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建筑结构及选型一、为什么要学习建筑结构体系及选型1.建筑结构选型是作为一个建筑师必须具备的基本能力（1）建筑设计方案阶段建筑师必须考虑的问题（2）注册建筑师必考的内容之一（3）认真贯彻国家建筑方针：“安全、适用、美观、经济”应具备的基本功能2.建筑结构的合适与否直接决定建筑方案可行性及实施性 实例：图书馆3.建筑结构选型是建筑力学、建筑结构应用的直接体现，同时也体现过建筑师的基本素质。第一小节第二页，共223页。二、如何学好建筑结构选型1.要有一定的建筑力学知识（1）要掌握建筑构件及建筑结构受力的基本类型轴向力（轴力）拉力压力剪力（横向力）扭矩（力偶）平行构建横切面弯矩（力偶）垂直于构建横截面 内 力第三页，共223页。（2）要掌握构建的基本变形 构建的基本变形有四种：拉压变形剪切变形扭转变形弯曲变形 变形类型第四页，共223页。（3）要学会把复杂变形分解成简单变形2.要有一定的建筑结构知识（1）建筑结构的分类 按材料分类 刚性结构 砖、石结构、砖混结构、砼结构 特 点：主要由脆性材料组成，脆性材料是主要承力材料。范 围：以竖向受力荷载为主，小跨度，低层及多层建筑、基础大坝等块体结构第五页，共223页。柔性结构：主要以弹性材料作为主要承力材料，如：钢筋砼结构、钢结构、网架结构、悬索结构接受力特性分类：1.梁板结构 2.框架结构3.排架结构 4.剪力墙结构5.框架剪力墙结构 6.简体结构7.网架结构 8.拱结构9.壳结构 10.悬索结构 11.膜结构第六页，共223页。(2)各结构类型的应用范围 略（后面章节具体论述）3.要有一定建筑材料知识脆性材料：砖、瓦、砂、石、砼特点：耐压、不耐拉、抗剪能力差弹性材料：钢材特点：抗压、抗拉能力相当，抗剪能力较差三、建筑结构选型对建筑学专业的学生的要求主要是定性了解，不要求作定量计算要了解选型的原则要掌握各个结构体系的适用范围第七页，共223页。第二小节建筑结构形式的影响因素及其与建筑的关系(一)影响因素1.建筑材料2.建筑技术3.社会需求(二)与建筑的关系1.影响建筑的风格2.影响和发展了建筑艺术3.扩大了建筑物的应用范围第八页，共223页。第三小节 结构的艺术表现力：这一节主要介绍建筑结构非建筑结构功能。一、结构本身富含美学的表现力，是构成建筑艺术形象的重要因素。1.等强梁的结构美2.拱劵结构的结构美3.薄壳结构的结构美 拱劵、斗拱、悬挑等，要善于把结构的形式美与建筑空间艺术美有机的结合，创造出建筑的内在美第九页，共223页。最速水线 大屋顶（游泳馆）最速滑线方程f(z)=ex+ey z 双曲面方程二、结构的美学表现力需要建筑师艺术再创造第四小节-建筑结构选型的原则总原则：安全、适用、美观、经济具体有以下几个方面：一、选择能充分发展材料性能的结构形式（1）根据力学原理选择合理结构形式，使结构处于无弯矩状态，已达到受力合理，节约材料的目的。A.梁矩形 工字型 直线桁架 折线桁架第十页，共223页。B.拱（轴心受压）两端周定拱 两端铰支拱 三铰拱C.悬索：主要承拉构件（轴心受拉构件）D.薄壳结构：轴向受力（2）合理调整结构弯矩峰值，使结构受力合理。二、合理的选用结构材料（1）充分利用结构材料的长处（2）提倡结构形的优选组合（3）采用轻质较强的结构材料第十一页，共223页。三、要充分考虑建筑功能要求（住宅、商业、教育、体育、宗教、宫殿）四、要控制合理的造价第十二页，共223页。Page 13 上 篇：平板结构体系第十三页，共223页。引 言：平板结构和非平板结构：1.平板结构：是以受弯为主的结构构件：梁、板、楼梯、柱、墙等。2.非平板结构（曲面结构）以轴向受力为主结构类型如：拱、薄壳、悬索结构等。该结构能充分发挥结构性能。第十四页，共223页。第一章 一般平板结构本章主要介绍建筑结构水平分系统中的一般平板结构。即最常见，量大面广的结构类型：即梁、板、楼梯，结构悬挑及工例实例。1.1板式结构1.板的定义 (l1 l2)l32.平板结构包含的内容：楼梯、屋盖板，以受弯为主墙板，楼梯段，阳台板等。3.板的分类（1）接受力特征分类单向板：l2l12 按短跨传力双向板：l2/l1 2 双向传力第十五页，共223页。（2）按支座的形式分类A.四边固定B.三边固定，一边简支。C.两邻固定，两邻边简支。D.两对边固定，两对边简支。E.一边固定，一边简支，其它两边自由。F.两邻边固定，两邻边自由。G.一边固定，三边自由。H.三边简支，一边自由。第十六页，共223页。4.板厚度的确定板的厚度主要决定于板的跨度，同时要考虑荷载及支撑情况。具体估算见表1：板的类型板的类型高跨比（高跨比（h/l）最小厚度要求（最小厚度要求（mm）简支板130 13560多跨连续板135 14060悬壁板110 11260无梁楼板125 130150钢筋砼板截面尺寸估算参考值第十七页，共223页。