常用结构体系案例分析

结构选型期末考核结构选型期末考核 姓姓 名 名 学学 号 号 年级专业 年级专业 0909 建筑学建筑学 所在院系 所在院系 土木工程与建筑系土木工程与建筑系 任课教师 任课教师 提交日期 提交日期 20122012 年年 1212 月月 2727 日日 目录目录 一 一 框架结构体系框架结构体系 1 1 二 二 门式刚架结构体系门式刚架结构体系 4 4 三 三 拱结构体系拱结构体系 6 6 四 四 薄壳结构体系薄壳结构体系 8 8 五 五 膜结构体系膜结构体系 10 10 六 六 高层宾馆结构选型选择及论证高层宾馆结构选型选择及论证 12 12 七 七 高层宾馆结构选型设计平面图高层宾馆结构选型设计平面图 13 13 八 八 高层宾馆结构选型设计结构图高层宾馆结构选型设计结构图 19 19 一 框架结构体系 指整栋结构都是由梁 柱组成的框架来承受竖向荷载和侧向荷载的结构体系 工程实例 南京电信局鼓楼多媒体综合楼工程 工程概况 南京电信局鼓楼多媒体综合楼位于南京市鼓楼市民广场北侧 东邻安仁街 12m 北距 大钟亭路 12m 西侧紧贴原有五层通信机房 基地面积 2340 平方米 建筑物占地面积 2000 平方米 主楼地下二层 地上三十一层 层高四至六米不等 地面以上结构高度 140 5m 使用功能分布为 地下二层为设备用房 地下一层为平战结合六级人防 平时作 为汽车库 地上一至四层为电信新产品展示超市 五层为空中花园 七至十八层为通讯 机房及配套辅助设备用房 二十一至二十九层为办公用房及计算机中心 十二 十九 三 十层为全省目前最大的专用电视电话会议室 六 十三 二十层为辅助设备及防火避难层 建筑面积约 3 6 万平方米 裙楼使用功能略 主 裙楼之间设缝形成两个独立的结构单元 主楼采用巨型框架结构体系 裙楼采用普通钢筋混凝土结构体系 1 1 结构特点 结构布置 1 结构平面布置 楼层平面为规则的长方形 尺寸为 29 7mx30 2m x 枣 y 基础埋置深度 14 2m 约 H IO 结构高宽比 4 73 四角设置四个大小相同的钢筋混凝土筒体 7 6mx5 6m 内置电梯 疏散楼梯 卫生间及设备管井 简体之间一般楼盖为普通钢 筋混凝土有梁楼盖 桁架层楼盖为钢骨混凝土有梁楼盖 图 2 2 结构竖向布置 沿竖向由四角筒与四道桁架层形成巨型框架结构称为主结构或一级结构 各道桁架之 间五至九层框架结构为次结构或二级结构 图 3 次结构承受各自范围楼面垂直载荷及所 在位置水平力作用 并将之传递给主结构 主结构承受全部竖向及水平作用 主 次结构 受力明确 传力途径合理 简明 主结构构件的选型与设计 l 四角筒选用钢筋混凝土结构 轴压比控制在 O 6 以内 并在筒体四角内设置 十 字形 钢柱 以增加其延性 2 桁架承受次结构传来的巨大竖向荷载 要求其腹杆布置合理 受力直接 结合楼 面交通功能要求 采用图 5 所示的结构形式 图中剖面详图 8 边区两根斜腹杆中 内斜 腹杆为压杆 承受次结构传来的大部分垂直荷载 外斜腹杆为拉杆与中部斜腹杆共同承受 次结构传来的少部分垂赢荷载 水平力作用下中部斜腹杆受力拉 压交替 计算结果表明 若 2 选用钢筋混凝土结构 杆件截面尺寸及配筋量均较大 边节点区构件纵筋多向立体交汇 水 平 竖向 斜 向 现场施工无法穿筋及浇捣混凝土 经分析比较 选用钢骨混凝 构 件 内置 工字形 钢骨 降低节点处理难度 方便现场施工 3 钢骨混凝土桁架与四角简内 十字型 钢柱连接 形成钢骨混凝土巨型框架 确 保主结构受力安全 并使其延性得以提高 3 一 门式刚架结构体系 门式刚架为一种传统的结构体系 该类结构的上部主构架包括刚架斜梁 刚架柱 支撑 檩条 系杆 山墙骨架等 门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单 传力路径 明确 构件制作快捷 便于工厂化加工 施工周期短等特点 因此广泛应用于工业 商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中 门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国 经历了近百年的发展 目前已成为设计 制作与施工标准相对完善的一种结构体系 工程实例 某门式钢架结构厂房 工程概况 本工程为排架结构工业厂房制安 由金工车间和机电车间组成 总建筑面积约 M2 标书建筑面积约 19975 M2 基础为桩基础 独立基础予埋螺栓的形式 主体结构为门式钢结构 外围护为 0 52mm 镀锌压型彩板 彩板墙以下采用粘土空心砖砌 筑 屋面为 0 6mm 天蓝镀铝锌彩板及紧贴保温层铝箔安装不锈钢丝网 主车间地面为 150 厚 C20 混凝土地坪 4 性能特点 门式刚架除了具有传统预应力结构增强结构刚度 