结构力学大跨建筑.doc

大跨度建筑结构形式与建筑造摘要：大跨度建筑通常是指跨度在30米以上的建筑，主要用于民用建筑的影剧院、体育场、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑。在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。关键词 : 应力蒙皮 蒙皮 鸟巢型索穹顶结构概 述： 人类活动对建筑空间提出了新的要求。人类在满足基本功能需要的同时，也在展示自己聪明才智和改造自然的伟大力量。在空间上对大跨的追求一直是人类的梦想。 建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。例如 1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（Superdome），直径207m，长期被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一地位已被1993年建成直径为222m的日本福冈体育馆所取代，但后者更著名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启13或开启23等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为美观，迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来，由于结构使用织物材料的改进，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展，美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构；1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，也采用这种结构技术尤为先进，其近似圆形平面的直径为204m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（Geogia Dome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。下面我们来分析大跨度结构形式与造型分析1.拱结构拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。常见方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢衍架拱，跨度可达百米以上。拱结构所形成的巨大空间常常用来建造商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。沈阳奥体中心体育场：可容纳6万人，其南北看台顶部设置了一对平行投影为梭形的360m跨的钢拱结构，在东西两端采用平行弦桁架将南北网壳进行局部连接，屋顶钢结构总重量约11000t,总建筑面积140000m2。其外形宛如希腊神话胜利女神手中的水晶皇冠。2.刚架结构 刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。由于梁和柱是刚性结点，在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用，因而能减少梁的跨中弯矩。同样，在水平荷载作用下，梁对柱也有约束作用，能减少柱内的弯矩。刚架结构比屋架和柱组成的排架结构轻巧，可以节省钢材和水泥。由于大多数刚架的横梁是向上倾斜的，不但受力合理，且结构下部的空间增大，对某些要求高大空间的建筑特别有利。同时，倾斜的横梁使建筑的屋顶形成折线形，建筑外轮廓富于变化。 由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因而应用非常广泛。一般用于体育馆、礼堂、食堂、菜场等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑，但刚架结构的刚度较差，当吊车起重量超过100KN时不宜采用。实例1：新北京南站 3.椼架结构椼架是由杆件组成的一种格构式结构体系。杆件与杆件的结合假定为铰结，所以在外力作用下杆件内力为轴向力（拉力或压力），而且分布均匀，故椼架结构比梁结构受力合理。椼架的杆件内力是轴向力，而梁的内力主要是弯矩，且分布不均匀，梁的断面大小常以最大弯矩处的断面尺寸为整个梁的断面大小，因此梁的材料强度未得到充分利用。