1、主讲：雷 敏帕特农神庙悉尼歌剧院德国新天鹅堡 比萨斜塔2008奥运会主会场鸟巢日本世界杯体育场 香港汇丰银行上海中心 （632米）建筑的作用：建筑的作用： 遮风避雨、防备野兽侵袭，满足物质和精神文化的需要 建筑结构：建筑结构： 是房屋建筑的空间受力骨架体系，是建筑物存在的基础 建筑物设计内容：建筑物设计内容： 建筑、结构、设备（给排水、电、暖运）、通讯 每部分设计要求：每部分设计要求： 功能要求、美观、经济、环保 结构设计程序结构设计程序 l 方案设计（初步设计） 包括结构选型、结构布置、主要构件截面尺寸初设（估算） 结构选型结构选型：上部结构型式选择+基础选型结构布置结构布置（构件）：定位轴
2、线；构件布置；设置变形缝截面尺寸估算截面尺寸估算：一般由变形、稳定条件，结合经验公式确定 l 结构分析 计算各种作用下的结构效应 核心问题：计算模型的确定（计算简图+计算理论）计算简图计算简图：“假定和简化”原则：接近实际，偏于安全、简单计算理论计算理论：线弹性、塑性、非线性理论 l 构件设计：截面设计+节点设计（常指钢结构的连接设计） l 施工图绘制 本学期将要学习的内容 结构力学结构设计原理 土木工程制图技术设计 本课程主要内容本课程主要内容 第一章第一章 建筑结构体系与选型建筑结构体系与选型 本章主要内容 了解以下各种建筑结构体系的特点，并能根据建筑功能正确选择结构体系：第一节第一节 概
3、概 述述 应用上，满足空间和功能的需求安全上，符合承载和耐久的需要技术上，体现科技和工程的新发展造型上，与建筑艺术融为一体建造上，合理用材并与施工实际相结合 一、结构体系的分类一、结构体系的分类 （1） 组成：组成：板、梁、桁（网）架作用：作用： 竖直方向，承受楼面或屋面的竖向荷载，并 传给竖向承重体系 水平方向，起隔板作用，并保持竖向结构稳定 （3） 组成：独立基础、条形基础、交叉基础、片筏基础、箱形基础（浅埋） 以及桩、沉井（深埋） 作用：把上述两类结构体系传来的重力荷载全部传给地基 承受地面以上的上部结构传来的水平作用力，并把它们传给地基 限制整个结构的沉降，避免不允许的不均匀沉降和结构
4、的滑移（2） 组成：柱、墙、筒体 作用： 竖直方向，承受水平结构体系传来 的全部荷载，并传给基础体系 水平方向，抵抗水平作用力，并传 给基础体系建筑结构分类建筑结构分类 建筑材料建筑材料 钢筋混凝土结构、钢结构、砌体（包括砖、砌块、石等）结构、木结构、塑料结构、薄膜充气结构 、生土结构建筑体形建筑体形单层结构多用于单层工业厂房、食堂等多层结构一般29层高层结构一般10层以上大跨结构 主体结构形式主体结构形式 墙体结构、框架结构、深梁结构、筒体结构、拱结构、网架结构、空间薄壁（包括折板）结构、钢索结构等 二、影响建筑结构选型的因素二、影响建筑结构选型的因素 （1）要考虑一次投资费用及全寿命期的费
5、用（设计、施工、使用、维修）（2）除了核算建造成本外，还要衡量是否节省材料消耗和节约劳动力等。 从长远利益考虑，还要节约资源（3）应综合考虑一次性初始投资和建设速度的关系，以便较快回收投资 结构选型，既要考虑结构选型，既要考虑建筑上建筑上的使用功能，也要考虑的使用功能，也要考虑结构上结构上的安全合理，的安全合理，施工上施工上的可能条件，还应注意结构的可能条件，还应注意结构经济效益和艺术上经济效益和艺术上的造型美观。的造型美观。 第二节第二节 混合结构体系混合结构体系 竖向承重构件竖向承重构件水平承重构件水平承重构件定义定义 一、混合结构的优点和应用范围一、混合结构的优点和应用范围 （1）主要承
6、重结构（墙体）是用砖砌，取材方便。（2）造价低廉、施工简单，有很好的经济指标。（3）保温隔热效果较好。 优优 点点 缺缺 点点 （1）砖砌体强度较低，砖墙承重使房屋层数受到限制。（2）抗震性能较差，在地震区使用限制更加严格。（3）混合结构墙体主要靠手工砌筑，工程进度慢。（4）砖材料取土会破坏农田，且消耗大量能源。 二、混合结构房屋的墙体布置二、混合结构房屋的墙体布置 1. 横墙承重方案横墙承重方案特点：特点：（1）横墙横墙是主要承重墙，纵墙纵墙起围护、隔断和将横墙连成整体的作用。（2）与纵墙承重方案相比，横墙承重方案房屋的横向刚度大、整体性好， 对抵抗风荷载、地震作用和调整地基不均匀沉降更为有
