6_大跨度建筑构造

大跨度建筑构造
Construction of Large-span Building

大跨度建筑构造
? ? ? ? 本单元内容: 主要的大跨结构类型及造型特点屋顶的构造处理要点天窗设计要点

1. 概论
? ? ? ? 1.1 大跨度建筑的概念界定：30M 我国规范：60m以上类型：影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港；工业建筑：飞机装配车间、飞机库等

? 历史 ——万神庙 ? ——美国· 底特律· 韦恩县体育馆（Wayne County stadium ）（266m，圆形钢网壳） ? ——上海体育馆（110m，圆形钢平板网架） ? ——英国千年穹（365m，帐篷结构

1. 概论
? ? ? ? ? ? ? 大跨度建筑发展的原因： 1）功能复杂，大型文体表演、盛大博览会 2）型材料、新技术、新结构出现钢结构、钢筋混凝土结构结构的技术要求高，成为建筑设计的关键因素材料和结构方法决定了造型的可能性结构构造技术的发展制约了大跨度建筑造型的发展 ? 现代大跨度建筑造型已经有较大自由

? 结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的房屋的骨架 ? 建筑师——选择结构形式；需要对各种结构的基本的力学特征和适用范围有深入的了解，才能够自由创作，结构和形式统一。
双曲扁壳

1.2 大跨度结构形式分类
? ? ? ? ? 平面结构体系 ——拱 ——桁架 ——刚架 ——…… （把结构构件本身作为独立的单元来考虑）
? ? ? ? ? ? 空间结构体系 ——网架 ——折板 ——薄壳 ——悬索 ——…… （把结构的所有组成构件协同起来共同跨越空间，作为整体来考虑——整体作用大于单个作用之和，且多向受力比单向受力更发挥材料潜力，空间工作比平面工作更符合力的自然传递路线）

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十种常用的大跨度结构形式
拱刚架桁架网架折板 ? ? ? ? ? 薄壳悬索帐篷薄膜充气薄膜悬挑

3.1.1 拱结构及其造型
? 悬索——受拉 ? 拱——受压 ? 概念：在荷载作用下主要承受轴向压力，有时也承受弯矩而有支座推力的曲线或折线的杆形结构。 ? 是一种古老的方法 ? 适合脆性材料、石材、砖材、混凝土等 ? 关键是侧推力平衡问题

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适用建筑类型：商场、展览馆、体育馆、散装货仓 ——拱结构的结构类型结构类型 ——无铰拱、两铰拱、三铰拱 ——木、钢、钢筋混凝土 ——实腹、空腹影响造型的因素 ——矢高f（1/5-1/7 不小于1/10） ——平衡水平侧推力的方式 ——屋面材料的类型（如油毡f不小于1/8） ——钢筋混凝土自防水屋面失高一般取跨度的1/6

? ——轴向受压（无弯距、只要求材料的受压性能好，可

以很薄。相同截面高的拱与梁，由于前者的曲面作用，跨度相差n倍） ? ——有横向侧推力

承受拱水平推力的处理手法
? 1 由拉杆承受水平推力——拉杆拱 ? 优点：支撑拱的侧墙不承受拱的推力，简化了支座受力状况 ? 单跨、多跨、高低跨；布局灵活，外形轻巧 ? 吊杆12~15——2、16~20——3、21~25——4、 26~30——5

承受拱水平推力的处理手法
? 2 框架结构承受水平推力

承受拱水平推力的处理手法
? 3 由基础承受水平推力——落地供 ? 拱端部空间较小 ? 水平推力不大，或基础条件较好

拱的类型
? ? ? ? 半圆拱：无水平推力拱抛物线拱：受力最合理失高：1/2~1/8 拱身截面高度h=(1/30~1/40),宽度为25~40

拱的发展

帆拱

3.1.2 刚架结构及其造型
? 梁与柱以整体的方式构成门型结构 ? 类型 ——无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架 ? 开间一般为6m，进深为3m模数，24m、27m、 30m ? 高跨比h/l=0.75

? 钢架之间以纵梁及板整体连接（相当于肋形屋盖，钢架相当于主梁）

——刚架结构的特点
? ? ? ? 特点 ——刚结点（与排架结构对比）：大大减少梁的跨中弯距 ——结构断面小，外形简洁，可暴露结构构件 ——门型刚架中部向上微翘有利于综合利用室内空间，扩大净空高度 ? ——适用于40m跨度以内，动荷载不能太大（吊车≤10T，远小于排架）

——刚架结构的造型

扩展：薄腹梁结构体系
? 常用作T、工字梁 ? 自重较大，跨度6~18

3.1.3 桁架结构及其造型
? 原型：梁——薄腹梁——桁架 ? 结构类型 ? 造型

——桁架结构的特点
? 特点 ? ——格构（空腹）式结构体系，全部节点均为铰接，每一杆件受力均为轴向力。 ? ——受力时考虑施于节点，可避免使杆件受弯。 ? 优点：相对于梁结构 ? ——① 跨度大，省材，用材较广，钢筋混凝土、钢、木均可 ? ②受力明确 ? ③自重轻，可跨越较大空间 ? ④便于安装运输缺点 ? 样式多：平行弦桁架、三角形桁架、梯形桁架 ? ——结构高度较大，需增强稳定性

