建筑结构及选型ppt课件.ppt

建筑结构体系及选型 绪论 一 为什么要学习建筑结构体系及选型建筑结构选型是作为一个建筑师必须具备的基本能力 1 建筑设计方案阶段建筑师必须考虑的问题 2 注册建筑师必考的内容之一 3 认真贯彻国家建筑方针 安全 适用 美观 经济 应具备的基本功能2 建筑结构的合适与否直接决定建筑方案可行性及实施性实例 图书馆3 建筑结构选型是建筑力学 建筑结构应用的直接体现 同时也体现过建筑师的基本素质 第一小节 二 如何学好建筑结构选型要有一定的建筑力学知识 1 要掌握建筑构件及建筑结构受力的基本类型 轴向力 轴力 拉力压力剪力 横向力 扭矩 力偶 平行构建横切面弯矩 力偶 垂直于构建横截面 内力 2 要掌握构建的基本变形构建的基本变形有四种 拉压变形剪切变形扭转变形弯曲变形 变形类型 3 要学会把复杂变形分解成简单变形 2 要有一定的建筑结构知识 1 建筑结构的分类 按材料分类刚性结构砖 石结构 砖混结构 砼结构特点 主要由脆性材料组成 脆性材料是主要承力材料 范围 以竖向受力荷载为主 小跨度 低层及多层建筑 基础大坝等块体结构 柔性结构 主要以弹性材料作为主要承力材料 如 钢筋砼结构 钢结构 网架结构 悬索结构 接受力特性分类 梁板结构2 框架结构3 排架结构4 剪力墙结构5 框架剪力墙结构6 简体结构7 网架结构8 拱结构9 壳结构10 悬索结构11 膜结构 2 各结构类型的应用范围略 后面章节具体论述 3 要有一定建筑材料知识脆性材料 砖 瓦 砂 石 砼特点 耐压 不耐拉 抗剪能力差弹性材料 钢材特点 抗压 抗拉能力相当 抗剪能力较差三 建筑结构选型对建筑学专业的学生的要求 主要是定性了解 不要求作定量计算 要了解选型的原则 要掌握各个结构体系的适用范围 第二小节 建筑结构形式的影响因素及其与建筑的关系 一 影响因素建筑材料建筑技术社会需求 二 与建筑的关系影响建筑的风格影响和发展了建筑艺术扩大了建筑物的应用范围 第三小节 结构的艺术表现力 这一节主要介绍建筑结构非建筑结构功能 一 结构本身富含美学的表现力 是构成建筑艺术形象的重要因素 等强梁的结构美拱劵结构的结构美薄壳结构的结构美拱劵 斗拱 悬挑等 要善于把结构的形式美与建筑空间艺术美有机的结合 创造出建筑的内在美 最速水线大屋顶 游泳馆 最速滑线方程f z e x e yz双曲面方程二 结构的美学表现力需要建筑师艺术再创造 第四小节 建筑结构选型的原则总原则 安全 适用 美观 经济具体有以下几个方面 一 选择能充分发展材料性能的结构形式 1 根据力学原理选择合理结构形式 使结构处于无弯矩状态 已达到受力合理 节约材料的目的 梁矩形工字型直线桁架折线桁架 B 拱 轴心受压 两端周定拱两端铰支拱三铰拱C 悬索 主要承拉构件 轴心受拉构件 D 薄壳结构 轴向受力 2 合理调整结构弯矩峰值 使结构受力合理 二 合理的选用结构材料 1 充分利用结构材料的长处 2 提倡结构形的优选组合 3 采用轻质较强的结构材料 三 要充分考虑建筑功能要求 住宅 商业 教育 体育 宗教 宫殿 四 要控制合理的造价 Page 12 Page 13 上篇 平板结构体系 引言 平板结构和非平板结构 平板结构 是以受弯为主的结构构件 梁 板 楼梯 柱 墙等 非平板结构 曲面结构 以轴向受力为主结构类型如 拱 薄壳 悬索结构等 该结构能充分发挥结构性能 第一章一般平板结构 本章主要介绍建筑结构水平分系统中的一般平板结构 即最常见 量大面广的结构类型 即梁 板 楼梯 结构悬挑及工例实例 1 1板式结构板的定义 l1 l2 l32 平板结构包含的内容 楼梯 屋盖板 以受弯为主墙板 楼梯段 阳台板等 3 板的分类 1 接受力特征分类单向板 l2 l1 2按短跨传力双向板 l2 l1 2双向传力 2 按支座的形式分类 四边固定三边固定 一边简支 两邻固定 两邻边简支 两对边固定 两对边简支 一边固定 一边简支 其它两边自由 两邻边固定 两邻边自由 一边固定 三边自由 三边简支 一边自由 4 板厚度的确定板的厚度主要决定于板的跨度 同时要考虑荷载及支撑情况 具体估算见表1 钢筋砼板截面尺寸估算参考值 1 2 梁板式结构 与板式结构相比 梁板式结构受力合理 更节省材料 但静空受到限制 1 21 1 简支梁 独立梁 1 静定梁 支座约力差 利用沉降 2 梁截面尺寸 是由跨中弯矩决定 跨度越大 梁高越大 为了经济 跨度不宜过大 3 对于跨度很大 宜采用箱形结构 4 施工 多采用予制 2 连续梁 1 超静定梁 刚度 抵抗变形能力强 与简支梁相比 弯矩小 挠度小 布置灵活 可做成主次梁结构 也可做成井字梁结构 总跨度可比简支梁大 2 连续梁最大弯矩在支座处 梁最高截面在支座处 跨中挠度较小 便于利用空间 如加腋 3 弹性较好 可产生内力重分布 提高抗破坏性能 节约材料 4 不适宜应用于地基承载力不均匀的地段 3 多跨简支梁 如檩条 大桥的桥梁等 1 22 1 折线形梁 