建筑结构选型
2020-05-24 22:18:54 0 举报AI智能生成
建筑学大四下学期必修课，脉络梳理。
作者其他创作
大纲/内容
建筑结构选型
人们居住和工作的建筑物均是由各个单一空间构成，而每一个空间又是由基本构件组成。建筑物的基本结构形式可分为
板
梁
柱
拱
第一章 梁
教学要求
了解梁的不同型式及受力与变形，了解悬挑结构，掌握梁的支承方式及按位置情况分类。
梁(beam)主要承受垂直于梁轴线方向的荷载作用
第一节 梁的型式
材料
石梁
石材抗压强度高，抗拉强度低。高度大，而跨度较小 。
帕提农神庙。
木梁
太和殿，俗称金銮殿，殿高35米，面积2381平方米，是中国最大的一座木结构宫殿。面阔11间，进深5间，为中国古代殿宇最高等级的重檐庑殿顶。
1：木建筑侧面(剖面结构)简图。
木材自重轻，抗压抗拉、强度高。截面小，跨度大，使用方便。木材防腐、防火、防蛀性能差，且资源有限，现代建筑逐步淘汰。
胶合木 用胶粘方法将木料或木料与胶合板拼接成尺寸与形状符合要求而又具有整体木材效能的构件和结构。胶合木结构于1907年首先在德国问世，至40年代中期已发展成为现代木结构的一个重要分支。广泛应用于各种工程上。
钢梁
2：南京长江大桥 。
钢梁强度高，施工方便。钢梁自重比相同跨度混凝土梁轻。维护费用较高，房屋建筑较少使用，但在厂房、桥梁中应用较广泛。
3：某单层工业厂房
钢筋混凝土梁
砼梁由砼和钢筋共同工作，砼受压，钢筋受拉，受力明确，构造简单，但其自重较大，跨度一般不超过12米。
预应力混凝土梁
预应力砼梁在受拉区施加预应力，可有效控制裂缝和挠度。
钢——钢筋混凝土梁
下部钢材受拉，上部钢筋砼受压，充分利用其材料特性。
截面
5：钢筋混凝土梁截面形式——钢梁截面形式
矩形梁
圆形梁
工字型梁
槽形梁
支座约束
静定梁
超静定梁
布置方式
9：建筑剖视图
10：钢结构主梁、次梁
11:混合结构——竖向荷载——通过砖墙传到基础上
主梁
主梁除承受板直接传来的荷载外，还承受次梁传来的荷载。
次梁
次梁直接承受板传来的荷载。
连梁
连梁主要用于连接两榀框架，使其成为一个整体。
圈梁
圈梁一般用于砖混结构，将整个建筑围成一体，增强结构的抗震性能。
过梁
过梁一般用于门窗洞口的上部，用以承受洞口上部结构的荷载。
支撑方式
6：简支梁——悬臂梁；玻璃走廊鸟瞰美国大峡谷
7:连续梁
8：单跨梁；多跨梁；静定多跨梁；连续梁
简支梁
梁的两端搁置在支座上，但支座仅使梁不产生垂直移动，可自由转动。为使整个梁不产生水平移动，加设铰支座和滚动支座。...
悬臂梁
梁的一端固定在支座上，使该端不能转动，也不能产生水平和垂直移动。
连续梁
具有两个以上支座的梁。
第二节 梁的受力与变形
12：单跨梁在竖向均布荷载作用下的弯矩图
梁的变形主要是挠曲变形。梁的受力与变形主要与梁的约束条件有关。
当建筑物的地基较差时采用简支梁结构较为有利。简支梁也常被用来作为沉降缝之间的连接构件。
13：弯矩示意图
14：弯矩示意图
第三节 梁式结构的工程实例
第四节 悬挑结构
悬挑结构无端部支撑构件、视野开阔、空间布置灵活，故常在体育场看台雨棚中应用。
钢筋混凝土梁板结构，雨蓬挑梁伸出17m雨蓬的挑梁外形与其弯矩图统一起来 。
15：意大利佛罗伦萨运动场大看台
悬挑结构的固定端有较大的倾覆力矩。一般认为，悬挑结构的抗倾覆安全系数应大于1.5。
抗倾覆力矩/倾覆力矩 > 1.5 。
悬挑结构的工程实例
16：上海浦东国际机场第二航站楼。
17：深圳湾体育中心。
18：中国馆。
第二章 桁架结构
了解桁架结构的受力特点及其型式，掌握屋架结构选型与布置
19：示意图
第一节 桁架结构的受力特点
桁架结构计算的假定
组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线 (轴线)都在同一平面内。
20：示意图
桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。
21：示意图
22：鲁班锁
23：受力示意图
桁架结构的内力
24:示意图
25：示意图
26：示意图
7：示意图
28：示意图
第二节 屋架结构的型式
三角形桁架
三角形屋架一般用于屋面坡度较大的屋盖结构中。一般宜用于中小跨度的轻屋盖结构。
29：示意图
梯形桁架
30：示意图
矩形桁架
31：示意图
木屋架
一般为三角形屋架，内力支座处大而跨中小。适用于跨度在18米以内的建筑中。
32：示意图
钢-木组合屋架
采用钢拉杆作为屋架的下弦杆，消除接头的非弹性变形，从而提高屋架结构的刚度。
33：示意图
钢屋架
改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。
34、35、36、37：示意图
混凝土屋架
38：示意图
钢筋混凝土-钢组合屋架
上弦杆采用刚劲混凝土，下弦杆采用型钢。充分利用两种材料的特性。
39：示意图
第三节 屋架结构的选型与布置
屋架结构的主要尺寸
矢高
坡度
节间距
屋架结构的选型
受力
防水
跨度
屋架结构的布置
跨度
间距
支座
屋架结构的支撑
内容
包括设置在屋架之间的垂直支撑、水平系杆以及设置在上下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面内的纵向水平支撑。 垂直支撑和水平系杆是为了保证侧向稳定性。 上弦横向支撑为了增强屋盖的整体性和屋架上弦的侧向稳定性。 下弦纵向水平支撑是为了增强屋盖的空间刚度，增强排架的空间工作性能。
工程实例
广州中山纪念堂
广州中山纪念堂是有吕彦直设计。建成于1931年，主题建筑6600万平方米，建筑高度为52m。大堂内跨度达71m，可容纳5000人。广州中心纪念堂，是中国传统建筑形式与西方建筑结构的完美结合。主题为八角形宫殿建筑，周边由前后左右四个重檐歇山抱厦建筑组成，气势恢宏，富丽堂皇。
40：示意图
建筑采用钢桁架和钢筋混凝土结构，主体建筑下部由八边形钢筋混凝土承重墙围合而成，承重墙上面由矩形钢桁架围合，钢桁架上部支撑起8根钢筋混凝土柱，柱上支撑起三角形钢桁架组成的屋盖结构 。
41：示意图
第四节 立体桁架和张弦结构
立体桁架
平面屋架结构虽然有很好的平面内受力性能，但其在平面外的刚度很小。为保证结构的整体性，必须要设置各类支撑。支撑结构的布置要消耗很多材料，且常常以长细比等构造要求控制，材料强度得不到充分发挥。采用立体桁架可以避免上述缺点。立体桁架的截面形式有矩形、正三角形、倒角形。
42、43、44：示意图
当跨度较大时，因上弦压力较大，截面大，可把上弦一分为二，构成倒三角形立体桁架。
45：示意图
立体桁架由于具有较大的平面外刚度，有利于吊装和使用， 节省用于支撑的钢材，因而具有较大的优越性。但三角形截面的立体桁架杆长计算繁琐，杆件的空间角度非整数，节点构造复杂，焊缝要求高，制作复杂。
46：示意图
河南艺术中心
河南艺术中心，位于郑州市郑东新区，建筑方案由加拿大OTT/PPA建筑师事务所国际著名设计大师卡洛斯.奥特设计.建筑总占地面积为10公顷，总建筑面积约8万平方米，总投资9亿元人民币。建筑造型由5个椭圆体和两篇翻卷上升的艺术墙组成。五个椭圆体分别为：1800席的大剧场、800席的音乐厅、300席的多功能小剧场、美术馆、艺术馆。
47：照片
广州体育馆
广州体育馆由法国设计师保罗.安德鲁设计，体育馆由主场馆、训练馆及大众活动中心三部分组成。主场馆总建筑面积39635平方米，纵向最大跨度160m，横向最大跨度110m，训练馆总建筑面积19412平方米，纵向跨度151.5m，横向跨度70m。大众活动中心总建筑面积9048平方米，纵向跨度140m，横向跨度30m。
48:照片
体育馆大跨度的屋盖中心部位采用主次桁架结构，边缘采用立体桁架环梁。每榀主次桁架垂直交叉，两端分别支撑在由立体桁架组成的环梁上。
49：屋盖主次桁架示意图
贝宁友谊体育馆
50：照片
张弦结构
将平面桁架结构的受拉下弦杆用高强度拉索代替，并通过张拉拉索在结构中施加预应力，可有效改善结构的受力性能。根据这一原理衍生出来的结构形式成为张弦结构。张弦结构由三部分结构单元所组成：作为上弦的梁、拱或桁架结构，作为下弦的拉索，位于上下弦的竖向撑杆。
