度建筑在十九世纪末已有很大创很大创 新，新，2020世纪世纪3030年代以后，尤年代以后，尤其是二战后的几十年中，大跨度建筑又其是二战后的几十年中，大跨度建筑又有突出的进展。它主要用于展览馆、有突出的进展。它主要用于展览馆、体体育馆育馆、飞机库，以及一些公共建筑。、飞机库，以及一些公共建筑。 大跨度建筑发展的原因：社会的需要社会的需要 、新材料与

2、新技术的应用。、新材料与新技术的应用。大跨度建筑的结构形式大跨度建筑的结构形式 ： 除了传统的梁架或桁架屋盖外，比较突出除了传统的梁架或桁架屋盖外，比较突出 的的则是新创造的各种钢筋混凝土薄壳与折板以及则是新创造的各种钢筋混凝土薄壳与折板以及悬索结构、网架结构、钢管结构、张力结构、悬索结构、网架结构、钢管结构、张力结构、悬挂结构、充气结构等空间结构悬挂结构、充气结构等空间结构 发展的趋势： 建筑的外貌愈来愈紧密地与新材料、新结构、新的施工技术相结合，覆盖空间越来越大。由于大跨度建筑多为公共建筑，人流多，占地面积大，因此一般位于城市边缘或郊区。 (一)70年代中期以前的大跨度建筑: 近些年来，大

3、跨度建筑新结构屋顶可分为以下类型：钢筋混凝土薄壳顶： 利用钢筋混凝土薄壳结构来覆盖大空间的做法已越来越多，屋顶形式也多种多样。 (二)70年代中期以后的大跨度建筑: 这个时期一系列新的成就集中的表现在体育建筑和交通建筑方面，空间开阔灵活、造型新颖别致、结构与使用功能先进，受到举世瞩目。在这些大跨度屋盖中，上面提过的悬索结构、预制钢筋混凝土空间结构、金属管网架结构、活动屋顶、木制网架结构、充气结构等都有新的发展。大大跨度建筑的利与弊跨度建筑的利与弊利：近二三十年来，各种类型的大跨度建筑所取得的成就，已有力地说明了新技术革命为人们所带来的效益。它使人们的梦想成真，并使这类本来受技术条件制约极大的建

4、筑居然能在建筑技术与建筑艺术有机结合中产生多姿多彩的艺术风貌，令人耳目一新。弊：但是目前看来，要增加建筑的跨度在技术上并非是不可解决的事，问题是造价不成比例的飙升是否值得，以及由于建筑过大、人口在一个建筑某一段时间内的过于集中而产生的一系列其他问题，例如建筑在日常运作中过分依靠能源，与人们在交往与进出的高峰时间中所形成的建筑内部与建筑对城市的交通压力等。因此问题不是越高越大就越好，而是究竟要建多大与多高。二、大跨度建筑屋顶的结构类型二、大跨度建筑屋顶的结构类型 界定：30M 历史 万神庙 美国底特律韦恩县体育馆 （Wayne County stadium ） （266m，圆形钢网壳） 上海体育

5、馆 （110m，圆形钢平板网架） 英国千年穹 （365m，帐篷结构） 选择结构形式的意义 造型 空间利用的合理性 对内部装饰的影响1 1、基本概念、基本概念 按照结构的材料分类：按照结构的材料分类： 砌体结构 木结构 混凝土结构 钢结构 膜结构 索结构 复合材料结构2 2、大跨度结构形式可分为三大类、大跨度结构形式可分为三大类第二：按照结构的空间布置形式分类，可第二：按照结构的空间布置形式分类，可以分为以分为平面结构平面结构和和空间结构空间结构两类。两类。 平面结构体系平面结构体系 桁架 刚架 拱 （把结构构件本身作为独立的单元来考虑） 空间结构体系空间结构体系 网架 折板 薄壳 悬索 （把结

6、构的所有组成构件协同起来共同跨越空间，作为整体来考虑整体作用大于单个作用之和，且多向受力比单向受力更发挥材料潜力，空间工作比平面工作更符合力的自然传递路线） 第三：按照力的改向以及传递的特有机制进行第三：按照力的改向以及传递的特有机制进行分类：分类： 形态作用结构体系：悬索结构、帐篷结构、气囊结构、拱结构 向量作用结构体系：平面桁架、钢架结构、空间桁架 截面作用结构体系：梁结构、框架结构、板结构等 面作用结构体系：折板结构、薄壳结构等3、十种常用的大跨度结构形式 拱 刚架 桁架 网架 折板 薄壳 悬索 帐篷薄膜 充气薄膜 悬挑 三、大跨度建筑屋顶的类型及其特点三、大跨度建筑屋顶的类型及其特点1

