第10章 大跨度结构的特点及选型

第十章大跨度结构的特点及选型第一节门式刚架结构第二节薄腹梁结构第三节桁架结构第四节拱结构第五节网架结构第六节悬索结构第一节门式刚架结构一、门式刚架的结构特点与适用范围图1装配式结构实例

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杆件较少，制作方便，结构内部空间较大梁柱刚接，横梁弯矩较铰接减少，适用于中小跨结构，跨度可达４０米，最适宜１８米左右刚度较差，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2门式刚架的类型与构造1.从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架无铰刚架：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）和基础较差的情况类型铰接时，刚架横梁弯矩较大，梁截面大些，柱一般做成变截面，基础较小固结时，梁截面较小，柱为不变截面，基础较大2.从外形分：水平横梁式、折线横梁式3.从跨数分：构造纵向柱距：６米横向跨度：３米的倍数，如２４米、２７米h/L:h减小将使推力增大，三铰刚架：h＞L两铰刚架：L稍大于h第二节薄腹梁结构1薄腹梁的优缺点和运用范围图1装配式结构实例优点：制作、构造、吊装及设计较简单，侧向刚度大，可以降低厂房的高度和不需设置屋面支撑缺点：自重较大适用跨度：普通钢筋混凝土薄腹梁为６～１２ｍ预应力时为１２～１８ｍ2薄腹梁的设计要点

和大致尺寸梁端部高度：一般不小于６０ｃｍ双坡度的屋面坡度：1/8~1/12梁截面高度：单坡梁h=(1/18~1/12)l双坡梁h=(1/14~1/6)l梁腹厚度：6~10cm受力特点1桁架的结构特点与优缺点第三节桁架结构开封县温泉游泳馆

湖南国际会展中心宽141米湖南国际会展中心待装配的一榀平面桁架优点：受力性能好（受力均匀，材料利用充分）扩大了梁式结构的适用跨度桁架可以用多种材料制造桁架体型可以多样化‘施工方便2桁架的外形与内力的关系一、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：９～２１米最经济跨度：９～１５米节间长度：1.5~2.5m节间数目：屋架的类型3桁架的外形与内力的关系二、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：３６米以上三、钢筋混凝土屋架受力性能好结点杆件数不多于5腹杆与玄杆夹角不小于30度4几种屋架的基本尺寸

及其适用范围基本要求：跨度：3米模数玄杆等截面钢筋混凝土屋架用于大型屋面板，宽度不小于20cm高跨比：刚度要求一、三角形屋架造型美观，有利于屋面排水高跨比：h/l=1/4~1/6,I=1/2~1/3二、梯形屋架具有较大的空间，便于管道的通过和人的通行，常用于剧院屋盖端部高度：1.8~2.2m,节间长度：上玄3m，下玄6m高跨比：h/l=1/6~1/8,I=1/12非预应力屋盖：适用跨度１８～２４米预应力屋盖：适用跨度１８～３０米钢屋盖：适用跨度３６米以上三、弧形屋盖非预应力：适用跨度１８～２４米下铉预应力：适用跨度１８～３6米高跨比：h/l=1/6~1/8常为折线形四、平行铉屋架优点：腹杆长短和节点构造统一，制作方便缺点：杆件内力分布不均，不宜用于杆件内力相差悬殊的结构五、无斜腹杆屋架结构造型简单，制作方便，适用于有较大吊重的建筑常用跨度：１５、１８、２４、３０六、钢筋混凝土－钢组合结构自重轻，节省材料常用跨度：９～１８米七、板状屋架屋面板和屋架合二为一，传力简捷，减少了屋盖构件，节省钢材和水泥，结构自重轻制作复杂,柱间加托架梁常用跨度：９～１８米屋架选型的一般原则1、跨度36米以上：钢屋架有侵蚀性介质：不宜采用钢结构2、跨度36米以下：预应力钢筋混凝土屋架18~24米：可选普通钢筋混凝土屋架3、18米以下：钢筋混凝土组合屋架4、相对湿度大于75%，或有侵蚀性介质：不宜选用木屋架和钢屋架第四节拱结构1拱的结构特点与优缺点2承受拱水平推力

的结构处理手法（１）利用地基基础直接承受水平推力（落地拱）（２）利用侧面框架结构承受水平推力（３）利用拉杆承受水平推力3拱结构的形式与主要尺寸拱结构的形式按力学结构分：三铰拱、两铰拱和无铰拱按建筑外形分：半圆拱和抛物线拱拱轴形式的选择：合理的拱轴线，只有轴力，没有弯矩和荷载有关均布荷载：二次抛物线矢高ｆ的影响：矢高小时，拱身轴力大而且拱脚水平推力也大矢高大时，拱身轴力和拱脚水平推力都小，但拱身的长度增大合理矢高:f=(1/2~1/8)l屋盖结构：f=(1/5~1/7)l矢高f=1/2时，拱轴形式为半圆，水平推力为０，受力合理，但大跨度时显得高耸，很少用于建筑物盖4拱结构的建筑实例湖南一散装盐库风雨操场室内采光效果农贸市场飞机库第五节网架结构1网架结构的特点、优点与适用范围2网架结构的分类3平板网架的结构形式4平板网架的主要尺寸5平板网架的受力特点6网架的支承方式1网架结构的特点、优点与适用范围特点：平面桁架相互交叉结合而成优点：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材料：一般为钢结构（16锰钢）杆件：钢管、角钢结点：空心球结点、钢板焊接结点适用范围：中小跨度的工业和民用建筑、大跨度的体育馆、展览馆等屋盖结构2网架结构的分类按外形分：曲面网架、平面网架一、曲面网架（网壳）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，材料消耗大二、平面网架（平板网架）平行玄桁架交叉而成，双层平面网格特点：空间受力，无推力3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：30~60米81×81米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦标高为10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米，沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶，由于该区屋面为屋顶花园，屋面活荷载按8.0KN/m2设计,故屋盖承重结构选用钢桁架,并且正交桁架高度相等,弦杆为刚接,在纵向垂直支撑、系杆的保证作用下形成空间桁架结构体系。厦门国际会展中心