7、利。 适用：适用： 房间开间尺寸较规则的住宅、宿舍、旅馆等 2. 纵墙承重方案纵墙承重方案板 梁（或屋梁) 纵墙 基础 地基楼面荷载（竖向）传递路线楼面荷载（竖向）传递路线 特点：特点：（1）纵墙是主要承重墙，横墙的间距较大，布置灵活（2）屋盖、楼盖的用料较多，墙体用料少，因横墙少，横向刚度较差 适用：适用： 使用上要求有较大开间的房屋（教学楼） 3. 纵横墙承重方案纵横墙承重方案楼面荷载（竖向）传递路线楼面荷载（竖向）传递路线 特点：特点： 平面布置比横墙承重时灵活； 房屋的整体性和空间刚度比纵墙承重时更好 4. 内框架承重方案内框架承重方案 楼面荷载（竖向）传递路线楼面荷载（竖向）传递路线
8、 特点：特点：（1）因内墙由钢筋混凝土框架代替，可以取得较大的室内空间和净高， 且材料用量少，结构经济。（2）因竖向承重构件材料不同，容易产生不均匀沉降，且增加难度。（3）因横墙较少，房屋的空间刚度较小，建筑物抗震能力较差。 适用：适用：旅馆、商店和多层工业建筑5. 底部框架承重体系底部框架承重体系结构转换层处竖向荷载的传递路线结构转换层处竖向荷载的传递路线 上部几层梁板荷载 内外墙体 结构转化层钢筋混凝土梁 柱 基础 地基特点：特点：（1）墙和柱都是主要承重构件。柱代替内外墙体，可获得较大使用空间（2）底部结构形式的变化，房屋抗侧刚度变化明显，上刚下柔，抗震不利适用：适用：底层为商店、展览厅
9、、食堂，而上面各层为宿舍、办公室等的房屋 （1）满足建筑物的使用要求使用要求及建筑设计特色；（2）承重体系承重体系的特点及适用范围（3）综合考虑房屋的地基地基条件、所在地区的抗震抗震要求、 材料材料、施工施工和造价造价等因素第三节第三节 单层刚架结构体系单层刚架结构体系 梁、柱之间为刚性连接的结构，称为刚架 定义：定义：多层多跨的刚架结构常称为框架框架；单层刚架也称门式刚架门式刚架 分类：分类：当梁与柱之间为铰接的单层结构，一般称为排架 一、门式刚架的结构特点、种类及适用范围一、门式刚架的结构特点、种类及适用范围 （1）基础承受弯矩较大，因此基础大、耗料多，不够经济；）基础承受弯矩较大，因此基
10、础大、耗料多，不够经济；（2）属超静定结构，对地基的不均匀沉降和温度变化引起的内力）属超静定结构，对地基的不均匀沉降和温度变化引起的内力 变化较大。变化较大。适用：适用：地基条件较差时，必须考虑其影响地基条件较差时，必须考虑其影响 钢筋混凝土两铰刚架钢筋混凝土两铰刚架（1）超静定结构，对地基不均匀沉降引起的结构内力也必须考虑；）超静定结构，对地基不均匀沉降引起的结构内力也必须考虑；（2）两铰刚架基础材料用量较少，和三铰刚架相比，其结构刚度较大。）两铰刚架基础材料用量较少，和三铰刚架相比，其结构刚度较大。 适用：适用：跨度较大的房屋跨度较大的房屋钢筋混凝土三铰刚架钢筋混凝土三铰刚架（1）静定结构
11、，基础的不均匀沉降对结构不引起附加内力；）静定结构，基础的不均匀沉降对结构不引起附加内力；（2）当跨度较大时，半榀三铰刚架的悬臂太长，吊装内力较大，）当跨度较大时，半榀三铰刚架的悬臂太长，吊装内力较大，（3）刚度较差。）刚度较差。适用：适用：跨度较小及地基较差的房屋跨度较小及地基较差的房屋二、门式刚架的形式及截面尺寸二、门式刚架的形式及截面尺寸 构件材料构件材料：钢结构、混凝土结构：钢结构、混凝土结构构件截面：构件截面：实腹式刚架、空腹式刚架、格构式刚架、实腹式刚架、空腹式刚架、格构式刚架、 等截面与变截面刚架等截面与变截面刚架建筑形体：建筑形体：平顶、坡顶、拱顶、单跨与多跨平顶、坡顶、拱顶、
12、单跨与多跨施工技术：施工技术：预应力刚架和非预应力刚架预应力刚架和非预应力刚架 分类分类实腹式实腹式格构式格构式 制造和安装也比较方便；适用于跨度不很大的结构刚度大、耗钢少；适用范围较大 适用：适用： 跨度不超过18m、檐高不超过10m的无吊车或吊车起重量不超过100kN的建筑 截面尺寸：截面尺寸： （1）梁高h （2）柱底截面高度 h1 （3）梁柱截面宽度 b （4）横梁的加腋长度 （5）拱式门架的起拱高度（矢高）f三、刚架的结构布置和构造三、刚架的结构布置和构造 （一）结构布置（一）结构布置 等间距、等跨度的结构布置方案等间距、等跨度的结构布置方案 主次结构布置方案主次结构布置方案 门式刚
13、架的合理高跨比门式刚架的合理高跨比 h/l0.75（二）刚架节点的连接构造（二）刚架节点的连接构造 使节点构造与结构计算简图一致 使制造、运输、安装方便 钢刚架节点钢刚架节点 钢筋混凝土刚架节点钢筋混凝土刚架节点 四、单层刚架结构设计实例四、单层刚架结构设计实例 三种三种 整个厂房较高较高，室内空间不能充分利用，故不经济 （a）桁架方案）桁架方案（b）悬索方案）悬索方案（c）刚架方案）刚架方案 建筑形式符合机身形状，充分利用建筑空间 跨度小，要求高强度钢索，材料价格高 对施工条件和技术的要求较高 建筑形式符合机身形状，充分利用建筑空间 对材料和施工都没有特别要求 第四节第四节 桁架结构体系桁架