1.2、梁板式结构：与板式结构相比，梁板式结构受力合理，更节省材料，但静空受到限制。1.21：1）简支梁：（独立梁）（1）静定梁：支座约力差，利用沉降。（2）梁截面尺寸，是由跨中弯矩决定，跨度越大，梁高越大，为了经济，跨度不宜过大。（3）对于跨度很大，宜采用箱形结构。（4）施工：多采用予制。第十八页，共223页。2）连续梁：（1）超静定梁：刚度，抵抗变形能力强。与简支梁相比，弯矩小，挠度小，布置灵活，可做成主次梁结构，也可做成井字梁结构。总跨度可比简支梁大。（2）连续梁最大弯矩在支座处，梁最高截面在支座处，跨中挠度较小，便 于利用空间，如加腋。第十九页，共223页。（3）弹性较好，可产生内力重分布，提高抗破坏性能，节约材料；（4）不适宜应用于地基承载力不均匀的地段。3）多跨简支梁：如檩条，大桥的桥梁等。1.22：1）折线形梁：楼梯 板式楼梯 2）曲线式梁：旋转楼梯，曲线外挑阳台 内力由：弯矩M 剪力Q 扭矩T 第二十页，共223页。1.23、梁的截面尺寸确定：钢筋混凝土梁的截面尺寸估算参考值梁的类型梁的类型高跨比（高跨比（h/l）主次梁楼盖主梁114 18次梁118 112井字梁楼盖115 110独立梁114 18悬挑梁16 151.3、结构的悬挑：悬挑结构目前应用越来越多，它可以提供优美的造型，开阔的空间，良好的视野。另一方面，其受力特点比较独特，易破坏，可以特别论述按特别论述。第二十一页，共223页。1.3.1、悬挑梁的受力特点：特点1：产生的内力大，变形大。特点2：存在倾覆的可能。1.3.2、结构的抗倾覆验算及措施：1）抗倾覆验算：Ne/Pd1.5 2）措施：（1）拉力平衡 （2）压力平衡 （3）用压力支撑平衡第二十二页，共223页。（4）用支撑和拉力相结合平衡（5）用基础平衡（6）用自重平衡1.4、悬挑结构在建筑中的应用：中央电视台 MOMA公寓小结：1、掌握受力特点及应用范围；2、掌握各构件尺寸选择数据。第二十三页，共223页。第二章 桁架与屋架2.1、桁架与屋架的概念：1）、桁架与屋架是杆件结构体系，整体相当于梁的作用，承受弯矩，而每一个杆件则是承受轴力。2）、桁架与屋架适用于跨度大于18M的大跨度。3）、桁架可以平面桁架，也可以是空间桁架，可以是直线型也可以是折线及曲线型。4）、桁架可以是钢筋混凝土，钢材，木材。2.2、屋架的形式与受力特点：2.2.1、屋架的受力特点：1）、整体的受力构件，内力有弯矩和剪力。弯矩中间大，两端小，剪 力中间小，两端大，而每一个杆件均为轴力。第二十四页，共223页。2）弦杆内力：M=NR 弦杆的内力是轴力。上压，下拉，大小相等方向相反形成的力矩，即弯矩。弦杆的主要作用是平衡弯矩。3）腹杆内力：Y=V。腹杆主要承受的剪力变形，主要是平衡剪力。第二十五页，共223页。4）、不用形式屋架内力的分析比较（内力分布与外形的关系）M=Nh（1）当M为定值时，h越大，N越小（2）当N为定值时，h随M的变化而变化2.3、屋架形式的选择和设计要求：2.3.1.1）屋架选型的影响因素：（1）使用要求（2）跨度（3）荷载大小 2）屋架矢高的确定：主要由结构的刚度条件确定，就是一句最大挠度的数值，通过高跨比来确定。第二十六页，共223页。2.3.2、屋架的设计要求：主要由三项内容：1）跨度：三角屋架：L18m 梯形屋架 1836m 再大跨度最好应用钢屋架。抛物线屋架：应用范围同上 折线形型：特点，受力合理，经济指标好。平行屋架：多用钢屋架，多用于荷载大，有悬挂式吊车。（托架）无斜腹杆屋架：跨度：1824m 层数：n8二、常用类型：砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构。简体结构及其组合、悬挂结构。第七十二页，共223页。5.1 高层建筑结构的力学特点 5.1.1、荷载值建筑高度增加对建筑结构的影响：1、竖向荷载的影响：竖向荷载在结构产生竖向压力大小随 建筑高度的增加呈线性增加。2、水平荷载的影响：主要有地震作用，风荷载（注意两者不同时计算）（1）荷载值随高度而增加；（2）内力：变化与h呈二次方的关系，一个抛物线。结论：1、在低层建筑中，竖向荷载起主要作用；在高层建筑中，水平荷载起控制作用；2、在低层建筑中，内力中轴压力起主要作用；在高层建筑中，内力中弯矩、剪力起控制作用；3、材料的选择要符合受力特征。第七十三页，共223页。5.1.2、建筑高度对建筑物变形及建筑体型的影响：1、限制水平变形的层间位移；第七十四页，共223页。2、建筑体型高度比的限制；见表5-25-6第七十五页，共223页。第七十六页，共223页。5.2、框架结构：5.2.1、框架结构的特点：（1）建筑物的平面，主要布置灵活，容易出形象；（2）缺点：整体刚度差，抗侧能力弱；（3）范围：N20层。5.2.2、框架结构的布置方案：1、框架结构传力特点：第七十七页，共223页。2、布置方案：（1）横向框架：特点：纵横刚度相对均衡，利于抗震，利于平面和立面布置。