建筑结构总体选型第四章大跨度结构选型

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1、第四章大跨度结构选型 建筑结构总体选型 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 按网架结构设计规范规定 30米 小跨度30 60米 中跨度 60米 大跨度 1大跨度建筑概况 1 1大跨度建筑定义 第四章大跨度建筑结构选型 1大跨度建筑概况 1 2 1古典大跨结构 2000多年前 文艺复兴 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大跨度建筑的发展过程 1 2 2平面大跨结构 19世纪后半叶 二战 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新型大跨结构 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 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

3、 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大跨度建筑的结构特征 1 3 2大跨结构是梁结构的改造和演变 1 3 3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 2拱结构 2 1拱结构的特点 1 按受力 三铰拱 两铰拱 无铰拱2 按外形 双折线型 圆弧线型 抛物线型 2 2拱结构的型式 第四章大跨度建筑结构选型 2拱结构

4、1 跨度 公建主体30 40米 可达到95 200米 经济跨度80 100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 10 1 5 L公建主体f 1 5 1 2 L 2 3拱结构的主要尺寸 2 4拱结构屋盖布置 1 跨度40 60米时拱间距6 10米 设上弦横向支撑及纵向支撑2 跨度70 120米时拱间距9 15米 采用相距3 6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 2 5拱结构支座处理 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 3刚架结构 3 1刚架结构的特点

5、3 2刚架结构的型式 1 按组成 三铰刚架 两铰刚架 无铰刚架2 按断面 实腹式 格构式 第四章大跨度建筑结构选型 3刚架结构 1 跨度 实腹式 50 60米 格构式两铰刚架 60 120米 格构式无铰刚架 120 150米 折线弓形刚架 40 50米高15 20米2 断面 实腹式梁高h 1 12 1 20 L设预应力拉杆h 1 30 1 40 L 格构柱宽同横梁节间5 7米 折线弓形刚架梁高 柱宽 1 15 1 25 L 3 2刚架结构的主要尺寸 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

6、座支反力 100t 3 4刚架结构节点构造 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 充分利用材料特性 以小杆件拼合跨越大空间 4桁架结构 4 1桁架结构的特点 4 2桁架结构的型式 1 按材料 木 钢砼 钢 组合式2 按外形 三角形L 18m i 1 5 1 2 梯形L 18 36m 72m f L 1 6 1 8 拱形L 18 36m 60m f L 1 6 1 8 折线形 平行弦 第四章大跨度建筑结构选型 4桁架结构 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 4 3桁架结构节点构造 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

7、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 5网架结构 5 1网架结构的特点 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 球面网壳b 柱面网壳c 双曲面网壳 5 2网架结构的型式 第四章大跨度建筑结构选型 5网架结构 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 5 3平板网架 1 杆件 角钢 钢管2 节点 十字钢板节点 用于角

8、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2 5 结构起拱 跨度 60m时 起拱1 300 上弦加柱 按坡度变高 5 4平板网架杆件与节点 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 5 5平板网架构造 1 球面网壳2 柱面网壳 5 6网壳简介 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

9、 以减小折板倾角 6折板结构 6 1折板结构的组成 第四章大跨度建筑结构选型 6折板结构 1 折板类型 长折板 L B 1 f 1 10 1 15 L 短折板 L B 1 f 1 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 2 3米 f 0 5 1 2米 板厚 B 40L 24米 B 1 2米 板厚25 45 B L f L 40 6 2折板结构的主要尺寸 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 50 1 100 7薄壳结构 7 1定义 7 2特点 1 受力主要是面内力 薄膜内力 2 可覆盖大空间而不设柱3 自重轻 刚度大 整体性好 利于抗震4