椼架内力分布均匀，材料强度能充分利用，减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。所以椼架结构式大跨度建筑常用的一种结构形式，主要用于体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等公共建筑。为了使椼架的规格统一，有利于工业化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。实例1：国家体育场（鸟巢）主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。作为屋盖结构的主要承重构件，桁架柱最大断面达25m20m，高度达67m，单榀最重达500吨。而主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度145.577+112.788m，不贯通桁架最大跨度102.391m，桁架柱与主桁架体型大、单体重量重。 4.网架结构 网架是一种由很多杆件以一定规律组成的网状结构。它具有下列优点：杆件之间互相起支撑作用，形成多向受力的空间结构，故其整体性强、稳定性好、空间刚度大，有利于抗震；当荷载作用于网架各节点上时，杆件主要承受轴向力，故能充分发挥材料的强度，节省材料；网架结构高度小，可以有效的利用空间；结构的杆件规格统一，有利于工厂化生产；网架形式多样，可创造丰富多彩的建筑形式。网架结构主要用来建造大跨度公共建筑的屋顶，适用于多种平面形状，如圆形、方形、三角形、多边形等各种平面建筑。实例1：上海体育馆通称万人体育馆在徐汇区中山南二路漕溪北路。1975年建成。占地106万平方米，建筑面积4.78万平方米。正门内大道两旁，耸立着30米高的两个高住照明塔，顶端为直径5米的圆形灯盘，内装1000瓦金属卤素放电灯18只。主体是圆形的比赛馆，直径114米，高33米，顶盖采用钢管网架结构，用9000多根无缝钢管和938只钢球拼焊而成，重达660吨。 5.折板结构 折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。折板结构通常用钢筋混凝土建造，也可用钢丝网水泥建造。经济跨度9-4M。 折板结构由折板和横隔构件组成，在波长方向，折板犹如一块折叠起伏的钢筋混凝土连续板，折板如同一钢筋混凝土梁，其强度随折板的矢高（f）而增加。横隔构件的作用是将折板在支座处牢固地结合在一起，如果没有它，折板会坍塌而破坏。横隔构件可根据建筑造型需要来设计，如钢筋混凝土横隔板、横隔梁等。折板的波长不宜太大，否则板太厚，不经济，一般不应大于12M。 跨度与波长之比大于等于1时成为长折板，小于1时成为短折板。为了获得良好的力学性能，长折板的矢高不宜小于跨度的115-110，短折板的矢高则不宜小于波长的18. 折板结构呈空间受力状态，具有良好的力学性能，结构厚度薄，省材料，可预置装配，省模板，构造简单。折板结构可用来建造大跨度屋顶，也可用作外墙。实例1：衡阳火车站折板仓库 6.薄壳结构 薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构，呈空间受力状态，主要承受曲向内的轴内力，而弯矩和扭矩很小，所以混凝土强度能得到充分利用。由于是空间结构，强度和刚度都非常好。薄壳厚度仅为其跨度的几百分之一。而一般的平板结构厚度至少是跨度的几十分之一。所以薄壳结构具有自重轻、省材料、跨度大、外形多样的优点，可用来覆盖各种平面形状的建筑物屋顶。但大多数薄壳结构的形体较复杂，多采用现浇施工，费工、费时、费模板，且结构计算较复杂，不宜承受集中荷载，这些缺点在一定程度上影响了它的推广作用。实例1：都灵展览馆19471949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利(Nervi and Bartoli)设计的意大利都灵展览馆的巨形拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的，混凝土骨架和玻璃格组成的拱顶宽93.6m，长75m。都灵展览馆是波形装配式薄壳屋顶建筑 7网壳结构网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构 。1989年建成的北京奥林匹克体育中心综合体育馆，平面尺寸为70m X 83m，采用人字形截面双层圆柱面斜拉网壳，为目前国内跨度最大的网壳结构。同年建成的濮阳中原化肥尿素散装库，平面尺寸为58mX135m，采用双层正放四角锥圆柱面网壳，为国内覆盖建筑面积最大的网壳结构，也是第一个采用螺栓球节点的网状筒壳。