14、结构体系 组成：组成：竖杆、水平杆和斜杆 优点：优点：桁架整体结构整体结构，荷载作用下受弯、受剪； 桁架结构中的杆件杆件，只承受轴向力，不承受弯矩、剪力和扭矩 受弯转化为局部构件的受压或受拉，从而有效地发挥出材料的潜力，增大了结构的跨度 缺点：缺点：结构高度大，侧向刚度小 增加了屋面及围护墙的用料，同时也增加了设备负荷；侧向刚度小，平面外稳定性差，需要设置支撑。 桁架分类：桁架分类： 平面平面桁架用于平面屋架 空间空间桁架用于空间网架 屋架分类：屋架分类： 钢屋架、木屋架、钢木屋架、钢筋混凝土屋架、预应力钢筋混凝土屋架 一、桁架结构的形式与受力特点一、桁架结构的形式与受力特点 （a）三角形屋架
15、 （b）平行弦屋架（矩形）（d）拱形屋架（e）下撑式屋架 （f）无斜腹杆屋架（c）梯形屋架（再分式）1. 桁架形式桁架形式屋架的主要荷载类型：均匀分布的节点荷载 （1） 弦杆轴力弦杆轴力 hMN0（2） 腹杆内力腹杆内力 Y V0 2. 杆件内力杆件内力平行弦屋架：平行弦屋架： 弦杆内力由两端向跨度中间增大， 腹杆内力由中间向两端增大。简支梁内力图简支梁内力图3. 不同屋架内力分布不同屋架内力分布抛物线屋架抛物线屋架： 内力分布均匀： 因其形状与同等简支梁的弯矩图形相似三角形屋架：三角形屋架： 弦杆内力由中间向两端增大， 腹杆内力由两端向中间增大结论：抛物线屋架的形状符合内力变化的规律结论：抛
16、物线屋架的形状符合内力变化的规律 二、屋架结构的选型、基本尺寸及布置二、屋架结构的选型、基本尺寸及布置 （一）屋架结构的选型（一）屋架结构的选型 屋架结构的受力 屋面防水构造 材料的耐久性及使用环境 屋架结构的跨度 （二）屋架结构的基本尺寸（二）屋架结构的基本尺寸 矢高矢高 由结构刚度条件确定 坡度坡度 与屋面防水构造相适应 节间长度节间长度 矢高大，弦杆受力小，腹杆长细比大，易压曲；矢高小，弦杆受力大、截面大，且屋架刚度小、变形大 矢高一般取 跨度跨度 的 1/101/5 瓦类屋面 1/3；大型屋面板并做卷材防水时，屋面坡度为 1/121/8 上弦受压，节间长度小些；下弦受拉，节间长度大些，
17、为 1.54 m（三）屋架结构的布置（三）屋架结构的布置 屋架结构布置内容：内容：屋架结构的跨度、间距、标高结构布置影响因素：影响因素：建筑外观造型及建筑使用功能要求1. 屋架跨度 应根据工艺使用和建筑要求确定，一般以 3 m 为模数 2. 屋架间距 与房屋纵向柱列的间距一致，屋架直接搁置在柱顶 屋架间距即为屋面板或檩条的跨度，常见的为6、7.5、9、12m 3. 屋架支座 计算简化：计算简化：屋架的支座简化为铰接支座 实际工程：实际工程： 跨度较小时，常把屋架直接搁置在墙、垛、柱或圈梁上 跨度较大时，应采取专门的构造措施，以满足屋架端部的转动要求 （四）屋架结构的支撑（四）屋架结构的支撑 支
18、撑的作用：支撑的作用： （1）保证屋盖的空间刚度与整体稳定； （2）抵抗并传递由屋盖沿房屋纵向传来的侧向水平力； （3）防止桁架上弦平面外的压曲，防止桁架下弦平面外的振动。 三、屋架结构的设计实例三、屋架结构的设计实例 贝宁体育馆贝宁体育馆（梭形立体钢桁架） 上海大剧院上海大剧院（交叉刚接钢桁架） 第五节第五节 拱式结构体系拱式结构体系 一、拱结构的类型及其受力特点一、拱结构的类型及其受力特点 （a）三铰拱）三铰拱 （b）两铰拱）两铰拱 （c）无铰拱）无铰拱1. 拱的结构类型拱的结构类型 秦始皇兵马俑博物馆展览厅（三铰拱）秦始皇兵马俑博物馆展览厅（三铰拱） 拱与梁的主要区别拱与梁的主要区别：
19、内力：拱拱的主要内力是轴向压力，弯矩和剪力很小或为零； 梁梁的主要内力是弯矩和剪力 支座：拱拱有水平反力（推力）；梁梁支座一般无水平反力（a）简支梁受力特点）简支梁受力特点（b）拱的受力特点）拱的受力特点 （c）拱的传力路线）拱的传力路线 2. 拱的受力特点拱的受力特点 拱脚处的水平推力拱脚处的水平推力 fMalPlVfH0C11AA221（1）在竖向荷载竖向荷载作用下，拱脚支座支座内将产生水平水平推力。 （2）当结构跨度与荷载条件一定一定时，0CM为定值，拱脚水平推力推力H与拱的矢高矢高 f 成反比反比。 拱身截面的内力拱身截面的内力 sincoscossin0D0D0DHVVHVNHyMM
