第三讲3-2大跨建筑.ppt

3-2 大跨建筑,大跨度建筑通常是指跨度在30m以上的建筑，主要用于民用建筑的影剧院、体育馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑；在工业建筑中则主要用于飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房一、 拱式结构 拱是一种历史悠久、至今仍在大量应用的结构形式古今中外的能工巧匠和工程师们创造了许多杰出的拱结构典范，至今仍为人们所称道，如我国古代的赵州桥、古罗马的半圆拱券城门、哥特式建筑的尖拱等 在拱式结构中，拱主要承受轴压力的作用，截面上正应力分布均匀，因此拱式结构比梁式结构受力合理、节省材料一）、 拱结构的类型 拱结构按建造的材料分类，有砖石砌体拱结构、钢筋混凝土拱结构、钢拱结构、胶合木拱结构等；按结构组成和支承方式分类，有三铰拱、两铰拱和无铰拱，无拉杆拱和有拉杆拱等二）、 拱的矢高 矢高对拱的外形影响很大，它直接影响建筑造型和构造处理此外，由于矢高与水平推力成反比，故矢高的大小还影响拱身轴力和拱脚推力的大小 矢高的选择应合理综合考虑建筑空间的使用、建筑造型、结构受力、屋面排水构造等要求来确定一般拱的矢高取f=（1/8～1/2）L，经济范围是f＝（1/7～1/5）L 有拉杆的拱，矢高可小些，一般取f＝L/7；无拉杆的拱，矢高不宜太小，否则拱脚下的抗推力结构较难处理。

落地拱的矢高较大，一般f＝（0.5～2）L矢高大，则轴压力小，风力影响大，曲线长，用料多，内部空间大；矢高小则反之 半圆拱的水平推力为零，为“无推力拱”，但矢高达跨度的一半，跨度大时显得非常高耸，故很少用于屋盖结构 对于屋盖结构，一般取f＝（1/5～1/7）L，最小不小于L/10对三铰拱和两铰拱屋架，矢高的确定既要考虑结构的合理性又要考虑屋面做法和排水方式 自防水屋面时：可取f＝L/6；当为油毡屋面时： f≤L／8三）、拱结构的布置形式 拱结构根据建筑平面形式的不同，可以有并列式布置和径向、环向、井式以及多叉式等多种不同的布置方案 1、并列布置 当建筑平面为矩形时，一般采用等间距、等跨度、并列布置的平面拱结构，其纵向抗侧力的能力与侧向稳定性需要加设支撑来解决 2、径向布置 当建筑平面非矩形时，常采用径向布置的空间拱结构，这种布置空间刚度和稳定性都比较好如加拿大蒙特利尔市梅宗纳夫公园奥林匹克体育中心赛车场，建筑平面为叶形，其屋盖结构沿纵向辐射状布置了四榀72m跨的落地拱，其中两榀单肢拱，两榀双肢拱，拱结构的支座一端在辐射中心为单支点，另一端为三支点沿建筑平面的横向，在各肢拱肋间布置了双“Y”形肋形梁，梁间镶嵌丙烯酸酯玻璃，满足了赛车场内有充足的阳光。

3、环向布置 当建筑平面为圆形时，以环向布置的空间拱结构最为合理，各拱沿周围排列、拱脚互抵、推力相消如古罗马万神庙就是这种环向布置的典型结构 4、井式布置 拱结构布置中也可仿效井字梁的布置方式，采取多向承受荷载、共同传力的井字拱 5、多叉布置 拱结构布置中有一种能适应任何建筑平面形状的多叉拱，其围绕一个中心铰或环、径向布置辐射状的拱肋，呈多叉状的肋形拱，有三叉拱、四叉拱、六叉拱等多叉拱的拱脚与拱顶多为铰接，多叉拱肋的顶端汇聚于中心为使多叉拱的拱脚水平推力大小一致，保持结构有良好的稳定性，各叉拱脚所形成的平面最好是正多边形，如三角形、正方形、正六角形以及圆形等各叉拱的拱脚推力一般由连接的相邻拱脚支座所形成的多边形圈梁承担二、折板结构 折板结构是将若干块薄板以一定的角度连接成整体的空间结构体系一）、 折板结构的组成 折板结构一般由折板、边梁和横隔三部分组成两个横隔之间的间距称为跨度，两个边梁之间的间距称为波长二）、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”，逐渐演变成扇形折板而用于梯形的建筑平面上，甚至更复杂地演变成相互反向的折板，使建筑物更富有造型艺术的特点三、悬索结构 悬索结构是由一系列高强度钢索组成的一种张力结构，由于其自重轻，用钢量省，能跨越很大的跨度，是一种比较理想的大跨度结构型式。

