主要的建筑结构构件和结构单元壳和索祥解

主要的建筑结构构件和结构单元壳和索祥解

6.7 壳体结构 6.7.1 壳体结构概述 自然界与日常应用的 壳体结构 古希腊的圆筒仓库 罗马万神庙 厚跨比约 1/10 直径 61mm ，壳壁加肋 110mm ， 厚跨比约 1/550 罗马小体育宫 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7.1 壳体结构概述 几何特征：曲面 结构特征：空间薄壁结构 受力特征：薄膜内力（轴向压力或拉力和剪力，以 轴向压力 为主） 优点 (1) 比类似尺寸的直线形、曲线形或平面形结构有更大的强度和刚度 (2) 合理利用材料，节约材料，降低造价 缺点 (1) 压屈失稳 (2) 施工费用高（模板、脚手架、人工费），可抵消优点 (2) 措施 骨架式壳面、改现浇混凝土为预制装配式分片浇筑、重复使用模具、利用永久性模具、充气模具等 6.7 壳体结构 6.7.2 壳体结构的曲面形式 旋转曲面 由一平面曲线（或直线）作为母线绕其平面内的一根轴线旋转而成的曲面 曲纹平移曲面 由一根竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成 球形曲面 圆锥曲面 旋转双曲面 椭圆抛物面 双曲抛物面 6.7 壳体结构 6.7.2 壳体结构的曲面形式 直纹平移曲面 一根直母线，其两端各沿两固定曲导线平移而成 柱曲面 柱状曲面 劈锥曲面 锥面 扭面 6.7 壳体结构 6.7.2 壳体结构的曲面形式 由上述三类曲面 切割组合 形成 麻省理工学院大会堂 著名建筑师 萨瑞南 (E.Saarinon) 西班牙 Algeciras 市场 著名建筑结构大师 托罗哈 (E.Torroja) 两柱形曲面正交 八个双曲抛物面 六个扭壳 6.7 壳体结构 6.7.3 圆球壳体 圆球壳体 圆球体的一个截段 圆球壳结构组成 圆球壳体（承受自重等恒载和风、雪荷载）、支承圆环（将荷载传给墙、柱或基础） 受力分析 竖拱：上半部分下陷、下半部分外扩倾向 水平圆环：上半部分受压、下半部分受拉，界线 φ=45~52 o 底部支承圆环：经向受竖向压力、纬向受拉力 竖拱底部被约束扩张而受弯曲内力 因此： 下部和底部圆环抗拉性能好，则竖拱不致压屈失稳 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 6.7 壳体结构 悬索结构 明朝成化年间（ 1465 ～ 1487 年）已用铁链建成 霁虹桥 总长 113.4 米，净跨 57.3 米，宽 3.7 米，有 18 根缆索。 6.8 索结构 北京工人体育馆 —— 我国第一座悬索屋盖结构建筑 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。 6.8 索结构 6.8.1 索结构概述 索结构特征 (1) 索只能受拉，不能受压，也不能受弯曲，因而索构件 没有压屈问题 (2) 索没有刚度，用索做成结构必须 采取稳定措施 ，从而能使索结构在荷载有变化时不必变其总体形状 (3) 索结构一般用高强度材料和轻型覆盖面做成，故有 柔性和轻盈 的特征，在阵风作用下会引起振颤，因而需采取措施 阻止这种振颤 （措施：采用双层缆索系统、增加屋盖恒载、增设有锚固的拉索（即风缆）） (4) 必须 设置拉力锚固件 以保证索能够承受足够的拉力；有时还要 预先施加机械预拉力 来调整索的形状 (5) 索所用材料 一般为钢绞线和钢索 ；但并非一定是索，采用比索具有一定刚性的型钢、钢管或预应力混凝土板也是可以的 6.8 索结构 6.8.1 索结构概述 索结构分类 悬索结构 (a~e) 悬挂结构 (f, g) 索支承结构 (h~l) （斜拉结构） 1— 承重索 2— 稳定索 3— 侧缘构件 4— 中心拉环 单曲面索（无稳定索） 单曲面索（有稳定索） 径向双曲面索（无稳定索） 径向双曲面索（有稳定索） 鞍形双曲面索 悬挂索 1 悬挂索 2 斜拉桥 索支承屋盖 索支承屋盖 索支承梁 索支承梁 结构性格 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。 6.8 索结构 结构组成 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。 边缘构件：与悬索结构类型、建筑平面有关一般可采用钢筋混凝土材料做成的梁、环梁、拱等构件，要求足够的刚度。 6.8 索结构 索结构的受力及变形特点  均布荷载作用下： 悬索为 轴心受拉 构件 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 索内轴力与 cos α ( 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 6.8 索结构 f / L =0.04~0.1 索的支座反力 索的拉力 索的变形：随荷载的不同而变化。 