20、 （1）拱拱身内的弯矩弯矩小于小于跨度同等情况下简支梁简支梁内的弯矩。 改变拱的轴线，可使截面弯矩为零，即拱杆只受轴力。 （2）拱拱身截面内的剪力剪力小于小于同等情况下简支梁简支梁的剪力。（3）拱拱身截面内有较大的轴力，而简支梁简支梁没有轴力。 二、拱轴形式二、拱轴形式 1. 拱的合理轴线拱的合理轴线 2. 拱的矢高拱的矢高 定义：在一定的荷载作用下，使拱截面内仅有轴力、没有弯矩仅有轴力、没有弯矩的拱轴线 不同的结构形式、不同的荷载作用下，合理拱轴线合理拱轴线不同 )(42xlxlfy三铰拱三铰拱 确定因素：建筑造形和构造要求，以及结构的受力合理性 三、平衡拱脚水平推力的结构处理三、平衡拱脚水
21、平推力的结构处理 （一）水平推力由拉杆直接承担（一）水平推力由拉杆直接承担 （a）室内拉杆拱 （b）地下拉杆拱优点：优点：节省支承结构用料缺点：缺点：室内空间欠佳 适用：适用：食堂、礼堂、仓库、车间等建筑 （二）推力由水平结构承担（二）推力由水平结构承担 （三）推力由竖向结构承担（三）推力由竖向结构承担 1. 斜柱墩斜柱墩 特点：特点：拱脚推力与竖载的合力为斜向，传力直接，用料经济，造型轻巧 2. 边跨结构边跨结构 特点：特点：竖向结构的抗侧向刚度需足够大3. 推力直接传给基础推力直接传给基础 落地拱落地拱 适用：适用：地质条件较好或拱脚水平推力较小时特点：特点： 落地拱的上部作屋盖，下部作外
22、墙柱； 拱脚推力的位置降到铰基础，省去了抗推力结构，且简化了基础处理。 特别适用于大跨度拱特别适用于大跨度拱 形状：形状：双铰拱或三铰拱，其拱轴线形都采用悬链线或抛物线 四、拱结构的形式与主要尺寸四、拱结构的形式与主要尺寸 （一）拱的主要尺寸（一）拱的主要尺寸 1. 拱的矢高拱的矢高 a. 两铰、三铰拱 一般矢高 f 取为 f (1/31/2) L，且 f L/10 经济高度为 f (1/71/3) Lb. 落地拱 一般矢高 f 取为 f (1/71/3) L 2. 拱身截面拱身截面 bh/2 h(1/801/30) L （二）拱的形式（二）拱的形式 按计算简图计算简图分类，有无铰拱、两铰拱和
23、三铰拱按应用材料应用材料分类，有钢筋混凝土拱结构、钢拱结构、胶合木拱结构、 砖石砌体拱结构按拱身截面拱身截面分类，有格构式和实腹式拱、等截面和变截面拱 按稳定性稳定性分类，有梁式拱、板式拱1. 梁式拱梁式拱肋形拱肋形拱 格构式拱格构式拱 2. 板式拱板式拱 特点：特点：把拱身做成立体形式，以解决拱身平面外的刚度与稳定问题 做法：做法：屋面板与拱合二为一，既是承重的拱结构，其本身又是屋面板 筒筒 拱拱 布加勒斯特航站楼筒壳屋盖 双波拱双波拱 意大利都灵展览馆 箱形拱箱形拱 巴黎国家工业与技术展览中心展览大厅 五、拱结构布置五、拱结构布置 1. 拱式结构的支撑系统拱式结构的支撑系统 目的目的： 2
24、. 并列布置并列布置 蒙哥玛利体育馆蒙哥玛利体育馆 适用：适用：矩形平面建筑多采用等间距、等跨度、并列布置的平面拱结构 （1）保证拱在轴线平面外的受压稳定性； （2）可增强结构的纵向刚度，传递作用于山墙上的风荷载 3. 径向布置、环向布置径向布置、环向布置 适用：适用：非矩形平面（如正多边形、圆形、扇形等）建筑 罗马大角斗场罗马大角斗场 各拱肋相互交叉，具有空间刚度和稳定性各拱肋相互交叉，具有空间刚度和稳定性 各拱沿周圈排列，拱脚各拱沿周圈排列，拱脚互抵，推力相消互抵，推力相消 蒙特利尔市赛车场蒙特利尔市赛车场4. 多叉布置多叉布置 佛罗伦萨市主教堂佛罗伦萨市主教堂 第六节第六节 网架结构体系
25、网架结构体系 一、网架结构的特点与适用范围一、网架结构的特点与适用范围 特点：特点：网架结构是一种新型大跨度 空间结构空间结构， 刚性大、变形小、应力分布较均匀分布较均匀， 能大幅度地减轻结构自重和节省材料。 分类：分类：单层曲面网架、双层平板网架和双层穹窿网架等 （a）双层平板网架 （b）单层曲面网架（双曲） （c）单层曲面网架（单曲） （1）网架是多向受力的空间结构，跨度一般可达到3060m； 属高次超静定结构高次超静定结构，结构安全度特别大 （2）网架整体空间作用强，受力为各向同性各向同性，应力分布均匀 （3）各个杆件既受力，又互为支撑，不需另设置支撑系统支撑系统； 整体性强，稳定性好，