不利方面：横向梁承重，高度大，空间受力限制第七十八页，共223页。第七十九页，共223页。第八十页，共223页。（2）纵向框架：特点：1、横向刚度小 纵向刚度大 两者刚度相差较大，不利于抗震 2、主梁纵向布置，楼层净空大，便于管道布置。很少来用这种布置方式。第八十一页，共223页。（3）纵横向混合布置：特点：综合了前两者的优点，有利于抗震；缺点：既要计算横向刚度，又要计算纵向刚度。第八十二页，共223页。5.2.3、柱网形式：1、柱网：由定位轴线纵横交叉形成的，用以确定建筑的开间，进深的平面 的网格为柱网。它由功能要求决定的。要求：（1）柱网力求简单整齐，形状规则；（2）对于多层及高层，最好要求上下贯通。第八十三页，共223页。2、布置形式：（1）方格柱网：多用于工业及公共建筑：（2）内廊式柱网：多用于教学楼，办公室，写字楼，宾馆及特定的 工业建筑；（3）曲线形柱网：第八十四页，共223页。5.2.4、框架柱、梁、板的载面形式和尺寸估算：1、框架柱，按柱的长细比确定。长细比为：1/201/10 且截面的边长300mm 2、框架承重梁：1/151/10跨长，宽度为一般高度的1/3 3、连续梁，同上，按构造要求取值。既按承重梁的最小高跨比取值。4、框架板的截面形式和尺寸估算：厚度 d=1/451/35l d60mm,对无梁楼盖d150mm 详见表5-7第八十五页，共223页。第八十六页，共223页。5.3、剪力墙结构：5.3.1、剪力墙结构的特点：1、特点：（1）抵抗水平荷载；（2）工作状态受弯受剪；（3）侧向刚度大；（4）范围：高层，超高层建筑，适于小开间。2、类型：单板型 开阔型 框支型第八十七页，共223页。5.3.2、剪力墙结构的布置方案：三种方案 1）、横墙承重方案：特点：（1）楼板直接支撑在剪力墙上，其间距为楼板长。一般（36m）；（2）横向刚度大，纵、横刚度较均衡；（3）材料用量大，成本造价高。2）、纵墙承重方案：主要是大开间需要，此方案应用较小。3）、纵横墙混合承重方案：（1）全现浇；（2）预制板支撑大梁的横向剪力墙上；（3）实例。第八十八页，共223页。第八十九页，共223页。5.3.3、剪力墙结构的基本设计要求：1、布置要求：1）平面上要求尽可能布置均匀对称，不宜间断布置；2）自下而上连续布置，避免刚度突变；2、设计要求：主要是门窗洞口设置要求：（1）门窗洞口宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙脚和连梁；（2）在纵横墙交叉处，应避免在几面墙上同时开洞，开洞要带门垛；（3）建筑平面的尽端，山墙和其转角处尽量少开洞或不开洞，靠近外 墙的内墙上尽量不开洞。第九十页，共223页。5.4、框架剪力墙结构：1、特点：（1）框架剪力墙结构式两种结构的结合，兼有两种结构的各自优 点，框架空间布置灵活剪力墙抗侧刚度好。（2）两者分工明确：剪力墙承担80%以上的水平荷载，框架承担余下 的水平荷载和全部竖向荷载。第九十一页，共223页。（3）变形特点：剪力墙是弯曲型变形，框架剪力墙剪切型变形。（4）两者变形要协调：楼、屋、盖必须有足够刚度：第九十二页，共223页。2、变形协调的基本要求和措施：1）条件：2）措施：A、加大楼盖板的刚度：设计上：采用加大板厚，跨度大可采用密肋结构。施工上：现浇整体式，装配整体式，叠合梁，叠合板。2/L 1/1.2 10-4 B、控制屋、盖、楼盖的长、宽比。见下表：第九十三页，共223页。3、框架剪力墙的结构布置要求：（1）双向布置抗侧力体系，各主轴方向刚度相近；（2）剖面上，宜贯通建筑物全高，避免突变，剪力墙开窗宜上下对齐；（3）剪力墙布置的位置：周边均匀布置，抗剪；（4）纵横剪力墙宜设计成L、T、U型；（5）剪力墙的数量要适当；（6）剪力的厚度要求：d 160mm 且不小于1/20Hi;（7）梁、柱，柱与剪力墙的中线宜重合，尽量避免扭转变形。第九十四页，共223页。5.5、简体结构：1、特点：（1）组成：由一个或几个抗侧力构件的简形结构组成；（2）受力性能：主要抗侧力，承受水平荷载，很好的空间刚度抗侧梁能力 和抗震能力；（3）范围：超高层建筑。2、简体结构的设计：1）、构造类型：（1）落壁简：由钢筋砼墙围合而成，电梯间，管道井，一般设置建筑物平 面的中部，形成横线简。（2）框简：由密柱、高梁形成框架组成的简体。第九十五页，共223页。密柱间距：1.53.0m（特殊扩大到4.5m)横梁：h0.61.2m2)简体的结构布置 （1）竖向结构简体的布置 三种形式：单简、简中简、集束简 （2）水平结构楼板层的布置 见图5-20第九十六页，共223页。3)简体的结构类型 （1）简体结构：单简、简中简、集束简 （2）框简+桁架结构 （3）框架简体结构5.6 悬挂结构 1.特点：（1）水平分系统通吊杆、钢索吊挂或斜柱在竖向分 系统上第九十七页，共223页。（2）减少竖向支撑（柱）、扩大空间、跨度、平面布置灵活 （3）可采用高强材料，充分发挥材料性能，减少材料消耗。