降低柱顶弯矩及柱脚反力的优 点外 还具有一些自身的特点 1 较传统预应力门式刚架预应力效果更明显 具有更大的承载能力 施加预应力后 不难从刚架内力图 图 3 上看出 不仅钢拉 索对柱顶产生向内的拉力 同时与传统预应力结构比较撑竿还对刚架产生向上的顶力 向上的顶力能够抵消很大一部分竖向外荷载 因此施加了预应力后的索支撑门式刚架 承受外荷载后 梁柱中最终弯矩减小甚至反号 预应力钢索和撑竿的内力随着外荷 载的施加而变化 在起控制作用的竖向荷载作用下钢索和撑竿的内力有显著增加 对 整个刚架承受更大的外荷载起到很大作用 2 较传统预应力门式刚架结构具有 更大的结构刚度 拉索不仅仅给结构施加了预应力 而且成为刚架横梁的下弦杆 无疑 较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度 此外 在竖 向荷载作用下 索支承刚架的撑竿和钢拉索分别对刚架梁和柱起到弹性支撑的作用 增强了刚架特别是梁的刚度 3 避免刚架梁在平面内失稳 对于一般屋面坡度较 小的实腹刚架来说 刚架横梁的轴向力较小 所以设计时不需验算横梁的平面内稳定 承载力 而横梁的平面外的稳定性则靠檩条和隅撑来保证 预应力门式刚架中的横梁 面外稳定性同样靠檩条和隅撑来保证 但其面内的 力学性能与一般刚架不同 5 三 拱结构体系 拱结构比桁架结构具有更大的力学优点 在外荷作用下 拱主要产生压力 使构件 摆脱了弯曲变形 如用抗压性能较好的材料 如砖石或钢筋混凝土 去做拱 正好发挥材 料的性能 不过拱结构支座 拱脚 会产生水平推力 跨度大时这个推力也大 要对付这个 推力仍是一桩麻烦而有耗费材料的事 由于拱结构的这个缺点 在实际工程应用上 桁架 结构还是比拱结构用的普遍 工程实例 东京 Tama 艺术大学图书馆 工程概况 Tama Art University Library 在东京郊区 位于一个公园后面 略微倾斜的斜 坡上 由于目前 Tama 艺术大学的自助餐厅是唯一一个学生和学校职员共享的场所 Toyo Ito 的设计首要诉求就是考虑如何让图书馆为所有人提供一个开放的公共空间 6 性能特点 拱形用钢结构和混凝土做成 这些拱形结构互相交汇 这样可以让拱形的底部非 常苗条 而顶部可以撑住二层的重量 这些拱形的跨度从1 8 米到 16 米不等 但厚 度是统一的 200mm 这样设计的好处是不仅可以使拱形结构看上去更加轻巧纤细 而 且混凝土所特有的质地更能表现出坚固的感觉 同时加上钢结构的强度特点 可以很 好的承受二层的重量 既轻巧又稳固 并且可以增大室内空间的使用效率 建筑整体 所有结构都是由大小不一的拱形结构作为建筑的骨架 暴露的拱洞与混凝土拱特殊的 质感成为建筑的外立面风格 大片通透的玻璃形成通透的视觉感受 而混凝土给人敦 厚坚固的感受 但是拱形结构的特殊处理 又使结构看上去轻盈通透 这与设计者想 创造一种开放的空间的初衷一致 整体中既有对比又有统一 拱式结构可以根据平面的需要交叉布置 构成圆形平面或者其他正多边形平面 拱为平面受压或压弯结构 因此必须设置横向支撑并通过檩条或大型屋面板体系来保 证拱在轴线平面外的受压稳定性 为了增强结构的纵向刚度 应设置纵向支撑与横向 支撑形成整体 拱支撑系统的布置原则与单层刚架结构类似 7 四 薄壳结构体系 壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构 工程实例 美国麻省理工学院礼堂 工程概况 麻省理工学院 Massachusetts Institute of Technology 常缩写为 MIT 是美国一 所综合性私立大学 它位于麻萨诸塞州的剑桥 cambridge 小镇的查尔斯河 charles River 蔓延约一英里 查尔斯河 Charles Rivet 将其与波士顿的后湾区 Back Bay 隔 开 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 平面形状为曲面三角形 薄壳的三个边为向上卷起的边梁 并通过它讲壳面荷载传至 三个支座 支座为铰接 8 性能特点 壳体结构具有十分良好的承载性能 能以很小的厚度承受相当大的荷载 壳体结构的 强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性 以材料直接受压来代替弯曲内力 从而充 分发挥材料的潜力 因此壳体结构是一种强度高 刚度大 材料省的即经济又合理的结构 形式 除以上几种空间结构外 尚有组合网架结构 预应力网格结构 管桁结构 张弦梁结 构 点连接玻璃幕墙支承结构 索穹顶结构等几种常用空间结构 都有自身的特点和实用 范围 比如点连接式玻璃幕墙支承结构能利用玻璃的透明特性追求建筑物内外空间的沟通 和融合 人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整个结构系统 