张弦结构的特点
51：示意图
(1)承载能力高(2)结构刚度大(3)结构稳定性强(4)支座推力大(5)建筑造型适应性强(6)制作、运输、施工方便
张弦结构的形式
张弦结构按荷载传递方向的不同可分为平面张弦结构和空间张弦结构。平面张弦结构以平面内受力为主，屋盖荷载主要通过张弦结构平面内的受力体系传递至支承柱及基础。根据上弦构件的形状可分为三种基本形式：直梁型、拱型和人字型。
52：直梁型、拱形、人字拱形
空间张弦结构是以平面张弦结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置索形成的张弦结构，主要有单向张弦结构、双向张弦结构、多向张弦结构、辐射式张弦结构等。
张弦结构的选型
（1）上弦刚性受压构件
对于大跨度张弦梁结构，其上弦构件承受较大的压力和弯矩，因此张弦结构上弦构件的选型时设计时需要考虑的重要问题之一。上弦构件形式主要取决于结构跨度和撑杆间距两个因素：跨度增加，跨中整体弯矩增大，导致上弦构件压力增加，主要加大弦构件的截面面积来保证；撑杆间距增大，其整体剪力效应对上弦构件产生的局部弯矩增大，需要上弦构件提供较大的抗弯刚度。
（2）张弦结构上弦矢高和下弦垂度
张弦结构的上弦矢高和下弦垂度大小是设计过程中需要考虑的重要问题。一般用垂跨比和高跨比来表达。垂跨比是下弦索的垂度和结构跨度的比值，高跨比是上弦梁的矢高和结构跨度的比值。随着垂跨比或高跨比的增大，除剪力外，其他内力如梁的弯矩和轴力以及索的最大应力都会减小，同时结构的变形也会明显减小
53：示意图
（3）撑杆数目
撑杆作为张弦结构上部刚性构件的弹性支撑，设置的数量直接关系到上部刚性构件的跨度。撑杆数量多，上弦刚性构件内力均匀，弯矩小，受力合理。但是撑杆数目的增加也会带来撑杆材料用量的增加和施工的复杂性。且对于某一确定的张弦结构，当撑杆数达到某一数目后，受力性能随撑杆数目的改善效果不再明显。
上海世博会主题馆
上海世博会主题馆为大空间钢结构建筑，平面尺寸南北长180m，东西长288m，高度为23.3m。该建筑在平面上由西向东分为3个大空间，西部展厅为144m×180m矩形大跨度无柱空间，一层到顶。中部为36m×180m的中庭，也是没有柱子且一层到顶；东侧展厅平面尺寸为108m×180m为柱网空间，分为四层。
54：照片
上海浦东国际机场
上海浦东国际机场航站楼，从造型上看，一号和二号航站楼均采用了曲线形屋面。有所不同的是，一号航站楼采用独立的四片弧形屋面，分别覆盖进厅、办票大厅、商场和候机长廊，屋盖造型由低而高，错落有致，力度感强，给人以展翅欲飞的感受；二号航站楼采用了连续的波浪形曲面，柔和优雅，舒展大气，显示了鲲鹏翱翔的气势。
55：一号航站楼、二号航站楼照片
在屋盖结构上，两座航站楼均采用了张拉结构。一号航站楼对应于四个独立的建筑单元，采用四个独立的张弦梁屋盖，其中办票大厅的张弦梁屋盖跨度最大，水平投影跨度达82.6m，相邻两榀张弦梁间距为9m。二号航站楼主楼屋盖采用了5跨连续的变截面箱形曲梁结构，其中位于树状柱上方的两个小跨截面高度最大，其余三个间隔布置的大跨，上弦截面高度往跨中逐渐收小，并设置下弦形成梭形的张弦梁结构。
56：一号航站楼、二号航站楼结构示意
北京北站
57、58、59、60：北京北站拱形平面张弦结构
上海大剧院
61：平剖面图
第五节 屋架结构的其他型式
第三章 单层钢架结构
掌握三种刚架的受力特性及适用范围，了解刚架节点的连接构造，通过受力分析，熟悉梁、柱节点的加强措施，熟悉刚架按材料分类及刚架结构选型时应考虑的影响因素
思考题：刚架结构、排架结构、框架结构？
梁和柱之间的连接为刚性连接的结构
梁和柱之间的连接为铰接的结构
若多层多跨刚架结构，称为框架结构
62：思考题图示
刚结点处的变形特点
63、64、65：示意图
66：刚架示意图
67：刚架计算简图
刚架结构，内力分布均匀 。
68：排架、刚架示意图
刚架结构 ，变形小。
69：排架、刚架示意图
刚架结构的特点
1.刚架的内部空间大，便于使用。
2.刚结点将梁柱联成整体，增大了结构的刚度，变形小。
3.刚架中的弯矩分布较为均匀，节省材料。
70：钢制刚架结构的飞机库
71：某室内体育馆的木构刚架及天窗
第一节 单层刚架结构的受力特点
1）约束条件对结构内力的影响
72：静定刚架的分类
单体刚架（联合结构）
简支刚架
悬臂刚架
三铰刚架（三铰结构）
复合刚架（主从结构）
73：超静定刚架
超静定刚架
两铰刚架——一个多余约束
无铰刚架
三个多余约束
74：受力示意图
排架结构、无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。
竖向荷载作用下，柱对梁的约束作用，减小了梁跨中的弯矩和挠度。水平荷载作用下，梁对柱的约束作用，减小了柱内的弯矩和侧向变位。
无铰刚架：三次超静定，刚度大、内力小；基础较大、对地基要求高。
两铰刚架：一次超静定，基础处为铰支承；为常用的一种钢架。
三铰刚架：静定结构，刚度较差、内力大；地基条件较差时使用。
75、76：示意图
2）梁柱线刚度比对结构内力的影响
梁柱线刚度=截面刚度/杆长
线刚度=EI/L
框架结构中，竖向荷载作用下，节点弯矩是按照交汇于该节点杆件的线刚度比值分配的。谁的线刚度大，谁分配到的弯矩多。一般情况梁跨不大时，它的线刚度大，梁端分配的弯矩大，容易形成强梁弱柱，这是不符合抗震概念的。
78：受力示意图
i梁>>i柱
柱对梁端转动约束很小，能阻碍竖向位移，近似于简支梁 。
i梁<<i柱
柱能阻止梁的竖向位移，约束转动，近似于固定端 。
i柱1≠i柱2
梁两端弯矩不等，刚度大的一边，承受的弯矩大 。
79：受力示意图
梁柱节点没有转动，柱子只有相对平移没有相对转动 。
梁无法约束柱的转动，相当于两端铰接，内力与排架接近 。
刚度大的柱子，承受的剪力和弯矩大 。
3）高跨比对结构内力的影响
索线 、推力线
在均布荷载作用下，任意截面只承受拉力，没有弯矩，绳子自然下垂的线称为索线，倒置即为推力线。
高跨比减小，支座处水平推力增大 。
80：受力示意图
4）结构构造对结构内力的影响
用以减小刚架横梁的跨中弯矩。
纵向外墙挂在刚架柱的外肢处。
81：受力示意图
铰支座设在柱轴线内侧 。
82：受力示意图
5）温度变化对结构内力的影响
温度变化只对超静定结构产生内力。
温差的形式。
室内外温差
季节温差
（刚架在施工时和使用时的温差）
6）支座移动对结构内力的影响
第二节 单层刚架结构的型式
83：结构形式示意图
结构受力条件：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。
结构材料：胶合木结构、钢结构、混凝土结构。
构件截面：实腹式刚架、空腹式刚架、格构式刚架、等截面、变截面。
建筑型体：平顶、坡顶、拱顶、单跨与多跨。
施工技术：预应力刚架和非预应力刚架。
1）胶合木刚架结构
胶合木定义
同一种木材经锯材加工干燥后，根据不同需求规格，由小块板方材通过指接、胶拼、层积，通常在常温条件下加压胶合，顺纹方向粘结而成而成的木质材料。
84：照片
结构用胶合木优点
（1）因为使用干燥材，可防止在使用过程中产生变形、开裂等； （2）尺寸自由度大，能满足要求跨度和断面形状的梁； （3）充分发挥木材特性，可以吸收震动、装饰随意； （4）易于进行防腐防虫处理，且效果好。
85：伦敦文艺中心
86：迪斯尼溜冰场
2）钢刚架结构
87：实腹式两铰刚架
跨度不大，横梁高度一般取跨度1/20~1/12；设拉杆，并施加预应力，此时，横梁高度取跨度的1/40-1/30。
88：格构式刚架
刚度大、耗钢少等优点；刚架的梁高可取跨度的1/15~1/20。
为了节省材料、提高刚度，减轻基础负担，还可以做预应力格构式刚架 。
3）钢筋混凝土刚架结构
钢筋混凝土刚架一般适用于跨度不超过18m的建筑中。构件的截面形式一般为矩形，刚架构件的截面尺寸可根据结构在竖向荷载作用下的弯矩图的大小而改变。