26、空间刚度大，适于抗震抗震 （4）网架结构的杆件尺寸小、且规格类型化类型化，适合于工厂化 生产、地面拼装和整体吊装或提升 （5）网架结构对建筑平面建筑平面的适应性强，造型表现力丰富； 高跨比小，能有效地利用建筑空间建筑空间，建筑设计有 极大的灵活性与通用性（6）平板网架是一种无推力无推力的空间结构，边缘构件简单 二、平板式空间网架的结构形式二、平板式空间网架的结构形式 （一）交叉桁架体系网架（一）交叉桁架体系网架 组成：组成：由许多上下弦平行的平面桁架平面桁架相互交叉连成一体 适用：适用：正方形或接近正方形的矩形建筑平面 2. 两向正交斜放网架两向正交斜放网架 3. 三向交叉网架三向交叉网架 组
27、成：组成：三个方向平面桁架交叉 适用：适用：空间刚度大、杆件内力均匀， 适合多种建筑平面形状（二）角锥体系网架（二）角锥体系网架 组成：组成：由四角锥单元、三角锥单元或六角锥单元组成 的空间网架空间网架结构 分类：分类：四角锥网架、三角锥网架、六角锥网架 （a）三角锥单元）三角锥单元 （b）六角锥单元）六角锥单元 （c）四角锥单元）四角锥单元 （d）四角锥单元拼装）四角锥单元拼装1. 四角锥网架四角锥网架 正放四角锥网架正放四角锥网架 斜放四角锥网架斜放四角锥网架 正放四角锥网架 特点：特点：杆件内力均匀； 屋面板规格较统一； 上下弦杆等长，无竖杆，构造较简单。 斜放四角锥网架 特点：特点：各
28、个锥体不再是锥底的边与边相连，而是锥底的角与角相接 受压的上弦杆长度小于受拉的下弦杆，受力更为合理；节点交汇的杆件数量少，用钢量少，经济指标好，构造简单；斜放四角锥网架形式新颖。适用：适用：中小跨度和矩形平面的建筑 可以是周边支承或边支承与点支承相结合 适用：适用：平面接近正方形的中小跨度、周边支承的建筑 2. 六角锥网架六角锥网架 特点：特点：网架杆件多，节点构造复杂， 屋面板为六角形或三角形， 施工较困难适用：适用：仅在建筑有特殊要求时采用 3. 三角锥网架三角锥网架 特点：特点：受力均匀，刚度好，杆件规格少，构造简单 三、平板网架的支承方式和支座三、平板网架的支承方式和支座 周边支承周边
29、支承 四点或多点支承四点或多点支承 四、平板网架的杆件与节点四、平板网架的杆件与节点 （a）焊接钢板节点 （b）螺栓球节点 （c）焊接球节点 （d）四角锥连接方式 五、平板网架的主要尺寸五、平板网架的主要尺寸 确定因素：确定因素：网架的形式、网架高度、腹杆布置及建筑 平面形状、支承条件、跨度大小、屋面材料、 荷载大小、有无悬挂吊车、施工条件等1. 平板网架的高跨比平板网架的高跨比 2. 平板网架网格尺寸与网架短向跨度比平板网架网格尺寸与网架短向跨度比 3. 腹杆布置腹杆布置 4. 网架的起拱网架的起拱 六、网架结构的工程实例六、网架结构的工程实例 上海体育馆上海体育馆 广州白云机场机库广州白云
30、机场机库 第七节第七节 薄壁空间结构薄壁空间结构 一、薄壳结构的概念一、薄壳结构的概念 定义：定义：一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构 当厚度 t 远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳薄壳。 前者主要受弯曲内力，包括双向弯矩和扭矩； 后者主要承受曲面内的轴力（双向法向力）和顺剪力作用，弯矩和扭矩都很小 平板结构平板结构与 薄壳结构薄壳结构的受力区别：特点：特点：仅承受曲面内的轴力，内力均匀，节约材料； 强度高、刚度大，既经济又合理二、薄壳空间结构的曲面形式二、薄壳空间结构的曲面形式 1. 旋转曲面旋转曲面 2. 直纹曲面直纹曲面 柱曲面柱曲面 锥锥 面面 扭扭 面面 3. 平移曲面平移
31、曲面 4. 切割或组合曲面切割或组合曲面 三、薄壳结构的内力三、薄壳结构的内力 曲面的内力共8对对：轴向力Nx、Ny，顺剪力SxySyx， 横剪力Vx、Vy，弯矩Mx、My 以及扭矩MxyMyx 当当t R /20，并满足一定条件时：，并满足一定条件时： 薄膜内力薄膜内力：轴向力Nx、Ny和顺剪力SxySyx ， 壳体结构中的主要内力主要内力 四、筒壳结构四、筒壳结构 （又名柱面壳（又名柱面壳 ）（一）筒壳的结构组成（一）筒壳的结构组成 由壳身、侧边构件及横隔三个部分组成 （二）筒壳的分类及受力特点（二）筒壳的分类及受力特点 筒壳横向横向似拱，在壳身内产生环向压力； 纵向纵向似梁，把上部竖向荷
