第四章 大跨建筑结构选型ppt课件.ppt

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1、第四章 大跨度结构选型,建筑结构选型,1 大跨度建筑概况2 拱结构3 刚架结构4 桁架结构5 网架结构6 折板结构7 薄壳结构8 悬索结构9 其它结构型式,按网架结构设计规范规定 30米，小跨度 3060米，中跨度 60米，大跨度,1 大跨度建筑概况,1.1 大跨度建筑定义,第四章 大跨度建筑结构选型-1大跨度建筑概况,1.2.1 古典大跨结构（2000多年前文艺复兴） 特征： “砖石结构” 1）从梁到三角璇 梁：受弯，砖石不宜 拱：受压，发挥材料特性 2）从筒拱到交叉拱 筒 拱：墙承重，平面狭长 交叉拱：柱承重，空间贯通 3）从交叉拱到拱肋结构 交叉拱：屋面自重较大 拱 肋：结构高直轻巧 4

2、）从穹窿结构到帆拱 穹隆：圆形平面 帆拱：方形平面,1.2 大跨度建筑的发展过程,1.2.2 平面大跨结构（19世纪后半叶二战） 特征：“桁架、刚架、拱结构” 1）从梁到桁架 2）从梁到刚架 3）从梁到拱,1.2.3 新型大跨结构（二战） 特征：“薄壳、悬索、网架” 1）鸡蛋壳薄壁结构 合理的外形，充分发挥材料受压性能，以较薄的壳体跨越很大的空间，而具有足够 的强度和刚度。 2）蜘蛛网悬索结构 纤细的索网，充分发挥钢材抗拉性能，轻盈活波，适宜与大跨度 3）蜜蜂巢网架结构 利用小型杆件，组合成整体结构，刚度大，变形小，自重轻，材料省,1.3.1 大跨建筑主要承受竖向荷载 1）高层结构 荷载：水平

3、荷载为控制因素 构件：竖向悬臂构件柱(线)，墙(面)，筒(体) 变形：水平侧移 2）大跨结构 荷载：竖向荷载为控制因素 构件：水平简支构件 变形：竖向挠曲,1.3 大跨度建筑的结构特征,1.3.2 大跨结构是梁结构的改造和演变,1.3.3 新型大跨结构的特点 整体上是空间结构 跨度大，可覆盖巨大的室内空间 矢高小、曲率平缓，可有效利用空间 厚度薄、自重轻，节省材料 形式多样，可适合于各种形状的平面组合,1）拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力 2）拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩 3）拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大,2 拱结构,2.1 拱结构的特点,1）按受力 三铰

4、拱 两铰拱 无铰拱 2）按外形 双折线型 圆弧线型 抛物线型,2.2 拱结构的型式,第四章 大跨度建筑结构选型-2 拱结构,1）跨度：公建主体3040米，可达到95200米， 经济跨度80100米 2）矢高：与建筑外形、使用要求、屋面构造、内力计算有关 屋盖结构 f=(1/101/5)L 公建主体 f=(1/51/2)L,2.3 拱结构的主要尺寸,2.4 拱结构屋盖布置,1）跨度4060米时 拱间距610米，设上弦横向支撑及纵向支撑2）跨度70120米时 拱间距915米，采用相距36米的成对拱,拱结构屋盖布置,1）由拉杆承受推力 2）由框架承受推力 3）基础承受推力 4）刚性水平构件承受推力,

5、2.5 拱结构支座处理,1）内力分布均匀 2）结构轻巧，节省材料，制作方便 3）空间高度大 4）结构刚度差,3 刚架结构,3.1 刚架结构的特点,3.2 刚架结构的型式,1）按组成 三铰刚架 两铰刚架 无铰刚架 2）按断面 实腹式 格构式,第四章 大跨度建筑结构选型-3 刚架结构,1）跨度 实腹式：5060米 格构式两铰刚架： 60120米 格构式无铰刚架：120150米 折线弓形刚架：4050米 高1520米 2）断面 实腹式梁高 h=(1/121/20)L 设预应力拉杆 h=(1/301/40)L 格构柱宽同横梁节间 57米 折线弓形刚架梁高、柱宽 (1/151/25)L,3.2 刚架结构

6、的主要尺寸,1）顶点铰 钢销栓 2）实腹刚架支座 固定支座 细石砼填实 铰支座 沥青麻丝填 3）格构刚架支座 板式支座 支反力100t 臼式支座 支反力100t 平衡支座 支反力100t,3.4 刚架结构节点构造,1）将受弯杆件转化为轴力杆件 2）充分利用三角形的刚性特点 3）充分利用材料特性，以小杆件拼合跨越大空间,4 桁架结构,4.1 桁架结构的特点,4.2 桁架结构的型式,1）按材料：木、钢砼、钢、组合式 2）按外形： 三角形 L18m，i=1/51/2 梯 形 L=1836m，72m，f/L=1/61/8 拱 形 L=1836m，60m，f/L=1/61/8 折线形 平行弦,第四章 大

