折板结构简介

第四节折板结构 不同的结构体系会给建筑空间与建筑体型的创造带来不同的面貌特征 而且即使是在同一类型的结构系统中 其结构形式的变化及由此而衍生出来的建筑空间与建筑体型的差异 也可以层出不穷 一 折板结构的演变 折板的变化从最简单的相互平行的 平行折板 逐渐演变成相互反向的折板 使建筑物更富有造型艺术的特点 20世纪20年代 欧洲已有折板屋盖 中国在50年代有所应用 自60年代后期起 发展较快 折板结构建筑中绝大部分采用折叠式生产的V形折板屋盖 图建筑结构的各种形式 a 墙体结构 b 框架结构 c 深梁结构 d 筒体结构 e 拱结构 f 网架结构 g 空间薄壁结构 h 钢索结构 i 折板结构 折板结构是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系 是一种既能承重 又可围护 用料较省 刚度较大的薄壁结构 可用作车间 仓库 车站 商店 学校 住宅 亭廊 体育场看台等工业与民用建筑的屋盖 此外 折板还可用作外墙 基础及挡土墙 图1全折板房屋 P L 奈尔维设计长条板 巴黎联合国教科文组织总部大厦会议厅 按照应力变化的规律 将折板截面由两端向跨中逐渐增大 使大厅屋顶具有韵律感 二 折板结构组成 由折板 边梁和横隔三部分组成 型式可分为有边梁和无边梁两种 1 无边梁折板 它由若干等厚度的平板和横隔构件组成 常用的是预制V形折板 V形板因无边梁 板的两端支承在横隔构件上 故其可按梁理论计算 V形板厚一般为35 50mm 跨度9 27m 具有制作简单 安装方面和节省材料等优点 常用基本尺寸 波长 一般为2 3m 跨度 一般为6 15m 倾角 板与水平面倾角一般为30 50o折板高度 一般 1 20L1 2 有边梁折板 筒壳式折板结构与筒壳相似 水平顶面板宽要求 0 25 0 4 L2或 3 3 5m 这样能保证板厚不超过100mm 波长L2 10 12 m 折板应做成同样厚度 且倾角 30o 折板F 0 1L2 三 折板结构的受力 根据受力不同 折板结构分为长折板和短折板 L1 L2 1 长折板 短折板受力性能与短筒壳相似 双向受力作用明显 计算复杂 一般工程中的折板结构多为长折板 象预制预应力V形折板 L1 L2 5 受力与长筒壳类似 边梁下无中间支撑 且L1 L2 3的长折板纵横方向可按梁理论计算 1 折板的纵向计算 可取一个波长作为计算单元 把折板看成以横隔为支座大的梁 折板截面可看作T工字形 2 横向计算取1m宽板带按连续多跨梁计算 折板的转折处及边梁处可视为连续梁支座 3 横隔框架的计算由于折板很薄 平面外刚度很小 所以折板传给横隔的只是沿折板平面内的S 四 工程实例 1 巴黎联合国教科文组织总部会议大厅2 美国伊利诺大教堂 第五节双曲扁壳 筒壳与球壳的结构空间非常大 对无需如此大的使用空间者 会造成较大的浪费 因此都欲减低其结构空间 双曲扁壳 微弯平板 一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面 其顶点处矢高f与底面短边边长之比不应超过1 5 双曲扁壳 双曲扁壳 实际上 很多壳体都可作成扁壳 如属双曲扁壳的扁球壳就是球面壳的一部分 属单曲扁壳的扁筒壳为柱面壳的一部分 本节所讨论的双曲扁壳为采用抛物线平移而成的椭圆抛物面扁壳 由于双曲扁壳矢高f小 结构空间小 屋面面积相应减小 比较经济 同时双曲扁壳平面多变 适用于圆形 正多边形等建筑平面 一 双曲扁壳的结构组成与型式 双曲扁壳由壳板和周边竖直的边缘构件组成 