2.悬挂结构类型 （1）单层 （2）高层第九十八页，共223页。下篇 曲面结构体系绪论一、曲面结构体系：定义：结构中心面为曲面或结构中心线为曲线的结构体系称为曲面结 构体系。如：拱结构第九十九页，共223页。悬索结构：薄壁空间结构：第一百页，共223页。二、特点：第一百零一页，共223页。第六章 拱结构6.1、拱结构的受力特点：（1）拱的内力：主要是轴向压力，弯曲很小，甚至等于零。第一百零二页，共223页。（2）拱的最佳受力状态：M=0，V=0 M=M0-Hy N=V0sin+Hcos V=V0cos-Hsin 拱在最佳受力状态时的轴线称为合理 拱轴线。第一百零三页，共223页。（3）拱是有推力的结构 ：合理的抗推力措施是保证拱结构安全的重要方法。第一百零四页，共223页。6.2、拱结构的类型：（1）无铰拱：（2）两铰拱：（3）三铰拱：第一百零五页，共223页。6.3、拱的抗推力措施：（1）推力由拉杆承受：（2）地埋拉杆：第一百零六页，共223页。（3）用刚性水平结构端部拉杆抵抗力推力：第一百零七页，共223页。（4）推力由两侧结构整体承受：第一百零八页，共223页。（5）推力由基础直接承受：第一百零九页，共223页。6.4、拱轴曲线的形式：（1）在一定荷载作用下，使拱处于无弯矩状态的拱轴曲线，称拱的 合理轴曲线。其形式与结构形式，支承条件，荷载形式有关。三铰拱情况：f=4f/L2 x(L-x)f为失高 L为跨度 当f4时，用圆弧代替抛物线第一百一十页，共223页。（2）拱的失高：失高的合理选择：1、满足建筑造型和建筑使用功能的要求失高决定了建筑物 的内部空间的大小和建筑外形。第一百一十一页，共223页。2、尽量使结构受力合理：由平衡条件可知：H=M0/f M0=qL/8,当与q确定时，M0是一个常数 因此：f与H成反比，即失高小，则水平推力大，拱身轴力大，失高大，则相反，可降低基础造价，但拱身长度增大，上部结构材料增加，风力影响大。3、失高f的取值范围：一般屋盖：f=L/5L/7，不宜小于L/10 杆拱的失高较小，落地拱的失高较大。结合防水与屋面做法：自防水：f=L/6左右 柔性防水：f=L/8左右第一百一十二页，共223页。6.5、拱的截面形式与尺寸：（1）拱的截面形式与主要尺寸n拱身可做成实腹式和格构形式两种形式一般采用等截面n钢筋混凝土拱一般采用实腹式，拱身的截面高度可按拱跨的L/30L/40估算，截面宽度为2540cm.n钢结构拱多采用格构式，拱身的截面高度，格构式按拱跨的L/30L/60估算，实腹式按拱跨的L/50L/80.n当拱身内力（轴压力、弯矩）沿轴向改变较大时，可采用变截面形式，即改变拱身截面高度而保持宽度不变。第一百一十三页，共223页。n拱的截面除了常用的矩形截面外，还可采用T形截面、双曲拱、波形拱、折板拱等。n更大跨度的拱可采用钢管、钢管混凝土截面，也可用型钢、钢管或钢管混凝土组成组合截面。n组合截面拱自重轻，截面回转半径大，其稳定性和抗弯矩能力大大提高，可以跨越很大的跨度，跨高比也可做得更大。第一百一十四页，共223页。（2）拱的结构选型与布置n拱结构的选型需要考虑结构的支承形式、拱轴形式，拱的失高、拱身形式、拱的结构布置与支撑体系设置。n静定三铰拱不会产生附加内力，但构造复杂，适用于地基特别软弱时，一般工程不大使用。n两铰拱和无铰拱属于超静定结构，要考虑基础不均匀沉降和温度变化引起的附加内力的影响。n两铰拱受力合理，用料经济，制作和安装简便，最常用。n无铰拱受力最为合理，但对支座要求高，适用于地基条件好或支承时，一般用于桥梁结构，很少用于房屋建筑拱。第一百一十五页，共223页。拱结构根据建筑平面形式的不同，可以有以下布置方案：n并列布置：建筑平面为矩形，可用等间距、等跨度、并列布置的平面拱结构，纵向需加支撑。n径向布置：建筑平面为非矩形，常采用径向布置的空间拱结构，其空间刚度和稳定性都较好。n环向布置：建筑平面为圆形，采用环向布置的空间拱结构最为合理，各拱沿周围排列，拱脚相抵、推力互消。n正交布置：仿效井字梁布置，多向承受荷载、共同传力。n多叉布置：适用于任意建筑平面形状，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，拱脚与拱顶多为铰接，多叉拱肋的顶端汇聚于中心，各叉拱脚形成的平面宜为正多边形或圆形。第一百一十六页，共223页。6.6、拱结构的实例：第一百一十七页，共223页。6.6、拱结构的实例：第一百一十八页，共223页。第七章第七章 悬索结构悬索结构第一百一十九页，共223页。悬索结构应用历史n明朝成化年间（14651487年）已用铁链建成霁虹桥 第一百二十页，共223页。现存最早的悬索桥现存最早的悬索桥四川泸定桥第一百二十一页，共223页。