7、、桁架结构 各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。受力特点w 优点：w 受力性能好（受力均匀，材料利用充分）w 扩大了梁式结构的适用跨度w 桁架可以用多种材料制造w 桁架体型可以多样化w 施工方便w （1）、木屋架特点：节间大小均匀，杆件内力不致突变太大适宜跨度：米最经济跨度：米w 节间长度：1.52.5m 屋架的类型w （2）、钢屋架特点：小桁架的组合，杆件长度较短下眩受拉适用跨度：米以上w （3）、钢筋混凝土屋架w 受力性能好w 结点杆件数不多于5w 腹杆与玄杆夹角

8、不小于30度2、门式刚架的结构特点与适用范围门式刚架的结构特点与适用范围（1）、从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架w 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w 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）根据几何形状的不同，分为：平顶和坡顶、拱顶以及单跨、多跨和单柱悬挑等形式。（3）根据截面形式的不同，又可以分为：矩形、I形、T形和箱形。（4）根据材料的不同可分为：钢筋混凝土钢架、钢刚架、胶合木刚架等。（5）根据结构的形式的不同可以分为：实腹式和空腹式。w

9、杆件较少，制作方便，结构内部空间较大w 梁柱刚接，横梁弯矩较铰接减少，适用于中小跨结构，跨度可达米，最适宜米左右w 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特 点广泛用于工业厂房和体育馆等3、拱结构拱的结构特点与优缺点w （）利用地基基础直接承受水平推力w （落地拱）拱结构的形式拱结构的形式w 按力学结构分：三铰拱、两铰拱和无铰拱w 按建筑外形分：半圆拱和抛物线拱利用侧面框架结构承受水平推力利用侧面框架结构承受水平推力网架结构的特点、优点与适用范围w 特点：平面桁架相互交叉结合而成 w 优点：（1）多向受力的空间结构，跨度大（2）刚度大，稳定性好（3）杆件主要承受轴向力，能

10、充分发挥 材料的强度（4）高次超静定，安全度高（5）结构高度小，不仅可以有效地利用建筑空间，而且能够利用较小的杆件建造大跨度结构（6）杆件类型划一，适用于工业化生产、地面拼装的整体吊装4 4、网架结构、网架结构网架结构的分类w 按外形分：曲面网架、平面网架w 一、曲面网架（网壳）w 单曲、双曲、单层、双层特点：1利用一定的起拱度来实现外力的空间传递2多余的上凸增加了建筑容积3巨大的推力，造成施工困难，材料消耗大平板网架的结构形式一、两向正交正放网架二、两向正交斜放网架三、三向交叉网架四、锥体网架正交：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一、两向正交正放网架特点：两个方向

11、桁架跨度相等或接近时，两个方向桁架受力才比较均匀，且能发生整体空间作用如建筑平面为长方形，空间作用不明显网格平面为几何可变体型，刚度差，需设斜撑适用范围：建筑平面为正方形或接近正方形中等跨度：3060米正交：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度角二、两向正交斜放网架1长度不统一，最长的桁架长度=桁架长度不因平面长边的增加而改变2短桁架对长桁架起支承作用，可降低长桁架的内力3网格平面图形可维持几何不变形，空间刚度好4网架四角的锚拉，使长桁架在角部产生负弯矩对四角支座产生较大的拉力，使四角有可能翘起特点：三个方向的桁架相互交叉60度而成三、三向交叉网架特点：1上下玄网格

12、均为三角形2空间刚度比两向网架好3杆件内力更均匀4结点汇交杆件多，构造复杂适用范围：大跨度 ，建筑平面为三角形、六边形、圆形网架结构（1）首都体育馆，北京最大的现代化体育馆之一，平面呈矩形，建筑物东西长122.2米，南北长107米，建筑面积4万平方米。屋盖结构为平板型双向空间钢网架，是我国矩形平面屋盖中跨度最大的网架。（2）上海体育馆，主馆呈圆形, ,圆形屋盖直径为110m，采用的是三向钢网架结构。5、网壳结构、网壳结构 网壳结构即为曲面桁架结构，又称曲面网架，简称网壳 网壳结构受力性能比桁架结构要好，自重轻，空间使用增大，形式丰富、造型美观，但是其施工相对复杂些6、壳体结构、壳体结构的特点与

13、类型的特点与类型 特点： 曲面内轴向力；薄、轻、省、跨大、造型丰富；费工费时 类型： 筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳 7、 折板结构及其造型折板结构及其造型折板结构组成由折板、边梁和横隔三部分组成。形式可分为有边梁和无边梁两种。无边梁折板：它由若干等厚的平板和横隔板构建组成，通常都是预制V形折板V形折板一般为3550mm，跨度927m，具有制作简单、安装方便和节省材料等优点基本尺寸：波长一般为2-3m跨度一般为6-15m倾角办与水平倾角一般为30-50折板高度一般为折板长度的1/20宽折板结构造型实例折板结构造型实例折板结构造型实例折板结构造型实例8、悬索结构的特点悬索结构的特点 特点特点 分工明确