楼梯板式楼梯2 曲线式梁 旋转楼梯 曲线外挑阳台内力由 弯矩M剪力Q扭矩T 1 23 梁的截面尺寸确定 钢筋混凝土梁的截面尺寸估算参考值 1 3 结构的悬挑 悬挑结构目前应用越来越多 它可以提供优美的造型 开阔的空间 良好的视野 另一方面 其受力特点比较独特 易破坏 可以特别论述按特别论述 1 3 1 悬挑梁的受力特点 特点1 产生的内力大 变形大 特点2 存在倾覆的可能 1 3 2 结构的抗倾覆验算及措施 1 抗倾覆验算 N e P d 1 52 措施 1 拉力平衡 2 压力平衡 3 用压力支撑平衡 4 用支撑和拉力相结合平衡 5 用基础平衡 6 用自重平衡1 4 悬挑结构在建筑中的应用 中央电视台MOMA公寓小结 1 掌握受力特点及应用范围 2 掌握各构件尺寸选择数据 第二章桁架与屋架 2 1 桁架与屋架的概念 1 桁架与屋架是杆件结构体系 整体相当于梁的作用 承受弯矩 而每一个杆件则是承受轴力 2 桁架与屋架适用于跨度大于18M的大跨度 3 桁架可以平面桁架 也可以是空间桁架 可以是直线型也可以是折线及曲线型 4 桁架可以是钢筋混凝土 钢材 木材 2 2 屋架的形式与受力特点 2 2 1 屋架的受力特点 1 整体的受力构件 内力有弯矩和剪力 弯矩中间大 两端小 剪力中间小 两端大 而每一个杆件均为轴力 2 弦杆内力 M N R弦杆的内力是轴力 上压 下拉 大小相等方向相反形成的力矩 即弯矩 弦杆的主要作用是平衡弯矩 3 腹杆内力 Y V 腹杆主要承受的剪力变形 主要是平衡剪力 4 不用形式屋架内力的分析比较 内力分布与外形的关系 M N h 1 当M为定值时 h越大 N越小 2 当N为定值时 h随M的变化而变化2 3 屋架形式的选择和设计要求 2 3 1 1 屋架选型的影响因素 1 使用要求 2 跨度 3 荷载大小2 屋架矢高的确定 主要由结构的刚度条件确定 就是一句最大挠度的数值 通过高跨比来确定 2 3 2 屋架的设计要求 主要由三项内容 1 跨度 三角屋架 L 18m梯形屋架1836m再大跨度最好应用钢屋架 抛物线屋架 应用范围同上折线形型 特点 受力合理 经济指标好 平行屋架 多用钢屋架 多用于荷载大 有悬挂式吊车 托架 无斜腹杆屋架 跨度 18 L 36m热加工车间 下沉式天窗 2 高跨比 1 10 1 4坡度1 2 1 5三角形 1 10 1 4坡度1 5 1 2梯形屋架 1 8 1 6 跨中 1 12 1 10 端部 3 屋架构件的宽度 宽度 由上弦宽度确定 压杆稳定性要求 构造要求 4 特点 2 4 平面桁架的空间支撑与空间桁架 2 4 1 平面桁架的空间支撑 1 平面桁架空间支撑的作用 1 保证屋架平面外的空间刚度和整体稳定A 施工阶段 纵向支杆 檩条及垂直支撑 B 使用阶段 屋盖支撑系统 及屋盖结构自身共同完成 檩条 大型屋面板 2 屋架支撑的布置 A 常用支撑的种类 上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 下弦纵向水平支撑 纵向垂直支撑 纵向水平支杆 B 设置原则 总的原则 上弦横向水平支撑 下弦横向水平支撑 纵向垂直支撑 无山墙承重 设在第一开间 有山墙承重 设在第二开间 有伸缩缝设在伸缩缝两侧的第一开间 当建筑物长度大于40m 应加设一道上述支撑 具体设置方法 第三章刚架结构与排架结构 3 1 刚架结构与排架结构的概念 1 结构特点 1 相同点 都由直杆组成 都为单层结构 2 不同点 结点不同 前者为刚结点 后者为铰结点 2 受力特点的异同 刚架 跨中弯矩小 内力分析较均匀 M峰值小 1 垂直荷载作用排架 M峰值大 刚架 柱的M峰值小 2 水平荷载作用 主要对柱的影响 排架 柱的Mmax大 3 2 刚架结构与排架结构的种类及受力特点 3 2 1 刚架结构种类及受力特点 1 种类 无铰刚架 两铰刚架 三铰刚架 组成多跨刚架 2 受力特性 门式刚架的结构特点与适用范围横梁与柱子的连接为刚接与铰接相比 刚架下横梁的跨中弯矩得以减少 故能适用于更大的跨度 杆件少 制作方便 结构内部空间大 便于利用广泛应用于工业厂房 吊车起重量不能太大 体育馆 仓库 礼堂 食堂等建筑门式刚架从材料上来看 可采用钢筋混凝土结构或钢结构门式刚架的类型与构造从结构上来分类可分为 无铰刚架 两铰刚架和三铰刚架等三种无铰刚架属于超静定结构 结构刚度大 但柱底弯矩较大 基础造价大 且地基不均匀沉降会导致附加内力 应用很少 三铰刚架属于静定结构 柱底无弯矩 且不会产生附加内力 但刚度较差 适用于小跨度和地基较差的情况两铰刚架与三铰刚架的情况较为接近 钢结构常用该形式门式刚架的外形选择主要考虑建筑排水和建筑造型的需要主要分为 单跨 双跨 多跨 带毗屋 带挑檐等形式 门式刚架钢结构体系主要包括 主结构 刚架 吊车梁次结构 檩条 墙架柱 抗风柱 墙梁支撑结构 屋盖支撑 柱间支撑 系杆围护结构 屋面系统 屋面板 采光板 通风器等 墙面系统 墙板 门窗 3 