构件截面尺寸一般都是宽度不变，高度线性变化 。
89、90、91：广州体育馆
优点：提高结构刚度，减小构件截面，增大适用跨度。预应力钢筋布置在构件受拉部位 。
4）预应力混凝土刚架结构
92：示意图
93：预制吊装构件： 倒L形，人字形，Y形等
优点：提高结构刚度，减小构件截面，增大适用跨度。预应力钢筋布置在构件受拉部位
A、分段布置：梁、柱分别布置。
优点：受力明确、穿筋方便、施工简单。
缺点是：废材料、废锚具、转角处预应力孔道交叉，对截面削弱大。
B、通长布置
优点：节省钢材、锚具，孔道对截面削弱少。
缺点：穿筋困难，注意在外荷载作用下钢筋蹦出混凝土外的现象（对人字型和Y字型构件）。
第三节 单层刚架结构的构造与布置
1）结构外形
平顶、坡顶、拱顶、单跨或者多跨；刚架横梁外形主要由屋面材料和排水要求来定 。
94、95：示意图
2）刚架节点的连接构造
96：刚架转角截面的应力分布、格构刚架节点的连接构造
97：实腹式刚架节点的连接构造
98：梁与柱的刚接连接：高强螺栓、对接焊缝、钢衬板
99：钢筋混凝土刚架一般采用预制装配式结构（拼装单元的划分 倒L形，F形，Y形）
100：接点的连接方式
3）刚架铰节点的连接构造
101、103：顶铰节点的构造
102:梁与柱铰接连接
4）刚架柱脚支座构造
钢柱铰支座：当支座反力不大时，采用板式铰；当支座反力较大时，设计成臼式或平衡式，后两种构造复杂，但受力性能好。
钢柱铰接柱脚
104：钢柱铰接柱脚的构造一：两对锚栓的铰接柱脚
105：钢柱铰接柱脚的构造二 ：一对锚栓的铰接柱脚
钢柱刚接柱脚
106：靴梁、加劲板、地脚螺栓、浇入素混凝土保护地脚锚栓
现浇钢筋混凝土柱和基础的铰接
107：示意图
现浇混凝土柱基础：通常采用交叉钢筋或垂直钢筋实现铰支座。柱截面在铰的位置处减少1/2~2/3，并在接触面的边缘防止油毛毡麻刀所做的垫板，这种连接方式不完全能自由转动，存在一定的嵌固：与纸装配式刚架柱与基础的连接则采用杯口基础。
5）单层刚架结构的布置
一般情况下，矩形平面建筑物采用等间距、等跨度的平行刚架布置 。也有辐射状或其他更复杂的形状 。
108、109：示意图
6）刚架结构的支撑系统
110、111、112：示意图
第四节 单层刚架结构的工程实例
马赛公寓
113、115：照片
114：34根大柱子
坐落地点：法国 马赛
设计者：勒·柯布西耶
设计时间：1948年
竣工时间：1952年
中国农业大学体育馆
116、117：照片
主比赛厅采用了门式钢架结构，形成高低错落的造型，并充分地利用了屋面的造型特征，形成了效果极佳的自然采光和通风效果。 在奥运会后学校使用场馆进行教学活动时，白天是不用开灯的，可完全依靠自然光满足使用。天窗设计除了可以采光，还能够增强室内对流通风，有效降低温度，减少空调使用。 当屋顶的400多个高低错落分层排列的玻璃窗打开后，可以让体育馆内的空气和馆外的空气形成自然的对流，通过自然通风使得体育馆内的温度和馆外的温度基本一致。
国家体育场
118、119：照片
120：主体钢结构屋顶平面示意图
“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。
“鸟巢”顶面呈马鞍形，长轴332.3 m，短轴296.4 m，最高点高68.5 m，最低点高42.8 m。门式刚架截面高度达12 m。
121：示意图
122：示意图
原设计：可开闭屋盖。
123：照片
第四章 拱式结构
拱――以轴向受压为主的结构；材料：砼、砖、石等。
第一节 拱的受力特点
按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱。两铰拱和无铰拱是超静定结构，较为常用。
结构型式：双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低)三铰拱(应用不广，拱顶铰使结构复杂化)无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高)
124：示意图
支座反力，以三铰拱为例
125：支座反力计算规则
拱是一种有推力的结构，它的主要内力是轴向压力。从下图可以看出，梁在荷载 作用下，要向下挠曲；拱在荷载 作用下，拱脚产生水平反力 。它起着抵消荷载 引起的弯曲作用，从而减少了拱杆的弯矩峰值。一般情况下，结构所受外力的传递路线越短，也就是外力越是能够直接传到基础，结构就越经济，如落地拱。
126：拱与梁的受力分析
127：拱身截面的内力
128：拱的合理轴线
拱与曲梁的区别
拱 ——优点：轴向受压为主；缺点：支座水平推力较大。曲梁 ——当拱脚地基反力不能有效抵抗其水平推力时拱便成了梁。
129：曲梁结构
第二节 拱脚水平推力的平衡
拱是有推力的结构，所以拱结构的支座应能可靠地承受水平推力，才能保证它发挥拱的受力作用。拱脚推力的结构处理，是拱结构设计的中心问题。
水平推力直接由拉杆承担
1、结构方案的布置
130:拱脚水平推力由拉杆承担
2、适用的拱：搁置在墙、柱上的屋盖结构；落地拱
3、特点：水平拉杆所承受的拉力等于拱的推力；经济合理，安全可靠;缺点：室内有拉杆。
4、水平拉杆的用料：可采用型钢或圆钢；预应力混凝土拉杆
131：示意图
水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆
1、结构布置方案如图2、刚性水平构件：位于拱脚处的天沟板或副跨屋盖结构（看成是一根水平放置的深梁，水平刚度足够大）3、优点：立柱不承受拱的推力，柱内力较小；室内没有拉杆
132：拱脚水平推力由山墙内的拉杆承担（北京展览馆电影厅）
133：拱脚水平推力由斜柱墩承担（图b为西安秦俑博物馆展览厅，三铰拱拱脚支于从基础斜挑2.5m的钢筋混凝土斜柱上）
134：拱脚水平推力由侧边框架承担（北京崇文门菜市场）
135：拱脚水平推力由侧边框架承担（美国敦威尔综合大厅）
136：拱脚水平推力由侧边框架承担（某体育馆）
水平推力直接作用在基础上
1、适用的拱：落地拱2、水平推力不太大或地质条件较好3、基础尺寸比较大，材料用料也较多。
137：落地拱（北京体育学院田径房） 、基础形式
第三节 拱式结构的型式
拱式结构型式
按力学计算简图分类：无铰拱、两铰拱、三铰拱 。
按应用材料分类：钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构。
按拱身截面分类：格构式和实腹式；等截面和变截面。
实腹式：截面高度可取跨度的1/801/50 ；可以作成具有曲线形的外形，通常为焊接工字型截面。 格构式：截面高度可取跨度的1/601/30
138:格构式钢拱的型式。
139：北京体育馆比赛厅（56米跨度的拱钢屋架 ） 。
140：西安秦俑博物馆展览厅（56米跨度的拱钢屋架 ） 。
大拱门（卓罗山通讯塔）：位于密西西比河畔圣路易斯市，高192米，呈倒U字形，使用886吨不锈钢建成。整个拱体就像一个三棱镜那样，是一个三面体，它的周边即使让２０个人合抱也抱不过来。拱体的外壳是用两层不锈钢板夹钢筋混凝土拼砌而成的，而拱体内部却是空心的，里面有电梯，可以乘坐它到达拱顶眺望。 设计：沙里宁 (埃罗·沙里宁)竣工时间：1965年10月
141、142、143、144：照片
德国某建筑入口处钢拱
145:照片
147：实腹式钢筋混凝土拱的型式
一般采用实腹式，拱身截面一般为矩形或工字形。也可做成折板拱、波形拱或网状筒拱，成为梁板合一的结构。
146：照片
148：折板拱(湖南省游泳馆，1969年建成；跨度：47.6m，装配式折板拱)
149：波形拱(无锡体育馆，跨度60m，钢丝网水泥双曲拱)
第四节 拱式结构的选型与布置
结构支承方式
三铰拱：静定结构，构造复杂，目前较少采用两铰拱：超静定结构，受力合理、用料经济、制作和安装比较简单，对温度变化和地基变形的适应性较好，目前较为常用。无铰拱：超静定结构，受力最为合理，但对基础要求较高，当地基条件较差时，不宜采用。
拱的矢高