6.8 索结构 悬索结构的形式 分类： 按 屋面 几何形式 的不同： 单曲面 、 双曲面 按 拉索 布置方式 的不同： 单层悬索体系 、 双层悬索体系 、 单层双曲面交叉索网体系 （鞍形索网体系） 6.8 索结构 6.8 索结构 6.8.1 索结构概述 单层索结构的布置 单层悬索结构水平力传递 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）； 通过拉锚传至基础； 通过刚性水平构件传至抗侧力墙； 6.8 索结构 增强单层悬索结构稳定性的措施： 增加 悬索结构的 荷载 形成 预应力索 — 壳 组合结构 形成 索 — 梁或索 — 桁架 组合结构 增设 相反曲率的稳定索 （ 双层悬索结构、交叉索网结构 ） 增加悬索结构的荷载 形成预应力索 — 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” 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。 采用横向加劲构件 6.8 索结构 6.8.1 索结构概述 双层索结构的布置 6.8 索结构 6.8 索结构 交叉索网结构的布置 交叉索网体系小结： 交叉索网体系刚度大、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。 6.8 索结构 悬索结构的优缺点 优点 ： 轴向拉伸 抵抗外荷载作用，充分利用钢材强度 ; 便于建筑 造型 ，容易适用于各种平面 ; 施工方便，费用低； 创造良好 物理性能 的建筑空间。 缺点 ： 稳定性差 ，单索是几何可变体 边缘构件和下部支撑结构耗材多 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。 代代木体育馆 —— 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 和 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、结构、比例， 直至 历史观 高度统一的杰出才能。 6.8 索结构 世界最长的悬索桥 —— 日本的名石大桥 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。 金门大桥 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。 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 江阴长江公路大桥 在许多悬索结构中， 美国明尼亚波利斯 ( Minneapolis ) 联邦储 备银行大厦的结构设 计很有特色。 此银行为一座 11 层 大楼，跨度达 83.2m ， 用悬索（ Suspended Cable ）作为主要承重结构， 悬索锚固在两侧的两个筒体结构上，筒体承受大楼的全部竖向荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力，整个大楼就悬挂在悬索和顶部大梁上。索的水平力将由柱顶大梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出，只要精心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。 美国明尼亚波利斯 (Minneapolis) 联邦储备银行大厦 6.8 索结构 6.8.3 悬索结构的组成和支承处理方式 支承构件 支承处理方式（与拱相反，支承处受拉力） (1) 采用斜向牵索将悬索 拉到基础 上 1— 承重索 2— 稳定索 6.8 索结构 6.8.3 悬索结构的组成和支承处理方式 支承处理方式（续） (2) 设置 悬臂柱或支腿柱 (3) 设置对称的 斜撑体系 平衡内拉力 1— 承重索 9— 悬臂柱 10— 支腿柱 1— 承重索 3— 斜撑 14— 立柱 15— 基础板 6.8 索结构 6.8.3 悬索结构的组成和支承处理方式 支承处理方式（续） (4) 设置对称的 斜拱体系 平衡内拉力 (5) 设置 封闭圆形 梁或 马鞍形曲线环梁 平衡内拉力 1— 承重索 2— 稳定索 4— 斜拱 8— 拉杆 14— 立柱 16— 倒置 V 型支架及基础 1— 承重索 2— 稳定索 5— 圆形环梁 6— 拉环 7— 鞍形曲线环梁 8— 拉杆 14— 立柱 6.8 索结构 6.8.3 悬索结构的组成和支承处理方式 支承处理方式（续） (6) 设置 横向水平桁架和纵墙体系 或 横向水平框架和立柱体系 平衡内拉力 1— 承重索 11— 水平桁架 12— 纵墙 13— 钢檩条 思考与习题 (1) 以简支梁和悬臂梁为例说明梁的抗弯承载力与哪些因素有关系。 (2) 四边支承板中单向板与双向板是如何判断的？各自是如何将荷载传递给支座的？ (3) 次主梁楼盖、交叉梁楼盖最大的区别是什么？传力路径分别是什么？ (4) 墙的类型有哪三种？各自有什么功能？ (5) 承重墙有哪三种？ (6) 桁架从外形可分为哪五种？ (7) 网架结构的特点有哪些？ (8) 网架节点形式有哪三种？ (9) 拱的合理轴线的概念？拱轴线选择原则如何？ (10) 按支承条件、承受水平推力的构造措施，拱分别是如何分类的？ (11) 壳体结构的优缺点？改善壳体结构缺点的措施是什么？ (12) 索结构有哪些特征？ (13) 索结构分为哪三类？ (14) 悬索结构有哪件构件组成？ (15) 悬索结构支承处理方式有哪六种？