2 2 排架结构的种类及受力特点 排架结构简介排架结构一般由预制的钢筋混凝土屋架 吊车梁 柱 基础等组成 多用于单层工业厂房 工业厂房与民用房屋相比 基建投资多 占地面积大 常受生产工艺条件的制约 排架结构传力明确 构造简单 有利于实现设计标准化 构件生产工业化以及施工机械化 提高建筑工业化水平 2 排架结构的类型柱头与屋架铰接 柱脚与基础刚接根据生产工艺与使用要求 排架可做成单跨和多跨 亦可做成等高 不等高和锯齿形等跨度可达30m 高度可达30m以上 吊车吨位可达150t以上 3 排架结构的组成单层厂房排架结构通常由屋面板 屋架 吊车梁 排架柱 抗风柱 基础梁 基础等构件组成 上述构件分别组成屋盖结构 横向平面排架 纵向连系体系 围护结构等 1 屋架结构 分为有檩体系与无檩体系 有檩体系由小型屋面板 檩条 屋架及屋盖支撑组成 无檩体系由大型屋面板 屋架及屋盖支撑组成 前者用于小型厂房 后者用于大 中型厂房 2 横向平面排架 由屋架 横向柱列及基础等组成 是厂房基本承重结构 3 纵向连系体系 由纵向柱列 连系梁 吊车梁 柱间支撑及基础等组成 主要传递纵向水平力 4 围护结构 由纵墙 横墙 山墙 抗风柱及基础梁等组成 主要承受墙体自重和其上的风荷载 3 3 刚架结构与排架结构的构件形式 1 刚架构件形式 变截面 有工字形截 2 排架 主要是排架柱 3 4 刚架结构与排架结构的空间刚度 1 特点 结构整体刚度低 2 提高整体刚度的方法 1 屋盖部分增加水平支撑 垂直支撑 2 柱 增加柱间支撑 3 支撑的设置 A 柱间的支撑B 屋盖支撑3 5 实例 4 1 网架结构的特点与适用范围1 定义它是由许多杆件按照一定规律组成 具有各项受力性能的多次超静定空间网状结构 图4 1 第四章网架结构 2 特点 1 网架结构主要受轴向压力或拉力 受力合理 节省材料 2 网架是空间结构体系 具有整体性强 稳定性好 空间刚度大 抗震性能好 3 杆件类型统一 适合工厂化生产 机械化施工 图4 2 图4 3 图4 4 4 适用范围 大跨度 大空间建筑 如体育馆 展览馆 飞机航站楼等 3 分类及特点 一 形状分类 平板形网架 如图4 1 a 壳形网架 如图4 1 b c d 二 结构分类 单层 如图4 1 b c 双层 如图4 1 a d 三 特点 1 平板形网架 以受弯为主 需要较大的自身高度 一般均为双层 2 平板形网架特点 1 自重轻 节省材料2 整体刚度大 对多种荷载适应能力强 稳定性好 3 平面网架为非曲面无推力空间结构 支座一般为简支 构造简单 4 2 平板形网架的结构形式 一 图示方法及特点 二 结构形式 1 交叉桁架体系网架 A 两向正交正放网架 布置为近似正方形较为合理跨度50M左右较合适以四点支承较合理注意保持网架的几何不变性 应合理设置结构水平支撑 B 两向正交斜放网架 适用于不同比例的矩形建筑平面变形特点 长桁架角部产生负弯矩 中部弯矩减少 受力较合理 负弯矩存的存在 易使四角翘起 支锚特点 四角受压支座 还必须设置防止翘起和收拉锚支座 优缺点 与前者相比 空间刚度大 适于大跨度 节省材料 受力合理 缺点 起坡线构造复杂 C 两向斜交斜放网架 适应柱距不相等的建筑 D 三向交叉网架适用多边形 圆形 椭圆形等不规则平面形状 E 单向折线形网架 适应于小跨度 狭长建筑平面为保证整体刚度 注意在单向折线形网架端部设置连续的上弦杆和下弦杆 2 角锥体系网架 定义 由三角锥 四角锥 六角锥单元组成的空间网架结构 特点 与前者相比 刚度大 受力性能好 稳定性好 便于制造 便于制造 运输 安装 1 四角锥网架 特点 上弦 下弦均为方形 上 下弦错半格放置 网格尺寸受限 适用于中心跨度 类型 1 正方四角锥网架优点 受力均匀 无竖杆 构造简单 适用于 平面接近正方形的中 小跨度的周边支承 也适用于大柱网的点支承 有悬挂吊车的工业厂房和屋面荷载较大的建筑 2 正放跳格四角锥网架 3 斜放四角锥网架 优点 比正放的受力更合理 原因 上杆杆变弯矩 有利于避免失稳破坏 下弦杆长 但为拉杆 形式较新颖 经济指标好 节点数目大 构造简单 缺点 屋面排水复杂注意当为点支撑时 周边布置封闭的边桁架 4 棋盘造型四角锥网架 形成 将斜放四角锥网架水平稳定转45度而成 优点 较少屋面板种类 利于排水 5 星形四角锥网架 受力合理 内力等于上弦节点荷载 计算简单 2 六角锥网架 特点 上弦为六边形网络 下弦为三角形网格 反之亦用 造型优美 施工 制作复杂 3 三角锥网架 特点 比前两种相比 受力均匀 刚度更好 广泛应用于矩形 三角形 梯形 六边形 圆形及各种不规则平面 布置方式 1 三角锥网架 特点 上下弦均为正三角形 受力均匀 整体刚度好 杆件均为等长 制作方便 适用于大 中跨度屋盖 2 跳格三角网架 特点 刚度有所降低 适用轻质屋盖 小跨度 3 蜂高形三角锥网架 特点 它实际是一种跳格网架 节点汇集杆件最少 杆件少 上弦短 下弦长 受力合理适用于轻型中 