大跨度建筑结构

大跨度建筑结构1单层刚架刚架是以横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。

1.1受力特点：梁柱合一的刚架仍是横向受弯为主的结构，但梁柱刚接的相互约束减少了梁跨中与柱内弯矩，内力虽然有轴力，但以弯矩为主，这是其承荷传力的基本特性。

刚架结构比屋架和柱组成的排架结构轻巧，可以节省钢材和水泥。

由于大多数刚架的横梁是向上倾斜的，不但受力合理，且结构下部的空间增大，对某些要求高大空间的建筑特别有利。

同时，倾斜的横梁使建筑屋顶形成折线形，建筑外轮廓富裕变化。

由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因此应用非常广泛。

但刚架结构的刚度较差，不宜用于吊车起吊重量超过100KN的厂房等建筑。

1.2刚架结构的类型刚架按结构组成的构造方式不同，分为无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。

无铰刚架和两铰刚架是超静定结构，结构刚度较大，但当地基条件较差，发生不均匀沉降时，结构产生附加内力。

三铰刚架则属于静定结构，在地基产生不均匀沉降时，结构不会引起附加内力，但刚度不如前两种好。

一般来说，三铰刚架多用于跨度较小的建筑，前两者用于较大的建筑。

刚架按材料不同分为胶合木刚架、钢刚架和混凝土刚架。

胶合木刚架是利用短薄板的板材拼接而成，不受原木尺寸及缺陷的限制，具有较好的防腐和耐燃的性能。

轻钢门式刚架适用范围:用于跨度为9一36m，柱距为6m，柱高为4.5一9m，不设吊车或设有起重量较轻吊车的单层工业厂房或公共建筑:设置桥式吊车时起重量不宜大于20t、设置悬挂吊车时起重量不宜大于3t。

钢筋混凝土刚架一般适用于跨度小于18m，高度小于10m的无吊车和吊车荷载小于100KN的建筑中，最大跨度可达30m。

钢筋混泥土刚架构件截面一般为矩形，以便于叠层预制。

为省掉不必要的混泥土可做成空心界面、工字形截面或空腹式。

刚架按建筑体形分有平顶、坡顶、拱、单跨与多跨。

1.3刚架结构的建筑造型刚架结构常用钢筋混泥土建造，为了节约材料和减轻结构的自重，通常将刚架做成断面形式，柱梁相交处弯矩最大，断面增大，较接点处弯矩为零，断面最斜或外直内斜。

刚架多采用预制装配，构件呈“Y”形和“厂”形，用这些构件可组成单跨、多跨、高低跨、悬挑跨等各种形式的建筑外形。

屋脊一般在跨度正中间，形成对称式刚架，也可偏于一边，构成不对称式刚架。

1.4刚架结构建筑实例杭州黄龙洞游泳馆。

它采用港及混凝土刚架结构，主跨为不对称刚架，屋脊靠左移，使跳水台处有足够的高度，主跨右侧带有一悬挑跨，用作休息和其他辅助房间。

2桁架结构桁架结构是由杆件组成的一种格构式体系。

2.1 桁架结构受力特点及优缺点杆件与杆件的连接假定为铰接，在外力作用下的杆件内力为轴向力，而梁的内力主要是弯矩，且分布不均匀，梁的断面大小常一最大弯矩处的断面尺寸为整个梁的断面大小，，因此梁的材料强度利用不够充分。

桁架内力分布均匀，材料强度能充分利用，减少材料耗量和结构自重，使结构跨度增大。

其计算简单、施工方便、自重较轻、适应性强。

2.2桁架结构形式及结构体系桁架按屋架外形分为三角形、梯形、拱形、无斜腹杆式和三铰拱式等各种形式。

按材料可分为木屋架、钢屋架、钢-木组合屋架、轻型钢屋架、钢筋混泥土屋架、预应力混凝土屋架等按受力特点及材料性能不同分为桥式屋架、无斜腹杆屋架、刚接桁架、平行弦屋架立体桁架等。

