建筑构造（下册） 课件 第3章 大跨度建筑构造

建筑构造（下册）第3章大跨度建筑构造平面结构体系空间结构体系金属板屋面构造

3.1大跨度建筑概述

应用

公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等)

专门用途的建筑

(飞机库，汽车库等)

生产性建筑(飞机制造厂装配车间，造船厂等)主要特点

跨度大

大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑（混凝土），我国现行钢结构规范规定跨度60m以上的结构为大跨度结构。

个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)3.2大跨度建筑结构类型1）平面结构体系：由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成，

纵向构件层层重复传递荷载，并不分担荷载。平面结构体系包括梁式体系、框架式体系和拱式体系三种。2）空间结构体系：加强连接平面结构的纵向构件以形成一个整体结构，

克服荷载层层重复传递共同承载。这种结构经济性好，整体刚度大，抗震性能好。空间结构体系分为四类，即实体结构类（如薄壳结构、折板结构）、网格结构类（如网架结构、网壳结构）、张力结构类（如悬索结构、膜结构）和混合结构类。3.2.1平面结构体系梁式桁架结构结构特点：通常采用简支桁架作为屋面主要承重构件。桁架一般用木材、钢材、钢筋混凝土建造。由于是格构形，全部节点均为铰接，每一杆件受力均为轴向力，受力时考虑施于节点，可避免使杆件受弯。其上、下弦及腹杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。优点：①省材②受力明确③自重轻，可跨越较大空间④便于安装运输缺点：结构高度较大，需增强稳定性3.2.1平面结构体系梁式桁架结构类型按构成三角形：结构高度最低为跨度的1/5-1/2适用跨度≤18m拱形：受力最好,

结构高度最低为跨度的

1/6-1/8，适用跨度18-36m，不大于60m。

梯形:

受力较好，制作方便，结构高度最低为跨度的

1/6-1/8，

适用跨度18-36m，不大于72m按材料钢：适宜36m以上跨度，自重轻钢筋混凝土：适宜36m以下跨度木：特殊环境（相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时）不宜钢、木材料，只宜预应力钢筋混凝土材料。3.2.1平面结构体系梁式桁架结构案例：上海浦东国际机场候机楼：屋架梁跨度83m，跨中高度超过11m，单榀屋架梁重55t。为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置了一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力，形成张弦桁架梁，3.2.1平面结构体系梁式桁架结构上海证券大厦：连接两幢主楼的天桥桁架跨度63m，共支承着从17~26层共10个楼层，采用了H型钢重型桁架。3.2.1平面结构体系刚架结构梁与柱以整体的方式构成门型结构类型——无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架开间一般为6m，进深为3m模数，24m、27m、30m高跨比h/l=0.753.2.1平面结构体系刚架结构实腹式刚架结构实腹式刚架适用于跨度不太大（L=18～60m）的刚架结构（图3-5）。它的优点是制作简单、便于运输，还能降低房屋高度，实腹刚架的横梁高度可取跨度的1/40～1/30。刚架可以是单跨、双跨或多跨。刚架间距一般6m左右，也可采用7.5～9m。3.2.1平面结构体系刚架结构格构式刚架结构当跨度大于60m时，实腹式框架不太经济，此时可采用格构式框架结构体系，最大可做到150m。框架横梁的高跨比在1/20～1/12范围内选取。3.2.1平面结构体系拱式结构

特点：在荷载作用下主要承受轴向压力。无弯距、只要求材料的受压性能好，可以很薄。相同截面高的拱与梁，由于前者的曲面作用，跨度相差n倍。当跨度较大时，较梁式结构和框架式结构更经济。——有横向侧推力3.2.1平面结构体系拱式结构拱的体系及形式：两铰拱、三铰拱、无铰拱a）两铰拱

b）三铰拱

c）无铰拱1）两铰拱：安装和制造简单。因为铰可自由转动的特性，两铰拱易于适应变形。2）三铰拱：与两铰拱相比无突出的优点，拱钥铰还使拱本身结构及屋面设置复杂化。3）无铰拱：对于弯矩沿跨度的分配最为有利，但必须设置强大的基础，而且要计算温度的作用。3.2.1平面结构体系拱式结构水平推力的解决措施：①设置拉杆对于软弱地基的情况，设置拉杆承担拱的横向水平力更为合适。设有拉杆的拱其支座主要承受垂直荷载，故这种情况下支座比较轻巧。拱支承在墙体上时，横向反力也可用在支座铰水平处设置拉杆的办法加以解决。3.2.1平面结构体系拱式结构拱的构造特点：拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截面。拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹式可取1/50～1/80，桁架式可取1/30～1/60。格构式拱的腹杆可设计成附加竖杆的三角体系、无附加竖杆的三角形体系及斜腹杆体系。（a）无附加竖杆的三角形体系（b）有附加竖杆的三角形体系（c）斜腹杆体系3.2.1平面结构体系拱式结构拱的发展：拱式结构外形美观，体现了结构受力与建筑造型的完美结合，是大跨度钢结构中一种重要的形式。古代建筑室内空间的扩大是和拱结构的演变发展紧密联系着的，从建筑历史发展的观点来看，一切拱结构﹣包括各种形式的券、筒形拱、交叉拱、穹隆﹣的变化和发展，都可以说是人类为了谋求更大室内空间的产物。3.2.2空间结构体系薄壳结构薄壳结构基本概念：壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄璧结构。这两个曲面之间的距离称为壳体的厚度，当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。薄壳结构也称之为“形抵抗结构”（所谓“形抵抗结构”就是将材料造成一定的形式从而获得强度去承受荷载的结构）。1强度高、刚度大2用料少、经济性好3承受局部冲击荷载作用的