小跨度屋盖 4 3平板网架受力特点 4 4平板网架的主要尺寸 1 网架高度 网架的高度主要取决于网架平面短向的跨度 网架的高度与短向跨度之比一般为 当跨度小雨30m时 约为1 30 1 10 当跨度介于30 60之间时 约为1 15 1 12 当跨度大于60m时 约为1 18 1 14 2 网格尺寸 网格尺寸与网架短向跨度之比 一般为 当跨度小于30m时 约为1 12 1 18 当跨度介于30 60m之间时 约为1 14 1 11 当跨度大于60m时 约为1 18 1 13 3 顺杆布置 腋杆的倾向40度 50度之间角锥60度对大跨度 采用分式腋杆 4 5网架的支承方式及支座节点 1 网架的支承方式 周边支承网架四点支承或多点支承网架三边支承网架 2 支座节点 4 6网架的杆件截面与节点 1 截面 角钢类 钢管类 2 节点 杆件为角钢为平板节点 杆件为钢管类为球节点 4 7网架结构的屋面及吊顶 1 昼面坡度 结构找坡构造找坡 2 昼面材料 原则 越轻越好类型 钢檩 望板 柔性卷材和铝板 钢丝网水泥板 柔性卷材 ETTE 乙烯 四氯乙烯 薄膜 3 吊顶 方式很多 4 8施工方法 1 多变拼装法 2 整体吊装法 4 9实例 综合体育馆 游泳馆 图书馆 CUBA等 第五章高层建筑结构 前言一 高层建筑的意义 高度 H 24m层数 n 8二 常用类型 砌体结构 框架结构 剪力墙结构 框架 剪力墙结构 简体结构及其组合 悬挂结构 Page 72 5 1高层建筑结构的力学特点5 1 1 荷载值建筑高度增加对建筑结构的影响 1 竖向荷载的影响 竖向荷载在结构产生竖向压力大小随建筑高度的增加呈线性增加 2 水平荷载的影响 主要有地震作用 风荷载 注意两者不同时计算 1 荷载值随高度而增加 2 内力 变化与h呈二次方的关系 一个抛物线 结论 1 在低层建筑中 竖向荷载起主要作用 在高层建筑中 水平荷载起控制作用 2 在低层建筑中 内力中轴压力起主要作用 在高层建筑中 内力中弯矩 剪力起控制作用 3 材料的选择要符合受力特征 5 1 2 建筑高度对建筑物变形及建筑体型的影响 1 限制水平变形的层间位移 2 建筑体型高度比的限制 见表5 2 5 6 5 2 框架结构 5 2 1 框架结构的特点 1 建筑物的平面 主要布置灵活 容易出形象 2 缺点 整体刚度差 抗侧能力弱 3 范围 N 20层 5 2 2 框架结构的布置方案 1 框架结构传力特点 2 布置方案 1 横向框架 特点 纵横刚度相对均衡 利于抗震 利于平面和立面布置 不利方面 横向梁承重 高度大 空间受力限制 2 纵向框架 特点 1 横向刚度小纵向刚度大两者刚度相差较大 不利于抗震2 主梁纵向布置 楼层净空大 便于管道布置 很少来用这种布置方式 3 纵横向混合布置 特点 综合了前两者的优点 有利于抗震 缺点 既要计算横向刚度 又要计算纵向刚度 5 2 3 柱网形式 1 柱网 由定位轴线纵横交叉形成的 用以确定建筑的开间 进深的平面的网格为柱网 它由功能要求决定的 要求 1 柱网力求简单整齐 形状规则 2 对于多层及高层 最好要求上下贯通 2 布置形式 1 方格柱网 多用于工业及公共建筑 2 内廊式柱网 多用于教学楼 办公室 写字楼 宾馆及特定的工业建筑 3 曲线形柱网 5 2 4 框架柱 梁 板的载面形式和尺寸估算 1 框架柱 按柱的长细比确定 长细比为 1 20 1 10且截面的边长 300mm2 框架承重梁 1 15 1 10跨长 宽度为一般高度的1 33 连续梁 同上 按构造要求取值 既按承重梁的最小高跨比取值 4 框架板的截面形式和尺寸估算 厚度d 1 45 1 35ld60 mm 对无梁楼盖d 150mm详见表5 7 5 3 剪力墙结构 5 3 1 剪力墙结构的特点 1 特点 1 抵抗水平荷载 2 工作状态受弯受剪 3 侧向刚度大 4 范围 高层 超高层建筑 适于小开间 2 类型 单板型开阔型框支型 5 3 2 剪力墙结构的布置方案 三种方案1 横墙承重方案 特点 1 楼板直接支撑在剪力墙上 其间距为楼板长 一般 3 6m 2 横向刚度大 纵 横刚度较均衡 3 材料用量大 成本造价高 2 纵墙承重方案 主要是大开间需要 此方案应用较小 3 纵横墙混合承重方案 1 全现浇 2 预制板支撑大梁的横向剪力墙上 3 实例 5 3 3 剪力墙结构的基本设计要求 1 布置要求 1 平面上要求尽可能布置均匀对称 不宜间断布置 2 自下而上连续布置 避免刚度突变 2 设计要求 主要是门窗洞口设置要求 1 门窗洞口宜上下对齐 成列布置 形成明确的墙脚和连梁 2 在纵横墙交叉处 应避免在几面墙上同时开洞 开洞要带门垛 3 建筑平面的尽端 山墙和其转角处尽量少开洞或不开洞 靠近外墙的内墙上尽量不开洞 5 4 框架 剪力墙结构 1 特点 1 框架 剪力墙结构式两种结构的结合 兼有两种结构的各自优点 框架空间布置灵活剪力墙抗侧刚度好 2 两者分工明确 剪力墙承担80 