另外由平面桁架组成的桁架结构体系也在现在民用建筑中运用的越来越广泛。

这里主要用于住宅旅馆，所以仅仅做个简单的介绍。

交错桁架结构的基本组成是柱子、平面桁架和楼面板。

柱子布置在房屋的外围，中问无柱。

桁架的高度与层高相同，长度与房屋宽度相同。

桁架两端支承于外围柱子上，桁架在相邻柱列上为上、下层交错布置，楼面板一端搁置在桁架的上弦，另一端搁置在相邻桁架的下弦。

桁架或支撑均包在分户墙中。

交错桁架结构体系自问世以来，主要用于15 ～25 层的旅馆、汽车旅馆和住宅，直到1985 年交错桁架结构体系建筑才开始超过30 层。

1986 年，在美国新泽西州大西洋城建造了43 层的国际旅游饭店，从而把交错桁架结构体系应用到100m以上的高层建筑领域。

2.3桁架建筑结构的建筑造型桁架结构在大跨度建筑中多用于屋顶的承重结构，根据建筑的功能要求、材料供应和经济合理，可设计成单坡、双坡、单坡、多跨等不同的外形。

2.4桁架结构建筑实例北京体育馆（1955）采用三铰拱刚桁架结构。

可容纳6000，跨度56m。

桁架暴露于比赛大厅，桁架顶部设有天窗，以利于采光和通风。

重庆体育馆（1956）三层砖木结构，面积一万平方米，可容5000人（因年代久远今已基本停止使用）。

矩形平面，大部分座位席布置在球场两侧，视线良好，缩短了拱形钢桁架跨度。

桁架间距6m，槽钢檩条，木屋面板。

3拱结构拱结构是一种受力极为合理的形态作用结构形式。

与弯剪结构体系相比，拱结构具有跨度大、承载力高、截面薄、变形小的优点，因此应用在建筑中，节省了更多的建筑材料。

自古以来，拱承载着建筑与结构的双重角色。

3.1受力特点拱是杆轴线为曲线并且在竖向荷载下会产生水平反力的结构，这种水平反力又称为推力。

拱以支座的水平推力和截面内轴向压力的水平分力所构成的力矩平衡结构的整体性弯矩，且在弯矩最大处的跨中，这种平衡力矩也达到最大，从根本上避免了构件中产生较大弯矩的可能性。

同时，又以截面内轴向压力的竖向分力平衡了结构的整体剪力。

由于推力的存在，拱的弯矩要比跨度、荷载相同的梁的弯矩小得多，并且主要承受压力。

拱的优点为主要产生压力，是使构件摆脱弯曲变形的一种突破性发展，它为抗压性能好的材料提供了一种理想的结构形式。

3.2拱的结构类型拱根据其轴线的几何形态可划分为圆形、椭圆形、抛物线、悬链线等几种基本形式；以及变曲率曲线、三角形、梯形、多角形等其他的扩展形式。

据拱截面的平面内外的刚度差异，拱可分为实心拱与格构拱。

实心拱以其独特的曲线形式实现了弯矩向轴力的转化，截面形式主要有工字形、圆管、T 形、矩形、平板（筒拱或拱壳）以及组合形式。

其中，钢拱最常见的形式为工字型截面，通常可直接采用焊接工字钢或者圆钢管焊接而成，其平面外刚度较小，一般适用于较小跨度的钢拱屋架。

格构拱则通过运用与应力形式一致的曲线的同时，运用格构的方式将内部应力转化为腹杆的轴力，实现了构件内部的应力集中传递，为木材、钢等高强度的材料提供了最高效的结构形式。

格构拱的截面形式多样，常见的有箱型或圆钢焊接成的三角形（正、倒）格构拱，梯形（正、倒）格构拱，矩形格构拱以及正方形格构拱等等。

格构拱本身具有较好的空间刚度，一般适用于较大跨度的拱形屋架，目前在大跨建筑以及桥梁中应用较多。

根据截面变化，拱又可分为等截面拱和变截面拱，其界面变化趋势的确定往往根据应力的变化以及造型的需要两方面来控制。

江西省体育馆（1990）的主承重落地拱在拱脚处分叉处理，丰富造型的同时，也解决了拱的稳定问题；沈阳奥体中心主体育场（2007）的两铰格构拱，则从中间向两端截面逐渐变小，最后收为一点。