10、节省材料 经济效果好5 造型美观 活波新颖 第四章大跨度建筑结构选型 7薄壳结构 7 3 1筒壳1 组成 壳面 边梁 横隔2 几何尺寸 跨度 波长 长壳 1 5 2 5 短壳 1 0 5 失高 f 1 10 1 15 跨度 壳板厚 现浇式 50装配式 30小跨度 50 60 大跨度 803 边梁形式4 横隔形式 7 3薄壳结构型式及构造 7 3 2球面壳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 8 1 4 跨度 壳板厚 现浇式 40装配式 303 支承环 同筒壳边梁 7 3 3双曲扁壳1 组成 壳面 边缘构件2 几何尺寸 跨度 经济跨度30 60米

11、失高 f 1 5 1 6 短边长度 壳板厚 跨度30 60米时 板厚50 1003 边缘构件薄腹梁拉杆拱桁架密柱曲梁 7 3 4双曲抛物面壳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 5 1 8 短边长度 壳板厚 跨度30 60米时 板厚50 1003 边缘构件 桁架 密柱边梁 刚性墙7 3 5自由曲面壳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60 150米方形 矩形 圆形 椭圆形平面

12、 8悬索结构 8 1体系特征 第四章大跨度建筑结构选型 8悬索结构 1 单层单曲面索2 双层单曲面索3 轮辐式索4 鞍形索网 8 2结构型式 1 采用斜向牵索将悬索拉到基础上 8 3悬索结构支承处理 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 拱 索 8 4悬索结构的混合体系 梁 索 悬臂梁 索 板 索 悬索结构屋顶实例 柏林会堂 代代木体育馆 华盛顿杜勒斯机场 耶鲁大学冰球馆 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构

13、屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构屋顶 悬索结构 悬索结构 悬索结构 9其它结构型式 9 1薄膜结构体系 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 9 1 1结构体系概述 9 1 2结构体系类型 1 充气薄膜结构 气压式薄膜 膜构成管或囊充气保持形状承受外部荷载 气承式薄膜 薄膜构成气球不断向内充气抵御外部荷载维持形态稳定 混合式薄膜 a气压式与气承式

14、混合b充气结构与其他结构结合 英国千禧帐篷直径320米 薄膜结构 薄膜结构 薄膜结构 千禧帐篷展厅布置内景 薄膜结构 2 悬挂薄膜结构通过桅杆 边缘索和锚索等对膜施加预应力 使其形成并保持反向双曲面特征 具有一定刚度 维持结构形态的相对稳定 适合于中小跨度的建筑物 3 骨架支撑膜结构以桁架 拱 空间网架等作为结构骨架 再在其上覆盖膜材料 并使之张紧成型 9 1 2结构体系类型 索膜结构 慕尼黑奥运馆 索膜结构 索膜结构 索膜结构 索膜结构 索膜结构 索膜结构 索膜结构 9 2结构的混合体系 1 刚架 悬索混合 9 2结构的混合体系 2 拱 网架混合 江西省体育馆平面呈长八边形 东西长84 3m

15、 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 9 2结构的混合体系 3 拱 索混合 9 2结构的混合体系 4 悬索 拱交叉索网混合 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 大跨度建筑屋顶 大跨度建筑屋顶实例 肯尼迪机场 利雅得机场 罗马小体育宫 其他实例 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 薄壳结构 屋顶 屋顶 屋顶 屋顶 屋顶 大跨度建筑屋顶 梁索结构屋顶 球

16、面网壳屋顶 球面网壳屋顶 曲面网壳屋顶 桁索结构屋顶 薄膜结构屋顶 国家体育场 鸟巢 网络状构架体现完美 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 鸟巢 网络状构架体现完美 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 鸟巢 网络状构架体现完美 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 鸟巢 网络状构架体现完美 屋顶 采用滑动式的可开启屋顶 当它合上时 体育场将成为一个室内的赛场 除了一些特定的结构需要外 可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的架构 装上充气垫后 成为一个防水的壳体 国家体育场 鸟巢 网络状构架体现完美 经济 建筑的材料耗费的钢材是悉尼奥运会主会场的8倍 实例附图 大跨度建筑 拱结构形式 刚架结构形式 桁架结构