以上的水平荷载 框架承担余下的水平荷载和全部竖向荷载 3 变形特点 剪力墙是弯曲型变形 框架剪力墙剪切型变形 4 两者变形要协调 楼 屋 盖必须有足够刚度 2 变形协调的基本要求和措施 1 条件 2 措施 A 加大楼盖板的刚度 设计上 采用加大板厚 跨度大可采用密肋结构 施工上 现浇整体式 装配整体式 叠合梁 叠合板 2 L 1 1 2 10 4B 控制屋 盖 楼盖的长 宽比 见下表 3 框架 剪力墙的结构布置要求 1 双向布置抗侧力体系 各主轴方向刚度相近 2 剖面上 宜贯通建筑物全高 避免突变 剪力墙开窗宜上下对齐 3 剪力墙布置的位置 周边均匀布置 抗剪 4 纵横剪力墙宜设计成L T U型 5 剪力墙的数量要适当 6 剪力的厚度要求 d 160mm且不小于1 20Hi 7 梁 柱 柱与剪力墙的中线宜重合 尽量避免扭转变形 5 5 简体结构 1 特点 1 组成 由一个或几个抗侧力构件的简形结构组成 2 受力性能 主要抗侧力 承受水平荷载 很好的空间刚度抗侧梁能力和抗震能力 3 范围 超高层建筑 2 简体结构的设计 1 构造类型 1 落壁简 由钢筋砼墙围合而成 电梯间 管道井 一般设置建筑物平面的中部 形成横线简 2 框简 由密柱 高梁形成框架组成的简体 密柱间距 1 5 3 0m 特殊扩大到4 5m 横梁 h 0 6 1 2m2 简体的结构布置 1 竖向结构 简体的布置三种形式 单简 简中简 集束简 2 水平结构 楼板层的布置见图5 20 3 简体的结构类型 1 简体结构 单简 简中简 集束简 2 框简 桁架结构 3 框架 简体结构5 6悬挂结构1 特点 1 水平分系统通吊杆 钢索吊挂或斜柱在竖向分系统上 2 减少竖向支撑 柱 扩大空间 跨度 平面布置灵活 3 可采用高强材料 充分发挥材料性能 减少材料消耗 2 悬挂结构类型 1 单层 2 高层 下篇曲面结构体系 绪论一 曲面结构体系 定义 结构中心面为曲面或结构中心线为曲线的结构体系称为曲面结构体系 如 拱结构 悬索结构 薄壁空间结构 二 特点 第六章拱结构 6 1 拱结构的受力特点 1 拱的内力 主要是轴向压力 弯曲很小 甚至等于零 2 拱的最佳受力状态 M 0 V 0M M0 H yN V0sin H cos V V0cos H sin 拱在最佳受力状态时的轴线称为合理拱轴线 3 拱是有推力的结构 合理的抗推力措施是保证拱结构安全的重要方法 6 2 拱结构的类型 1 无铰拱 2 两铰拱 3 三铰拱 6 3 拱的抗推力措施 1 推力由拉杆承受 2 地埋拉杆 3 用刚性水平结构端部拉杆抵抗力推力 4 推力由两侧结构整体承受 5 推力由基础直接承受 6 4 拱轴曲线的形式 1 在一定荷载作用下 使拱处于无弯矩状态的拱轴曲线 称拱的合理轴曲线 其形式与结构形式 支承条件 荷载形式有关 三铰拱情况 f 4f L2 x L x f为失高L为跨度当f 4时 用圆弧代替抛物线 2 拱的失高 失高的合理选择 1 满足建筑造型和建筑使用功能的要求 失高决定了建筑物的内部空间的大小和建筑外形 2 尽量使结构受力合理 由平衡条件可知 H M0 fM0 qL 8 当 与q确定时 M0是一个常数因此 f与H成反比 即失高小 则水平推力大 拱身轴力大 失高大 则相反 可降低基础造价 但拱身长度增大 上部结构材料增加 风力影响大 3 失高f的取值范围 一般屋盖 f L 5 L 7 不宜小于L 10杆拱的失高较小 落地拱的失高较大 结合防水与屋面做法 自防水 f L 6左右柔性防水 f L 8左右 6 5 拱的截面形式与尺寸 1 拱的截面形式与主要尺寸拱身可做成实腹式和格构形式两种形式一般采用等截面钢筋混凝土拱一般采用实腹式 拱身的截面高度可按拱跨的L 30 L 40估算 截面宽度为25 40cm 钢结构拱多采用格构式 拱身的截面高度 格构式按拱跨的L 30 L 60估算 实腹式按拱跨的L 50 L 80 当拱身内力 轴压力 弯矩 沿轴向改变较大时 可采用变截面形式 即改变拱身截面高度而保持宽度不变 拱的截面除了常用的矩形截面外 还可采用T形截面 双曲拱 波形拱 折板拱等 更大跨度的拱可采用钢管 钢管混凝土截面 也可用型钢 钢管或钢管混凝土组成组合截面 组合截面拱自重轻 截面回转半径大 其稳定性和抗弯矩能力大大提高 可以跨越很大的跨度 跨高比也可做得更大 2 拱的结构选型与布置拱结构的选型需要考虑结构的支承形式 拱轴形式 拱的失高 拱身形式 拱的结构布置与支撑体系设置 静定三铰拱不会产生附加内力 但构造复杂 适用于地基特别软弱时 一般工程不大使用 两铰拱和无铰拱属于超静定结构 要考虑基础不均匀沉降和温度变化引起的附加内力的影响 两铰拱受力合理 用料经济 制作和安装简便 最常用 无铰拱受力最为合理 但对支座要求高 适用于地基条件好或支承时 一般用于桥梁结构 很少用于房屋建筑拱 拱结构根据建筑平面形式的不同 可以有以下布置方案 并列布置 建筑平面为矩形 可用等间距 等跨度 并列布置的平面拱结构 