世界最长的悬索桥世界最长的悬索桥日本的名石大桥日本的名石大桥n日本明石海峡大桥位于本州岛与四国岛之间，主跨1991米（960+1991+960），全长3911米，抗震强度按1/150的频率，承受8.5级强烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴风设计，为目前世界上跨度最大的悬索桥，也是世界上最长的双层桥，是联结内陆工业中的重要纽带。第一百二十二页，共223页。n金门大桥包括从钢塔两端延伸出去的部分，全长达2000米，为此，又分别在两侧修建了两座辅助钢塔，使桥形更加壮观。大桥的桥面宽27.4米，有6条车行道和两条宽敞的人行道。钢塔之间的大桥跨度达1280米，为世界所建大桥中罕见的单孔长跨距大吊桥之一。第一百二十三页，共223页。n奥克兰海港大奥克兰海港大桥桥是奥克兰极富代表性的一处景致。大桥连接奥克兰最繁忙的港口怀提玛塔海港南北两岸，全长1020米。第一百二十四页，共223页。江阴长江公路大桥是我国首座跨径超千米的特大型钢箱梁悬索桥梁，也是20世纪“中国第一、世界第四”大钢箱梁悬索桥 第一百二十五页，共223页。第一百二十六页，共223页。第一百二十七页，共223页。第一百二十八页，共223页。房屋建筑中悬索结构的雏形房屋建筑中悬索结构的雏形第一百二十九页，共223页。游牧民族的帐篷游牧民族的帐篷第一百三十页，共223页。美国雷里竞技馆美国雷里竞技馆世界上最早的现代悬索屋盖世界上最早的现代悬索屋盖是美国于1953年建成的Releigh体育馆，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网。第一百三十一页，共223页。代代木体育馆代代木体育馆丹下健三丹下健三由丹下设计的1964年东京奥运会主会场代代木国立综合体育馆被称为20世纪世界最美的建筑之一，而他本人也赢得日本当代建筑界第一人的赞誉。代代木体育馆采用高张力缆索为主体悬索屋顶结构，创造出带有紧张感紧张感和灵动感灵动感的大型内部空间。其特异的外部形状加之装饰性的表现，具有原始的想像力。这一设计可以说是丹下健三结构表现主义时期的顶峰之作，其最大限度地发挥出丹下将材料、功能、结材料、功能、结构、比例，构、比例，直至历史观历史观高度统一的杰出才能。第一百三十二页，共223页。丹下认为：“虽然建筑的形态、空间及外观要符合必要的逻辑性，但建筑还应该蕴涵直指人心的力量。这一时代所谓的创造力就是将科技与人性完美结合。而传统元素在建筑设计中担任的角色应该像化学反应中的催化剂，它能加速反应，却在最终的结果里不见踪影”这一最基本的理念便是丹下在建筑实践中始终坚持的信条。第一百三十三页，共223页。意大利南部凡纳弗罗市M&G研究试验室第一百三十四页，共223页。美国巴尔的摩内港美国巴尔的摩内港6号码头音乐厅号码头音乐厅第一百三十五页，共223页。北京工人体育馆北京工人体育馆我国第一座悬索屋盖结构建筑我国第一座悬索屋盖结构建筑n北京工人体育馆建成于1961年，其屋盖为圆形平面，直径94m，采用车辐式双层悬索体系，由截面为2m X2m的钢筋混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m，高11m，由钢板和型钢焊成，承受由于索力作用而产生的环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。第一百三十六页，共223页。n对于建筑而言，由于拉索显示出柔韧的状态，使得结构形式轻巧具有动感，而且平面形式自由灵活。n其力学特点：它是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。结构特性第一百三十七页，共223页。结构组成n悬索结构：由柔性受拉索、边缘构件及下部支撑构件所形成的承重结构。索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，具有跨度大、自重小、材料省、易施工。第一百三十八页，共223页。悬索结构的受力及变形特点n悬索为轴心受拉构件n在竖向荷载作用下，支座处的水平拉力与悬索的垂度成反比n索内轴力与cos(该处索的切向与水平方向的夹角的余弦值)成反比。与水平向的夹角越大，轴力越大第一百三十九页，共223页。悬索的变形第一百四十页，共223页。悬索结构的形式分类：分类：n按屋面屋面几何形式的不同：单曲面单曲面、双曲面双曲面n按拉索拉索布置方式的不同：单层悬索体系单层悬索体系、双层悬索体双层悬索体系系、交叉索网体系交叉索网体系（鞍形索网体系）第一百四十一页，共223页。悬悬索索结结构构单单层层悬悬索索双双层层悬悬索索交交叉叉索索网网单曲单层双曲单层单曲双层双曲双层闭合环梁落地交叉拱不落交叉拱不交落地拱拉索结构第一百四十二页，共223页。单层单曲悬索结构单层单曲悬索结构第一百四十三页，共223页。单层悬索结构水平力传递单层悬索结构水平力传递n通过竖向承重结构（斜柱墩、侧边的框架结构）传至基础（如丹东体育馆结构）；n通过拉锚传至基础；n通过刚性水平构件传至抗侧力墙；第一百四十四页，共223页。