1967年建成的郑州体育馆，采用肋环形穹顶网壳，平面直径64m，矢高9.14m，为国内跨度最大的单层球面网壳。又如1988年建成的北京体院体育馆，采用带斜撑的四块组合型双层扭网壳，平面尺寸为59.2m见方，矢高3.5m,挑檐3.5m，为我国跨度最大的四块组合型扭网壳。网壳结构的发展和大量的工程实践应用，网壳结构为建筑结果提供了一种新颖合理的结构形式，这主要是网壳结构具有以下优点：（1）网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力合理，可以跨越较大的跨度。网壳结构是典型的空间结构，合理的曲面可以使结构力流均匀，结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。（2）具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形状都能给设计师以充分的创作自由。薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网格结构几乎都可以实现。既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美。（3）应用范围广，既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，也别是超大跨度的建筑。在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面。在建筑外形上可以形成多种曲面。（4）可以用小的构件组成很大的空间，而且杆件单一，这些构件可以在工厂预制实现工业化生产，安装简便快速，适应采用各种条件下的施工工艺，不需要大型设备，因此综合经济指标较好。（5 ）计算方便。目前我国已有许多适用于多种计算机类型的各种语言的计算软件，为网壳结构的计算、设计和应用创造买有利条件。（6 ）由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，不需像网架结构那样采用小立柱找坡。8.悬索结构 悬索结构由索网、边缘构件和下部支撑结构三部分组成，因索网非常柔软，只承受轴向拉力，既无弯矩也无剪力。索网的边缘构件是索网的支座，索网通过锚固件固定在边缘构件上。根据不同的建筑形式要求，边缘构件可以采用梁、椼架、拱等结构形式，它们必须具有足够的刚度，以承受索网的拉力。悬索的下部支撑结构一般是受压构件，常采用柱结构。 悬索结构的主要优点是：充分发挥材料的力学性能，利用钢索来受拉、钢筋混凝边缘构件来受压受弯，因而节省大量材料，减轻结构自重，比普通钢结构节省钢材50%；由于主要构件承受拉力，其外形于一般传统建筑迥异，因而其建筑造型给人以新鲜感，且形式多样，可适合于方形、矩形、椭圆形等不同的平面形式；由于它受力合理，自重轻，故能跨越巨大的空间而不需要在中间加支点，为建筑功能的灵活安排提供了非常有利的条件；悬索结构的施工比起其他大跨度建筑更方便更快速，因钢索自重轻，不需要大型 施工设备便可进行安装。悬索结构的主要缺点是在强风吸引力的所用下容易丧失稳定而破坏，故在设计中应加以周密考虑。但是跨度在60-150M范围内与其他结构比较，具有明显的优越性。它主要用来覆盖体育馆、大会堂、展览馆等类建筑的屋顶。实例1：美国华盛顿杜勒斯国际机场候机楼19581962年E.沙里宁设计建造。候机楼宽45.6米，长182.5米，上下两层，屋顶每隔3米有一对直径 2.5厘米的钢索悬挂在前后两排的柱顶上。在悬索结构上部铺设预制钢筋混凝土板构成屋面，建筑造型轻盈明快。 9悬吊结构右图为筒体支承的中心筒体系荷载通过吊索或吊杆传递到固定在筒体或柱上的水平悬吊梁或桁架上，并通过筒体或柱传递到基础的结构体系。悬吊结构的水平荷载也由筒体或柱承受。悬吊结构的造型新颖，能充分利用钢材和预应力混凝土的受拉工作性能；但井筒受力较大，对地基基础的要求较高。按支承情况分筒体和柱两种悬吊结构。1.筒体支承由中央抗剪薄壁筒外伸悬臂梁或桁架构成基本结构，再从悬臂结构下垂吊杆或吊索悬挂楼层。也可以将吊索直接绕过筒体顶部两边悬挂楼层而不再设悬臂桁架。南非约翰内斯堡国家银行采用这种体系做了37个悬挂楼层。2.柱支承用框架柱或独立柱为主要承重构件，如香港汇丰银行大厦(47层)以 8组钢柱为主要承重构件（每组4根直径1.4米的圆管柱），每57层楼面悬挂在一组（8榀）水平悬吊桁架上。编辑本段筒体悬吊结构可以按独立悬臂对井筒进行近似计算。能充分利用钢材和预应力混凝土的受拉工作性能；但井筒受力较大，通用的较精确的计算方法是杆系薄杆系空间分析方法；这时桁架、梁、吊杆、柱可作为三维空间杆件计算，井筒作为空间薄壁杆件，用空间结构矩阵位移法由计算机进行内力、位移计算。