建筑结构课件：建筑结构---大跨度结构2014

大跨度建筑结构华南理工大学张雁 大跨度建筑结构常用于体育建筑、博览建筑、交通建筑（机场候机厅、火车汽车站）、影剧院、礼堂、音乐厅等公共建筑及飞机库等工业厂房。与高层建筑不同，大跨度建筑结构的水平受力结构——屋盖是关键问题。 以均布荷载作用下的简支梁为例，其挠度因此，大跨度结构的主要问题是水平受力结构的刚度问题。大跨度结构的风荷载、雪荷载与活荷载不大，主要荷载是恒载（自重），占总荷载的70%—80%。由上式可知，减小弯矩，减轻自重，采用轻质高强材料，是解决结构刚度的关键。 大跨度结构面临的问题还有声、光、热、空调等建筑物理方面的问题及内部结构空间的利用、能源消耗的问题。另外，大跨度结构对施工技术要求较高，有些还需要专业施工单位施工。 拱结构拱结构的受力特点和优缺点拱结构的受力特点：把直杆梁变为上凸的曲杆就形成了拱，拱结构仍然是平面结构。拱是一种有推力的结构，它的主要内力为轴向压力。 从上图可以看出，梁在荷载P作用下，产生弯矩和剪力，要向下挠曲。拱在同样荷载作用下，拱脚支座产生水平反力H，它起着抵消P引起的弯矩的作用，使拱杆的弯矩小于相应的简支梁，而且通过改变拱的轴线形状，将弯矩尽可能转化为轴向力，使其处于小偏心或轴心受压状态。 拱结构优缺点：由于拱结构的力学优点，使混凝土的抗压性能得到充分利用，可以减轻自重，降低造价，形成大跨度。拱结构由于有支座的水平推力，而且拱的跨度越大、矢高越小，其推力也越大，这样就需要建造抗推力结构平衡水平推力。 推力直接传给支座(落地拱)这种处理方法比较简单，且能提供较大的空间。当土质较好，推力不大时，这样处理也最为经济。 苏州：寒山寺旁的石拱桥——下津桥 运河上的石拱桥充分利用了石材抗压的特点，经济合理，造型美观。 土坯拱 赵州桥位于河北省赵县，建于公元590～608年间，全长50.82m,跨度L=37.20m,矢高f=7.23m（f/L=1/5.12）,桥宽10m,是世界上最早的敞肩式拱桥,早于欧州同类桥约1000年。主拱上设有四个小拱，既减轻自重，便于泄洪，又更为美观。无论在材料利用、结构受力、艺术造型和经济上都达到了极高的成就。 敞肩式石拱桥（落地拱） 敞肩式石拱桥（延安） 推力由拉杆直接承受在拱脚处设置钢杆，承受拱的水平推力（对钢杆来说是拉力），钢杆可以是型钢，或是圆钢。水平推力较大，地质条件不好的落地拱常采用这种方法，将拉杆埋在地下。 带拉杆的双曲拱屋盖 北京：军事博物馆 推力由侧面框架结构承受根据建筑功能要求，当拱的两侧有边跨建筑时，可以采用这种方法，使拱脚推力传给边跨结构。但是，侧面框架的刚度要足够大，框架顶部不能有过大的侧移，以保证拱的正常受力，且框架柱基底不允许出现拉应力。 北京：崇文门菜市场（装配式钢筋混凝土拱） 北京：崇文门菜市场（装配式钢筋混凝土拱） 拱的主要尺寸拱的矢高f矢高f对拱的外形影响很大，它直接影响建筑造型和构造处理。矢高f还影响拱身的轴力和水平推力H，水平推力H与矢高f成反比（f越小,H越大）。因此，确定拱的矢高时，要从建筑外形和结构受力的合理性综合考虑。 对于屋盖结构，f=(1/5—1/7)L,最小不小于L/10。有拉杆的拱矢高可以小些，可取f=L/7。矢高的确定与屋面做法及排水方式有关:自防水：屋面坡度1/3，则f=L/6当为油毡屋面防水：屋面坡度要求不大于1/4，则f不大于L/8。L为屋盖跨度。 拱身的截面高度拱的截面可分为实体式和格构式，实体式拱一般采用钢筋混凝土材料，截面为工字形或矩形；格构式拱多采用钢结构。拱身一般取等截面，钢筋混凝土拱身截面高度一般取h=(1/30—1/40)L;钢拱身取h=(1/50—1/80)L;格构式钢拱身取h=(1/30—1/60)LL为拱的跨度。 实体式拱 格构式拱 上海黄浦江上的第四座大桥——卢浦大桥全长750m，主跨550m，是世界上跨度最大的箱形截面钢拱桥。 