7、跨度建筑结构选型-4 桁架结构,1）支座 平板支座 滚轴支座 2）屋架端部 内天沟式 自由落水 外天沟式,4.3 桁架结构节点构造,1）整体刚度大，稳定性好，为空间多向受力状态 2）杆件受力合理，能充分利用材料特性 3）高跨比小，能有效利用空间 4）杆件规格少，便于工厂化、装配化 5）建筑造型新颖，可适合于多种平面,5 网架结构,5.1 网架结构的特点,1）按材料：木、钢砼、钢、组合式2）按外形： 平板网架 a.交叉桁架体系 b.角锥体系 曲面网架 a.球面网壳 b.柱面网壳 c.双曲面网壳,5.2 网架结构的型式,第四章 大跨度建筑结构选型-5 网架结构,1）交叉桁架体系 两向正交正放: 适

8、用于正方形平面 两向正交斜放：适用于矩形平面 三向交叉网架：适用于圆形、三角形、多边形平面 2）角锥体系 三角锥体 四角锥体 六角锥体 3）平板网架的主要尺寸,5.3 平板网架,1）杆件 角钢 钢管2）节点 十字钢板节点：用于角钢杆件，焊接或螺栓 球节点：用于钢管杆件 a.实心球：螺栓连接 b.空心球：焊接连接3）网架上弦起坡 排水坡度要求 25% 结构起拱：跨度60m时，起拱1/300 上弦加柱：按坡度变高,5.4 平板网架杆件与节点,1）支承方式 四边支承：四边设圈梁，支于列柱 柱支承：四点或多点柱支承 三边支承：三边支于列柱 自由边加托梁、边桁架、拱 2）支座构造 平板铰支座：用于跨度较

9、小 转动弧形支座：用于跨度大 摇摆支座：用于跨度大、温差大,5.5 平板网架构造,1）球面网壳2）柱面网壳,5.6 网壳简介,曲面网壳应用,1）折板：由钢砼或钢网水泥平板组成 2）横隔构件：可用横隔板、横隔梁、横隔桁架 3）边梁：当跨度较大时设边梁，以减小折板倾角,6 折板结构,6.1 折板结构的组成,第四章 大跨度建筑结构选型-6 折板结构,1）折板类型 长折板：L/B1，f(1/101/15)L 短折板：L/B1，f1/8L 2）跨度：普通砼可达到21米，预应力砼可达到27米 3）一般尺寸：B=23米，f=0.51.2米，板厚B/40 L24米，B=12米，板厚2545,B,L,fL/40

10、,6.2 折板结构的主要尺寸,曲面厚度/曲率半径1/20时称为薄壳 建筑工程结构中常为1/501/100,7 薄壳结构,7.1 定义,7.2 特点,1）受力主要是面内力（薄膜内力）2）可覆盖大空间而不设柱3）自重轻，刚度大，整体性好，利于抗震4）节省材料，经济效果好5）造型美观，活波新颖,第四章 大跨度建筑结构选型-7 薄壳结构,7.3.1 筒壳 1）组成：壳面、边梁、横隔 2）几何尺寸 跨度/波长：长壳=1.52.5；短壳=10.5 失高：f(1/101/15)跨度 壳板厚：现浇式50 装配式30 小跨度=5060，大跨度80 3）边梁形式 4）横隔形式,7.3 薄壳结构型式及构造,7.3.

11、2 球面壳 1）组成：壳面、支承环 2）几何尺寸 跨度：可达100米，多用60米以下 失高：f(1/81/4)跨度 壳板厚：现浇式40 装配式30 3）支承环：同筒壳边梁,7.3.3 双曲扁壳 1）组成：壳面、边缘构件 2）几何尺寸 跨度：经济跨度3060米 失高：f(1/51/6)短边长度 壳板厚：跨度3060米时，板厚50100 3）边缘构件 薄腹梁 拉杆拱 桁 架 密柱曲梁,7.3.4 双曲抛物面壳 1）组成：壳面、边缘构件 2）几何尺寸 跨度：单块柱网可达30 x30米 失高：f(1/51/8)短边长度 壳板厚：跨度3060米时，板厚50100 3）边缘构件：桁架、密柱边梁、刚性墙7.