32、载通过纵向梁传给横隔 筒壳结构是横向拱与纵向梁作用的综合筒壳结构是横向拱与纵向梁作用的综合 跨长与波长的比值跨长与波长的比值较大时，筒壳像弧形截面梁一样受力；比值较小时，筒壳的空间工作性能（拱的作用）较明显 1. 长筒壳长筒壳 l1 / l2 32. 短筒壳短筒壳 l1 / l2 1/23. 中长筒壳中长筒壳 1/2 l1 / l2 3（三）筒壳的结构布置（三）筒壳的结构布置 折折 缝缝 形形 变变 悬悬 挑挑 并列组合并列组合 悬悬 挑挑 交贯组合交贯组合 五、圆顶薄壳结构五、圆顶薄壳结构 肋形圆顶肋形圆顶 组成：径向肋系 、环向肋系和壳板多面圆顶多面圆顶 组成：数个拱形薄壳相交 （二）圆顶
33、的结构组成（二）圆顶的结构组成 （一）圆顶结构形式与特点（一）圆顶结构形式与特点 组成：组成：壳身、支座环、下部支承构件“支座环支座环” 作用：作用： 箍住圆顶，有效阻止竖向荷载作用下的裂缝开展及破坏， 保证壳体基本上处于受压的工作状态，实现结构空间平衡 （三）圆顶的受力特点（三）圆顶的受力特点 （a）受力破坏示意）受力破坏示意 （b）法向应力状态）法向应力状态 （c）环向应力状态）环向应力状态 （d）壳面单元体）壳面单元体 的主要内力的主要内力支座环对球壳内力的影响支座环对球壳内力的影响 （四）圆顶壳板的主要尺寸及构造要求（四）圆顶壳板的主要尺寸及构造要求 （五）圆顶的工程实例（五）圆顶的工
34、程实例 新疆某机械厂金工车间新疆某机械厂金工车间 罗马奥林匹克小体育宫罗马奥林匹克小体育宫 法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅 六、折板结构六、折板结构 （一）组成（一）组成 定义：定义：由许多薄平板以一定角度整体连接而成的 空间结构体系组成：组成：由折板、边梁和横隔组成 折板作用：沿横向横向按简支板或连续板受力；沿纵向纵向按简支梁或连续梁受力。 边梁（或边棱）作用： 作板的横向支座； 连接相邻斜板，加强纵向刚度； 增强平面外刚度； 对折板起加劲的作用。 横隔作用： 使折板双向受力； 作板的纵向支座，承受并传递顺剪力； 加强横向刚度，保持折板的几何形状。 （二）折
35、板结构的受力特点及分类（二）折板结构的受力特点及分类 竖载传递路线：竖载传递路线：横向多跨连续板 折缝及两侧斜板承担，板纵横双向受力横向传力：横向传力：靠多跨连续板传力纵向传力：纵向传力：依靠折缝及两侧斜板传力横向：横向：作为连续的支座；纵向：纵向：使各块斜板连成整体，保证其纵向刚度。 由于折板是平板，需要折缝起重要的加劲加劲作用 分类：分类：当 l1 / l2 1时，为长折板；当 l1 / l2 1时，为短折板 折板结构跨度 l1 常是波长 l2 的好几倍，即为长折板长折板结构，受力性能与长筒壳长筒壳相似按施工方法分类：现浇整体式、预制装配式和装配整体式 折板结构的截面形式折板结构的截面形式
36、 （三）折板结构的构造（三）折板结构的构造 折板结构形式的主要参数： 倾角 、高跨比 f / l1 及板厚 t 与板宽 b 之比 t / b（四）折板结构的布置（四）折板结构的布置 2. 形形 变变 3. 并列组合并列组合 4. 反向并列组合反向并列组合 （五）折板结构的工程实例（五）折板结构的工程实例 巴黎联合国教科文组织总部会议大厅巴黎联合国教科文组织总部会议大厅 美国伊利诺大学会堂美国伊利诺大学会堂 七、双曲扁壳结构七、双曲扁壳结构 定义：定义：薄壳的矢高 f 与被其所覆盖的底面最短边 a 之间的比值 f / a 1/5 的壳体 。 扁壳的矢高比底面尺寸要小得多，所以扁壳又称微弯平板微弯
37、平板 （一）双曲扁壳的结构组成（一）双曲扁壳的结构组成 组成：组成：壳身及周边竖直的边缘构件 壳身：常采用抛物线平移曲面 边缘构件：带拉杆的拱或拱形桁架，跨度小时也可以用薄腹梁 边缘构件在四角交接处应有可靠连接可靠连接，使之形成“箍”的作用，以有效地约束壳身的变形 （二）双曲扁壳的受力特点（二）双曲扁壳的受力特点 双曲扁壳主要通过 薄膜内力薄膜内力 传递壳面荷载 壳身中部区域中部区域双向受压，其中的钢筋是按构造设置的；壳身边缘附近边缘附近要考虑局部弯矩作用 （三）双曲扁壳工程实例（三）双曲扁壳工程实例 北京火车站北京火车站 北京网球馆北京网球馆 八、双曲抛物面壳八、双曲抛物面壳 鞍壳和扭壳鞍壳
38、和扭壳 （一）鞍壳和扭壳的形成（一）鞍壳和扭壳的形成 鞍壳：鞍壳：当平移曲面的母线与导线为反向的两抛物线时， 构成的马鞍形双曲壳面扭壳：扭壳：从鞍壳中切割出的一块翘曲的直边四边形壳面 鞍壳、扭壳同为双曲抛物面壳鞍壳、扭壳同为双曲抛物面壳 （二）扭壳的受力特点（二）扭壳的受力特点 扭壳可以想像是由一系列 下凹拉索下凹拉索 和 上凸压拱上凸压拱 正交组成的曲面 扭壳受力特点：扭壳受力特点： 材尽其用：材尽其用：双向一拉一压，充分利用混凝土的抗压特性与钢材的 抗拉特性，形成的空间双曲壳面内力分布好：内力分布好：全部壳面上，两个对角线方向的正向力是一拉一压刚度大：刚度大： 反向双曲壳面，任一方向（拱向
