第四章 大跨建筑结构选型

1、第四章第四章 大跨度结构选型大跨度结构选型建筑结构选型1 大跨度建筑概况2 拱结构3 刚架结构4 桁架结构5 网架结构6 折板结构7 薄壳结构8 悬索结构9 其它结构型式 3030米，小跨度米，小跨度 30306060米，中跨度米，中跨度 6060米，大跨度米，大跨度1.2.1 1.2.1 古典大跨结构古典大跨结构 特征： “砖石结构” 1）从梁到三角璇 梁：受弯，砖石不宜 拱：受压，发挥材料特性 2）从筒拱到交叉拱 筒 拱：墙承重，平面狭长 交叉拱：柱承重，空间贯通 3）从交叉拱到拱肋结构 交叉拱：屋面自重较大 拱 肋：结构高直轻巧 4）从穹窿结构到帆拱 穹隆：圆形平面 帆拱：方形平面 1.

2、2.2 1.2.2 平面大跨结构平面大跨结构 特征：“桁架、刚架、拱结构” 1）从梁到桁架 2）从梁到刚架 3）从梁到拱1.2.3 1.2.3 新型大跨结构新型大跨结构（二战）（二战） 特征：“薄壳、悬索、网架” 1）鸡蛋壳薄壁结构 合理的外形，充分发挥材料受压性能，以较薄的壳体跨越很大的空间，而具有足够 的强度和刚度。 2）蜘蛛网悬索结构 纤细的索网，充分发挥钢材抗拉性能，轻盈活波，适宜与大跨度 3）蜜蜂巢网架结构 利用小型杆件，组合成整体结构，刚度大，变形小，自重轻，材料省1.3.1 1.3.1 大跨建筑主要承受竖向荷载大跨建筑主要承受竖向荷载 1）高层结构 荷载：水平荷载为控制因素 构件

3、：竖向悬臂构件柱(线)，墙(面)，筒(体) 变形：水平侧移 2）大跨结构 荷载：竖向荷载为控制因素 构件：水平简支构件 变形：竖向挠曲1.3.2 1.3.2 大跨结构是梁结构的改造和演变大跨结构是梁结构的改造和演变1.3.3 1.3.3 新型大跨结构的特点新型大跨结构的特点 整体上是空间结构 跨度大，可覆盖巨大的室内空间 矢高小、曲率平缓，可有效利用空间 厚度薄、自重轻，节省材料 形式多样，可适合于各种形状的平面组合 1）拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力 2）拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩 3）拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大 1 1）按受力）按受力 三铰拱 两

4、铰拱 无铰拱 2 2）按外形）按外形 双折线型 圆弧线型 抛物线型 1）跨度：公建主体3040米，可达到95200米， 经济跨度80100米 2）矢高：与建筑外形、使用要求、屋面构造、内力计算有关 屋盖结构 f=(1/101/5)L 公建主体 f=(1/51/2)L1）跨度4060米时 拱间距610米，设上弦横向支撑及纵向支撑2）跨度70120米时 拱间距915米，采用相距36米的成对拱拱结构屋盖布置 1）由拉杆承受推力 2）由框架承受推力 3）基础承受推力 4）刚性水平构件承受推力 1）内力分布均匀 2）结构轻巧，节省材料，制作方便 3）空间高度大 4）结构刚度差 1）按组成 三铰刚架 两铰

5、刚架 无铰刚架 2）按断面 实腹式 格构式 1）跨度 实腹式：5060米 格构式两铰刚架： 60120米 格构式无铰刚架：120150米 折线弓形刚架：4050米 高1520米 2）断面 实腹式梁高 h=(1/121/20)L 设预应力拉杆 h=(1/301/40)L 格构柱宽同横梁节间 57米 折线弓形刚架梁高、柱宽 (1/151/25)L 1）顶点铰 钢销栓 2）实腹刚架支座 固定支座 细石砼填实 铰支座 沥青麻丝填 3）格构刚架支座 板式支座 支反力100t 臼式支座 支反力100t 平衡支座 支反力100t 1）将受弯杆件转化为轴力杆件 2）充分利用三角形的刚性特点 3）充分利用材料特

6、性，以小杆件拼合跨越大空间 1）按材料：木、钢砼、钢、组合式 2）按外形： 三角形 L18m，i=1/51/2 梯 形 L=1836m，72m，f/L=1/61/8 拱 形 L=1836m，60m，f/L=1/61/8 折线形 平行弦 1）支座 平板支座 滚轴支座 2）屋架端部 内天沟式 自由落水 外天沟式 1）整体刚度大，稳定性好，为空间多向受力状态 2）杆件受力合理，能充分利用材料特性 3）高跨比小，能有效利用空间 4）杆件规格少，便于工厂化、装配化 5）建筑造型新颖，可适合于多种平面1）按材料：木、钢砼、钢、组合式2）按外形： 平板网架 a.交叉桁架体系 b.角锥体系 曲面网架 a.球面

7、网壳 b.柱面网壳 c.双曲面网壳 1）交叉桁架体系 两向正交正放: 适用于正方形平面 两向正交斜放：适用于矩形平面 三向交叉网架：适用于圆形、三角形、多边形平面 2）角锥体系 三角锥体 四角锥体 六角锥体 3）平板网架的主要尺寸 1）杆件 角钢 钢管2）节点 十字钢板节点：用于角钢杆件，焊接或螺栓 球节点：用于钢管杆件 a.实心球：螺栓连接 b.空心球：焊接连接3）网架上弦起坡 排水坡度要求 25% 结构起拱：跨度60m时，起拱1/300 上弦加柱：按坡度变高 1）支承方式 四边支承：四边设圈梁，支于列柱 柱支承：四点或多点柱支承 三边支承：三边支于列柱 自由边加托梁、边桁架、拱 2）支座构

