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1、第七章 大跨结构拱、悬索及壳体折板、结构体系,7.1、拱和悬索结构体系7.2、壳体和折板结构体系,7.1拱和悬索结构体系,梁：部分受拉、部分受压，应力分布不均匀，不能充分利用材料的强度。对梁施加一偏心压力，可使梁各截面处于受压或压弯状态，从而提高梁的承载力形成拱 同样，对梁施加一偏心拉力，也能使梁各截面处于受拉或拉弯状态，形成拉杆，其极端情况为“索”,拱分为三铰拱、两铰拱和无铰拱,拱和悬索结构受力特点,对于梁，截面抗弯力臂为:hb对于拱：抗弯力臂为：h(矢高）对于索，抗弯力臂为：h（垂度）,由于拱或悬索矢高或垂度h较大，截面所承受的压力C或拉力T较小,大跨结构常用形式及优缺点,曲线构件的缺点
2、曲线表面作为楼面使用不方便，必须在基本曲线结构体系上支起或悬挂一个辅助平台体系。曲线构件的优点：1、大跨结构采用与自然压力线相近的形状（如抛 物线或悬链线）2、对于曲线形结构所需要的抗弯力可以总体上加 大结构体系的矢高，而不是截面高度来控制；,对于跨度超过30m以上的结构，用拱、悬索或壳体结构等曲线构件建造较为经济。,拱结构设计要点：（1）跨高比及压杆稳定,跨高比的确定：水平反力H与矢高h成反比；因此，通过增加矢高可以减少水平反力以及作用在截面上压力，这时承受实际荷载所需截面高度hb也可随之减小；理论上，跨高比可以达到50以上。但是，如截面高度减少过多，会带来压杆稳定问题；因此，实际设计时如无
3、有效的竖向加劲处理和合理的侧向支撑，压杆跨高比应控制在12以内。,拱的竖向加劲和水平方向加劲处理,有效提高压杆整体稳定性的方法是对拱压杆进行竖向及水平方向加劲处理，见下图示。,拱结构设计要点：（2）支座反力估算,在均布荷载作用下：1、抛物线形三铰拱截面上弯矩为零，即只受压力作用；2、两铰拱，即使采用抛物线形拱，拱顶仍有弯矩作用，截面也有弯矩产生，但其值很小；3、无铰拱，拱顶和拱底均有弯矩作用，情况与两铰拱类似。注意：截面弯矩为：Chb水平推力产生的抵抗矩为：Hh由于一般：Hhb，在初步设计时可以由三铰拱公式估算两铰或无铰拱的支座反力,分析,拱结构设计要点：（3）拱脚设计,拱脚设计：1）在拱脚两
4、端用水平拉杆连接，以抵抗拱脚水平推力；2）在天然地基或桩基础上建造坚固的承台，以承受拱脚水平推力作用；3）拱脚两端推力由侧面建筑物承受；4）拱脚两端推力由侧面水平构件承受。,拱结构设计要点：（4）拱截面设计,矩形截面开洞,丫髻沙大桥桁架拱,柱拱结构,墙拱结构,平面屋盖和筒壳屋盖比较由于Hh,边梁高度可以适当减少，因此，筒壳屋盖也比平面屋盖有很大优越性,平面屋盖：荷载由板沿横向传给梁，梁的最大纵向应力与梁截面的平方成反比，即max1/h2；筒壳屋盖：荷载由壳体与边梁组成的弧形截面大梁传给端隔板和柱，此时，壳板顶部受压，整个边梁受拉，最大纵向应力与筒壳全高的平方成反比，即max1/H2；,筒体单元
5、受力状态及内力估算,Nx、N为纵向及横向法向力；SxSxS为顺剪力；Mx、M为纵向及横向弯矩；Vx、V为纵向及横向剪力；Mx、Mx为扭矩；,筒壳内力简化分析,1、长筒(l1/l23)：壳身内力Nx及S与梁相似，可按梁简化分析；2、短筒(l1/l21/2)：壳身弯曲内力很小，可按薄膜理论估算内力Nx、N及S；3、中长筒壳(1/2 l1/l23)：原则上应同时考虑薄膜及弯曲内力。简化分析时，通常忽略较次要的Mx及Mx，按半弯矩理论计算壳身内力。,筒拱体系,注意：由于筒拱在拱方向上以受压为主，与拱垂直方向上以受弯为主。因此，长筒的静力分析与梁类似；而短筒的静力分析与拱类似。,短筒壳设计要点,短筒壳得
6、横隔构件宜采用拉杆拱，跨度较大时可采用桁架拱；,悬挂结构体系,悬索结构一般由索网、边缘构件和支承构件组成。索网由0.5-5mm的高强钢丝组成。边缘构件受压，采用砼拱梁、环梁等，须有足够的刚度，以便承受索的内拉力。悬索作用产生支承处的是向内拉力,索网结构的结构形式,悬挂结构设计要点,悬挂结构体系不会发生压曲，总跨高比L/h可以达到10左右；柔性悬索在动力荷载作用下会产生摇摆或移动，对于悬索吊桥应沿桥面纵向设置加劲大梁或预应力拉索；对于建筑结构常采用曲线钢杆或预应力混凝土杆制作的刚性索，以避免过大柔度。拉索可以锚固在其他构件上以抵抗其水平反力，亦可以将拉索两端以刚度较大的水平构件/结构连接，而形成