39、或索向）偏离曲线的倾向，都受到另一反向（索向或拱向）曲线的抑制，其刚度与稳定性都比同向双曲壳体大得多，是壳体结构中刚度最大的壳体结构中刚度最大的（三）鞍壳与扭壳的结构布置（三）鞍壳与扭壳的结构布置 1. 鞍壳板鞍壳板 一般用于矩形平面建筑，短向布置鞍壳板。其两端支于纵向外墙或柱顶梁上，也可向外挑檐。 2. 单块式扭壳屋顶单块式扭壳屋顶 3. 鞍壳的瓣形组合鞍壳的瓣形组合 第八节第八节 网网 壳壳 结结 构构 一、概念一、概念 是网状的壳体结构，即格构化的壳体格构化的壳体，或曲面状的网架结构曲面状的网架结构 单曲面网架：筒网壳；双曲面网架：球网壳、扭网壳筒网壳：筒网壳：以拱式受压或梁式受弯承受并
40、传递荷载；球网壳：球网壳：以壳式受压或受拉承受并传递荷载 （1）杆件主要承受轴力，内力分布均匀（2）与薄壳结构一样有丰富的造型（3）具有与薄壳结构相似的良好受力性能；同时，便于 预制和现场安装按杆件布置杆件布置分类：单层网壳、双层网壳按材料材料分类：木、钢筋混凝土、钢、铝合金、塑料、玻璃钢 二、筒网壳二、筒网壳 筒壳：在壳板曲面内，内力的大小和方向大小和方向随筒壳的长短边比例 变化，或拱式受压，或梁式受弯 筒网壳：网肋的受力方向固定为网肋的轴线方向，随筒网壳的 长短边变化，受力方向不变方向不变，大小改变大小改变筒壳筒壳筒网壳筒网壳（一）筒网壳的形式（一）筒网壳的形式 单层筒网壳单层筒网壳 双层
41、筒网壳双层筒网壳 （二）筒网壳结构的受力特点（二）筒网壳结构的受力特点 （1）当筒网壳结构以跨度方向为支座时，为筒拱结构 拱脚推力拱脚推力处理方案： 设拉杆； 设墙垛； 设斜柱、墩； 拱脚落地 （2）当筒网壳结构在波长方向设支座时，以纵向梁作用为主 端支座端支座处理： 设横向端拱肋； 设变高度梁 2. 四边支承或多点支承四边支承或多点支承 （1）分类：分类：短壳、长壳和中长壳（2）受力：受力：有拱式受压和梁式受弯两种， 两种作用的大小同网格的构成及网壳的跨度与波长之比有关 结论：由于拱的受力性能要优于梁，因此在工程中多采用短壳 短网壳的拱式受压作用比较明显；长网壳表现出更多的梁式受弯特性；中长
42、壳的受力特点则介于两者之间 三、球网壳结构三、球网壳结构 蒙特利尔世博会美国馆蒙特利尔世博会美国馆 美国新奥尔良美国新奥尔良“超级穹顶超级穹顶”体育馆体育馆 基本要求：基本要求： 杆件规格尽可能少，以便制作、装配 形成的结构须是几何不变体 （一）单层球网壳（一）单层球网壳 1. 肋环型网格肋环型网格 只有经向杆和纬向杆经向杆和纬向杆，无斜向杆2. 施威德勒型网格施威德勒型网格 内部及周边无不规则网格，刚度较大；能承受较大的非对称荷载 由经向网肋、环向网肋和斜向网肋经向网肋、环向网肋和斜向网肋构成； 3. 联方型网格联方型网格 由左斜肋、右斜肋及环向肋左斜肋、右斜肋及环向肋构成菱形网格 缺点：网
43、格周边大，中间小适用：刚度好，可用于大中跨度的穹顶 4. 凯威特型网格（又称平行联方型网格）凯威特型网格（又称平行联方型网格） 网格大小均匀，内力分布均匀，刚度好，故常用于大中跨度穹顶 5. 三向网格型三向网格型 由竖平面相交成60的三族竖向网肋构成 杆件种类少，受力比较明确，可用于中小跨度的穹顶 （二）双层球网壳（二）双层球网壳 原因：原因：跨度较大时，要求稳定性及经济性做法：做法：由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成 选用交叉桁架体系或角锥体系 北京科技馆穹幕影院北京科技馆穹幕影院 内力分布：内力分布：周边部分的杆件内力大于中央部分杆件（三）球网壳结构的受力特点（三）球网壳结构的受力特点
44、（1）球网壳的杆件杆件为拉杆或压杆，节点节点构造也承受拉力和压力（2）球网壳周边支座周边支座节点常采用固定刚接固定刚接支座 四、扭网壳结构四、扭网壳结构 特点：直纹曲面1. 单层扭网壳单层扭网壳 屋盖由四个扭壳组合而成，扭壳为周边支承 2. 双层扭网壳双层扭网壳 第九节第九节 悬悬 索索 结结 构构 悬索屋盖结构特点悬索屋盖结构特点（1）利用索的轴向受拉轴向受拉抵抗荷载，充分利用材料性能（2）适应各种建筑平面建筑平面，便于建筑造型 （3）施工施工方便 （4）有良好物理物理（如音响）性能性能（5）稳定性稳定性较差，需附加索系或结构提高结构的稳定性（6）边缘构件和下部支承须具有一定的刚度和合理的形