1 壳板它是由一根上凸的抛物线作竖直母线 其两端沿两根也上凸的相同抛物线作导线平移而成 双曲扁壳的跨度可达3 40m 最大可达100m 壳厚比筒壳薄 一般为60 80mm 由于扁壳较扁 其曲面外刚度小 设置边缘构件可增加壳体刚度 保证壳体不变形 因此边缘构件应有较大竖向刚度 且边缘构件在四角应有可靠连接 使之成为扁壳的箍 以约束壳板变形 边缘构件的形式多样 可以采用变截面或等截面的薄腹梁 拉杆拱或体型拱架等 也可采用空腹桁架或拱形刚架 双曲扁壳可以采用单波或多波 当双向曲率不等时 较大曲率与较小曲率之比及底面边长与短边之比要小于2 二 受力特点 双曲扁壳在满跨均布竖向荷载作用下 壳板的受力以薄膜内力为主 在壳体边缘受一定的横向弯矩 根据壳板中的内力分布 一般把壳板分为三个受力区 1 中部区域 该区占整个壳板大部分 壳板主要承受双曲轴压力 该区强度潜力大 仅按构造配筋即可 一般洞口可开在这 2 边缘区域 该区主承受正弯矩 使壳体下表面受拉 3 四角区 承受顺剪力 且较大 因此产生很大主应力 3 四角区 承受顺剪力 且较大 因此产生很大主应力 为承受主压应力 可将局部加厚 为承受主拉应力 应配置45o斜筋 在边缘区域和四角区域不允许开洞 对于边缘构件 它主要承受壳板边缘传来的顺剪力 做法同筒壳横隔 三 工程实例 1 北京火车站2 北京网球馆 第六节双曲抛物面扭壳 属于负高斯曲率壳 由凸向相反的两条抛物线一条沿着另一条平移而成 也叫扭壳 鞍壳是由一抛物线沿另一凸向相反的抛物线平移而成 扭壳是从鞍壳面中沿直纹方向取出来的一块面壳 双曲抛物面壳由壳面和边缘构件组成 外形特征犹如一组抛物线倒悬在两根拱起的抛物线之间 形如马鞍 故又称鞍形壳 倒悬方向的曲面如同受拉的索网 向上拱起的曲面如同拱结构 拉压相互作用 提高了壳体的稳定性和刚度 使壳面可以做得很薄 扭曲面壳 单块扭壳 双曲抛物面壳 双曲抛物面壳 因壳面下凹的方向犹如拉索 而上凸的方向又如薄拱 当薄拱屈曲 拉索就会进一步发挥作用 避免整个屋盖结构发生失稳破坏 提高稳定性 因此 扭壳可以做的很薄 同时 双曲抛物面是直纹曲面 板的配筋和模板制作简单 可节省三材 经济指标好 一 扭壳结构组成和型式1 组成 由壳板和边缘构件组成 常用扭壳型式 见课本图 为改变扭壳边缘的表现力 也可把扭壳边缘做成曲线 其边缘构件不仅承受轴向力 还要承担一定弯矩 2 几何尺寸 跨度 单块柱网可达30 x30米 矢高 f 1 5 1 8 短边长度 壳板厚 跨度30 60米时 板厚50 100mm3 边缘构件 桁架 密柱边梁 刚性墙 二 受力特点 一般按无弯矩理论计算 在竖向均布荷载作用下 曲面内不产生法向力 仅存在平行于直纹方向的S 且为常数 因而壳体各处配筋一致 S产生主拉应力和主压应力 作用在与剪力成45 的截面上 主拉应力沿壳面下凹的方向作用 为下凹抛物线索 主压应力沿壳面上凸的方向作用 为上凸抛物线 因此 扭壳可看成由一系列拉索和一系列受压拱组成的曲面 受拉索把壳向上绷紧 从而减轻拱向负担 同时 受压拱把壳面向上顶住 减轻索向负担 这种双向承受并传递荷载 是受力的最好方式 扭壳的边缘构件一般为直杆 它承受壳板传来的S 一般为轴拉或轴压构件 对于 1 屋盖为单块扭壳 并直接支承在A B两基础上 S将通过边缘构件以合力R的方式传给基础 这是R的水平分力对基础有推移作用 当地基抗侧力不足时 应在两基础之间设拉杆 以保证壳体不变形 2 单块扭壳的屋盖支承在边缘构件上时 边缘构件承受壳边传来的S作用 将在