纵向需加支撑 径向布置 建筑平面为非矩形 常采用径向布置的空间拱结构 其空间刚度和稳定性都较好 环向布置 建筑平面为圆形 采用环向布置的空间拱结构最为合理 各拱沿周围排列 拱脚相抵 推力互消 正交布置 仿效井字梁布置 多向承受荷载 共同传力 多叉布置 适用于任意建筑平面形状 围绕一个中心铰或环 径向布置辐射状的拱肋 呈多叉状的肋形拱 拱脚与拱顶多为铰接 多叉拱肋的顶端汇聚于中心 各叉拱脚形成的平面宜为正多边形或圆形 6 6 拱结构的实例 6 6 拱结构的实例 第七章悬索结构 悬索结构应用历史 明朝成化年间 1465 1487年 已用铁链建成霁虹桥 现存最早的悬索桥 四川泸定桥 世界最长的悬索桥 日本的名石大桥 日本明石海峡大桥位于本州岛与四国岛之间 主跨1991米 960 1991 960 全长3911米 抗震强度按1 150的频率 承受8 5级强烈地震和抗150年一遇的80m s的暴风设计 为目前世界上跨度最大的悬索桥 也是世界上最长的双层桥 是联结内陆工业中的重要纽带 金门大桥包括从钢塔两端延伸出去的部分 全长达2000米 为此 又分别在两侧修建了两座辅助钢塔 使桥形更加壮观 大桥的桥面宽27 4米 有6条车行道和两条宽敞的人行道 钢塔之间的大桥跨度达1280米 为世界所建大桥中罕见的单孔长跨距大吊桥之一 奥克兰海港大桥是奥克兰极富代表性的一处景致 大桥连接奥克兰最繁忙的港口 怀提玛塔海港南北两岸 全长1020米 江阴长江公路大桥是我国首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥梁 也是20世纪 中国第一 世界第四 大钢箱梁悬索桥 房屋建筑中悬索结构的雏形 游牧民族的帐篷 美国雷里竞技馆 世界上最早的现代悬索屋盖 世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Releigh体育馆 采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网 代代木体育馆 丹下健三 由丹下设计的1964年东京奥运会主会场 代代木国立综合体育馆被称为20世纪世界最美的建筑之一 而他本人也赢得日本当代建筑界第一人的赞誉 代代木体育馆采用高张力缆索为主体悬索屋顶结构 创造出带有紧张感和灵动感的大型内部空间 其特异的外部形状加之装饰性的表现 具有原始的想像力 这一设计可以说是丹下健三结构表现主义时期的顶峰之作 其最大限度地发挥出丹下将材料 功能 结构 比例 直至历史观高度统一的杰出才能 丹下认为 虽然建筑的形态 空间及外观要符合必要的逻辑性 但建筑还应该蕴涵直指人心的力量 这一时代所谓的创造力就是将科技与人性完美结合 而传统元素在建筑设计中担任的角色应该像化学反应中的催化剂 它能加速反应 却在最终的结果里不见踪影 这一最基本的理念便是丹下在建筑实践中始终坚持的信条 意大利南部凡纳弗罗市M G研究试验室 美国巴尔的摩内港6号码头音乐厅 北京工人体育馆 我国第一座悬索屋盖结构建筑 北京工人体育馆建成于1961年 其屋盖为圆形平面 直径94m 采用车辐式双层悬索体系 由截面为2mX2m的钢筋混凝土圈梁 中央钢环 以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成 中央钢环直径16m 高11m 由钢板和型钢焊成 承受由于索力作用而产生的环向拉力 并在上 下索之间起撑杆的作用 对于建筑而言 由于拉索显示出柔韧的状态 使得结构形式轻巧具有动感 而且平面形式自由灵活 其力学特点 它是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构 结构特性 结构组成 悬索结构 由柔性受拉索 边缘构件及下部支撑构件所形成的承重结构 索的材料可以采用钢丝束 钢丝绳 钢铰线 链条 圆钢 以及其他受拉性能良好的线材 悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能 具有跨度大 自重小 材料省 易施工 悬索结构的受力及变形特点 悬索为轴心受拉构件在竖向荷载作用下 支座处的水平拉力与悬索的垂度成反比索内轴力与cos 该处索的切向与水平方向的夹角的余弦值 成反比 与水平向的夹角越大 轴力越大 悬索的变形 悬索结构的形式 分类 按屋面几何形式的不同 单曲面 双曲面按拉索布置方式的不同 单层悬索体系 双层悬索体系 交叉索网体系 鞍形索网体系 单层单曲悬索结构 单层悬索结构水平力传递 通过竖向承重结构 斜柱墩 侧边的框架结构 传至基础 如丹东体育馆结构 通过拉锚传至基础 通过刚性水平构件传至抗侧力墙 单层双曲悬索结构 拉索绕过内环梁实例 单层悬索结构实例 单层悬索结构小结 单层悬索结构具有构造简单 传力明确的优点单层悬索结构垂跨比经验值取1 50 1 20单层悬索结构稳定性差 需采取一定的加强措施 悬索结构的稳定性 