8、造 平板铰支座：用于跨度较小 转动弧形支座：用于跨度大 摇摆支座：用于跨度大、温差大1）球面网壳2）柱面网壳曲面网壳应用 1）折板：由钢砼或钢网水泥平板组成2）横隔构件：可用横隔板、横隔梁、横隔桁架 3）边梁：当跨度较大时设边梁，以减小折板倾角 1）折板类型 长折板：L/B1，f(1/101/15)L 短折板：L/B1，f1/8L2）跨度：普通砼可达到21米，预应力砼可达到27米 3）一般尺寸：B=23米，f=0.51.2米，板厚B/40 L24米，B=12米，板厚2545 曲面厚度/曲率半径1/20时称为薄壳 建筑工程结构中常为1/501/1001）受力主要是面内力（薄膜内力）2）可覆盖大空

9、间而不设柱3）自重轻，刚度大，整体性好，利于抗震4）节省材料，经济效果好5）造型美观，活波新颖 1）组成：壳面、边梁、横隔 2）几何尺寸 跨度/波长：长壳=1.52.5；短壳=10.5 失高：f(1/101/15)跨度 壳板厚：现浇式50 装配式30 小跨度=5060，大跨度80 3）边梁形式 4）横隔形式 1）组成：壳面、支承环 2）几何尺寸 跨度：可达100米，多用60米以下 失高：f(1/81/4)跨度 壳板厚：现浇式40 装配式30 3）支承环：同筒壳边梁 1）组成：壳面、边缘构件 2）几何尺寸 跨度：经济跨度3060米 失高：f(1/51/6)短边长度 壳板厚：跨度3060米时，板厚

10、50100 3）边缘构件 薄腹梁 拉杆拱 桁 架 密柱曲梁 1）组成：壳面、边缘构件 2）几何尺寸 跨度：单块柱网可达30 x30米 失高：f(1/51/8)短边长度 壳板厚：跨度3060米时，板厚50100 3）边缘构件：桁架、密柱边梁、刚性墙 1）自由山丘型 2）低压薄膜型 3）悬挂布型 1）体系构成 索网 支承结构 2）特点 跨度大，空间灵活 利用钢索受拉、砼受压，自重轻，节省材料 施工方便 造型新颖，适用性广 由于风力作用而容易失稳 3）适用范围 用于跨度60150米 方形、矩形、圆形、椭圆形平面 1）单层单曲面索 2）双层单曲面索 3）轮辐式索 4）鞍形索网 1）采用斜向牵索将悬索拉

11、到基础上 2）设置对称的斜撑体系平衡内拉力 3）设置对称的斜拱体系平衡内拉力 4）设置封闭环梁活马鞍形环梁平衡内拉力 5）设置竖拱和扁圆环梁平衡内拉力 6）设置横向水平桁架和纵墙体系平衡内拉力1260004400440014400锚块斜拉索塔柱索网曲线边梁主悬索拉杆1）体系构成 覆盖膜面 支撑结构胞体仿生 建筑结构2）薄膜材料 聚脂织物加聚氯乙烯涂层：适用于中小跨度的临时性建筑屋盖。 无机织物加聚四氟乙烯涂层：适用于大跨度永久性建筑屋盖。3）结构类型 充气薄膜结构 悬挂薄膜结构 骨架支撑薄膜结构 1）充气薄膜结构 波士顿艺术中心剧场 气压薄膜工作原理美国密执安州庞提亚克体育馆 气承薄膜工作原理

12、英国千禧帐篷千禧帐篷展厅布置内景2）悬挂薄膜结构3）骨架支撑膜结构1）刚架 悬索混合丹东体育馆比赛大厅屋盖承重结构简图，采用了刚架-索混合空间结构，大厅平面尺寸为45m80m。横剖面纵剖面2）拱-网架混合 江西省体育馆平面呈长八边形，东西长84.3m，南北宽74.6m。主拱矢高51m，跨度88m，正立面呈抛物线形，侧立面呈人字形。大拱悬吊空间桁架，作为网架的支座，大跨度网架分成两榀较小跨度网架。 耶鲁大学冰球馆耶鲁大学冰球馆耶鲁大学冰球馆主拱跨度69.5m，矢高53.4 m，承重索一端挂在索上，另端固定在周边墙上。稳定索锚固在桁架上。3）拱 - 索混合 4）悬索-拱交叉索网混合 北京朝阳体育馆

13、北京朝阳体育馆索网悬挂在中央“索-拱结构”和外侧的边缘构件之间，中央索拱结构由两条悬索和两个格构式的钢拱组成。国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”，网络状构架体现完美，网络状构架体现完美概况：概况：设计者：瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司 坐落在奥林匹克公园中央区平缓的坡地上，占地面积20.4万M2，建筑面积25.8万M2，能同时容纳10万观众。 场馆设计如同一个容器，高地起伏变化的外观缓和了建筑的体量感，并赋予了戏剧性的具有震撼力的形体。 国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”，网络状构架体现完美，网络状构架体现完美结构：结构：外观即为建筑的结构，立面与结构达到了统一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，就象树枝编织的鸟巢。 国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”，网络状构架体现完美，网络状构架体现完美外壳：外壳：外壳采用可作为填充物的气垫膜，使屋顶达到完全防水的要求，阳光可以穿过透明的屋顶满足室内草坪的生长需要。 国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”，网络状