10.张拉薄膜结构及其建筑造型 薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。主要有空气支承膜结构；张拉式膜结构；骨架支承膜结构等形式。自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的安全性；透光性和自结性好；耐久性较差。实例1：佐治亚穹顶1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆-佐治亚穹顶，这个240mX192m的椭圆形索膜结构成为世界上最大的室内体育馆。11.充气薄膜结构及其建筑造型 这种结构是利用薄膜材料制成气囊，充气后形成建筑空间，并承受外力，故称为充气薄膜结构。它在任何情况下都必须处于受拉状态才能保持结构的稳定，所以它总是以曲线和曲面来构成直接的独特外形。充气薄膜结构兼有承重和围护双重功能，故大大简化了建筑的构造。薄膜充气后均匀受拉，能充分发挥材料的力学性能，省材料，加之薄膜本身很轻，因而可以覆盖巨大的空间。这种结果的造型美观，且能适用于各种形状的平面。薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑不设天窗都能满足采光要求。适合建造充气结构的体育馆、展览馆、餐厅、医院等多种类型的建筑，特别是防震救灾等临时性建筑和永久性建筑。实例1：国家游泳中心水立方“水立方”是世界上最大的膜结构工程，除了地面之外，外表都采用了膜结构ETFE材料，蓝色的表面出乎意料的柔软但又很充实。 实例2：德国安联球场安联体育场由瑞士设计师雅克赫尔佐格和皮埃尔缪隆设计。交通非常方便，并有欧洲最大的地下停车场可提供10000个车位。它不同寻常的表面由2874个菱形膜结构构成，膜结构具有自我清洁、防火、防水以及隔热性能。每个膜结构都可以在夜间被照成红蓝白三色，分别对应于拜仁、墨尼黑1860以及德国国家队的队服颜色。慕尼黑人非常喜欢这个体育场，并亲切地将其称为“安全带”。 当体育场中比赛的球队发生变化时，墙体的颜色就可以随之改变。膜结构具有自清洁、防火、防水以及隔热性能，内部永远保持350Pa单位的大气压。 12.悬挑结构及其建筑造型 将梁，板，桁架等构件从支座处向外作远距离延伸，构成一种无视线阻隔的空间，为建筑空间的灵活组合带来方便，使建筑造型轻盈活泼。用悬挑结构所覆盖的空间，可使其周边不出现承重墙柱，视野辽阔开敞，故常用来作体育场的看台挑篷、火车站和航空港的月台雨篷、影剧院和体育馆的楼座跳台等。悬挑结构会产生倾覆力矩，在荷载相同的请看下，它比简支梁的允许跨度小很多，在一定程度上限制了它的悬挑长度。因此，选用悬挑结构时，应从跨度大小、结构形式、抗倾覆措施等方面进行综合考虑，使建筑造型和结构形式协调统一。 实例1：中央电视台新楼央视新楼由两座高234米、52层和高194米、44层的塔楼组成，由悬臂钢结构连接。在连接点162米高空的瑟瑟寒风里，“钢桥” 1.8万吨重。 13应力蒙皮结构 应力蒙皮结构一般是用金属薄壳板做成的很多块 各种板片单元焊接而成的空结构。对于应力蒙皮效应的研究可以追溯到 20 世纪 50 年代 ,当时由于在门式刚架的试验研究中发现 ,实测的变形和应力比平常设计计算的值要小。这些试验的研究对象是一部分工业厂房和仓库 ,其中不存在楼梯和隔墙。实测应力偏小的唯一解释只能是这些建筑结构本身的屋面钢板分担了结构的一部分荷载。这个试验结果促使 E. R. Bryan 等人进行了轻钢结构中屋面板应力蒙皮效应的深入研究。铝质应力蒙皮穹顶是美国Temcor公司的里克特在20世纪60年代开发的。应力蒙皮设计研究中的一个里程碑事件是 Bryan(1973年)出版了钢结构蒙皮设计(The Stressed Skin Design of Steel Buildings)。在欧洲钢结构协会欧洲钢结构应力蒙皮设计推荐(European Recommendations for the Stressed Skin Design of Steel Structures)一书出版前 ,该书一直被认为是应力蒙皮结构设计方面的主要参考。历史上 ,应力蒙皮效应最早引起大家的注意是从山形门式刚架开始的。山形门架承受竖向荷载时 ,使屋顶有向下移动、屋檐有向外移动的趋势 ,而这势必使屋面板产生平面内的剪切变形。由于压型钢板有一定的平面内刚度 ,有抵抗这种剪切变形的趋势。从而 ,在一定程度上 ,屋面板参与了结构的内力重分配 ,承担了一部分的外荷载。另外 ,对于典型的屋面板 ,剪力和剪切变形比弯矩和弯曲变形都来得要大 ,因此 ,应力蒙皮效应中一般只考虑板的剪切影响。