能力较差3.2.2空间结构体系薄壳结构薄壳的形式与种类：1）旋转曲面壳：

平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称为旋转曲面。3.2.2空间结构体系薄壳结构薄壳的形式与种类：2）移动曲面壳：

由母线沿着导线平行移动所形成的曲面壳。3）组合曲面壳移动曲面壳示意图3.2.2空间结构体系薄壳结构薄壳的结构组成：1）壳身（预应力钢筋混凝土）2）边缘构件（对壳面起箍的作用，阻止结构在竖向荷载

作用下的裂缝开展与破坏。如圆顶壳的支座环、扁壳的边缘构件等）3）支撑结构3.2.2空间结构体系薄壳结构案例：美国TWA环球航空公司候机楼美国著名建筑师沙里宁1961年设计，用4片钢筋砼扁壳组成，形似一只正要起飞的大鸟。3.2.2空间结构体系薄壳结构案例：美国圣路易斯航空港候机大厅

3.2.2空间结构体系薄壳结构案例：墨西哥城霍奇米尔科水上公园餐馆建于1958年，费利克斯·坎德拉设计，八片莲花形双曲抛物面壳。

3.2.2空间结构体系折板结构（1）折板结构的组成：折板结构由平面板组成，是把若干块薄板以一定的角度连接成整体的空间结构体系。从几何形成上来说，折板结构和筒壳没有本质上的区别，因为任意形状的筒壳都能足够精确地用一个内接多边形的折板来代替，因此折板结构具有筒壳结构受力性能好的优点。折板结构与壳体结构同属薄壳空间结构，因此二者有相似之处，都是利用了形的作用提高整体刚度。3.2.2空间结构体系折板结构（1）折板结构的组成：典型的折板结构主要由折板、边梁、横隔三部分组成。折板主要起承重及维护作用；边梁连接相邻折板，加强折板的纵向刚度，同时增加折板的平面外刚度；横隔一般布置在端部，使折板结构形成几何不变体系，并作为折板边梁的纵向支座。3.2.2空间结构体系折板结构（2）折板结构的型式：折板结构既可在作为梁板合一的构件，又可作为墙柱合一的构件。即做成折板截面的刚架，也可做成折板截面的拱式结构。同时，折板结构不仅可以用混凝土薄壳实现还可以用钢结构网格实现。折板结构造型十分丰富。3.2.2空间结构体系折板结构（2）折板结构的型式：

折板结构可分为有边梁的和无边梁的两种，无边梁的折板结构由若干等厚度的平板和横隔构件组成，如预制V形折板，平板的宽度可以相同也可以不同；有边梁的折板结构的截面型式。有边梁的折板结构的截面型式3.2.2空间结构体系折板结构（2）折板结构的型式：

折板结构不仅可以用混凝土薄壳实现，还可以用钢结构网格实现。如美国空军学院礼拜堂。青岛国际邮轮母港客运中心，建筑整体造型设计取意“风帆”，与美国空军学院礼拜堂一样采用了单元化拼接的方式。3.2.2空间结构体系网架与网壳结构定义：空间网架结构是由许多杆件按照一定规律布置通过节点连接而成的网格状结构体系。从外形特征上分为平板网架和曲面网架（网壳），其共同的特征是网架的高跨比较大，具有板（包括平面板和曲面板）的受力性能。3.2.2空间结构体系网架与网壳结构类型：

按外形平板、曲面（网壳）按层数单层、双层、多层按材料木、钢、钢筋混凝土3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成（两向或三向；正放与斜放）三向网架1、交叉桁架体系两向正交正放网架两向正交斜放网架2、角锥体系正放四角锥体系正放抽空四角锥网架斜放四角锥网架（三角锥、四角锥、六角锥）3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成1、交叉桁架体系