使这种结构系统不 仅起到支承作用 而且具有很强的结构表现功能 索穹顶结构则完全体现了 FULLER 关于 压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中 的思想 是由连续的拉索和不连续的压杆组成的一各 受力合理 结构效率极高的结构体系 9 五 膜结构体系 膜结构 Membrane 是 20 世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式 是由多种高强 薄膜材料 PVC 或 Teflon 及加强构件 钢架 钢柱或钢索 通过一定方式使其内部产生一 定的预张应力以形成某种空间形状 作为覆盖结构 并能承受一定的外荷载作用的一种空 间结构形式 膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类 充气膜结构是靠室内不断充 气 使室内外产生一定压力差 一般在 10 30 水柱之间 室内外的压力差使屋盖膜 布受到一定的向上的浮力 从而实现较大的跨度 张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索 张拉成型 其造型非常优美灵活 膜结构体系由膜面 边索和脊索 谷索 支承结构 锚固系统 以及各部分之间的连接节点等组成 工程实例 上海八万人体育场 看台罩棚张拉膜结构工程 工程概况 上海体育场占地面积 19 万平方米 建筑面积 17 万平方米 配套绿化面积 7 7 万平方米 整个建筑呈直径 300 米圆型 总标高 70 余米 体育场中央是一个 105 68 米 南北向的标准足球场 铺设从美国引进优良品种的四季常绿草坪 围绕 球场的是意大利蒙多公司制造的 9 根塑胶跑道 场地上配备各种大型体育比赛所用的 门类齐全的运动器材 在三层环形看台之间 设置了103 套豪华包厢 包厢的正立面 为落地玻璃 门外有 20 座专席 设施先进 并设有近 1600 个停车泊位 场内设有符 合国际标准的 四季常绿的足球场和塑胶田径比赛场地 并配置了多功能草坪保护板 供举办不同规模的大型文艺演出和商业推广活动使用 上海体育场拥有具有 500 个 座位的主席台 300 个座位的记者席和 100 套豪华包厢 可容纳 5 6 万名观众观看体 育比赛以及 4 3 万名观众观看大型文艺演出 10 性能特点 用于膜结构中的高强度柔韧薄膜称膜材 它是一种耐久用 高强度的涂层织物 由织物和涂层复合而成 具有质地柔韧 厚度小 重量轻 透光性好的特点 对自然 光吸收和透射能力 阻燃 具有良好的耐久 防火 气密等特性 表面经过氟素处理 或二氧化钛处理的膜材料抗老化性能好 具有较高的自清洁性能 建建筑筑造造型型优优美美 膜结构建筑是 21 世纪最具代表性与充满前途的建筑形式 它打破了纯直线建筑风 格的模式 以其独有的优美曲面造型 简洁 明快 刚与柔 力与美的完美组合 呈 现给人以耳目一新的感觉 同时给建筑设计师提供了更大的想象和创造空间 具有良好的环保性 透光性 自清洁性 膜材表面采用PVDF 聚偏二氟乙烯 涂层 或二氧化钛涂层 具有较好的隔热效果 对太阳热能可反射掉70 膜材本身 吸收了 17 传热 13 而透光率却在 20 以上 经过 10 年的太阳光直接照射 其辉 度仍能保留 70 适适合合覆覆盖盖大大跨跨度度空空间间 膜结构中所使用的膜材料每平方壹公斤左右 由于自重轻 加上钢索 钢结构高 强度材料的采用 与受力体系简洁合理 力大部分以轴力传递 故使膜结构适合跨 越大空间而形成开阔的无柱大跨度结构体系 防防火火性性与与抗抗震震性性 膜结构建筑所采用的膜材具有卓越的阻燃性和耐高温性 故能很好的满足防火要 求 由于结构自重轻 又为柔性结构且有较大变形能力 故抗震性能好 工期短 膜材裁剪 拼合成型及骨架的钢结构 钢索均在工厂加工制作 现场只 需组装 施工简便 故施工周期比传统建筑短 11 六 高层宾馆结构选型选择及论证 结构型式的选择 现代建筑中 多层及高层建筑常用的结构体系大体划分有 混合结构 框架结构 剪力墙结构 包括框 剪结构 全剪结构和简式结构 等三种 在本任务中 选择框 剪 结构 结构选型的论证 一个好的结构型式的选择 不仅要考虑建筑上的作用功能 结构上的安全合理 施工上的可能条件 也要考虑造价上的经济价值和艺术上的造型美观 在当今世界上 从技术观点看 几乎任何结构都是可能建造起来 但从结构效益角度看 重要的问题 应不应该这样造 而不是 可不可能这样造 从材料和劳动力价格比值的 影响上来考虑 选择框 剪结构符合当前国情 追求经济效益 当房屋层数更多或高宽比更大时 骨架式框架结构的梁 柱截面将增大到不经济 甚至不合理的地步 这时 水平荷载对框架的威胁很严重 不仅使到框架的弯矩会很 大 而