单层双曲悬索结构单层双曲悬索结构第一百四十五页，共223页。拉索绕过内环梁实例拉索绕过内环梁实例第一百四十六页，共223页。单层悬索结构实例单层悬索结构实例第一百四十七页，共223页。第一百四十八页，共223页。第一百四十九页，共223页。单层悬索结构小结n单层悬索结构具有构造简单，传力明确的优点n单层悬索结构垂跨比经验值取1/501/20n单层悬索结构稳定性差，需采取一定的加强措施第一百五十页，共223页。悬索结构的稳定性悬索屋盖结构稳定性差，主要表现在以下方面：n适应荷载变化的能力差 外形会随活载如不对称风、雪荷载的大小与位置而变化，且幅度很大，振荡过于频繁，对保持屋面形状、保证屋面防水 非常不利n抗风吸能力差 索只能单向传力，即荷载必须与垂度f同向，若风为吸力或竖向地震力时，则立即失去稳定，无力抵抗向上风力和竖向地震力，严重时甚至屋盖被局部掀起或屋盖被完全揭 顶。n抗风震、地震能力差 风荷载与地震作用具有动力和随机性，悬索像绷紧之弦，易于受到颤动，并会产生振动。一旦发生振动，屋盖即遭破坏。1940年11月7日，美国华盛顿塔克马海峡桥，和风持续6h，风力稳定且低188m/s，桥面产生空气动力颤动，振幅逐渐增大，桥梁受到扭转、弯曲，最后失稳，终于断折破坏。第一百五十一页，共223页。荷载对悬索的影响第一百五十二页，共223页。增强单层悬索结构稳定性的措施：n增加悬索结构的荷载n形成预应力索壳组合结构n形成索梁或索桁架组合结构n增设相反曲率的稳定索（双层悬索结构、交叉索网结构）第一百五十三页，共223页。增加悬索结构的荷载增加悬索结构的荷载第一百五十四页，共223页。形成预应力索形成预应力索壳组合结构壳组合结构主要采用单层索系上加钢筋混凝土屋面板的构造方式。施工时先将屋面板挂在索上，在板上加载使索伸长，然后在板缝中浇灌细石混凝土，待达到一定强度后卸去荷载，即形成具有一定预应力的“悬挂薄壳”第一百五十五页，共223页。单曲面单层拉索结构体系可以在索上搁置横向加劲梁或横向加劲桁架，形成所谓的索梁体系。一是传递可能的集中荷载和局部荷载，使之更均匀地分配到各很平行的索上；二是通过下压横向加劲构件的两端到预定位置或通过对索进行张拉使整个体系建立预应力，从而提高屋盖的刚度。第一百五十六页，共223页。第一百五十七页，共223页。第一百五十八页，共223页。第一百五十九页，共223页。鞍形索网结构鞍形索网结构第一百六十页，共223页。第一百六十一页，共223页。交叉索网体系小结：n交叉所望体系刚度大、变形小、具有反向受力能力，结构稳定性好，适用于大跨度建筑的屋盖。交叉索网体系适用于圆形、椭圆形、菱形等建筑平面，边缘构件形式丰富多变，造型优美屋面排水容易处理，应用广泛。屋面材料一般采用轻屋面，如卷材、吕板、拉力薄膜，以减轻自重，节省造价。第一百六十二页，共223页。悬索结构的优缺点n优点优点：n轴向拉伸抵抗外荷载作用，充分利用钢材强度;n便于建筑造型，容易适用于各种平面;n施工方便，费用低；n创造良好物理性能的建筑空间。n缺点缺点：n稳定性差，单索是几何可变体n边缘构件和下部支撑结构耗材多第一百六十三页，共223页。第第8 8章章 薄壁空间结构薄壁空间结构 建筑结构与选型建筑结构与选型6.1概述概述6.2 圆顶圆顶6.3 筒壳筒壳6.4 折板折板6.5 双曲扁壳双曲扁壳6.6 双曲抛物面扭壳双曲抛物面扭壳第一百六十四页，共223页。6.1概述概述6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 薄壳结构的概念薄壳结构的概念薄壳结构的概念薄壳结构的概念概念概念概念概念 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，也称曲面结构。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，也称曲面结构。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，也称曲面结构。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，也称曲面结构。等厚壳：当厚度不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳。等厚壳：当厚度不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳。等厚壳：当厚度不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳。等厚壳：当厚度不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳。变厚壳：当厚度随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳。变厚壳：当厚度随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳。变厚壳：当厚度随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳。变厚壳：当厚度随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳。薄壳：当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。薄壳：当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。薄壳：当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。薄壳：当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。厚壳厚壳厚壳厚壳 中厚壳中厚壳中厚壳中厚壳第一百六十五页，共223页。n形成形成 梁梁 平板平板 拱拱 薄壳（承受双向轴力和纯剪力）薄壳（承受双向轴力和纯剪力）有人称拱和薄壳结构是仿生结构。有人称拱和薄壳结构是仿生结构。梁：主要承受弯矩和剪力梁：主要承受弯矩和剪力平板：主要承受力矩的作用平板：主要承受力矩的作用拱：主要承受轴力的作用拱：主要承受轴力的作用 薄壳：承受双向轴力和顺剪力薄壳：承受双向轴力和顺剪力第一百六十六页，共223页。薄壳结构的受力：比拱式结构更具优越性，因为拱式结构只薄壳结构的受力：比拱式结构更具优越性，因为拱式结构只有在某种确定的荷载的作用下才有可能找到合理拱轴线，而薄壳有在某种确定的荷载的作用下才有可能找到合理拱轴线，而薄壳结构由于两个方向薄膜轴力和薄膜剪力的共同作用，可以在较大结构由于两个方向薄膜轴力和薄膜剪力的共同作用，可以在较大的范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲。的范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲。特点：整体工作性能良好，内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料特点：整体工作性能良好，内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料省、既经济又合理的结构型式。省、既经济又合理的结构型式。第一百六十七页，共223页。n实例实例自然界中的薄壳实例：蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛先、脑壳自然界中的薄壳实例：蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛先、脑壳及植物的果壳或种子等。及植物的果壳或种子等。生活中的薄壳实例：乒乓球、罐、灯泡、安全帽、轮船、碗生活中的薄壳实例：乒乓球、罐、灯泡、安全帽、轮船、碗等。等。第一百六十八页，共223页。曲面的描述曲面的描述曲面的描述曲面的描述 1、等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的中曲面中曲面中曲面中曲面。2 2、曲面的高斯曲率：、曲面的高斯曲率：、曲面的高斯曲率：、曲面的高斯曲率：3 3、壳体的矢率、壳体的矢率、壳体的矢率、壳体的矢率 扁壳：当扁壳：当扁壳：当扁壳：当 时，可按扁壳结构计算。时，可按扁壳结构计算。时，可按扁壳结构计算。时，可按扁壳结构计算。陡壳陡壳陡壳陡壳 正高斯曲率正高斯曲率正高斯曲率正高斯曲率 零高斯曲率零高斯曲率零高斯曲率零高斯曲率 负高斯曲率负高斯曲率负高斯曲率负高斯曲率 第一百六十九页，共223页。6.1.2 6.1.2 薄壳结构的曲面形式薄壳结构的曲面形式薄壳结构的曲面形式薄壳结构的曲面形式薄壳结构中曲面的几何形式，按其形成的特点可以分为以下几类：薄壳结构中曲面的几何形式，按其形成的特点可以分为以下几类：薄壳结构中曲面的几何形式，按其形成的特点可以分为以下几类：薄壳结构中曲面的几何形式，按其形成的特点可以分为以下几类：旋转曲面：旋转曲面：旋转曲面：旋转曲面：由一条平面曲线绕着该平面内某一给定的直线旋转一周由一条平面曲线绕着该平面内某一给定的直线旋转一周由一条平面曲线绕着该平面内某一给定的直线旋转一周由一条平面曲线绕着该平面内某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转曲面。由于母线形状的不同，旋转壳又可分所形成的曲面称为旋转曲面。由于母线形状的不同，旋转壳又可分所形成的曲面称为旋转曲面。由于母线形状的不同，旋转壳又可分所形成的曲面称为旋转曲面。由于母线形状的不同，旋转壳又可分为球形壳、椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等。