12、3.5 自由曲面壳 1）自由山丘型 2）低压薄膜型 3）悬挂布型,1）体系构成 索网 支承结构 2）特点 跨度大，空间灵活 利用钢索受拉、砼受压，自重轻，节省材料 施工方便 造型新颖，适用性广 由于风力作用而容易失稳 3）适用范围 用于跨度60150米 方形、矩形、圆形、椭圆形平面,8 悬索结构,8.1 体系特征,第四章 大跨度建筑结构选型-8 悬索结构,1）单层单曲面索 2）双层单曲面索 3）轮辐式索 4）鞍形索网,8.2 结构型式,1）采用斜向牵索将悬索拉到基础上,8.3 悬索结构支承处理,2）设置对称的斜撑体系平衡内拉力,3）设置对称的斜拱体系平衡内拉力,4）设置封闭环梁活马鞍形环梁平衡

13、内拉力,5）设置竖拱和扁圆环梁平衡内拉力,6）设置横向水平桁架和纵墙体系平衡内拉力,拱索,8.4 悬索结构的混合体系,梁索,悬臂梁索,板索,悬索结构屋顶实例,柏林会堂,代代木体育馆,华盛顿杜勒斯机场,耶鲁大学冰球馆,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构屋顶,悬索结构,悬索结构,悬索结构,9 其它结构型式,9.1 薄膜结构体系,1）体系构成 覆盖膜面 支撑结构,胞体仿生 建筑结构,2）薄膜材料 聚脂织物加聚氯乙烯涂层：适用于中小跨度的临时性建筑屋盖。 无机织物加聚四氟乙烯

14、涂层：适用于大跨度永久性建筑屋盖。,3）结构类型 充气薄膜结构 悬挂薄膜结构 骨架支撑薄膜结构,9.1.1 结构体系概述,9.1.2 结构体系类型,1）充气薄膜结构 气压式薄膜：膜构成管或囊 充气保持形状 承受外部荷载, 气承式薄膜：薄膜构成气球 不断向内充气 抵御外部荷载 维持形态稳定, 混合式薄膜： a 气压式与气承式混合 b 充气结构与其他结构结合,英国千禧帐篷 直径320米,薄膜结构,薄膜结构,薄膜结构,千禧帐篷展厅布置内景,薄膜结构,2）悬挂薄膜结构 通过桅杆、边缘索和锚索等对膜施加预应力，使其形成并保持反向双曲面特征，具有一定刚度，维持结构形态的相对稳定，适合于中小跨度的建筑物。,

15、3）骨架支撑膜结构 以桁架、拱、空间网架等作为结构骨架，再在其上覆盖膜材料，并使之张紧成型。,9.1.2 结构体系类型,索膜结构,慕尼黑奥运馆,索膜结构,索膜结构,索膜结构,索膜结构,索膜结构,索膜结构,索膜结构,9.2 结构的混合体系,1）刚架 悬索混合,9.2 结构的混合体系,2）拱-网架混合,江西省体育馆 平面呈长八边形，东西长84.3m，南北宽74.6m。主拱矢高51m，跨度88m，正立面呈抛物线形，侧立面呈人字形。大拱悬吊空间桁架，作为网架的支座，大跨度网架分成两榀较小跨度网架。,9.2 结构的混合体系,3）拱 - 索混合,9.2 结构的混合体系,4）悬索-拱交叉索网混合,北京朝阳体

16、育馆索网悬挂在中央“索-拱结构”和外侧的边缘构件之间，中央索拱结构由两条悬索和两个格构式的钢拱组成。,大跨度建筑屋顶,大跨度建筑屋顶实例,肯尼迪机场,利雅得机场,罗马小体育宫,其他实例,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,薄壳结构,屋顶,屋顶,屋顶,屋顶,屋顶,大跨度建筑屋顶,梁索结构屋顶,球面网壳屋顶,球面网壳屋顶,曲面网壳屋顶,桁索结构屋顶,薄膜结构屋顶,国家体育场“鸟巢”，网络状构架体现完美,概况：设计者：瑞士赫尔佐格和德梅隆设计公司 坐落在奥林匹克公园中央区平缓的坡地上，占地面积20.4万M2，建筑面积25.8万M2，能同

17、时容纳10万观众。 场馆设计如同一个容器，高地起伏变化的外观缓和了建筑的体量感，并赋予了戏剧性的具有震撼力的形体。,国家体育场“鸟巢”，网络状构架体现完美,结构：外观即为建筑的结构，立面与结构达到了统一。结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，就象树枝编织的鸟巢。,国家体育场“鸟巢”，网络状构架体现完美,外壳：外壳采用可作为填充物的气垫膜，使屋顶达到完全防水的要求，阳光可以穿过透明的屋顶满足室内草坪的生长需要。,国家体育场“鸟巢”，网络状构架体现完美,屋顶：采用滑动式的可开启屋顶。当它合上时，体育场将成为一个室内的赛场。除了一些特定的结构需要外，可开启屋顶的结构基本上也是一个网络状的架构，装上充气垫后，成为一个防水的壳体。,国家体育场“鸟巢”，网络状构架体现完美,经济：建筑的材料耗费的钢材是悉尼奥运会主会场的8倍。,实例附图,大跨度建筑,拱结构形式,刚架结构形式,桁架结构形式,网架的形式,网架支承方式,网架支座构造 平板铰 转动弧形 摇摆支座,薄壳结构型式,边梁形式,横隔形式,