1、满足使用功能和建筑造型的要求矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小;同时矢高直接决定拱的外形。2、使结构受力合理增加矢高来减小拱脚水平推力；矢高过大，拱身长度增大，拱身及其屋面覆盖材料的用量增加。3、满足屋面排水构造的要求瓦屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高较大；油毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大，则相应地矢高较小。
拱轴线方程
148：竖向均布荷载作用下计算。
拱身截面高度
钢拱\t实腹式（1/50～1/80）L， 格构式（1/30～1/60）L，钢筋混凝土拱\t （1/20～1/40）L 。
拱结构布置
并列布置：美国蒙哥玛利体育馆径向布置：环向布置：井式布置：多叉布置：法国巴黎工业技术展览中心拱环布置：
并列式布置
美国蒙哥玛利体育馆
149：照片
体育馆平面为椭圆形，各榀拱架结构的尺寸是一致的，因此一部分拱脚被包在建筑物内，而另一部分拱脚则暴露在建筑物的外部，且各榀拱脚伸出建筑物的长度是变化的，给人以明朗轻巧的感受。
交叉式布置
法国巴黎工业技术展览中心
150：示意图
工程概况：平面为三角形，边长218m，高43.6m。结构形式：屋顶为双层波形薄壁拱壳。拱壳壁厚6cm，两层之间距离1.8m，拱脚附近因压力较大拱壁加厚。拱身为钢筋混凝土装配整体式薄壁结构，为落地拱。推力由预应力拉杆承受，拉杆设在地下。
第五节 拱式结构的工程实例
上海卢浦大桥
151：照片
工程概况：2003年6月建成通车。跨度550m，世界第一拱桥。全长3900米，主桥长750米，主桥面宽28.7米，桥下净高46米 。总设计师：林元培
世界上跨度最大的钢结构拱桥：朝天门长江大桥
152、153、154：照片
工程概况：主跨长552米，全长1741米，若含前后引桥段则长达4881米，主跨为世界跨径最大的拱桥，超越上海的卢浦大桥。
世界上跨度第二的拱桥：新河峡谷拱桥NEW RIVER GORGE BRIDGE
155、156、157：照片
工程概况：1977年10月建成通车。主跨518m的上承式钢桁架拱桥。是目前同类桥型中跨径最大的钢桁拱桥，而国内同类型桥梁跨度最大的是大宁河大桥，主跨400m。总设计师：林元培
大宁河大桥
158：照片
工程概况：国内同类型桥梁跨度最大的是大宁河大桥，主跨400m。682米，上承式钢桁拱桥，2008年10月31日，沪渝高速公路重庆段重点控制工程巫山大宁河特大桥合龙。
悉尼歌剧院
伦敦证券交易所
162、164：照片
工程概况：建于1990年，长78m，横跨铁路之上设 计： SOM
163：手绘图
伦敦证券交易所的外观，无铰拱横跨78m，拱上柱承受压力，拱下柱承受拉力
165：伦敦证券交易所的主要结构系统
166：伦敦证券交易所的应力传递路径
159、160、161:照片
悉尼歌剧院，悉尼市地标建筑物，由丹麦建筑师约恩·乌松（Jorn Utzon）设计，一座贝壳形屋顶下方是结合剧院和厅室的水上综合建筑。歌剧院内部建筑结构则是仿效玛雅文化和阿兹特克神庙。该建筑1959年3月开始动工，于1973年10月20日正式竣工交付使用，共耗时14年。2007年6月28日这栋建筑被联合国教科文组织评为世界文化遗产。
起初设想那些巨大的壳片是钢筋混凝土壳体结构，经过深入研究后发现，只能将每一个壳片划分为一条条钢筋混凝土的肋券，再分段预制，然后才能组合成整体。
第五章 钢筋混凝土空间薄壁结构
1.概念
薄壁结构的概念
结构的厚度远小于长度和宽度，一般由金属或钢筋混凝土材料制成，受力特点为空间受力体系。
1.1 薄壳结构的概念
概念：壳体结构：上下两个几何曲面构成的薄壁空间结构等厚度壳：两个曲面之间的距离（壳体的厚度）处处相等薄壳：壳体的厚度远小于最小曲率半径R时称为薄壳
薄壳与平板受力比较
平板：受力主要为力矩（双向弯矩和扭矩）
薄壳：受力主要为双向轴力和顺剪力
利用其空间几何形状的合理性，空间受力实现了很大的强度和刚度 。
167：示意图
薄壳结构的特点
1.“薄”，优点：材料省，经济；自重小，适合大跨度；曲面多样化，建筑造型丰富。
2.“空间受力”，优点：内力比较均匀，强度大，刚度大；空间整体工作性能好。
3.缺点：体型复杂，现浇施工时费工费料，施工不便；板厚太小，隔热效果不够好；长期日晒雨淋容易开裂；壳伴天棚曲面容易引起室内声音反射和混响，大会堂、影剧院、体育馆等不宜采用。
168：高斯曲率
壳体的参数
169：一开口壳体的中曲面
a ： 被这个曲面所覆盖的底面最短边
壳顶： 底面以上的中曲面上的最高点O
矢高f: 壳顶到底面之间的距离
矢率：f/a；矢率很小的壳体称为扁壳
钢筋混凝土结构中，f/a≤1/5时，可按扁壳结构
1.2 薄壳结构的曲面形式
（1）旋转曲面：由一条平面曲线绕该平面内某一给定直线旋转一周所形成的曲面
170：示意图
（2）平移曲面：由一条竖向曲线（母线）沿另一条竖向曲线（导线）平行移动形成的曲面
171：椭圆抛物面
172：双曲抛物面
173：广州星海音乐厅
（3）直纹曲面：由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成
174：柱面（圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等），柱状面
175：锥形面、劈锥曲面
176：扭曲面
扭面也可以认为是双曲抛物面中沿直纹方向截取的一部分
曲面的组合
177：双曲扁壳、扭壳、柱壳、劈锥壳、锥形壳
1.3 薄壳结构的内力（计算单位：中曲面单位长度的内力）
178：壳体结构的内力、薄膜内力
薄膜内力是主要内力的条件：
（1）曲面结构壁厚满足
179：补充公式
（2）壳体曲面均匀连续变化
（3）壳体上的荷载均匀连续分布
（4）壳体各边界能沿曲面的法线方向自由移动，支座只产生阻止曲面切线方向位移的反力
1.4 薄壳结构的施工
（1）现浇混凝土壳体 特点：整体性最好；费支架和模板；曲面模板制作费料费工；混凝土质量不易保证。
（2）预制单元、高空装配成整体壳体 特点：模板量少；高空作业量大大减少，故工期短；缺点是整体抗震性能较差。
（3）地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升 特点：高空作业量减少；脚手架减少；提升时需要临时加固。
（4）装配整体式叠合壳体（钢丝网水泥薄板做模板）
（5）柔模喷涂成壳体（抗拉性能比较好的柔性材料做模板，如棉麻织物、草苇、钢丝网等）
1.5 预应力薄壳结构
预应力能够提高空间结构的刚度及抗裂性，可以连接装配式构件，节约钢筋用量，减少侧边构件的尺寸，并可创造更有利的应力分布。
先张法、后张法。
180：预应力钢筋配置图、柱面壳中预应力钢筋配置图。
2.圆顶
圆顶是正高斯曲率的旋转曲壳。
其形式有：球面壳、椭球面壳、旋转抛物面壳 。
适用于平面为圆形的建筑，如展览馆、天文馆、圆形水池的顶盖等 。
穹拱式的造型及其四周传力的受力特点，可以实现跨度很大厚度却很薄，同时壳体内力很小。—圆顶结构用料很少。
2.1圆顶的结构组成及结构型式
1）壳身结构
181：示意图
组成：壳身、支座环、下部支撑。
平滑圆顶
最常见
肋形圆顶
采光要求；集中力时；厚度太小；装配整体式结构时
多面圆顶
建筑平面为正多边形时
182：意大利 佛罗伦萨 /圣玛利亚白花大教堂：（文艺复兴时期）、（世界上第一座大圆顶） 。
2）支座环
作用：组织裂缝开展；保证壳体处于受压工作状态；实现结构的空间平衡。
183：横截面型式
3）支撑结构
支座环承担径向推力的水平分量，竖向支撑承担径向推力的竖直分量 。
支撑在竖向承重结构上（墙、柱等） 。
支撑在斜柱或斜拱上 。
184、185:示意图
优点：平、立面布置灵活，表现力比较强
缺点：柱脚或拱脚使基础受到水平推力
支撑在斜柱或斜拱上 .
186：复式斜拱支撑。
187：单式斜拱和交叉形斜柱支撑。
支撑在框架上 .