此后随着实际经验的积累 ,人们更多地把注意力放在了普通平顶门架的蒙皮效应研究上。当门架承受风荷载时 ,屋面板的蒙皮效应使得结构能够有效地抵抗门架的侧向位移。在一定程度上 ,蒙皮效应使得屋面的压型钢板充当了门架侧向支撑的角色。从而 ,蒙皮效应能够很好地改善门架的有侧移失稳。但是 ,很明显地 ,蒙皮效应对于门架的无侧移失稳问题无能为力。事实上 ,不管是对于山形门架还是平顶门架 ,应力蒙皮结构对于抵抗风荷载、雪荷载特别有效。对于一般的轻钢结构 ,采用蒙皮结构能够大大节省材料成本。因为按照一般的钢结构设计手册规范 ,应力计算时不考虑屋面板的影响。而实际上 ,由于压型钢板作为一种应力蒙皮结构 ,存在着一定的抗剪承载力 ,可以给框架提供一定的横向约束 ,提高框架的抗侧移刚度 ,从而可以从根本上提高框架的稳定性能。国家体育场相关分析国家体育场2工程为特级体育建筑，大型体育场馆。主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级，抗震设防裂度8度，地下工程防水等级1级。工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长333米、体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，钢结构总用钢量为4.2万吨，混凝土看台分为上、中、下三层，看台混凝土结构为地下1层，地上7层的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。钢结构与混凝土看台上部完全脱开，互不相连，形式上呈相互围合，基础则坐在一个相连的基础底板上。国家体育场屋顶钢结构上覆盖了双层膜结构，即固定于钢结构上弦之间的透明的上层ETFE膜和固定于钢结构下弦之下及内环侧壁的半透明的下层PTFE声学吊顶。体型大 重量重 节点复杂作为屋盖结构的主要承重构件，桁架柱最大断面达25m20m，高度达67m，单榀最重达500吨。而主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度145.577+112.788m，不贯通桁架最大跨度102.391m，桁架柱与主桁架体型大、单体重量重。国家体育场夜景抗震措施“鸟巢”所用钢材强度是普通钢的两倍，是由我国自主创新研发的特种钢材，集刚强、柔韧于一体，从而保证了“鸟巢”在承受最大460兆帕的外力后，依然可以恢复到原有形状，也就是说能抵抗当年唐山大地震那样的地震波。托起“鸟巢”最关键的是“肩部”结构，这一部分所用的钢材“Q460”钢板厚度达到了110毫米，具有良好的抗震性、抗低温性和可焊性等点。为满足抗震要求，钢构件的节点部位还特别作了加厚处理，杆件的联结方式一律为焊接，以增加结构整体的刚度和强度。“鸟巢”凌空的屋顶气势不凡，支撑它的24根巨大钢柱脚更是壮观雄伟。为保证建造在8度抗震设防的高烈度地震区的“鸟巢”能站稳脚跟，科研设计人员克服“鸟巢”柱脚集合尺寸大且构造复杂、我国现行规范的计算假定与设计方法难以适用等情况，为这些钢柱脚增加了底座和铆钉，将柱脚牢牢铆在了混凝土中。柱脚下的承台厚度高达400600米，24根巨大钢柱分别与24个巨大的钢筋混凝土墩子牢固地连在一起，共同擎起巨大的精钞1！绿色设施：国家体育场设计大纲要求“国家体育场的设计应充分体现可持续发展的思想，采用世界先进可行的环保技术和建材，最大限度地利用自然通风和自然采光，在节省能源和资源、固体废弃物处理、电磁辐射及光污染的防护和消耗臭氧层物质（ODS）替代产品的应用等方面符合奥运工程环保指南的要求，部分要求达到国际先进水平，树立环保典范。 采用软件进行分析计算，用模拟结构中的索单元，模拟结构中的压杆单元，按求解非线性方程组的方法选用弧长法，通过提供的生死单元功能模拟结构中索杆的破断。所分析的结构为单圈个节点、直径的鸟巢型索穹顶，索的弹性模量为，杆的弹性模量为。采用分级加载的方法，分析拉索松弛后的 受 力性能时 每 级 均 布 荷 载 为，分析索杆破断后的受力性能时每级均布荷载为。鸟巢型索穹顶结构布置如图所示，根据力密度法求出结构构件的初始预应力，并同截面积一起列于表。各类杆件和节点的编号由外向内依次拉索松弛退出工作满跨荷载作用下 图给出了结构在满跨均布荷载作用下杆件内力和节点位移随荷载变化的情况。从图发现：）在内圈脊索松弛前，随着荷载的增加，各脊索内力明显减小，减小幅度较均匀一致；斜索、斜索、环索、环索的内力缓慢减小；其余索杆的内力均增加，且索杆位置越靠外，增加幅度越明显。）在脊索松弛前，随着荷载的增加，节点位移逐渐增加。）随着荷载的增加，最内圈脊索发生松弛，此时结构）脊索松弛后，斜索、斜索、环索