7、自锚体系。,悬索结构支承处理方法,悬挂建筑结构采用刚性拉索,典型悬索吊桥采用的纵向加劲处理及拉索锚固方案,双向悬索网,美国雷利竞技场,采用斜拉索的屋盖体系,悬索结构建筑实例,7.2 球壳的空间作用,杆结构与面结构的比较,梁和拱属于杆结构，板和壳属于属于面结构；杆结构中梁主要受弯，是有矩构件，拱主要受压，（设计得当弯矩为零）可以为无矩结构；平板受弯，为有矩构件，壳体受两个发向力（拉或压）和顺剪力（沿壳面的剪力），设计得当可为无矩构件,有矩和无矩结构比较,方形框架：,圆环：,比较（取l/h=10）：,在荷载与尺寸相同情况下，无矩结构比有矩结构优越得多！,平板与球壳比较,四边简支圆形平板底部简支半平
8、面球壳,平板中心点：,半球壳顶点：,比较（取r/h=30）：,在荷载与尺寸相同情况下，无矩结构比有矩结构优越得多！,拱与壳的比较由于壳体的空间作用，空间的壳与平面的拱相比，受力要优越得多！,1、在拱底水平推力作用下，传力由一端由受弯向另一端传递，拱顶弯矩最大；2、球壳在沿环向水平推力作用下，当水平推力沿竖拱经拱顶传到另一端时，水平环则起到阻止竖拱弯曲作用，结果仅在壳体底部边缘处在竖拱中产生弯矩，并很快衰减。,壳体结构曲面形式,旋转曲面：1、球壳 2、圆锥体 3、双曲面壳,直纹曲面：4、柱面（筒）壳 5、柱面壳 6、劈锥壳 7、锥形壳 8、扭壳,平移曲面：9、双曲扁壳 10、双曲抛物面壳,经切割
9、、组合基本形式所形成的曲面,壳体结构受力分析,壳体壳身与支承环的关系,由上图可得：支承环受拉力为：T=HRr=RrNsin,由于支承环受拉，可以采用预应力混凝土构件，同时考虑到球壳在近支承环附近有局部弯矩产生，该处壳体应适当加厚，并配双层钢筋！,扭壳受力特点,折板结构体系,V型折板跨度与波长之比l/B=5，受力性能与长筒相似，可按梁理论近似计算。,多边形折板结构,本次课后思考题及下次课内容,何谓有矩结构？何谓无矩结构？实际屋盖结构能否设计成为完全的无矩结构？球壳的内力分布形态是怎样的？如何设计球壳的支承环梁？长筒壳内力计算的模式是怎样的？下次课开始介绍案例分析谢谢！下次课再见！,第8章 设计案
10、例分析,本设计为一钢筋混凝土门式刚架，从结构上来说应该较为简单。本设计的巧妙之处在于，进行结构设计时，根据门式刚架弯矩图的正负，来布置其顶板和墙板。,沿月台设计成凸出体，供候车休息，且符合力学原理,托罗哈（E.Torroja）作品案例 8.1 有轨电车站,概况：平面直径21.34m，中间无柱，屋盖上设一个圆形或八角形的竖向天窗，且与底层同圆心。设计方案有两种：,方案A为按常规的结构方案，而最后却选用了方案B,8.2 圆形手术教室,方案B主要构件配筋示意图,由于屋面荷载的不对称性，为了验证计算结果，进行了小比例的模型试验,8.3 某集贸市场,球面圆顶的外檐与8个圆柱形拱顶汇合，二者的交接区为圆顶
11、的支承，使得结构内产生的主应力集中到边支柱上。,概况：8个周边支柱支承一个球面圆屋顶，圆顶直径为47.6m，球面曲率半径为44.2m。,球面圆顶壳身厚度为8.89mm，在支承处逐渐增至45.72mm，支承点处的竖向力由柱承受，水平力由钢环箍（1630）承受。施工时，环箍需先施加拉力，为此在钢环箍上设置花兰螺丝，待钢环箍拉紧后，用混凝土包起来，以防止锈蚀和温度变形。为了减小温差变形对支承柱引起的弯矩，则柱应允许发生一定的径向侧移，为此柱截面设计成沿径向截面较小，沿环向较大，如图。同时，为防止壳身的失稳和壳边的压屈，自环箍中点设置径向杆件与拱身相连。,（1）球面壳结构的厚跨比为1:535，鸡蛋壳厚