14、索网：钢索，只受力 边缘构件：梁、桁架、拱等 支承结构 造型新颖、跨度大、施工简便 悬索结构的类型悬索结构的类型1）单层单曲面悬索）单层单曲面悬索2）双层单曲面悬索）双层单曲面悬索轮辐式悬索轮辐式悬索 类型 单层单曲面 双层单曲面 轮辐式 鞍形2）双层单曲面悬索）双层单曲面悬索鞍形悬索鞍形悬索 类型 单层单曲面 双层单曲面 轮辐式 鞍形9 9膜膜结构的定义及构成结构的定义及构成 首先让我们认识一下膜结构建筑，在我们的生活中，经常会见到。如图：体育看台停车棚气囊式膜结构景观小品膜结构的定义及构成膜结构的定义及构成世博轴膜结构的定义及构成膜结构的定义及构成收费站n 膜结构的定义膜结构的定义 膜结构

15、是20世纪中期发展起来的一种新型建筑形式，对它并没有一个明确的定义。 一般认为膜结构是用多种膜结构是用多种高强薄膜材料高强薄膜材料(PVC(PVC或或Teflon)Teflon)及及加强构件加强构件( (桁架、网架、钢柱或钢索桁架、网架、钢柱或钢索) )通通过一定的方式使其内部产生一定的过一定的方式使其内部产生一定的预张应力预张应力，以形，以形成某种空间结构形状，并能承受一定的成某种空间结构形状，并能承受一定的外部荷载外部荷载作作用的一种空间结构形式。用的一种空间结构形式。 n 膜结构的构成膜结构的构成 膜结构体系由膜面、边索和脊索、谷索、支承结构、锚固系统，以及各部分之间的连节点等组成。膜结

16、构体系示意图 由于构成膜结构的膜材是一种柔性材料，只能传递膜面内的拉力，不能承受压力、弯矩。因此膜结构是以在膜面内引入初始预张力而抵抗外荷载的一类结构体系。这里从初始预张力的导入的方式及结构表面的曲率将膜结构分为3类:蒙皮式（骨架式）、充气式、张拉式膜蒙皮式（骨架式）、充气式、张拉式膜结构。（1）充气式膜结构 充气式膜结构充气式膜结构是利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间。充气式膜结构又可分为气承式气承式和气囊式（气胀式气囊式（气胀式/ /气垫式）气垫式）两种。气承式膜结构气承式膜结构是通过压力控制系统向建筑物室内充气，使室内外保持一定的压力差，膜体受到上浮力，并产

17、生一定的预张力，以保证体系的刚度。70年大阪世界博览会美国馆由美国建筑师布罗迪和工程师盖格尔（David Geiger）设计的美国馆为83.5ml42m的准椭圆形空气支承膜结构。首次使用了聚氯乙烯（PVC）涂层的玻璃纤维织物，通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。 气囊式膜结构气囊式膜结构是向特定形状的封闭式气囊内充入一定压力的气体，使之形成具有一定刚度和形状的结构或构件，再由这样的构件相互联结形成使用空间。1970 大阪世博会 日本富士馆1970年日本大阪世界博览会上，由川口卫（Mamoru Kawaguchi）设计的日本富士馆，平面为直径50m的圆形，由16个直径4m、高72m的气囊

18、式拱构成，拱间由环形水平带箍在一起，并固定在钢筋混凝土环梁上。 1975 美国密歇根 庞蒂亚克“银色穹顶”1982 明尼苏达的Metrodome1988 日本东京“巨蛋”1984 温哥华B.C.Place气承式膜结构气承式膜结构气承式膜结构至1984年，类似的大型充气膜结构体育馆在北美就建了9座。但由于空气压力自动调节系统和融雪热气系统性能不稳定，几乎所有的充气结构在使用中都出现过问题，轻者屋面下瘪，重者膜材撕裂，尤其是在1985年冬天的一场大风雪中，“银色穹顶”险些全部倒塌。这些事故引起了人们的关注，甚至对充气膜结构的安全性产生了怀疑。1986年以后，在美国建造的大型体育场馆中就没有采用过充

19、气膜结构。 1988年在日本建成的东京巨蛋（Tokyo Dome）仍采用了充气膜结构，采用双层聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜材，中间通循环热空气起到融雪作用，特别是设置了先进的自动控制系统，中央计算机自动检测风速、雪压、膜和索的变形和内力，并选择最佳方案来调节室内气压和消除积雪，从而保证膜结构的正常工作。但由于其昂贵的运转与维持费用，充气膜结构在日本也停步不前。气承式膜结构建筑历史较长，形式单一、空间要求密闭，需要气承式膜结构建筑历史较长，形式单一、空间要求密闭，需要不断充气，运行和围护成本高，实际应用面窄，但，造价低，不断充气，运行和围护成本高，实际应用面窄，但，造价低，施工速度快，在中小跨度建筑