——桁架结构的类型
? 类型 ? 按构成 ? ●三角形结构高度最低 1/5-1/2 ≤18m ? ●拱形受力最好 1/61/8 18-36m 60m （无斜腹杆） 1530m ●梯形受力较好，制作方便 1/6-1/8 18-36m 72m ? 按材料 ? ●钢适宜36m以上跨度，自重轻 ? ●钢筋混凝土适宜36m以下跨度 ? ●木 ——特殊环境（相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时）不宜钢、木材料，只宜预应力钢筋混凝土材料。

屋架选择的原则
? 因素：使用要求、跨度、荷载、材料施工田间 ? 1 跨度>36m以上，钢屋架（有酸碱性介质则不宜选用） ? 2 跨度<36m——

预应力钢筋混凝土。 18~24m亦可选用普通钢筋混凝土 ? 3 跨度<18m钢筋混凝土组合屋架 ? 4 房屋内部以及所在地区相对湿度>75%，通风不良者，或者有侵蚀揭纸，不宜选择木屋架和钢屋架

3.1.4 网架结构及其造型
? 概念：一种由多根杆件以一定规律通过节点组成的空间结构 ? 结构类型 ? 网架尺寸 ? 杆件断面节点连接 ? 造型

——网架结构的特点
? 特点杆件互相支撑，形成多向受力的空间结构 ? 优点 ? ●空间刚度好、结构高度小（多向受力，整体性好）30m~60m，甚至 30m以上超静定结构 ? ●自重轻（比桁架节约 30%）? 跨度大（受力合理，节省材料） ●杆件规格统一为有限的几种，易于工厂化生产 ? ●样式多

——网架结构的类型
? ? ? ? ? 类型外形平板（平面）（支座为简支）曲面（实质是一种挖空的薄壳）不常用层数单层、双层、多层材料木、钢、钢筋混凝土

——平板网架的构成
? 平板网架 ——构造简单：双层平板，无侧推力，只需简单支座 ——可覆盖各种形式平面 ? ●交叉桁架体系（两向或三向；正放与斜放） ? ●角锥体系（三角锥、四角锥、六角锥）

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a 网架 b 单层网壳 c 双层网壳 d 两向网架 e 两向正放网架 f 两向斜放网架 g 三向网架 h 三向三角平面 g 三向梯形平面

——网架结构尺寸与节点
? 尺寸 ? ●网格高度（高跨比） ? ●网格尺寸时 ≯3m×3m ? 杆件断面与节点连接约1/15 采用钢筋混凝土屋面板

——网架结构的造型要素
? 网架支撑方式与建筑造型 ? 拱形网架支撑在两排列住上 ? ●穹形网架支撑在周边柱上

——网架结构实例

? 肋环空腹双层网壳

3.1.5 折板结构及其造型
概念：以一定倾斜角整体相连的薄板+横隔构件材料：钢筋混凝土板或钢丝网水泥 ——折板结构的特点特点 L2/L1≤1 短折板 L2≤12米 L2/L1≥1 长折板 f长折板=（1/10~1/15）L1 ? ——薄、省材；预制装配（装配整体式）；构造简单 ? ? ? ?

——折板结构的类型
? ——断面：三角形折板、梯形折板 ? ——波长数目：单波、多波折板 ? ——折板构成：平行、扇形

? 巴黎联合国教科文组织会议大厅

2.6

薄壳结构及其造型

? 概念：一种薄得不至于产生明显弯曲应力，但是厚度足以承受压力、拉力、剪力的形抵抗结构

——薄壳结构的特点与类型
? 特点：曲面内轴向力；薄、轻、省、跨大、造型丰富；费工费时、隔热效果不好、易开裂、容易引起室内声音的反射和混响 ? 类型筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳

——薄壳结构的特点与类型
? 筒壳（圆柱

形薄壳）： ? 长壳 L1:L2>=1 一般比值为1.5~2.5，最大可达3~4，长薄壳跨度最大可达30m ? 失高应大于或等于L1/15~L1/10

——薄壳结构的特点与类型
? 球面薄壳（圆顶薄壳）:壳板的径向和环向弯矩极小，可以忽略 ? 天文馆、体育馆、会堂等

——薄壳结构造型实例

2.7

悬索结构及其造型

? 悬索结构是大跨度屋盖的一种理想结构形式 ? 构件：索网；钢索，只受力 ? 边缘构件：梁、桁架、拱等 ? 下部承重结构：支承结构

——悬索结构的类型
? 1）单层单曲面悬索 ? 悬索类型 ? ●单层单曲面 ? ●双层单曲面 ? 轮辐式 ? 鞍形

2）双层单曲面悬索——轮辐式悬索
? 类型 ? 单层单曲面 ? ●轮辐式

双层单曲面鞍形

2）双层单曲面悬索——鞍形悬索
? ? ? ? ? 类型单层单曲面双层单曲面轮辐式 ●鞍形

——悬索结构的造型实例

3.1.8
? 特点

帐篷薄膜结构及其造型
撑杆+篷面

充气薄膜结构及其造型
? 演变：帐篷：树皮、羊毛、牛毛、帆布，采用木结构或张拉结构

充气薄膜结构及其造型
? 现代帐篷：钢材、铝合金、木材等作为结构构件，精细化工织物膜或氟化物薄膜

充气薄膜结构及其造型
? 膜结构是以性能优良的柔软织物为膜面材料，由空气压力支撑膜面、或用柔性钢索或刚性骨架网将膜材绷紧形成建筑空间的一种形式。 ? 重量轻、跨度大、施工方便、透光性好、自洁性好、造型自由丰富 ? 缺点：隔声、耐久、抵抗局部荷载能力较弱 ? 1、张拉膜 ? 2、骨架支撑膜 ? 3、空气支撑膜