45、式，悬索体系的支承结构支承结构需要耗费较多的材料。 一、悬索结构的组成一、悬索结构的组成 组成：索网、边缘构件、支承结构等三部分 1. 索索 网网钢索一般采用多股钢绞线或钢丝绳制成，间距为12m 2. 边缘构件边缘构件多为梁、拱或桁架等钢筋混凝土结构构件3. 支承结构支承结构多为钢筋混凝土的立柱或框架结构 二、悬索的受力特点二、悬索的受力特点 1. 索的支座反力索的支座反力qlVV21BA0Y0812 Hfql0MHMf02. 索的拉力索的拉力cos0cosHNHN0XfqlN82跨中截面拉力（0）时最小 支座截面拉力（ 最大）时最大 三、悬索结构的形式三、悬索结构的形式 按屋面几何形式分：单
46、曲面和双曲面按拉索布置方式分：单层悬索体系、双层悬索体系、交叉索网体系（一）单曲面悬索结构（一）单曲面悬索结构 单曲面单层拉索体系单曲面单层拉索体系 单曲面双层拉索体系单曲面双层拉索体系 1. 单曲面单层拉索体系单曲面单层拉索体系由许多平行的单根拉索构成，其表面呈圆筒形凹面 特点：特点：构造简单，但屋面稳定性差、抗风（向上吸力）能力小， 特别是不对称荷载作用措施：措施：必须采用重屋盖（一般为装配式钢筋混凝土屋面板）或 采用横向加劲肋 通过拉锚传至基础通过拉锚传至基础 通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙 拉索可锚固于端部水平结构（水平梁或桁架）上拉索水平力传递形式：
47、拉索水平力传递形式： 通过竖向承重结构传递通过竖向承重结构传递 2. 单曲面双层拉索体系单曲面双层拉索体系 做法：做法：双层索系上、下索曲率曲率相反，分别为承重索和稳定索目的：目的：增强刚度特点：特点：反向曲率的索系可以承受不同方向的荷载作用， 可以减轻屋面重量，节约材料，降低造价， 且具有较好的抗风和抗震性能 （二）双曲面悬索结构（二）双曲面悬索结构 1. 双曲面单层拉索体系双曲面单层拉索体系 常用于圆形建筑平面，拉索呈辐射状，使屋面形成斜曲面 （a）伞形方案布置）伞形方案布置 （b）碟形方案布置）碟形方案布置2. 双曲面双层拉索体系双曲面双层拉索体系 北京工人体育馆比赛厅北京工人体育馆比赛
48、厅 3. 双曲面交叉索网体系双曲面交叉索网体系 组成：组成：两组相互正交的、曲率相反的拉索交叉措施：措施：稳定索在承重索之上，常对稳定索施加预应力， 将承重索张紧，以增强屋面的稳定性和刚度。 形式：形式：交叉索网形成的曲面为双曲抛物面，称为鞍形悬索 按边缘构件形式分类：分类： 边缘构件为闭合曲线形环梁边缘构件为闭合曲线形环梁 边缘构件为不落地交叉拱边缘构件为不落地交叉拱 边缘构件为落地交叉拱边缘构件为落地交叉拱 边缘构件为两不相交落地斜拱边缘构件为两不相交落地斜拱 设置中间构件设置中间构件 边缘构件为钢筋混凝土剪力墙边缘构件为钢筋混凝土剪力墙 边缘构件为拉索结构边缘构件为拉索结构 美国斯克山谷
49、奥运会冰球场美国斯克山谷奥运会冰球场 第十节 高层建筑建筑体系一、高层建筑定义一、高层建筑定义 各国标准：美国各国标准：美国22米、米、7层，英国层，英国24.3米，日本米，日本31米、米、8层层 世界高委会标准：世界高委会标准：四类四类 我国我国高规高规规定：规定：28米、米、10层以上层以上划分依据：经济实力、建筑技术、电梯设备、消防装置划分依据：经济实力、建筑技术、电梯设备、消防装置钢筋混凝土高层建筑划分为：钢筋混凝土高层建筑划分为：A级高度、级高度、B级高度级高度 结结 构构 体体 系系非抗震非抗震设计设计抗抗 震震 设设 防防 烈烈 度度6度度7度度8度度9度度框框 架架 70 60
50、 55 4525框架框架剪力墙剪力墙14013012010050剪力墙剪力墙全部落地全部落地15014012010060部分框支部分框支130120100 80不应采用不应采用筒筒 体体框架框架 核心筒核心筒16015013010070筒中筒筒中筒20018015012080板柱板柱剪力墙剪力墙 70 40 35 30不应采用不应采用 A级高度级高度的最大适用高度（的最大适用高度（m） 结结 构构 体体 系系非抗震非抗震设计设计抗抗 震震 设设 防防 烈烈 度度6度度7度度8度度框架框架剪力墙剪力墙170160140120剪力墙全部落地剪力墙全部落地180170150130剪力墙部分框支剪力墙
