水平结构体系,单层刚架体系,膜结构体系

1、第七章：第七章：水平结构体系的其他类型水平结构体系的其他类型7.1 混合空间结构7.2 斜拉混合结构7.3 结构转换层7.4 悬挑结构7.1 混合空间结构混合空间结构混合空间结构是由钢架、桁架、拱、壳体、网架、网壳、悬索等结构中的单元进行组合而成的一种新的结构体系。7.1.2 混合空间结构的组成原则（1）满足建筑功能的要求，以独特而壮美的造型改善城市环境，满足人们精神文化需要（2）结构刚柔相济、受力合理，有利于发挥每种结构的优势。（3）结构技术先进，节省材料，材料强度充分利用，做到才尽其用（4）具有良好的整体稳定性，并且施工易实现（5）是建筑艺术与结构技术完美协调，并具有较好的经济效果综合效益

2、。7.1.3 混合空间结构的应用实例7.1.4 混合空间结构的特点 综合利用各种不同结构在受力性能、建筑造型、综合经济指标等方面的优势。 巨型骨架结构作为网架、网壳、悬索等屋盖结构的支座，可有效减小屋盖的跨度，提高屋盖结构的刚度，从而降低材料的用量和工程造价。 钢架、拱及悬索或斜拉索的支塔结构具有巨大的外形尺寸，截面形式常为箱形、工字形、槽形等，并常采用劲性钢筋配筋或采用预应力技术，可有效地保证巨型骨架结构的刚度和承载能力。 建筑造型活泼明快、易于变化，可以适应多种边界条件。7.2 斜拉混合结构斜拉混合结构斜拉索最早应用在斜拉桥的设计中，以高强钢丝、钢绞线为主要承重结构，借助于斜拉索将桥体结构

3、的荷载传递到桥塔上，再由桥塔将荷载传递到基础。7.2.2 斜拉索的布置7.2.3 斜拉混合结构的工程实例7.3 结构转换层结构转换层结构转换层可以看作是上部结构的“基础”，它具有很大的承载力和刚度，跨越较大的跨度。转换层属于水平结构，用来改变下方楼层柱网的布置，或过渡上下层剪力墙的布置，以获得特别的楼层柱网创造大空间并将上部荷载传递到下面较少的结构构件上，一般可以利用整个层高作为构件高度。7.3.1 结构转换层的主要特点 “鸡腿柱”式的建筑物在荷载作用下，大梁与支撑柱的连接处应力高度集中，受力复杂，容易破坏，需要特殊的构造处理。 结构转换层需要承受上部若干层传下来的巨大集中荷载（或是悬挂在下部

4、多层的重力），致使转换层内力很大，所以竖向荷载成为转换层设计的主要控制因素。 结构层的跨度很大，通产几倍于其上部梁的跨度，所以转换层的挠度需要严格控制。 为保证转换层具有足够的刚度和强度，不可避免的导致转换层尺度很大，浪费了一定的建筑空间，且其自重大、材料耗费多、造价昂贵，并随跨度的增大而增大。 连续施工强度大、施工过程复杂，技术要求高。7.3.2 结构转换层的设置原则1. 底层要求大空间(1)转换层结构跨越底层建筑平面两端，将上部荷载集中于数个支承点处，也称桥式结构。(2)转换层中部支承于一个强劲的简体上，四面向外悬挑。如下2.任意层上要求敞开空间或改变柱网可以在所有层中都布置结构转换层，一

5、处或多处，主要应视建筑功能和结构传力的需要而定。它们可以分段布置，从而形成大框架套小框架的结构形式，也可采用间隔布置或托挂相兼的布置方式。如下图。7.3.4 转换层的类型及工程实例1.按照结构转换功能分类，转换层可分为三种类型。转换层主要能实现如下图的结构转换（1）上部和下部结构类型转换（2）上、下部的柱网、轴线改变（3）同时转换结构类型和改变结构轴线布置2.按照转换构件的平面位置分类（1）内部形成大空间的转换层1.梁式转换结构2.厚板式转换结构3.箱形转换结构4.桁架式转换结构5.空腹桁架式转换结构（2）外部形成大入口的转换层当采用外框筒时，外筒柱距往往在3.0m以内，无法提供建筑物的较大入

6、口，因此必须在底层通过转换层改变柱距以形成大入口。7.4 悬挑结构悬挑结构7.4.1 悬挑结构的概念及适用范围悬挑结构是指将梁、板、桁架等构件从其支座处向外作远距离延伸，构成无视线阻隔的空间结构形式。其优点是建筑悬挑部分的下部没有承重的墙或梁、柱，视野开阔，空间开放，布置灵活，常用作建筑的挑檐、雨篷、住宅的阳台、平台、露台等等。7.4.2 悬挑结构的形式悬挑结构可以采用混凝土结构，也可以采用钢结构。早期的悬挑结构较多采用混凝土结构，若采用钢筋混凝土屋面板，则悬挑跨度一般仅数米至十余米，若采用压型钢板等轻型屋盖，则悬挑跨度可达二三十米。悬挑结构的造型可以借助于各种结构类型来实现。当悬挑跨度在1.