188：泰姬陵
由框架将水平推力传给基础。框架要有足够刚度。
直接落地并支撑在基础上 。
189：示意图
球壳边缘全部落地，基础同时作为受拉支座环梁；割球壳，基础必须能够承受水平拉力（可以在各基础之间设拉杆平衡）
2.2 圆顶的受力特点
1）圆顶的破坏图形
190：示意图
均布竖向荷载作用下，球壳上部承受环向压力，下部承受环向拉力由于砖砌体或混凝土的抗拉强度较低所以，球壳首先在圆顶下部沿经向出险多条裂缝此时支座环内的钢筋发挥作用荷载进一步加大，钢筋屈服，圆顶破坏 。
2）圆顶的薄膜内力
191：示意图
单位环向弧长的经向轴力
单位经向弧长的环向轴力
球形圆拱在自重作用下薄膜内力沿经线的变化
192：受力示意图
3）支座环的受力
193：示意图
壳身在支座环处的经向轴力N1全部直接传给下部结构，支座环拉力为零 。
利用薄膜内力N1计算。
194：利用薄膜内力N2计算
2.3 圆顶工程实例
罗马小体育馆
195、196、197：照片
巨大荷叶似的屋顶。反扣在36根丫形斜倾的柱子上，整个屋顶采用棱形槽板拼接而成，其用去了大大小小厚度只有25毫米的棱形槽板1620块。在槽板与槽板之间的空隙放上钢筋，再浇上混凝土，形成拱助。 槽板上面再浇上一层40毫米的钢筋混凝土，加强穹拱的整体性，同时作为防水层。
为什么又单单要用36根支柱呢？因为圆屋顶最外圈正好108 块槽板，用36个斜撑， 则刚好使每二块有一个斜撑，而且丫形柱是倾斜的，顺着拱的力线把拱的推力传到埋在地下的环形基础上去。穹顶的外缘皱折成波形，防止产生不利的弯矩，同时又加大了窗子的高度，取得了优美的视觉效果，这样更显示出体育用的效果。
这棱形的槽板和交叉细细的弧形助形成一个精致的图案，像一朵凹凸相间的葵花。整体看去，就像蛋壳一样一张巨大半透明的网笼罩着，当人从室内向外看去，就像人坐在空中一样。那浅灰色的丫形斜撑，好像就用一个小小的指头支撑着屋顶，整个穹拱仿佛悬浮在空中，似乎观众一阵掌声就能把它送到九霄云外去。
1.钢筋混凝土网肋扁球壳结构，球壳直径59.13m
2.球壳采用装配整体式叠合结构1620块预制钢丝网水泥菱形构件作为模板，现浇上混凝土，成为肋形球壳。
3.壳肋支撑在36根Y形斜柱上斜柱的倾角与壳底边缘经向切线方向一致，把推力传入基础。
德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅
198：照片
1.球形建筑，正六边形割球壳，球壳半径50m，矢高25m，底平面为正六边形 。
2.球壳支撑在六个点上，支撑点之间、球壳的边缘是拱券形。
3.球壳切口由边缘桁架支撑，跨度为43.3m。
美国麻省理工学院礼堂
199：照片
1.屋顶为球面薄壳，薄壳曲面由1/8球面构成，是由三个与水平面夹角相等且通过球心的大圆从球面上切割的 。
2.平面形状为48m*41.5m的曲边三角形 。
3.壳面荷载通过薄壳的三个边传至支座。
新疆某机械厂金工车间采用的薄壳结构
200：照片
直径为60m。
清华大学礼堂
201：照片
3.筒壳和锥壳
3.1 筒壳的结构组成
202、203：知识点
侧边构件的作用：与壳身共同工作，整体受力。一方面作为壳体的受拉区域集中布置纵向受拉钢筋，另一方面可以提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移和水平位移。
侧边构件常见的截面型式.
204：图示
1.最经济
2.适用于边梁下有墙或中间支承的建筑
3.适用于小型筒壳
4.边梁可兼作排水沟
横隔的作用：作为筒壳的横向支撑，承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构去。有没有横隔是筒壳结构与筒拱结构的根本区别。
常见的筒壳横隔型式
205：图示
1.变高度梁，适用于波长不大的壳体。
2.拱架，常用于竖向荷载基本对称的壳体。
3.弧形桁架，波长较大时，使用比较经济。
4.刚架，波长不大及带有承受水平推力的附属建筑。
物中使用，净空间较大，用料较多。
3.2 筒壳的受力特点
206:示意图
横向：与拱类似，壳身产生环向压力纵向：与梁类似，把上部竖向荷载传递给横隔
三种情况
长壳：L1/L2≥3
横向拱的作用小；纵向梁传力显著。近似梁作用，按梁理论计算。
短壳:L1/L2≤1/2
横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。近似拱作用内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算。
中长壳：1/2≤L1/L2≤3
拱和梁的作用都明显；存在薄膜内力和弯曲内力，按弯矩理论或半弯矩理论计算。
207：不同情况传力分析
3.3 筒壳的工程实例
美国田纳西州金贝尔艺术馆
208、209、210、211：照片
212：平顶过渡带（管道空间）
1.现浇钢筋混凝土结构
2.三组连续平行的拱壳
3.每个拱壳6.5m*30m
山西平遥棉织厂
213、214：照片、结构示意
1.三个平行的锥壳屋顶
2.带肋的预制装配式结构
3.每个锥壳36m*12m每个预制单元12m*1.8m
同济大学大礼堂
215：照片
1.钢筋混凝土联方网格型筒壳结构
2.预制杆件，高空拼装并现浇节点混凝土
3.平面40m*56m ，矢高8-8.5m
巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅
216：图文说明
217：坍塌报告主要结论
日本的壳体别墅
218：照片
4.双曲扁壳
219、220：结构示意
双曲扁壳的概念：薄壳的矢高f与被其覆盖的底面最短边a之间的比值f/a≤1/5的壳体。又称为微弯平板。
优点：矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济；平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。
4.1 双曲扁壳的结构组成
壳身
光面或带肋两种 ，通常采用抛物线平移曲面。
边缘构件
带拉杆的拱或者拱形桁架 跨度较小时用等截面或变截面的薄腹梁
主要承受壳板边缘传来的顺剪力
4.2 双曲扁壳的受力特点
三个受力区
1.中央区：
主要承受双向轴压力，按构造配筋，洞口开在此区。主要承受正弯矩，壳体下表面受拉，布置钢筋。
2.边缘区：壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小。
3.四角区：主要承受顺剪力，主应力为拉力——配45度斜筋；主应力为压力——局部增大混凝土厚度。
4.3双曲扁壳的工程实例
北京火车站
221：照片
中央大厅顶盖、检票口通廊——双曲扁壳。
中央大厅顶盖：35m*35m，f=7m，厚度80mm；四周有拱形高窗，采光充分。
检票口通廊：五个双曲扁壳，中间的为21.5m*21.5m，其余16.5m*16.5m，失高3.3m，厚度60mm，每个顶盖均可采光。
北京网球馆
222：示意图
5.扭壳
双曲抛物面概念：凸向相反的两条抛物线，一条沿着另一条平移而成
223：示意图
优点：（1）稳定性好：上凸方向如同薄拱，受压；下凹方向如同拉索，受拉。避免了屈曲失稳，提高了结构稳定性。因此壳板可以很薄。 （2） 经济技术指标好；属于直纹曲面，配筋和模板制作简单，节省材料。
5.1 双曲抛物面扭壳的结构组成和型式
组成：壳板和边缘构件
224：型式
225：扭壳屋盖式样
5.2 双曲抛物面扭壳的受力特点
（1）壳板
只有有顺剪力，平行于直纹方向
顺剪力产生的主拉或主压应力，下凹——受拉“索”；上凸——受压“拱”。
226：示意图
整个扭壳看成一系列受拉索与一系列受压拱组成的曲面组合结构
（2）边缘构件
227：四坡屋顶
228：单块扭壳屋盖
229：落地拱单块扭壳屋盖
5.3 工程实例
大连海港转运仓库
230：示意图
华南理工大学体育馆
231：照片
232：图文说明
美国路易航空港候机室
233：图文说明
墨西哥霍奇米洛餐厅
234：图文说明
6.折板
折板结构的工程实例
235：图示
236:照片
折板
折板结构是把若干块薄板以一定的角度连接成整体的空间结构体系。
折板结构具有筒壳结构的受力优点，构造简单、施工方便、模板消耗少，应用广泛。
1.折板结构的组成
237：结构示意图
折板结构一般由折板、边梁和横隔三部分组成。
两个横隔之间的间距称为跨度，两个边梁之间的间具为波长。
1.折板结构的型式
折板结构的型式可分为有边梁的和无边梁的两种。
折板按截面形式分有折线多边形、槽形、V形折板等。
按跨数分有单跨、多跨及悬臂折板。