悬索屋盖结构稳定性差 主要表现在以下方面 适应荷载变化的能力差外形会随活载如不对称风 雪荷载的大小与位置而变化 且幅度很大 振荡过于频繁 对保持屋面形状 保证屋面防水非常不利抗风吸能力差索只能单向传力 即荷载必须与垂度f同向 若风为吸力或竖向地震力时 则立即失去稳定 无力抵抗向上风力和竖向地震力 严重时甚至屋盖被局部掀起或屋盖被完全揭顶 抗风震 地震能力差风荷载与地震作用具有动力和随机性 悬索像绷紧之弦 易于受到颤动 并会产生振动 一旦发生振动 屋盖即遭破坏 1940年11月7日 美国华盛顿塔克马海峡桥 和风持续6h 风力稳定且低18 8m s 桥面产生空气动力颤动 振幅逐渐增大 桥梁受到扭转 弯曲 最后失稳 终于断折破坏 荷载对悬索的影响 增强单层悬索结构稳定性的措施 增加悬索结构的荷载形成预应力索 壳组合结构形成索 梁或索 桁架组合结构增设相反曲率的稳定索 双层悬索结构 交叉索网结构 增加悬索结构的荷载 形成预应力索 壳组合结构 主要采用单层索系上加钢筋混凝土屋面板的构造方式 施工时先将屋面板挂在索上 在板上加载使索伸长 然后在板缝中浇灌细石混凝土 待达到一定强度后卸去荷载 即形成具有一定预应力的 悬挂薄壳 单曲面单层拉索结构体系可以在索上搁置横向加劲梁或横向加劲桁架 形成所谓的索梁体系 一是传递可能的集中荷载和局部荷载 使之更均匀地分配到各很平行的索上 二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力 从而提高屋盖的刚度 鞍形索网结构 交叉索网体系小结 交叉所望体系刚度大 变形小 具有反向受力能力 结构稳定性好 适用于大跨度建筑的屋盖 交叉索网体系适用于圆形 椭圆形 菱形等建筑平面 边缘构件形式丰富多变 造型优美屋面排水容易处理 应用广泛 屋面材料一般采用轻屋面 如卷材 吕板 拉力薄膜 以减轻自重 节省造价 悬索结构的优缺点 优点 轴向拉伸抵抗外荷载作用 充分利用钢材强度 便于建筑造型 容易适用于各种平面 施工方便 费用低 创造良好物理性能的建筑空间 缺点 稳定性差 单索是几何可变体边缘构件和下部支撑结构耗材多 第8章薄壁空间结构 建筑结构与选型 6 1概述6 2圆顶6 3筒壳6 4折板6 5双曲扁壳6 6双曲抛物面扭壳 6 1概述 6 1 1薄壳结构的概念概念壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构 也称曲面结构 等厚壳 当厚度不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳 变厚壳 当厚度随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳 薄壳 当厚度远小于壳体的最小曲率半径时 称为薄壳 厚壳中厚壳 形成梁平板拱薄壳 承受双向轴力和纯剪力 有人称拱和薄壳结构是仿生结构 梁 主要承受弯矩和剪力平板 主要承受力矩的作用拱 主要承受轴力的作用薄壳 承受双向轴力和顺剪力 薄壳结构的受力 比拱式结构更具优越性 因为拱式结构只有在某种确定的荷载的作用下才有可能找到合理拱轴线 而薄壳结构由于两个方向薄膜轴力和薄膜剪力的共同作用 可以在较大的范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲 特点 整体工作性能良好 内力比较均匀 是一种强度高 刚度大 材料省 既经济又合理的结构型式 实例自然界中的薄壳实例 蛋壳 蚌壳 螺蛳壳 蜗牛先 脑壳及植物的果壳或种子等 生活中的薄壳实例 乒乓球 罐 灯泡 安全帽 轮船 碗等 曲面的描述1 等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的中曲面 2 曲面的高斯曲率 3 壳体的矢率扁壳 当时 可按扁壳结构计算 陡壳 正高斯曲率零高斯曲率负高斯曲率 169 6 1 2薄壳结构的曲面形式 薄壳结构中曲面的几何形式 按其形成的特点可以分为以下几类 旋转曲面 由一条平面曲线绕着该平面内某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转曲面 由于母线形状的不同 旋转壳又可分为球形壳 椭球壳 抛物球壳 双曲球壳 圆柱壳 锥形壳等 旋转曲面 平移曲面 由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线 导线 平行移动所形成的曲面称为平移曲面 常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面 所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳 椭圆抛物面 双曲抛物面 直纹曲面 由一段直线 母线 的两端分别沿两固定曲线 导线 移动所形成的曲面叫直纹曲面 