概念：网架由若干相互交叉的竖向平面桁架所组成。竖向平面桁架的形式与一般平面桁架相似。桁架的节间长度即为网格尺寸。这些平面桁架可沿两个方向或三个方向布置，当为两向交叉时其交角可为90°（正交)或任意角度(斜交)；当为三向交叉时其交角为60°。这些相互交叉的竖向平面桁架当与边界方向平行(或垂直)时称为正放，与边界方向斜交时称为斜放。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成1、交叉桁架体系

类型：①两向正交正放网架

两向正交正放网架的构成特点是两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成1、交叉桁架体系

类型：②两向正交斜放网架

两向正交斜放网架的构成特点是两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，是与边界成45夹角。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成1、交叉桁架体系

类型：③三向网架

三向网架的构成特点是三个方向的竖向平面桁架互成60°角斜向交叉。三个方向的平面桁架相互交角60°比两向网架刚度大。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成2、角锥体系

概念：角锥体系的平板网架有三角锥体系、四角锥体系及六角锥体系，锥尖可朝上或朝下。体系受力与交叉桁架体系相比更为合理、刚度更大，其中四角锥体系的平板网架应用较为广泛。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成2、角锥体系类型：①正放四角锥网架

以倒四角锥体为组成单元，锥底的四边为网架的上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆，它的上、下弦杆均与相应边界平行。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成2、角锥体系类型：②正放抽空四角锥网架

在正放四角锥网架的基础上，除周边网格不动外，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。3.2.2空间结构体系平板网架的类型及构成2、角锥体系类型：③斜放四角锥网架：

以倒四角锥体为组成单元，由锥底构成的上弦杆与边界成45°夹角，而连接各锥顶的下弦杆则与相应边界平行。因此，它的上弦网格呈正交斜放，下弦网格呈正交正放。3.2.2空间结构体系平板网架的支承型式3.2.2空间结构体系网壳

概念：网壳是壳体的格构化形式。与网架相比网壳的厚跨比较小，在整体受力方面接近于壳体的特性。网壳的形式与分类：1）按网壳的层数来分：有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时，可采用单层网完，跨度大时，则采用双层网壳。3.2.2空间结构体系网壳网壳的形式与分类：2）按曲面的外形分：主要有球面网壳、圆柱面网壳、扭网壳(包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳)等3.2.2空间结构体系悬索结构概念悬索结构是指屋盖的承重结构以只能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系，是杆件截面材料强度利用效率最高的结构之一。特点

易于运输，安装可以不用脚手架，然而施工困难。为推力体系，为了承受横向反力(钢索或牵拉壳体的水平分力)必须设置支座结构，其造价可能占整个房屋造价的很大部分。变形比较大。大多数悬挂式屋盖体系是瞬时刚性体系，因而需要预张拉。3.2.2空间结构体系悬索结构结构组成：悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支承系统三部分构成。常用体系：有单层悬索体系、双层悬索体系、其他如鞍状应力索网等。3.2.2空间结构体系（1）单层悬索结构

结构形式有单层单向及单层双向两种形式。单向悬索结构为了支承悬索并保持平衡，必须在索的两端设置立柱和斜向拉索，以分别承受悬索所给予的垂直压力和水平拉力。3.2.2空间结构体系（1）单层悬索结构单向悬索的稳定性很差，特别是在风力的作用下，容易产生振动和失稳。一般通过采用重屋面、预应力钢筋混凝土悬挂薄壳、横向加劲构件（双向悬索）等措施加强形状稳定性的。美国华盛顿杜勒斯机场1962沙里宁设计，两排巨型钢筋混凝土斜柱支撑，一高一低，其间悬挂40余米长的钢索，上铺屋面板，在重力的作用下，钢丝自然下垂，形成充满张力感的屋顶曲线。3.2.2空间结构体系（2）双层层悬索结构双层悬索结构组成：下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成，与单层悬索相比大大提高了结构的稳定性和抗风能力3.2.2空间结构体系（2）双层层悬索结构双层悬索结构的形式：

平行布置形式3.2.2空间结构体系（2）双层层悬索结构双层悬索结构的形式：幅射式及网状布置形式

3.2.2空间结构体系（2）双层层悬索结构双层悬索结构的形式：幅射式及网状布置形式

3.2.2空间结构体系（3）其他悬索体系，如鞍状应力索网3.2.2空间结构体系悬索结构案例3.2.2空间结构体系悬索结构案例德国乌柏特市游泳馆德国多特蒙特展览大厅瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场罗马尼亚布加勒斯特文体宫3.2.2空间结构体系膜结构膜结构的类型：按其支承方式的不同，一般包括空气膜结构、悬挂膜结构、骨架支撑膜结构、复合膜结构。概念：以性能优良的织物为材料，或者是向膜内充气，由空气压力支撑膜面；或者是利用柔性钢索或刚性骨架将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度并能覆盖大跨度结构体系。3.2.2空间结构体系膜结构空气膜结构：

气承式空气膜结构