7、5m以内时，通常采用梁板结构；当悬挑跨度大于1.5m时，可以采用桁架、网架、薄壳等结构类型；当悬挑跨度更大时，可以再悬臂端增设拉索，以减轻结构自重，减小截面厚度。7.4.3 悬挑结构的受力特点1.在相同荷载，相同跨度下，悬挑结构比非悬挑结构要承受更大的应力（由弯矩和剪力产生）和更大的应变（由弯曲变形产生）2.悬挑结构存在着倾覆的可能，还必须对悬挑结构进行抗倾覆的设计和验算。7.4.4 悬挑结构的抗倾覆平衡悬挑结构的固定端有较大的倾覆力矩。悬挑结构的抗倾覆安全系数应当大于1.5。即悬挑结构倾覆力矩的平衡方式。7.4.5 悬挑结构的工程实例第八章第八章 单层刚架结构单层刚架结构8.1 单层刚架结构

8、的受力特点8.2 单层刚架结构的类型8.3 单层刚架结构的构造与布置8.4 单层刚架结构的工程实例8.1 单层刚架结构的受力特点单层刚架结构的受力特点8.1.1 约束条件对结构内力的影响8.1.2 梁柱线刚度比对结构内力的影响8.1.3 刚架高跨比对结构内力的影响8.1.4 结构构造对结构内力的影响8.1.5 温度变化对结构内力的影响8.1.6 支座移动对结构内力的影响单层单跨刚架的结构计算简图，按构件的布置和支座约束条件可分为无铰刚架、两铰钢架、三铰刚架三种。钢架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚接，在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用而减小梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，

9、由于梁对柱子的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变位，如下图。因此，刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构。8.1.1 约束条件对结构内力的影响8.1.2 梁柱线刚度比对结构内力的影响刚架结构在竖向荷载作用下的内力分布不仅与约束条件有关，而且还与梁、柱线刚度比有关。以无铰门式刚架为例，对不同梁、柱线刚度比的刚架在竖向荷载和水平荷载作用下的弯矩分布进行了分析。8.1.3 刚架高跨比对结构内力的影响门式刚架的高度与跨度之比，决定了刚架的基本形式，也直接影响结构的受力状态。设想有一条悬索在竖向均布荷载作用下，在平衡状态时，将形成一条悬垂线即所谓的索线，这时悬索内仅有拉力。将索上下倒置，即成为拱的作用，索内

10、的拉力也变成为拱的压力这条倒置的索线即为推力线。8.1.4 结构构造对结构内力的影响在两铰刚架结构中，为了减少横梁内部的弯矩，除可在支座铰处设置水平拉杆外，还可把纵向外墙挂在刚架柱的外肢处，利用墙身产生的力矩对刚架横梁起卸荷作用，如同a所示。也可把铰支座设在柱轴线内侧，利用支座反力对柱轴线的偏心矩对刚架横梁产生负弯矩，如图b所示。以减少刚架横梁的跨中弯矩并从而减小横梁高度。8.1.5 温度变化对结构内力的影响 温度变化对静定结构没有影响，但在朝静定结构中将产生内力。内力的大小与结构的刚度有关，刚度越大，内力越大。产生结构内力的温差主要有室内外温差和季节温差。对于有空调的建筑物，室内温度t1，室

11、外温度为t2，则室内、外温差为t=t2-t1，将使杆件两侧产生不同的热涨冷缩，从而产生内力。季节温差则是指刚架在施工时温度与使用时的温度之差。设结构在混凝土初凝时的温度为t1，在使用时的温度为t2，则在温度差t=t2-t1作用下，也将结构产生变形内力。8.1.6 支座移动对结构内力的影响当产生支座位移时，门式刚架的变形及弯矩如图所示8.2 单层刚架结构的类型单层刚架结构的类型8.2.1 胶合木刚架结构8.2.2 钢刚架结构8.2.3 钢筋混凝土刚架结构8.2.4 预应力混凝土刚架结构8.1.2 胶合木刚架结构从施工技术看，胶合木结构有很多优点，它不受原木尺寸的限制，可用短薄的板材拼接成任意合理

12、截面形式的构件，可剔除木节等缺陷以提高强度；具有良好的防腐和耐燃性能；并可提高生产效率。 胶合木桁架可以充分利用上述优点，由于弯矩的变化可制成边截面形状，从而大大节约木材。胶合木桁架还具有构造简单、造型美观且便于运输、加工、安装等优点。8.2.2 钢刚架结构钢刚架结构可分为实腹式和格构式两种。实腹式刚架适用于跨度不大的结构，常做成两铰式结构。它结构外露，外形可以做得比较美观，制造和安装也比较方便。实腹式的材料一般用型钢制作，可减少焊接工作量，并能节省材料。当为两铰或三铰刚架时，构件应为变截面，一般按弯矩图的变化来改变截面的高度。一、实腹式钢刚架结构实腹式刚架的横梁高度一般可取跨度的1/121/