按覆盖平面分有矩形、扇形、环形及圆形的平面折板。
按所用材料分有钢筋混凝土梁折板、预应力混凝土折板及钢纤维混凝土折板。
2.折板结构的截面形式
238：图示
3.折板结构的施工分类
折板结构可分为现浇整体式、预制装配式和装配整体式。
折叠式预制V型折板（预应力、非预应力），在折板转折处将板边伸出的钢筋连接好，再用细石混凝土灌缝形成整体V型折板屋盖结构。
2.折板结构的受力特点及计算要点
根据结构受力特点的不同，折板结构分为长折板和短折板两类。当跨度/波长≥1时为长折板，当跨度/波长≤1时为短折板。
短折板受力性能类似与短筒壳，双向受力，计算复杂，工程中不常用。
长折板受力性能类似于长筒壳。
对于边梁下无中间支承且跨度/波长≥3的长折板，可沿横纵向分别按梁理论计算。
3.折板结构的构造
折板一般都是等厚度的薄板。
跨度一般为9~18米，预应力混凝土V形折板的跨度可达27米。
折板的倾角大于或等于25°，板与板的夹角为60~160°。
板厚35~60毫米，板厚大于板宽的1/50，板面连接处称为折缝。
板宽一般区跨度的1/4~1/2.5，不宜大于3~3.5m。
边梁一般为矩形截面梁，梁宽宜取折板厚度的2~4倍。
1.影响折板结构型式的主要参数
239：图文说明
2.装配整体式V型折板
240：图文说明
4.折板结构的工程实例
巴黎联合国教科文组织总部会议\u000B大厅
241、242：照片、图示说明
美国伊利诺大学会堂
243、244、245：照片、图示说明
湖北黄石新体育馆空间折板式结构
246、247：照片
国家网球馆16个V形钢柱
248、249：照片
7.雁形板
雁形板是一种梁板合一的结构，是以T形板和V形板为基础而形成的一种新的结构型式，以其形似飞雁而命名。
250：照片
1.雁形板的截面形式
251：图示
雁形板可分为普通型、加肋形、拉杆三类。
2.雁形板的结构型式
雁形板可以像V形折板或T形板一样进行结构布置，形成各种结构方案。
252：图示
3.雁形板的受力特点
253：受力图示
纵向：V形截面梁。
横向：复杂，施工和使用状态完全不同。
形成屋盖前为悬臂状态。
形成屋架后为一段固定一段简支梁。
shigong阶段设置临时拉杆，使两个状态接近。
4.雁形板结构的构造
254：图文说明
8.幕结构
由若干块三角形或梯形薄板连接成的整体的空间薄壁结构。具有锥台的外形，覆盖正方形或矩形的底面。
受力比较合理，制作方便，适用于中小跨度的建筑。
1.幕结构的组成
255：图示
幕结构由折板、侧边构件和下部支撑构件所组成。
折板一般做成平板，当跨度较大时（大于7m），可做成带肋的。
256：图示
幕结构可以沿四边或两对边支承，也可以四角支承。（承重墙、柱）
当采用柱支撑时，为改善支撑点的局部承压，可在顶住设柱帽，或柱上板带，或把斜棱加宽。
257：图示
侧边构件一般采用矩形或L形截面梁。
当支撑在墙上时，应设置水平板状边梁。当支承在柱子上时，则可设置倒L形边梁。
侧边梁内可布置多跨连续的预应力钢筋。
2.幕结构的受力特点及计算
试验结果分析，多跨幕结构可不考虑其连续性，仍按单个空间结构计算。
258：图示
当幕结构四角支承于可动铰支座上时，破坏形态沿跨中断裂。
当幕结构沿四边支承时，破坏时自角部向上开裂，分为五个刚性板。
第六章 平板网架结构
教学要求：掌握平板网架的结构体系及其形式分类，熟悉网架结构的支承方式、网架结构的受力特点及其选型、网架结构主要尺寸的确定，熟悉网架结构的构造
概述
网架结构的应用范围：1.体育建筑 2.公共建筑 3.单层工业厂房4.飞机库 5.加油站 6.收费站 7.其它
平板网架结构的优点：
平板网架为多向受力的空间结构；网架结构整体刚度大、稳定性好，具有良好的抗震性能；平板网架为无水平推力或拉力的空间结构，便于下部承重结构的布置；网架结构应用范围广泛，平面布置灵活；网架结构的制作安装容易实现工厂化、标准化；网架结构占用空间小，使用方便，经济合理；网架结构造型多样，轻巧，大方。
平板网架的结构体系及其形式
259：斜腹杆应布置成使杆件受拉方向比较有利
斜腹杆应布置成使杆件受拉方向比较有利
双层网架的常见形式
交叉桁架体系网架
平面桁架网架
两向正交正放网架
260：图示
两向节间宜布置成偶数。 支承平面内应设置斜杆，传递水平荷载。
两向正交斜放网架
261：图示：有角柱、无角柱
各榀桁架刚度各异，形成良好空间作用
两向斜交斜放网架
262：图示
适用于矩形平面，构造复杂，受力欠佳，有特殊建筑要求时采用
三向交叉网架
263：图示
单向折线形网架
264：图示
由一系列平面桁架斜交成V形，也可看成正放四角锥网架取消了纵向上下弦杆单向受力，不需要支撑周边增设部分联系杆件，增加整体刚度，构成空间结构)
角锥体系网架
265：角锥体网架——上弦杆、下弦杆、腹杆
四面锥体系网架
正放四角锥网架
265：图示
受力均匀，空间刚度大，应用最广 。
正放抽空四角锥网架
266：图示
杆件数目少、构造简单、经济效果好 弦杆件受力不均匀，刚度较小，用于较小跨度、轻屋面、无吊顶
斜放四角锥网架
267：图示
上弦杆短、下弦杆长、节点构造简单 应用较广泛
棋盘四角锥网架
268：图示
斜放四角锥网架水平转动45度 上弦杆短、下弦杆长 周边满锥时，刚度较好 屋面构造简单
星形四角锥网架
269：图示
上弦杆短、下弦杆长、竖杆受压、内力等于上弦节点荷载 刚度稍差、适用于中小跨度的周边支承
三角锥体系网架
270：图示
三角锥网架
271：图示
受力均匀，空间刚度大 适用于大中跨度及重屋面的建筑物
抽空三角锥网架
272：图示
整体刚度较差 适用于中小跨度的轻屋面的建筑物
蜂窝形三角锥网架
273：图示
节点汇交6根，简化节点构造 上弦平面六边形，增加屋面板布置和找坡的困难 适用于中小跨度的周边支承网架，用于六边形、圆形和矩形平面
六角锥体系网架
网架结构的支承方式
周边支承网架
274：图示
传力直接、受力均匀，支座支承于柱顶或连梁，最常见
三边或两边支承网架
275：三边支承网架、两边支承网架
自由边的存在对网架内力分布和挠度都不利 在飞机库、影剧院、工业厂房、干煤棚等中应用
单边支承网架
276：图示
受力与悬挑板相似 多用于挑篷结构
点支承网架
277：图示
278：柱帽形式
受力与无梁楼盖相似
周边支承与点支承相结合的网架
279：图示
可有效地减少网架杆件的内力峰值和挠度 适用于大柱网工业厂房、仓库、展览馆等
网架的支承位置
280：上弦支承、下弦支承、混合支承、下弦支承
网架结构的受力特点及其选型
网架的选型应根据建筑平面形状和跨度大小、支承方式、荷载大小、屋面构造和材料、制作方法等方面因综合确定
矩形平面、周边支承：长宽比小于或等于1.5时，宜选用斜放四角锥、棋盘形四角锥、正放四角锥网架，也可以考虑两向正交斜放网架，两向正交正放网架。
当边长比大于1.5时，宜先用两向正交正放网架，正放四角锥网架和正放抽空四角锥网架。当平面狭长时，可采用单向折线形网架。
正放四角锥网架钢量较其他网架高，但杆件标准化程度比其他网架好，目前采用较多。对于中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形三角锥网架。
对于平面形状为矩形、点支承情况，宜采用两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架。
对于平面形状为圆形、多边形等，宜采用三向网架，三角锥网架，抽空三角锥网架。
对于大跨度建筑，实际工程的经验证明，三角锥网架和三向网架其耗钢量反而比其他网架省。
对于矩形平面，三边支承或二边支承情况，只要对开口边进行处理，即可按四边支承情况选用网架形式。开口边有两种处理方法，一是将整个网架的高度适当增高，开口边杆件的截面加大，使网架整体刚度得到改善；另一种方法是在其开口边局部增加网架层数。
网架结构的主要尺寸的确定
网架高度与 （1）屋面荷载和设备尺寸；（2）平面形状；（3）支承条件；（4）建筑尺寸要求（包括跨度）等因素有关
网格尺寸取决于屋面材料的选用，若屋面采用无檩体系，即采用钢丝网水泥板或带肋钢筋混凝土屋面板，网格尺寸不宜超过4m，否则屋面板将很笨重；如采用有檩体系，受檩条经济跨度影响，网格尺寸不宜超过6m。
网格尺寸（s）与网架高度（h)有密切关系，s/h之比越大，斜腹杆与上、下弦平面夹角越小，通常应使斜腹杆与弦杆夹角为40° 55 °。网格尺寸和网架高度都与网架跨度、支承情况、建筑平面、屋面材料、荷载大小等因素有关。
281:网架的上弦网格数和跨高比（优化结果）
网架结构的构造
网架屋面排水坡的形成
282:网架整体起拱、网架变高度、设短柱支托。