悬索屋盖结构主要用于跨度在60～160m的体育馆、展览馆、会议厅等大型公共建筑一）、悬索结构的组成 悬索结构一般由索网、边缘构件和下部支承结构组成 索网是悬索结构的主要承重构件，是一个轴心受拉构件，一般由每根直径为2.5mm、3mm、4mm、4.5mm、5mm的高强碳素钢丝扭绞而成 边缘构件是索网的边框，设计时应注意对边缘构件的处理，选择合理的边缘构件型式以承受索网的巨大拉力 下部支承构件一般是钢筋混凝土立柱或框架结构，为保持稳定，有时还要采取钢缆锚拉的设施二）、 悬索的形式 悬索结构的主要形式有：单曲面单层悬索结构、单曲面双层悬索结构、双曲面单层悬索结构、双曲面双层悬索结构和交叉索网悬索结构等四、网架结构 网架结构是由很多杆件通过节点，按照一定规律组成的网状空间杆系结构网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架通常情况下，平板网架简称为网架；曲面网架简称为网壳 网架结构组合有规律，便于工厂成批生产，产品质量高，现场进行拼装容易，可提高施工速度 网架结构占用空间较小，更能有效利用空间，如在网架上下弦之间的空间布置各种设备及管道等 网架结构平面布置灵活，可以用于矩形、圆形、椭圆形、多边形、扇形等多种建筑平面。

网架结构能适应不同跨度、不同平面形状、不同支承条件、不同功能需要的建筑物，不仅中小跨度的工业与民用建筑有应用，而且被大量应用于中大跨度的体育馆、展览馆、大会堂、影剧院、车站、飞机库、厂房、仓库等建筑中一）、 网架的类型 通常网架有两大类，一类是由不同方向的平行弦桁架相互交叉组成的，故称为交叉桁架体系网架；另一类是由三角锥、四角锥或六角锥等的锥体单元组成的空间网架结构，故称为角锥体系网架二）、 网架的组成 网架是由上弦杆、下弦杆两个表面及上下弦面之间的腹杆组成，一般称为双层网架有时，网架是由上弦、下弦、中弦三个弦杆面，及三层弦杆之间的腹杆组成，为三层网架当跨度大于50m时，可考虑采用三层网架；当跨度大于80m时，可优先采用三层网架，可降低用钢量三、 网架的节点,,,五、薄壳结构 自然界中存在着丰富多彩的壳体结构，如植物的果壳、种子、茎杆等等，以及动物界的蛋壳、蚌壳、蜗牛壳等等它们形态变化万千，曲线优美，且厚度薄，用料少，结构坚固 以上所列种种壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构，两个曲面之间的距离即为壳体的厚度（δ），当δ比壳体其他尺寸（如曲率半径R，跨度L等）小得多时，一般要求δ/R≤1/20（鸡蛋壳≈1/50），称为薄壳结构。

一）、 圆顶薄壳 圆顶薄壳结构为旋转曲面壳，根据建筑设计的需要，圆顶薄壳可采用抛物线、圆弧线、椭圆线等绕其对称竖轴旋转而成抛物面壳、球面壳、椭球面壳等 目前已建成的大跨度钢筋混凝土圆顶薄壳结构，直径已达200多米我国解放后建成的第一座天文馆——北京天文馆，即是直径25m的圆顶薄壳，壳厚仅为60mm圆顶薄壳由壳板、支座环、下部支承结构三部分组成壳板,支座环,支座环是球壳的底座，它是圆顶薄壳结构保持几何不变性的保证，对圆顶起到箍的作用它要承担很大的支座推力，由此环内会产生很大的环向拉力，因此支座环必须为闭合环形，且尺寸很大，其宽度在0.5~2m，建筑上常将其与挑檐、周圈廊或屋盖等结合起来加以处理，也可以单独自成环梁，隐藏于壳底边缘下部支承结构,（二）、筒 壳,筒壳的壳板为柱形曲面，由于外形既似圆筒，又似圆柱体，故既称为筒壳，也称为柱面壳 筒壳由壳板、边梁及横隔板三部分组成三）、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，因此都欲降低其结构空间 当薄壳的矢高f与被其覆盖的底面最小边长之比f/L≤1/5时，人们称如此之壳体为扁壳由于扁壳的矢高与底面尺寸相比要小得多，所以扁壳又称为微弯平板。

双曲扁壳由壳板和周边竖直的边缘构件组成四）、鞍壳、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的，而扭壳是从鞍壳面中沿直纹方向取出来的一块壳面六、膜结构,（一）、 膜结构的类型 膜建筑的分类方式较多，从结构方式上简单地可概括为张拉式和充气式两大类，在张拉式中用钢索加强的膜结构又称为索膜结构 （二）、 膜结构材料 膜结构采用的薄膜材料，大多是强度高、柔韧性好的一种涂层织物薄膜它分为两部分：内部为基材织物，决定材料的抗拉强度、抗撕裂强度，体现膜材的力学性质；外层为涂层，体现材料的耐火、耐久性及防水、自洁性等膜材料的物理性质三）、膜结构的设计,膜结构的设计主要包括初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等。