施工中的卢浦大桥（箱形截面钢拱桥） 施工中的卢浦大桥（箱形截面钢拱桥） 两个拱向内倾斜,中间有多根刚性横梁相连。 薄壳结构（薄壁空间结构）薄壳结构的受力特点与优缺点薄壳结构是在均布荷载作用下主要承受曲面内的轴力和顺剪力的空间结构。薄壳结构是一种薄的不至于产生明显的弯曲应力，厚度是用来承受压力、拉力和剪力的“形抵抗结构”，这种结构是将材料造成一定的形式从而获得强度去承受荷载。 平面板结构虽然是双向受力，但其主要承受弯矩和扭矩，且两向刚度很小。而薄壳结构主要承受轴压力，具有很大的强度和刚度。拱结构虽然主要承受轴向力，但其属于单向传力的平面结构，而壳体属于双向传力的空间结构。桁架的杆件虽然也是主要承受轴向力，但其属于平面受力杆系结构。因此，薄壳结构较梁式结构、桁架结构、拱结构等具有更优越的受力性能。 优点：薄壳结构由于其优越的受力性能，使“薄”、刚度大成为其特点，结构自重小，节约材料，经济，可做大跨度的建筑空间。例如6m×6m的钢筋混凝土双向板，最小厚度需130mm，而35m×35m的双曲扁壳屋盖，壳板厚度仅80mm。例如球壳，壳体厚度（δ）与其曲率半径（R）之比一般δ/R=1/600（鸡蛋壳的δ/R=1/20）。 屋面和承重结构二者合一，其造型接近动物界自然壳体，曲线优美、形态多变，为建筑的造型提供了创作条件。缺点：施工复杂，费模板，费工时薄壳结构虽然本身的材料费很少，但由于其体形复杂，一般采用混凝土现浇，所需的模板、脚手架及人工等施工费用很高，往往占造价的一半以上。 结构层太薄，使保温、隔热成为问题，长期日晒雨淋可导致壳板开裂。有些壳体曲面（如球壳、扁壳等）可导致声音反射与混响，产生回声现象，对音响效果要求高的建筑需采取一定的措施（如吸音处理）后选用此结构。壳体还存在一些有待研究的问题，如开孔、稳定、振动、徐变等。 薄壳的曲面形式壳体具有的优越受力性能，依赖其“形”——曲面。壳体的曲面形状和曲率变化会直接影响其应力状况，故壳体线型是决定其受力特征的关键因素。薄壳结构的曲面形式可按其形成的几何特点划分。 平滑圆顶 肋形圆顶 圆顶薄壳实例罗马小体育宫，为钢筋混凝土网状扁球壳结构，直径59.13m。葵花瓣的网肋将力传到周圈的36根Y形斜柱，推力由斜柱传至柱脚，柱下是直径为81.5m,宽2.5m的环形基础，结构本身具有很强的装饰性。 双曲扁壳的应用北京火车站的和检票口的通廊屋顶共用了6个扁壳。中央大厅屋顶采用方形双曲扁壳，平面为35m×35m,矢高7m,壳板厚度80mm。检票口通廊屋顶的5个扁壳，中间的平面为21.5m×21.5m,两侧的4个16.5m×16.5m,矢高3.3m,壳板厚60mm。边缘构件为两铰拱，四面采光。 北京火车站正厅屋顶的扁壳，平面尺寸为35m×35m，矢高7m，壳厚选用80mm，完全是施工工艺的要求。北京：火车站鸟瞰图 美国圣路易航空港候机室（曲面的切割、组合）该建筑由三组壳体组成，每组由两个圆柱形曲面正交构成。建筑平面为四边形，而每组壳面切割成八角形的覆盖平面，丰富了建筑造型。两个柱形曲面交线为十字型交叉拱，它加强了壳体并将荷载传至支座。拱的断面突出壳面（反梁），使室内形成光滑简洁的曲面。壳体的边缘有加劲肋。壳体采用现浇钢筋混凝土结构，厚115mm。三组壳体的相交处为采光带。屋顶覆盖铜板面层。 美国麻省理工学院礼堂屋顶为球面薄壳，三脚落地。薄壳曲面由1/8球面构成，这1/8球面是由三个与水平面夹角相等的通过球心的大圆从球面上切割出来的。球的半径为34m。薄壳平面形状为48m×41.5m的曲边三角形。薄壳的三个边为向上卷起的边梁，并通过它将壳面荷载传到三个支座。壳面边缘处厚度为94mm。屋顶表面用铜板覆盖。该建筑1955年由沙里宁设计。 美国麻省理工学院（MIT）礼堂（平面为正三角形） 悬索结构大跨度的一种理想结构型式，悬索结构的主要承重构件是受拉的钢索。