设短柱支托构造简单，是采用较多的找坡方法 。
网架容许挠度与起拱度
节点构造
283：节点构造 Joint Detail
284、285：螺栓球节点
286：焊接球节点
287：节点板螺栓节点
288：节点板焊接节点 、相贯连接
289：毂式节点
290：铸钢节点
291、292：胶合木构件的节点连接
网架结构的工程实例
首都体育馆 The Capital Gymnasium
293、294：照片
上海体育馆 Shanghai Gymnasium
295：照片
上海游泳馆 Shanghai Swimming Hall
296：照片
网架吊装 Lift of the Space Truss
297、298、299：现场施工图
深圳市体育馆 Shenzhen Gymnasium
300：照片
北京机场四机位库 Beijing Airport Hangar
301：照片
北京纸箱厂 An Example of Industrial Building
302：照片
第七章 网壳结构
7.1 概述
网壳结构：杆件按一定规律布置，通过节点连接而成的曲面状空间杆系结构；网壳结构，即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构。其外形为壳，其构成为网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。
网壳结构优点：（1）网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。 （2）曲面形式，丰富的造型，通过使结构明暗对比、虚实对比。（3）由于杆件尺寸与整个网壳结构相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性连续体，用薄壳结构分析结果进行定性的分析。（4）网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。
网壳结构缺点：（1）杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响大，结构设计困难；（2）当矢高大时，增加了屋面面积和不必要的建筑空间，耗材、耗能；（3）杆件主要承受压力，存在稳定问题，材料强度不能充分发挥，跨度过大时不经济。
网壳结构的分类
1、按层数分单层网壳：适合中小跨度（≤40米）双层网壳：具有较高的稳定性和承载力，可有效利用空间，方便天花或吊顶构造。
303：示意图
2、按曲面形式分单曲面：筒网壳（柱面壳）双曲面：球网壳／扭网壳
304：示意图
网壳结构的分类
柱面网壳
单层柱面网壳
单斜杆柱面网壳
弗普尔柱面网壳
交叉斜杆型柱面网壳
联方网格型柱面网壳
三向网格型柱面网壳
双层柱面网壳
交叉桁架体系
四角锥体系
正放四角锥柱面网壳
抽空正放四角锥柱面网壳
斜置正放四角锥柱面网壳
三角锥体系
三角锥柱面网壳
抽空三角锥柱面网壳
球面网壳
单层球面网壳
肋环型球面网壳
施威德勒球面网壳
联方型球而网壳
三向网格型球面网壳
凯威特型球面网壳
短程线球面网壳
双层球面网壳
角锥体系
肋环型四角锥球面网壳
联方型四角锥球面网壳
联方型三角锥球面网壳
平板组合式球面网壳
7.2 筒网壳结构
7.2.1 单层筒网壳
筒网壳也称为柱面网壳，是单曲面结构，其横截面常为圆弧形，也可采用椭圆形、抛物线形和双中心圆弧形等。
按网格形成及排列方式分类：
（a）联方型
联方型筒网壳受力明确，屋面荷载从两个斜向拱的方向传至基础，简捷明了。室内呈菱形网格，犹如撒开的渔网，美观大方。其缺点是稳定性较差，由于网格中每个节点连接的杆件数少，故常采用钢筋混凝土结构；
（b) 弗普尔型
弗普尔型筒网格和单斜杆型筒网壳结构形式简单，用钢量少，多用于小跨度或荷载较小的情况；
（c）单斜杆型
（d）双斜杆型
双斜杆型筒网壳和三向网格型筒网壳具有相对较好的刚度和稳定性，构件比较单一，设计及施工都比较简单，可适用于跨度较大和不对称荷载较大的屋盖中。
（e）三向网格型
增强结构刚度措施：
端部设横向端肋拱
中部设横向加强肋拱
设置下部支撑结构
310：上海某中学体育馆三向网格型单层筒网壳屋盖
308：单层筒网壳的形式
新青岛火车站
305、306、307：照片
悉尼国际水上运动中心
309：照片
7.2.2 双层筒网壳
（1）按几何组成规律分类
a、平面体系双层筒网壳;
b、四角锥体系双层筒网壳;
c、三角锥体系双层筒网壳。
311：双层筒网壳的形式
（2）按弦杆布置方向分类
与平板网架一样，双层筒网壳主要受力构件为上、下弦杆，因此可按上、下弦杆的布置方向分成三类。
1）正交类双层筒网壳：正交类双层筒网壳的上、下弦杆与网壳的波长方向正交或平行。图中两向正交正放、折线形、正放四角锥、正放抽空四角锥网壳等属于这一类结构。
2）斜交类双层筒网壳：斜交类双层筒网壳的上、下弦杆与网壳的波长方向可形成任意夹角。只有两向斜交斜放网壳属于这一类结。
3）混合类双层筒网壳：混合类双层筒网壳的部分弦杆与网壳的波长方向正交，部分斜交。图中除上述6种外均属于这一类结构。
312： 北京体育大学网球竞技馆
313：正放四角锥形双层网壳结构实例
7.2.3 筒网壳结构的受力特点
正交类网壳的外荷载主要由波长方向的弦杆承受，纵向弦杆的内力很小。很明显结构是处于单向受力状态，以拱的作用为主，网壳中内力分布比较均匀，传力路线短。
斜交类网壳的上、下弦杆是与壳体波长方向斜交的，因此外荷载也是沿着斜向逐步卸荷的，拱的作用不是表现在波长方向，而是表现在与波长斜交的方向。通常最大内力集中在对角线方向，形成内力最大的“主拱”，主拱内上、下弦杆均受压。
混合类网壳受力比较复杂。
7.2.4 筒网壳结构的支承
网壳结构的受力与其支承条件有很大关系。网壳结构的支承一般有两对边支承、四边支承、多点支承等。
1）两对边支承
两对边支承的筒网壳结构，按支承边位置的不同，有两种情况：
1、 当筒网壳结构以跨度方向为支座时，即成为筒拱结构，拱脚常支承于墙顶圈梁、柱顶连系梁，或侧边桁架上，或者直接支承于基础上，为解决拱脚推力问题，可采用以下四种方案：
（1）设拉杆：柱间拉杆的间距为网格纵向尺寸的倍数，一般为1.5~3m。（2）设墙垛：为取消室内拉杆，可用斜墙垛来抵抗拱脚推力。（3）设斜柱、墩：把柱轴线按斜推力方向设置来承受侧向推力。（4）拱脚落地：即采用落地拱式筒网壳，其斜推力直接传入基础，故用料最为经济，但对基础要求较高。
2、当筒网壳结构在波长方向设支座时，网壳以纵向梁的作用为主。
这时网壳的端支座若为墙，应在墙顶设横向端拱肋，承受由网壳传来的顺剪力，成为受拉构件，其端支座若为变高度梁，则为拉弯构件。
梁式筒壳的纵向两侧边应同时设侧边构件，如设置边梁或边桁架。最简单的方法是在拱脚部分网壳边设纵向长网肋构成边桁架，可垂直设置或水平设置，一般以水平设置为佳，当跨度大时，可在拱脚做成三角形截面的立体边桁架。
2）四边支承与多点支承
四边支承或多点支承的筒网壳结构可分为短壳、长壳和中长壳。
筒网壳的受力同时有拱式受压和梁式受弯两个方面，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。
短网壳的拱式受压作用比较明显，而长网壳表现出更多的梁式受弯构件，中长壳的受力特点则界于两者之间。由于拱的受力性能要优于梁，因此在工程中多采用短壳。
长网壳结构时，可在筒网壳纵向的中部增设加强肋。
如黑龙江省展览馆某屋盖，采用了三向单层筒网壳结构。网壳的波长S=20.72m，跨度L=48.04m，矢高为6m。在跨度方向中间设了两个加强拱架，将长壳转化为两个短壳，如图所示。
314：黑龙江省展览馆某网壳屋盖（a）网壳平面图；(b)边拱架；(C)加强拱架
315、316、317：同济大学大礼堂
318：照片
7.3 球网壳结构
球网壳的关键在于球面的划分。球面划分的基本要求有二：（1）构件规格尽可能少，以便制作与安装；（2）形成的结构必须是几何不变体。
7.3.1 单层网壳
1）肋环型网格
只有经向杆和纬向杆，无斜杆，大部分网格呈四边形，其平面图酷似蜘蛛网。
节点一般为刚性连接。
319：肋环型球面网壳
2）施威特勒型网格
经向网肋、环向网肋和斜向网肋构成。规律性明显。
刚度较大，能承受较大非对称荷载，可用于大中跨度穹顶。
320：施威特勒型网格
3）联方型网格
由左斜肋与右斜肋构成菱形网格，也可加设环向肋，形成三角形网格。
特点是没有径向杆件，规律性明显，造型美观，仰视，像葵花一样。其缺点是网格周边大，中间小，不够均匀。
联方型网格网壳刚度好，可用于大中跨度的穹顶。
321：联方型网格
322：中国科技馆球形影院