房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形曲面 劈锥曲面 扭曲面等 双曲抛物面的形成 导平面 直导线 直导线 直母线 6 1 3薄壳结构的内力 175 6 1 4薄壳结构的施工 混凝土壳体1 现浇混凝土壳体2 预制单元 高空装配成整体壳体3 地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升4 装配整体式叠合壳体5 采用柔模喷涂成壳预应力结构预应力钢筋布置在横隔 侧边构件及其衔接的壳板受拉区 旋转壳的支座环 拉杆 结构的支座部分 以及最大剪力作用区 176 6 2圆顶 圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳 根据建筑设计的要求 圆顶的形式可采用球面壳 椭球面及旋转抛物面壳等 6 2 1圆顶结构的组成 壳身 平滑圆顶 肋形圆顶和多面圆顶支座环支承结构 壳身 平滑圆顶 a 肋形圆顶 b 和多面圆顶 c 支座环 支座环的截面形式 支承结构 1 通过支座环支承在房屋的竖向构件上 a 2 支承在斜柱或斜拱上 b C d 3 支承在框架上 e 4 直接落地并支承在基础上 f 6 2 2圆顶的受力特点 1 破坏形态球壳在均布竖向荷载作用下 在上部承受环向压力 而在下部承受环向拉力 由于砖砌体或混凝土的抗拉强度极低 故往往在圆顶的下部沿径向出现多条裂缝 支座环的边框作用相当于拉杆对拱的作用 181 6 2 2圆顶的受力特点 2 薄膜内力 经向轴力N1 环向轴力N2 a 圆顶受力破坏示意 b 法向应力状态 c 环向应力状态 d 壳面单元体中的主要内力 182 3 支座环的受力 壳身边缘传来的推力 支座环的拉力 a 支座环的拉力作用 b 壳面边缘径向弯矩及构造 183 6 2 3圆顶的结构构造 1 壳板厚度 t R为1 6002 壳板配筋 受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受拉区域 最小配筋率0 20 主拉应力大于混凝土抗拉强度的受拉区域 按计算配筋 3 壳板边缘构造 支座边缘的约束弯矩及配筋构造图 184 4 支座环梁 环梁预应力筋布置 右图 5 壳顶开洞 内环梁与壳板的连接 下图 6 装配整体式圆顶结构 预制单元的划分 185 6 2 4结构实例 1 罗马小体育宫2 大阪市中央体育馆 186 罗马小体育宫 所在地 大坂市港区田中3丁目建造时间 1956年 1957年建筑设计 意大利建筑师A 维泰洛齐结构设计 P L 奈尔维结构类别 上部结构 预应力混凝土球形壳体建筑平面 圆形 直径60m 罗马小体育宫 结构组成球顶 由1620块用钢丝网水泥预制的菱形槽板拼装而成 板间布置钢筋现浇成 肋 上面浇混凝土小圆盖 球顶上部开洞斜撑 36个 丫 形斜撑 腰带 附属用房的屋盖 兼作连系梁 大坂市中央体育馆 所在地 大坂市港区田中3丁目设计时间 1992年8月 1993年5月施工时间 1993年6月 1996年5月设计监理 大坂市都市整备局营运部施工企业 大林 西松 浅沼建设共同体结构类别 基础 现场灌注混凝土桩 现场灌注混凝土连续墙上部结构 预应力混凝土球形壳体建筑面积 38425m2 大坂市中央体育馆 鸟阚图 大坂市中央体育馆 平面图 大坂市中央体育馆 剖面图 6 3筒壳 筒壳是单向曲率的薄壳 零高斯曲率壳 6 3 1筒壳结构的组成 壳身侧边构件 波长 横隔 跨度 侧边构件 波长 作用 作为受拉区 提供刚度 型式 5种 横隔 跨度 功能 承受顺剪力 将内力传到下部结构型式 5种 6 3 2筒壳的受力特点 196 6 3 3筒壳的结构构造 197 巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅 所在地 巴黎建造时间 1992年 建筑设计 保罗 安德鲁结构设计 结构类别 上部结构 混凝土筒壳 6 3 4结构实例 巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅 结构组成 登机楼为一预制系统 4m宽的基本单元依次就位并装配到一起 40cm厚的混凝土壳承受压力 而钢制的弧形肋受拉 两种结构之间的距离取决于角动量 双层透明玻璃组成的玻璃表面可以保证水密性 以两层结构之间的钢制弧形肋条为支撑 窗格很窄 仅有1m高 拼成的折面非常接近曲面的效果 巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅 巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅 坍塌报告主要结论 1 混凝土顶棚钢筋承载力不足 2 缺少补充支撑体系 也就是缺少在主体结构超出承受力时能够将力传递到其他结构部位的可能性 3 大梁承载力不足 为了通过通风管道 大梁每隔四米被通风管道穿过 从而削弱了大梁的