结构组成钢索（索网）：高强钢绞线、钢丝束边缘构件：可以是梁、拱、桁架、环梁等下部支承结构：钢筋混凝土立柱、框架结构 苏通长江大桥主跨1088m，主塔高306m，基础桩径为2.5～2.8m,桩长超过120m，主桥最长的斜拉索长达580m。 美国旧金山金门大桥主跨1280m，主索直径910mm，悬索下垂122m1937年建成，曾保持27年世界纪录 受力特点悬索结构的索网为轴心受拉构件，采用抗拉强度很高的钢绞线与钢丝束。并且不存在压曲和失稳问题。悬索屋盖结构的特点：索网是轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。悬索边缘构件必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索网拉力悬索只能单向受力，承受与其垂度方向一致的作用力。有反向力会失稳（如风的吸力、竖向地震作用）。 双曲面交叉索网体系两组曲率相反的拉索交叉组成，下凹的为承重索，上凸的是稳定索，通常对稳定索施加预应力，以增强屋面刚度。该体系抗风和抗震性能好，适用于各种形状的建筑平面，应用非常广泛。索网常常是双曲抛物面，边缘构件往往采用双曲环梁或斜向边拱。 北京工人体育馆圆形建筑平面，比赛大厅直径94m，外围7.5m宽的四层环形框架结构。屋盖采用圆形双层悬索结构。索：采用钢绞线，沿径向辐射状布置，上下索各144根，分别与内外环锚固。外环：截面尺寸2m×2m的环梁支承在外廊框架的内柱上（共48根圆形柱）。内环：由上下环及24根工字形组合断面立柱组成，呈圆筒形，直径16m，高11m，因承受较大拉力，上下环均采用环形钢板梁。 外环受力平面 内环 美国雷里竞技馆椭圆形比赛场尺寸为67.4m×38.7m，屋盖选用双曲交叉索网体系，平均网格宽度为1.83m，锚固在两个交叉拱上，拱顶距地面的高度为25.6m，拱与地面成28.10角。拱由两个位于交叉点上的倒置的V形支架和位于拱身下面的钢柱共同支承。钢柱用混凝土包护，防火，间距2.4m，同时作为门窗的竖框，其间为保温玻璃。 日本代代木体育馆该建筑是建筑与结构完美结合的典范。采用悬索屋盖，两根主悬索与分列两侧的鞍形索网是屋盖结构的主要组成部分。两根主悬索主跨长126m，其在塔柱上的悬挂点标高为39.6m，每根索的设计内力达13500kN，采用直径330mm的钢丝绳，两片鞍形索网采用截面高度为0.5~1.0m工字形实腹劲性构件，间距为4.5m。稳定索采用直径44mm的钢丝绳，间距1.5~3.0m，每根稳定索施加200kN的预应力。 结构概念设计的原则全面考虑原则结构概念设计时，要对其所涉及的各个方面作全面考虑。包括建筑、结构和施工方面的考虑；使用、功能、美观、技术和经济方面的考虑；整体、局部和它们之间关系方面的考虑。 结构概念设计的原则功能协调原则结构概念设计时，应尽可能做到结构、建筑、设备和施工手段的功能协调。 结构概念设计的原则减轻自重原则——重要原则结构所承受荷载：竖向荷载、水平荷载减轻自重可以降低竖向荷载，同时可以减小水平地震作用。同时使造价降低、节约材料、减少材料运输、加快建造速度等。减轻自重措施：采用高强材料、采用高效能结构型式、合理的结构布置、优越的结构体系等。 结构概念设计的原则合理受力原则——重要原则从受力和变形看：均匀受力比集中受力好多跨连续比单跨简支好空间作用比平面作用好超静定受力体系比静定受力体系好传力简捷比传力曲折好，要避免不明确的受力状态 结构概念设计的原则合理受力原则——重要原则从受力状态、抗力和材料看：尽可能选择以轴向应力为主的受力状态尽可能增加构件和结构的截面惯性矩和抗弯刚度、抗剪刚度合理选用材料，合理设计构件截面 结构概念设计的原则优化选型原则优化结构体系优化结构布置合理构造做法