第四章-大跨建筑结构选型教学文案.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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）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,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,网架短向跨度,高跨比,网格尺寸与短跨比,60m,1/141/18,1/131/18,1）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/40,6.2 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,7.3.2 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,7.3.5 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,126000,4400,4400,14400,锚块,斜拉索,塔柱,索网,曲线边梁,主悬索,拉杆,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,波士顿艺术中心剧场,直径44m圆盘形充气屋盖，,中心高6m，,双层屋面是用拉链连起来的，,固定在支承于柱子上的受压钢环上,气压薄膜工作原理,美国密执安州庞提亚克体育馆,平面尺寸220m168m，失高15.2m，,采用单层玻璃纤维薄膜结构，,膜片固定在按对角布置的钢壳上，,共18根，间距约13m,是第一个永久性建筑的充气结构。,气承薄膜工作原理,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。,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,丹东体育馆比赛大厅,屋盖承重结构简图，采用了刚架-索混合空间结构，,大厅平面尺寸为45m80m。,横剖面,纵剖面,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。,耶鲁大学冰球馆,耶鲁大学冰球馆,主拱跨度69.5m，,矢高53.4 m，,承重索一端挂在索上，,另端固定在周边墙上。,稳定索锚固在桁架上。,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M,2,，建筑面积25.8万M,2,，能同时,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,