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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：由角部两个柱子共同承担，避免拉力集中适用范围：任意尺寸的矩形建筑平面中等跨度：30~60米大跨度：60米以上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、圆形由三角锥、四角锥或六角锥单元组成棱角斜杆作竖向腹杆四、锥体网架三角锥体网架型式：1上下玄均为三角形网格---空间刚度好2跳格三角锥体网格：上玄为三角形网格，下玄为三角形和六角形网格---用料省适用范围：建筑平面为矩形、三边形、梯形、六边形、圆形的大跨度结构上下玄均为方格，上下玄错开半格适用范围：中小跨度结构型式：1正放四角锥体网架2斜放四角锥体网架四角锥体网架1正放四角锥体网架：锥的底边与相应的建筑平面周边平行A倒四角锥体（锥尖向下）：锥的底边相连为上玄杆，锥尖的连杆为上玄杆，上下玄错开半格四角锥体网架1正放四角锥体网架b正四角锥体（锥尖向下）四角锥体网架四角锥体网架正放四角锥体网架特点：（1）杆件内力均匀，点支承时除支座处杆件内力较大，其他杆件内力均匀（2）屋面板规格比较统一，上下玄杆等长，构造简单适用范围：（1）平面接近于正方形的中小跨度周边支承的建筑（2）大柱距的点支承、有悬挂吊车的工业厂房四角锥体网架2斜放四角锥体网架：锥的底边与相应的建筑平面周边夹角45度四角锥体网架上玄杆短对受压有利，下玄杆长为受拉杆，受力合理适用范围：中小跨度、矩形平面锥尖向下：上玄为正六角形网格，下玄为正三角形网格六角锥体网架锥尖向上：下玄为正六角形网格，上玄为正三角形网格六角锥体网架杆件多，结点构造复杂，屋面板为六边形或三角形，施工困难，较少采用第四节平板网架的主要尺寸短向跨度l<30m时，取（1/8~1/12）l短向跨度l=30~60m时，取（1/11~1/14）l短向跨度l>60m时，取（1/13~1/18）l钢筋混凝土屋面板时，不宜超过3m*3m轻型屋面：3~6米一、网格尺寸4平板网架的主要尺寸和网格尺寸相匹配短向跨度l<30m时，取（1/10~1/13）l短向跨度l=30~60m时，取（1/12~1/15）l短向跨度l>60m时，取（1/14~1/18）l二、网格高度交叉桁架体系：腹杆倾角40~55度角锥网架：腹杆倾角60度大跨度网架：再分式腹杆三、腹杆布置5平板网架的受力特点6平板网架的支承方式每个结点都设置柱周边不设置边桁架用钢梁省一、周边支承于柱适用范围：大跨度和中等跨度柱子数量少柱距布置灵活周边可不设置边桁架圈梁有利于抗震二、周边支承于圈梁适用范围：中小跨度柱子数量少，建筑物使用灵活三、点支承适用范围：大柱距的厂房或仓库自由边必须设边梁或桁架梁四、三边支承适用范围：飞机库或飞机修理装配车间第六节悬索结构悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。1悬索结构的组成：拉索采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或部丝束，边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。１．索网只受轴向拉力，既无弯矩，也无剪力，受力简单2悬索屋盖结构的特点：２．悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗外荷载的作用，可以最充分地利用钢材的强度。３·悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面。4.可以创造具有良好物理性能的建筑空间。5．悬索屋盖结构的稳定性较差。6．悬索结构的边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。3悬索结构的型式悬索屋盖结构按屋面几何形式的不同，可分为单曲面和双曲面两类；根据拉索布置方式的不同，可分为单层悬索体系、双层悬索体系、交叉索网体系一、单层悬索体系单层悬索体系的优点是传力明确，构造简单；缺点是屋面稳定性差，抗风（上吸力）能力小。常采用重屋面，适用于中小跨度建筑的屋盖。单层悬索体系有单曲面单层拉索体系和双曲面单层拉索体系。1．单曲面单层拉索体系由许多平行的单极拉索组成。屋盖表面为简状凹面，从两端山墙排水优点：传力明确，构造简单；缺点：屋面稳定性差，抗风（上吸力）能力小，索的水平拉力不能在上部结构实现自平衡，必须通过适当的形式传至基础。拉索水平力的传递，一般有以下三种方式：１）拉索水平力通过竖向承重结构传至基础,拉索的两端可锚固在具有足够抗侧刚度的竖向承重结构上（2）拉索水平力通过拉锚传至基础l）锚固在足够重的大体积混凝土中；2）利用底板及回填土自重抵抗拉力；3）锚固于受拉摩擦桩或受弯摩擦桩上；4）锚固在岩石层的钻孔中。（3）拉索水平力通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙2．双曲面单层拉索体系常见于圆形的建筑平面，其各拉索按辐射状布置，整个屋面形成一个旋转曲面二、双层悬索体系由一系列承重索和相反曲率的稳定索所组成特点是稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承受不同方向的荷载作用。适宜于采用轻屋面，如铁皮、铝板、石棉板等屋面材料