为球形壳、椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等。为球形壳、椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等。为球形壳、椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等。第一百七十页，共223页。旋转曲面：旋转曲面：旋转曲面：旋转曲面：第一百七十一页，共223页。平移曲面：平移曲面：平移曲面：平移曲面：由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线(导线导线导线导线)平行移动所平行移动所平行移动所平行移动所形成的曲面称为平移曲面。常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，形成的曲面称为平移曲面。常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，形成的曲面称为平移曲面。常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，形成的曲面称为平移曲面。常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳。所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳。所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳。所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳。椭圆抛物面椭圆抛物面椭圆抛物面椭圆抛物面双曲抛物面双曲抛物面双曲抛物面双曲抛物面第一百七十二页，共223页。直纹曲面：直纹曲面：直纹曲面：直纹曲面：由一段直线由一段直线由一段直线由一段直线(母线母线母线母线)的两端分别沿两固定曲线的两端分别沿两固定曲线的两端分别沿两固定曲线的两端分别沿两固定曲线(导线导线导线导线)移移移移 动所形成的曲面叫直纹曲面，房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形动所形成的曲面叫直纹曲面，房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形动所形成的曲面叫直纹曲面，房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形动所形成的曲面叫直纹曲面，房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形 曲面、劈锥曲面、扭曲面等。曲面、劈锥曲面、扭曲面等。曲面、劈锥曲面、扭曲面等。曲面、劈锥曲面、扭曲面等。第一百七十三页，共223页。双曲抛物面的形成双曲抛物面的形成P导平面导平面直导线直导线直导线直导线直母线直母线第一百七十四页，共223页。6.1.3 6.1.3 薄壳结构的内力薄壳结构的内力薄壳结构的内力薄壳结构的内力第一百七十五页，共223页。6.1.4 6.1.4 薄壳结构的施工薄壳结构的施工薄壳结构的施工薄壳结构的施工 混凝土壳体混凝土壳体混凝土壳体混凝土壳体 1 1、现浇混凝土壳体、现浇混凝土壳体、现浇混凝土壳体、现浇混凝土壳体 2 2、预制单元、高空装配成整体壳体、预制单元、高空装配成整体壳体、预制单元、高空装配成整体壳体、预制单元、高空装配成整体壳体 3 3、地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升、地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升、地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升、地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升 4 4、装配整体式叠合壳体、装配整体式叠合壳体、装配整体式叠合壳体、装配整体式叠合壳体 5 5、采用柔模喷涂成壳、采用柔模喷涂成壳、采用柔模喷涂成壳、采用柔模喷涂成壳 预应力结构预应力结构预应力结构预应力结构 预应力钢筋布置在横隔、侧边构件及其衔接的壳板受拉区、旋转壳的预应力钢筋布置在横隔、侧边构件及其衔接的壳板受拉区、旋转壳的预应力钢筋布置在横隔、侧边构件及其衔接的壳板受拉区、旋转壳的预应力钢筋布置在横隔、侧边构件及其衔接的壳板受拉区、旋转壳的支座环、拉杆、结构的支座部分，以及最大剪力作用区。支座环、拉杆、结构的支座部分，以及最大剪力作用区。支座环、拉杆、结构的支座部分，以及最大剪