第九章 大跨度建筑

第九章大跨度建筑结构第一节单层刚架一、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。第九章大跨度建筑结构第一节单层刚架一、受力特点结构特点：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，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。竖向荷载作用下，柱对梁的约束作用，减小了梁跨中的弯矩和挠度。水平荷载作用下，梁对柱的约束作用，减小了柱内的弯矩和侧向变位。二、类型及适用范围第一节单层刚架1.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。无铰刚架 三次超静定，刚度大、内力小；基础较大、对地基要求高。

两铰刚架 一次超静定，基础处为铰支承；为常用的一种刚架。

二、类型及适用范围第一节单层刚架三铰刚架 静定结构，刚度较差、内力大；地基条件较差时使用。悬臂刚架

二、类型及适用范围第一节单层刚架二、类型及适用范围第一节单层刚架2.按材料分类：

（1）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。

（2）钢刚架

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反拱。二、类型及适用范围第一节单层刚架2.按材料分类：

（2）钢刚架——实腹式和格构式。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。梁柱转角处应力集中，采取构造措施：圆弧过渡并设置必要的加劲肋。h/L约1/12～1/20施加预应力时，约为1/30～1/40

实腹式刚架二、类型及适用范围第一节单层刚架2.按材料分类：

（2）钢刚架——格构式具有刚度大、耗钢省等优点。

格构式h/L约1/15～1/20

跨度较小时，三铰式结构

跨度较大时，无铰或两铰结构二、类型及适用范围第一节单层刚架2.按材料分类：

（3）钢筋混凝土刚架

一般适用于跨度≦18m,高度≦10m的无吊车或吊车荷载≦100KN的建筑中，最大跨度可达30m截面：矩形，工字形。立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，采取构造措施三、常用单层刚架基本尺度第一节单层刚架见P279表9-1四、单层刚架的布置第一节单层刚架结构的布置：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9m，钢刚架当采用轻型屋面时可达12m，甚至15m。一、受力特点第二节桁架结构桁架结构形式1.组成：由杆件组成的格构体系一、受力特点第二节桁架结构（二）受力特点、优缺点

1.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。

2.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

3.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。二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构工程中的桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构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。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。二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构1、木屋架二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构1、木屋架二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构2、钢木组合屋架——采用钢拉杆做屋架下弦，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、焊接或螺栓连接二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构4、钢筋混凝土屋架二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构5、钢筋混凝土——钢组合屋架二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构6、其他形式的桁架二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构6、其他形式的桁架二、桁架的类型及适用情况第二节桁架结构6、其他形式的桁架第三节拱结构第九章大跨度建筑结构一、受力特点与梁结构相比，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。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，腹杆承受剪力），而拱结构是以受压为主。一、受力特点第三节拱结构1）优点：截面较小，充分利用了抗压性能好的材料。2）缺点：水平推力的存在是一件麻烦且费材料的事。二、平衡拱推力的方式第三节拱结构（1）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，而不致将推力传给支承拱的结构构件上。故普遍用于屋盖结构上。二、平衡拱推力的方式第三节拱结构拉杆的设计要求1）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。2）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，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下严重下垂二、平衡拱推力的方式第三节拱结构（2）推力由水平结构承担二、平衡拱推力的方式第三节拱结构（3）推力由竖向结构承担为了避免框架产生过大的水平位移和或倾斜，拱结构两侧的框架必须有足够的刚度。（4）推力由基础直接承担落地拱结构的优缺点？优点：外型别致。缺点：建筑空间高度较小。二、平衡水平推力的方式第三节拱结构二、平衡水平推力的方式第三节拱结构（4）推力由基础直接承担第四节薄壳结构第九章大跨度建筑结构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/R≤1/20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；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、会堂等各种建筑一、结构特点与优缺点第四节薄壳结构中曲面高斯曲率法截线二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构按高斯曲率分类零高斯曲率正高斯曲率负高斯曲率零高斯曲率正高斯曲率负高斯曲率二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构按其形成的几何特点分类——旋转曲面由一条平面曲线绕着该平面内某一指定的直线旋转一周所形成的曲面二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构由一条竖向曲线做母线沿着另一条竖向曲线（导线）平行移动所形成的曲面椭圆抛物面双曲抛物面按其形成的几何特点分类——平移曲面二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构椭圆抛物面双曲抛物面按其形成的几何特点分类——平移曲面二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构柱面由一段直线（母线）的两端分别沿着二固定曲线（导线）移动所形成的曲面扭曲面扭面也可认为是从双曲抛物面中沿直纹方向截取的一部分按其形成的几何特点分类——直纹曲面二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构劈锥曲面由一段直线（母线）沿一直导线和一根竖向曲导线移动并始终平行于一导平面形成的曲面劈锥曲面由一段直线（母线）沿一竖向曲线（导线）移动并始终通过一定点形成的曲面锥面:锥面按其形成的几何特点分类——直纹曲面二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构曲面的组合双曲扁壳柱壳扭壳锥形壳劈锥壳二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构三、薄壳结构的内力薄膜内力为主要内力的情况：壳体结构的内力薄膜内力薄膜内力：弯曲内力：双轴力顺剪力双弯矩扭矩横向剪力圆顶的结构组成及结构型式1.壳身结构支座环壳身下部支承平滑圆顶肋形圆顶多面圆顶三、常用形式及尺度第四节薄壳结构圆顶的结构组成及结构形式2.支座环阻止裂缝开展保证壳体处于受压工作状态实现结构的空间平衡作用：支座环二、薄壳结构的曲面形式第四节薄壳结构圆顶的结构组成及结构形式3.支承结构的类型支承在竖向承重构件上支承在框架上象落地拱直接落地并支承在基础上支承在斜柱或斜拱上斜拱圆顶的受力特点1.圆顶的破坏2.圆顶的薄膜内力壳面单元体的主要内力径向应力状态环向应力状态3.支座环的受力圆顶的受力特点支座环圆顶的工程实例罗马小体育宫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壳肋——葵花图案具有装饰性采用36根Y字型斜柱支承结构明朗轻快富有表现力三、常用形式第四节薄壳结构筒壳的结构组成边梁(侧边构件)：是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别横隔板三、常用形式第四节薄壳结构筒壳的结构组成边梁的型式a最经济b适用于边梁下有墙或中间支承的建筑c适用于小型筒壳d边梁可兼作排水沟三、常用形式第四节薄壳结构筒壳的结构组成横隔板的型式框架横隔空腹桁架横隔三、常用形式第四节薄壳结构筒壳的受力特点是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别筒壳纵向与梁类似把上部竖向荷载传递给横隔横向与拱类似壳身产生环向压力按梁理论计算横向拱的作用小；纵向梁传力显著。近似梁作用横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。近似拱作用内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算长壳短壳中长壳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三、常用形式第四节薄壳结构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飞机场哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬三、常用形式——筒壳第四节薄壳结构一、双曲扁壳的组成扁壳：（微弯平板）——椭圆抛物面扁壳优点：矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济；平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。边缘构件带拉杆的拱，拱形桁架，薄腹梁，拱形刚架种类：具有较大的刚度在四角交接处应有可靠连接构造措施要求：三、常用形式——双曲扁壳第四节薄壳结构受力特点——薄膜受力为主三个受力区主要承受双向轴压力按构造配筋洞口开在此区主要承受正弯矩壳体下表面受拉，布置钢筋

壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小1中央区：2边缘区：3四角区：主要承受顺剪力，主应力为拉力——配45度斜筋主应力为压力——局部增大混凝土厚度边缘构件主要承受壳板边缘传来的顺剪力三、常用形式——双曲扁壳第四节薄壳结构工程实例北京火车站中央大厅顶盖、检票口通廊——双曲扁壳中央大厅顶盖：35m*35m，f=7m，厚度80mm；四周有拱形高窗，采光充分检票口通廊：五个双曲扁壳，中间的为21.5m*21.5m，其余16.5m*16.5m

矢高3.3m，厚度60mm，每个顶盖均可采光工程实例北京网球馆扁壳中央隆起，适应网球在空中弧形轨迹，空间充分利用壳体稳定性好双曲抛物面是直纹曲面，配筋和模板制作简单扭面也可以认为是从双曲抛物面中沿直纹方向截取的一部分，如abcd扭壳——从双曲抛物面中沿直纹曲面切取的一部分上凸——薄拱（受压）下凹——索网（受拉）避免屈曲失稳，提高稳定性。壳板可以很薄扭壳单块作屋面或组合三、常用形式——双曲抛物面扭壳第四节薄壳结构一、扭壳的结构组成和型式形式双倾单块扭壳单倾单块扭壳组合型扭壳屋顶四边采光，排水方便。组成：壳板和边缘构件二、扭壳的受力特点只有顺剪力平行于直纹方向顺剪力产生的主拉或主压应力，下凹——受拉“索”上凸——受压“拱”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扭壳的壳板

二、扭壳的受力特点边缘构件轴力图四坡屋顶边缘构件——顺剪力上弦杆受压，下弦杆件受拉顺剪力使拱方向的支座受推力单块扭壳屋盖锚于地下的斜拉杆拉杆扭壳的边缘构件落地拱单块扭壳屋盖落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡扭壳的边缘构件顺剪力合力R作用于A、B的基础上当地基抗侧移能力不足时，在基础之间设置拉杆三、常用形式——双曲抛物面扭壳第四节薄壳结构三、双曲抛物面扭壳的工程实例透视图平面图扭壳的几何图形大连海港转运仓库钢筋混凝土组合型双曲抛物面扭壳屋盖边缘构件为人字形拉杆拱曲面的切割与组合双曲扁壳锯齿形状（柱状）柱壳扭壳锥形壳劈锥壳两柱壳相贯两双曲抛物面壳相贯锥形壳锥形壳鸟瞰图室内透视室外透视由三组壳体组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，并将荷载传至支座三组壳体的相交处为采光带美国圣路易航空港候机室壳体组合顶视图两圆柱正交几何图墨西哥霍奇米洛科餐厅立面平面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的拱肋，直接支承在八个基础上建筑平面为30m*30m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立面图脚点处理平面图剖面图屋顶为球面薄壳，三角落地薄壳曲面由1/8球面构成，从球面上切割出来的平面形状为曲边三角形薄壳的三个边为向上卷起的边梁，并通过它将壳面荷载传至三个支座。支座为铰接第五节折板第九章大跨度建筑结构第五节折板第九章大跨度建筑结构受力特点、优缺点及适用范围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，也可用作外墙第五节折板第九章大跨度建筑结构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。第五节折板第九章大跨度建筑结构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、双层网架第六节网架结构第九章大跨度建筑结构受力特点、优缺点和适用范围第六节网架结构受力特点：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。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第六节网架结构b.角锥体系平板网架2.尺寸平板网架的类型和尺寸第六节网架结构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，应用最广。钢管壁厚不应小于1.5mm

2.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第六节网架结构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第六节网架结构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第六节网架结构网架结构建筑造型实例网架结构的建筑造型第六节网架结构（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第九章大跨度建筑优缺点优点：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第七节悬索结构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