20、中，仍有一定的应用。施工速度快，在中小跨度建筑中，仍有一定的应用。2001 英国 国家空间博物馆2005 慕尼黑 安联体育场1988 法国尼姆 竞技场屋顶加建气囊式膜结构气囊式膜结构（2）张拉式膜结构张拉式膜结构 张拉式薄膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同作用构成的结构体系，俗称帐篷结构帐篷结构。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的维护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。美国丹佛机场侯机大楼（2）张拉式膜结构张拉式膜结构 张拉式薄膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同作用构成的结构体系，俗称帐篷结构帐篷结构。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既

21、是建筑物的维护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。美国丹佛机场侯机大楼（2）张拉式膜结构张拉式膜结构 张拉式薄膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同作用构成的结构体系，俗称帐篷结构帐篷结构。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的维护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。美国丹佛机场侯机大楼（2）张拉式膜结构张拉式膜结构 张拉式薄膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同作用构成的结构体系，俗称帐篷结构帐篷结构。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的维护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。美国丹佛机场侯机大楼（2）张拉式膜结构张拉式膜结构 张拉式薄膜结构是依

22、靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同作用构成的结构体系，俗称帐篷结构帐篷结构。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的维护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。美国丹佛机场侯机大楼 张拉式膜结构造型千变万化，主要由以下几种最基本的体系组合而成：简单的鞍面体系简单的鞍面体系对称高点支撑多点支撑负高斯曲面 在向上和向下的荷载作用下，该形体均具有清晰而独立的传力路径。向下的雪荷载由下垂的“悬挂”纤维承担，向上的风吸力由上凸的“拱形”纤维承担。 然后再由膜结构的支撑体系将膜内预应力及荷载产生的内力传递到基础和地基，形成连续的力流传递路径。波状面体系（支撑及锚点交替布置）波状面体系（支撑及锚

23、点交替布置）固定点平行排列固定点平行排列波状面体系（支撑及锚点交替布置）波状面体系（支撑及锚点交替布置）固定点辐射状排列固定点辐射状排列有隆起面的体系（内部压力构件支撑）有隆起面的体系（内部压力构件支撑）有有1 1个高点个高点有有2 2个高点个高点有隆起面的体系（内部压力构件支撑）有隆起面的体系（内部压力构件支撑）有多个不同高度的高点有多个不同高度的高点内部拱作为高点的体系内部拱作为高点的体系每边每边1 1个锚点个锚点每边每边2 2个锚点个锚点每边每边3 3个锚点个锚点一个中间拱一个中间拱内部拱作为高点的体系内部拱作为高点的体系1 1个共同基点个共同基点分设基点分设基点2 2个共同基点个共同基

24、点2 2个中间拱个中间拱间接高点结构体系间接高点结构体系有悬吊索的外部支承，有悬吊索的外部支承，高点中央排列高点中央排列有承重索的外部支承，有承重索的外部支承，高点中央排列高点中央排列有承重索的内部支承，有承重索的内部支承，高点中央排列高点中央排列中央高点的外部支承又中央高点的外部支承又作为附加高点的悬索作为附加高点的悬索支承支承悬吊索悬吊索承重索承重索支承支承支承支承支承支承承重索承重索承重索承重索悬吊索悬吊索间接高点结构体系间接高点结构体系三根柱结构三根柱结构（3）蒙皮式（骨架式）蒙皮式（骨架式）膜结构 以刚性结构（钢结构）为承重骨架，并在骨架上敷以刚性结构（钢结构）为承重骨架，并在骨架上

25、敷设张紧的膜材的结构形式。设张紧的膜材的结构形式。n与常规结构接近，设计制作简单，工程造价较低n跨度受骨架制约，膜材仅作维护，承载作用未得到发挥。1997 上海八万人体育场膜结构的特点膜结构的特点（1）自重轻 膜结构自重小的原因在于它依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性。从而使其自重比传统建筑结构的小得多，但却具有良好的稳定性。（2）透光性好 半透明是膜结构最显著的特征，散射光线，消除眩光，能将光线均匀漫射到其内部空间； 较高的反射性及较低的光吸收率，极大程度上阻止太阳能进入室内；材料内部涂层具有较高的反射率，能在夜间保持室内的照明效果；夜间逆光照射下表面发光。（3）艺术性 多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观，同时体现结构之美，且色彩丰富，可创造更自由的建筑形体和更丰富的建筑语言。79（4）安全性 膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承