3.3拱结构的建筑造型拱结构的造型主要取决于矢高的大小和平衡拱推力的方法。

拱的矢高对建筑外形轮廓形象影响最大。

矢高小的拱，外形起伏变化小，结构占用的空间小，但水平推力相反。

矢高大的则相反。

根据解决水平推力方式的不同外形也显然不同，通常有一下几种处理方式：（1）由拉杆承受拱推力。

(2)由框架结构承受拱推力的建筑造型（3）由基础承受拱推力的建筑造型。

3.4拱结构建筑实例南京奥体中心主体育场（2005）钢屋盖结构中的倾斜 45°的拱，跨度为360m ，斜拱的采用首先满足了建筑方案新奇的要求。

位于旧金山的摩斯康会议中心（1980）8对90m 跨度的钢筋覆盖一个面积为90mx240m 的无柱地下空间。

为了使屋顶以后可以承受0.9m 高填土的附加荷载，在各拱的一个端头9cm 的空隙然后用巨大的后张压力推拱顶，向内移动9cm 以消除空隙，样又迫使拱提升10cm 。

另外拱结构也运用于桥梁中。

4薄壳结构壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。

4.1受力特点薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。

壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。

实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。

其力学特点主要是三个方面：双向直接传力——强度大；极大空间刚度——空间大；屋面承重合一—19831995—板架合一。

4.2薄壳结构类型1．柱面薄壳：是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和横隔组成。

2．圆顶薄壳：是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1/600，跨度可以很大。

支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。

3．双曲扁壳（微弯平板）：一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面，其顶点处矢高与底面短边边长之比不应超过1/5。

双曲扁壳由壳身及周边四个横隔组成，横隔为带拉杆的拱或变高度的梁。

适用于覆盖跨度为20～50米的方形或矩形平面（其长短边之比不宜超过2）的建筑物。

4．双曲抛物面壳：一竖向抛物线（母线）沿另一凸向与之相反的抛物线（导线）平行移动所形成的曲面。

此种曲面与水平面截交的曲线为双曲线，故称为双曲抛物面壳。

工程中常见的各种扭壳也为其中一种类型，因薄壳结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。

4.3薄壳结构的建筑造型薄壳接哦股的建筑造型是以各种几何曲面图为基本特征，基本形式为圆筒形、圆球形、双曲面抛物型。

他与传统的梁、板。

架一类结构相比，在造型上独具特色，容易给人以新奇感，突出建筑物的个性。

4.4薄壳结构建筑实例世界最大的薄壳结构——法国巴黎国家工业与技术陈列大厅屋顶（1959）。

三角形平面:边长219m双层波形RC拱壳。

法国格勒诺布尔冰球馆（1968），该馆屋顶以四片筒形的外沿切割成尖形叶。

壳体相交的谷像劲肋一样增强了壳体强度，整个壳顶支承在四个柱墩上。

5折板结构折板结构是以一定倾斜角度整体组合相连的一种薄板体系。

5.1受力特点折板就是由这些斜板所组成的。

这些基本斜板可以假定为相互依靠的薄腹深梁纵向跨越在两个端点支座之间。

这些深梁的强度随着板的斜度及其投影高度而增加。

如果斜度太小，板作为整体就失去它的有效性。

在典型条件中，以简支梁来类推也足够准确，可以实验证明。

但是，折板端部的板或是不对称的折板就不能按简支梁考虑。

在这种情况下，邻接的基本板的两个边的变形趋势不同，但是这种对向的趋势被板脊和板谷的连续性所抵制。

典型空间结构的安全度比按平面弯曲设计的结构优越，这才真正发挥了作用。

3.横向加劲板的作用折板结构的工作原理可以分为下面三部分:（1）横向同多跨连续简支梁的弯矩图类似。