12、跨比为0.3mm:45mm=1:150，由于=32.60，则在屋面均部荷载作用下，屋面经纬两个方向均处于受压状态，混凝土不受拉，说明结构受力方案合理。（2）球壳底部由8个水平刚度很大的筒壳将屋面荷载传给立柱，用钢环箍 产生的预拉力与水平推力 相平衡。同时，筒壳和 环箍还起到加强边缘构件 作用。（3）还设有天窗，周边设有封闭的钢筋砼圆环形构件与壳面相连，是对壳开洞后的加固措施（4）做到了建筑、结构、施工三方面的统一协调，既美观有经济。,筒壳,钢环箍,立柱,8.4某渡槽 混凝土渡槽设计时，防止混凝土开裂是关键，以免槽壁漏水。,将渡槽每段设计成37.8m长，支承在间隔18.9m的支架上，两端各伸出9
13、.45m。则有渡槽产生的弯矩均为负值，在两端和中点弯矩为零，支座处弯矩最大。为了抵消负弯矩产生的拉应力，用后张法对渡槽顶部施加预应力，则沿纵向全截面均受压。,在U形渡槽顶部每个一定距离设置一个横杆，通过花兰螺丝使其受拉，由于横杆的拉力，在U形槽壁内产生横向弯矩，使得渡槽内侧受压，压力越向底部越大。为此，横向钢筋沿渡槽槽壁的外侧布置，以承受弯矩产生的拉力。此外，这种钢筋还像箍筋一样，能抵抗剪力。,该工程极其巧妙地将施加预应力方法与两端伸臂梁做法相结合，使得渡槽在盛水时都处于纵横双向全截面受压状态，有效地防止渡槽开裂渗水，而且施工简便，造价便宜。,预应力的施加：先在槽顶部预留浅沟，作为张拉钢筋使用
14、。预应力筋采用钢绞线，其端部可将各股钢绳做成弯钩，并埋入混凝土槽壁内，待同凝固后则将钢绞线锚固住。然后用夹具将钢绞线固定在槽顶浅沟的相应位置上，用一对水平力将钢绞线分离，则相当于对钢绞线进行张拉。待张拉完成后，在槽顶浅沟上一厚层砂子，以防止温度变化对其影响，几周后，再用千斤顶对预拉力进行校核。,渡槽各单元之间的连接：,渡槽支架形似一个巨大的双脚规，其上部具有与渡槽外形相同的形状。当花兰螺丝张拉U形截面时，为保证支承处能与槽壁一起变形，特在支承处专设接缝。渡槽槽身为筒状，其半个横截面形状为三次抛物线，不仅利于水流，也利于结构受力。,该渡槽长度较大（914m），且要求降低对渡槽施加预应力的造价，还
15、要求设置尽可能少的膨胀节点。为此，本工程做成一个等跨连续梁方案。本工程只在沿渡槽长度的中点处设置一个连接接头，在连续梁的端部设计成固定端支座，在中部节点上设置一个位于渡槽梁上端的三角拱。,施加预拉力,8.5 半英里长的渡槽方案,在重力荷载作用下，三铰拱每侧拱脚处都有一个很大的水平推力，这个推力需由渡槽槽壁承担，这样相当于对渡槽施加了一个预压力。这种施加预应力的方法比前者更便宜。,拱产生的水平推力,三铰拱,支架,三铰拱拱顶铰接处，设计为具有一定曲率的曲面，以保证当拱脚发生变化（产生位移）时，拱高不变，拱脚的推力不变。支墩应具有足够的抗侧刚度，以防止渡槽梁在压力作用下发生失稳；同时，支墩设计为两铰
16、连杆，以便更好的传递三铰拱的压力。,本设计特点,（1）因为渡槽为直线，利用三铰拱拱脚产生的水平推力，对渡槽施加预应力（2）三铰拱拱顶处可以随不同温度而转动，使拱脚在不同气温下基本上都产生相同的水平推力；（3）渡槽支座做成可以在纵向发生水平位移的链杆，以有效地传递水平推力。（4）本文未提供三铰拱曲线形状、拱顶铰弧线和构造做法。,两侧的拱还承受一个轨道梁，下安装一扇有轨道大门。轨道梁承受作用在大门上的水平风荷载，通过屋盖拱的纵向檩条，传递给飞机棚后侧的扶壁墙上（见上图）。,8.6 某飞机棚,其屋盖的纵向檩条放置在跨度为35.1m的拱上，各个拱在对角线方向上相互交叉，形成一个刚度很大的圆筒面交叉网。其拱脚支承在门式刚架一侧的伸臂梁上，端部门式刚架通过设置对角线斜撑，来承受屋面拱的全部水平推力，而中间的各门式刚架则不承担拱的水平推力，中间拱的水平推力通过水平刚度很大的屋盖传递到两端的门式刚架上。,屋盖在地面上拼装，采用一临时拉杆，承受水平推力，成为一个自平衡结构。屋盖提升就位后，拆除临时拉杆。,屋盖拱为三铰拱，最大弯矩发生在拱腰处，因此，拱设计为变截面。拱脚和拱顶处截面最小，1/4跨度处截面最大。为此将一个工字钢沿腹部对角线剖开，然后焊接在一起。,本结构有两点：（1）利用两侧门式刚架承受三铰拱的水平推力；（2）裁剪工字钢，焊接成变截面构件；结构的构造做法与结构的受力分析相一致。,