13、20，当跨度大时，梁高显然太大，为充分发挥材料作用，可在支座水平内设置拉杆，并施加预应力对刚架横梁产生卸荷力矩及反拱，如图所示。这时横梁高度可取宽度的1/301/40，并由拉杆承担了刚架支座处的横向推力，对支座和基础都有利。在刚架结构的梁柱连接转角处，由于弯矩较大，且应力集中，材料处于复杂应力状态，应特别注意受压翼缘的平面外稳定和腹板的局部稳定。一般可做成圆弧过滤并设置必要的加劲肋，如图所示。二、格构式钢刚架结构 格构式刚架结构的适用范围较大，且具有刚度大、省钢材等优点。当跨度较小时可采用三铰式结构，当跨度较大时可采用两铰式或无铰式结构， 格构式刚架的梁高可取跨度的1/151/20，为了节省材

14、料，增加刚度，减轻基础负担，也可施加预应力，以调整结构中的内力。预应力拉杆可布置在支座铰的平面上，也可布置在刚架横梁内而仅对横梁施加预应力，也可对整个刚架结构施加预应力，如图所示。8.2.3 钢筋混凝土刚架结构钢筋混凝土刚架一般适用于宽度不超过18m、檐高不超过10m，并且吊车起重量不超过100kN的建筑中。构件的截面形式一般为矩形，也可采用工字形。刚架构件的截面尺寸可根据结构在竖向荷载作用下的弯矩图的大小而改变，一般是截面宽度不变而高度呈线性变化。对于两铰或三铰刚架，立柱上大下小，为楔形构件，横梁为直线变截面，如图所示。在构件转角处，由于弯矩较大，且应力集中，可采用加腋的形式（图a），也可适

15、当地用圆弧过渡（图b）。为了减少材料用量，减轻结构自重，也可采用空腹刚架。空腹刚架有两种形式，一种是把构件做成空心截面，如图a所示；另一种是在杆件上留洞，如图b所示。8.2.4 预应力混凝土刚架结构 为了提高结构刚度、减少杆件截面，可采用预应力混凝土刚架。为适应结构中弯矩图的变化，预应力钢筋一般为曲线形布置，采用后张法施工。预应力钢筋的位置，应根据竖向荷载作用下刚架的弯矩图布置在构件的受力部位。对于常见的单跨或多跨预应力混凝土门式刚架，预应力钢筋可分段交叉布置，也可连续折线状布置，如图所示。8.3 单层刚架结构的构造与布置单层刚架结构的构造与布置8.3.1 单层刚架结构的外形8.3.2 单层刚

16、架结构的布置8.3.3 刚架节点的连接构造8.3.4 刚架结构的支撑系统8.3.1 单层刚架结构的外形单层刚架结构可为平顶、坡顶或拱顶，可以为单跨或多跨连续。它可以根据通风、采光的需要设置天窗、通风屋脊的采光带。刚架横梁的坡度主要有屋面材料及排水要求确定。对于常见中小跨度的双坡门式刚架，其屋面材料一般多用石棉水泥波形瓦、瓦楞铁及其他轻型瓦材，通常用的屋面坡度为1/3。8.3.2 单层刚架结构的布置单层刚架结构的布置是十分灵活的，它可以是平行布置，辐射状布置或以其他的方式排列，形成风格多变的建筑造型。8.3.3 刚架节点的连接构造一、钢刚架节点的连接构造门式实腹式刚架，一般在梁柱交接处及跨中屋脊

17、处设置安装拼接单元，用螺栓连接。拼接接点处，有加腋与不加腋两种。在加腋的形式中又有梯形加腋与曲线形加腋两种，通常多采用梯形加腋，如图所示。加腋连接既可使截面的变化符合弯矩图形的要求，又便于连接螺栓的布置。格构式刚架的安装节点，宜设在转角节点的范围以外接近于弯矩为零处，如图a所示。如有可能，再转角范围内做成实腹式并加加颈杆，内侧弦杆则做成曲线过渡较为可靠，如图b所示。 二、混凝土刚架节点的连接构造钢筋混凝土或预应力混凝土刚架结构一般采用预制装配式结构。 刚架预制单元的划分应考虑结构受力可靠，制造、运输、安装方便。一般可把接头位置设置在铰接节点或弯矩为零的部位，把整个刚架结构划分成倒L形、F形、Y

18、形拼接单元，如图所示。刚架承受的荷载一般有恒载荷活载两种。在恒载作用下弯矩为零的位置是固定的，在活载作用下，对于各种不同情况，弯矩零点的位置是变化的。虽然接头位置选择在结构中弯矩较小的部位，仍应采取可靠的构造措施使之形成整体。连接的方式一般有通过螺栓连接（图a）、焊接连接（图b）、预埋式刚接头（图c）等。三、刚架铰节点的构造刚架铰节点包括三铰刚架中的顶铰及支座铰。铰节点的构造，应满足力学中的完全铰的受力要求，即应保证节点能传递竖向压力即水平推力，但不能传递弯矩。 铰节点既要有足够的转动能力，但又要构造简单，施工方便。格构式刚架应把铰接点附近部分的截面改为实腹式，并设置适当的加颈肋，以便于可靠地传递较大的集中作用力。钢刚架结构支座铰的形式如图所示。当支座反力不大时，宜设计成板式铰，当支座反力较大时