4）凯威特型网格
凯威特型网格其选用n根（n为偶数，且不小于6根）通长的径向杆将球面分成n个扇形曲面，然后在每个扇形曲面内用纬向杆和谐向杆划分成比较均匀的三角形网格。
在每个扇区中各左斜杆相互平行，各右斜杆也相互平行，故亦称为平行联方型网格。这种网格由大小均匀，避免了其它类型网格由外向内大小不均的缺点，其内力分布均匀，刚度好，故常用于大中跨度的穹顶中。
323：凯威特形网格
324：大庆林源炼油厂多功能厅屋盖
图为大庆林源炼油厂多功能厅屋盖，采用1/3球形，落地直径为30m，矢高10m。采用单层钢网壳结构，网壳呈凯威特形网格，曲率半径16.05m，设计跨度25.6m，矢高6.2m。网壳下部的承重结构为12个钢筋混凝土支架，支架上部设圈梁连接成整体，网壳边节点全部与圈梁整浇。
5）三向网格型
由竖平面相交成60度的三族竖向网肋构成，如图所示。其特点是杆件种类少，受力比较明确。可用于中小跨度的穹顶。
325：三向网格型
6）短程线型网格
所谓短程线，是指球面上两点间最短的曲线，这条最短的曲线必定是位于由该两点球心所组成的平面与球面相交的大圆圆周上。
326：短程线型网格
圆球内接的最大正多面体是正二十面体，把内接正二十面体各边正投影到球面上，把球面划分成二十个全等的球面正三角形，其分割线在球面上所形成的网格，是杆长规格最少且杆长最短的球壳网格。
通过不同的划分方法，可以得到三角形，菱形、半菱形、六角形等不同的网格形式。二次划分后的所有小三角形虽不完全相等，但相差甚微（图c）。
因此，短程线形网格规整均匀，杆件和节点种类在各种球面网壳中是最少的，适合于在工厂大批量生产。
短程线网格穹顶受力性能好，内力分布均匀，传力路线短，而且刚度大，稳定性好，因此具有良好的应用前景。
327：单层短程线球网壳实例
7)双向子午线网格
双向子牛线网格是由位于两组子午线上的交叉杆件所组成，如图所示。它所有杆件都是连续的等曲率圆弧杆，所形成的网格均接近方形且大小接近。该结构用料省，施工方便，是经济有效的大跨度空间结构之一，已被用作许多石油及化学品储藏罐的顶盖。
328：双向子午线网格
8)混合型
329、330、331、332、333：上海科技馆
7.3.2 双层球网壳
1）双层球网壳的形成
334：短程线型的双层球面网壳
当跨度大于40m时，不管是从稳定性还是从经济性的方面考虑，双层网壳要比单层网壳好得多。双层球壳是由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成。各层网格的形成与单层网壳相同，对于肋环型、施威特勒型、联方型、凯威特型和双向子牛线型等双层球面网壳，通常多选用交叉桁架体系。三向网格型和短程线型等双层球面网壳，一般均选用角锥体系。
第一种是内外两层节点不在同一半径延线上，如外层节点在内层三角形网格的中心上，则可以形成六边形和五边形，内三角形的划分（图a）；第二种是内外两层节点在同一半径延线上，实际上是两个划分完全相同但大小不等的单层网壳通过腹杆连接而成，（图b）是抽掉部分外层节点时的情形。
凯威特型和有纬向杆的联方型双层球面网壳也可选用角锥体系，短程线型的双层球面网壳，根据内外层球面网格划分形式的不同，可以得到常见的两种连接方式。
335：北京科技馆穹幕影院 ——（a）总体；(b)内层；(c)外层
北京科技馆穹幕影院为内经32m，外径35m，高25.5m的四分之三双层球面网壳，内层采用6频划分的完整的短程线穹顶，外层则是内层径向沿伸并抽掉一部分外层杆件和节点形成六边形与五边形组合图案，见图。
336：双层联方型
337：双层短程线型
2）双层球网壳的布置
338:球网壳厚度的变化
（1）从支承周边到顶部，网壳的厚度均匀地减少；（2）网壳的下部为双层，顶部为单层；（3）网壳的大部分为单层，仅在支承区域为双层；（4）在双层等厚度网壳上大面积抽空布置。
已建成的双层球网壳大多数是等跨度的，即内外两层壳面是同心的。但从杆件内里分布来看，一般情况下，周边部分的杆件内力大于中央部分杆件的内里。因此，在设计时，为了使网壳既具有单双层网壳的主要优点，又避免它们的缺点，既不收单层网壳网壳稳定性控制，又能充分发挥杆件的承载力，节省材料，可采用变厚度或局部双层网壳。
339、340:老山自行车馆网壳结构剖面
341、342：济源体育馆屋盖球网壳结构平面图
343：济源体育馆屋盖结构剖面图
7.3.3 球网壳结构的受力特点
球壳具有内在的有效性，可使自重降到最小；
从理论上讲，半球壳结构在竖向均布荷载作用下环梁内拉力为零，非半球壳结构则可通过设置斜向支承结构直接平衡球壳内的水平拉力。但一般情况下，设置环梁有利于增强结构的刚度。
随网壳支座约束的增强，球网壳内力逐渐均匀，且最大内力也相应减小，同时整体稳定系数也不断提高。因此球网壳周边支座节点以采用固定刚接支座为宜。
球网壳应沿其边缘设置连续的支承结构。
7.4 扭网壳结构
扭网壳位直纹曲线，壳面上每一点可作两根互相垂直的直线。因此，扭网壳可以采用之线杆件直接形成，采用简单的施工方法就能准确的保证杆件按壳面布置。由于扭网壳为负高斯曲壳，可避免其他扁壳所具有的聚焦现象，能产生良好的室内声响效果。扭网壳造型轻巧活泼，适应性强，很受建筑师和业主的欢迎。
7.4.1 单层扭网壳
344：单层扭网壳的网格形式
单层扭网壳杆件种类少，节点连接简单，施工方便。单层扭网壳按网格形式的不同，有正交正放网格和正交斜放网格两种。如图所示。
图a、b所示杆件沿两个直线方向设置，组成的网格为正交正放。在实际工程中，一般都在第三个方向再设置杆件，即斜杆，从而构成三角形网格。图a所示为全部斜杆沿曲面的压拱方向布置。
图b所示为全部斜杆件沿曲面的拉索方向布置。这两种形式应用较多。
图c所示为杆件沿曲面最大曲率方向设置，组成的网格为正交斜放。此时杆件受力最直接。但其中由于没有第三方向的杆件，网壳平面内的抗剪切刚度较差，对承受非对称荷载不利。改善的办法是在第三方向全部或局部地设置直线方向的杆件。
345：益阳市人民法院公判厅屋盖
346：宜春地区医院门诊大厅屋盖
为宜春地区医院门诊大厅屋盖，平面尺寸为48m×18m，采用两个18m×18m的扭壳，每个网壳中三个角点，如图中的bac与egh均在同一标高上，中间角点d与f下降7.35m。采用焊接角钢单层网壳结构，杆件与边界成45度斜放，网格为1.149m×1.149m，耗钢量17.kg/㎡。
7.4.2 双层扭网壳
347：双层扭网壳的网格
双层扭网壳结构的构成与双层筒网壳结构相似。网格的形式与单层扭网壳相似，也可分为两向正交正放网格和两向正交斜放网格，见图。为了增强结构的稳定性，双层扭网壳一般都设置斜杆形成三角形网格。
1)两向正交正放网格的扭网壳：
1)两向正交正放网格的扭网壳：两组桁架垂直相交且平行或垂直于边界。这时每榀桁架的尺寸均相同，每榀桁架的上弦为一直线，节间长度相等。这种布置的优点是杆件规格少，制作方便。缺点是体系的稳定性较差，需设置适当的水平支撑及第三向桁架来增强体系的稳定性并减少网壳的垂直变形，而这又会导致用钢量的增加。
2)两向正交斜放网格的扭网壳:
348、349、350、351、352： 北京体育学院体育馆
图为北京体育学院体育馆，屋盖结构为四块组合型扭网壳，采用了正交正放网格的双层扭网壳结构。建筑平面尺寸59.2m×59.2m，跨度52.2m，挑檐3.5m，四角带落地斜撑，矢高3.5m，网格尺寸2.90m×2.90m。整个结构桁架中上、下弦等长、竖腹杆也等长，大大简化了网壳的制作与安装。
353、354、355：四川省德阳市体育馆
图为四川省德阳市体育馆，屋盖平面为菱形，边长74.87m，对角线长105.80m，四周悬挑，两翅角部位最大悬挑长度为16.5m，其余周边悬挑长度为6.60m。屋盖结构为两向正交斜放网格的双层扭网壳。网壳去面矢高14.5m，最高点上弦球中心标高32.1m，屋盖复盖平面面积为5575.68㎡。网壳上面铺设四棱锥形GRC屋面板，构成了新颖、美观、别具一格的建筑造型。
356、357、358、361： 北京石景山体育馆
图为北京石景山体育馆。该建筑平面是边长为99.7m的正三角形，屋盖有三片四边形的双曲抛物面双层钢网壳组成，各网壳支承在中央的三叉形格构式钢刚架和外缘的钢筋混凝土边梁上。每片网壳由两组立方的直线形平行弦桁架组成基本网格，再加上第三方向（网格的对角线方向）的桁架（不再是直线形），形成完整的网壳。网壳的厚度为1.5m。三叉形刚架的每个叉梁由箱形截面的立体型钢桁架组成，与钢筋混凝土刚架方案比较，其优点是自重轻、温度应力小、便于制作安装、施工工期短。整个屋盖结构体系受力明确，刚架拔地而起形成三足鼎立之势，而网壳的三个角高高翅起，呈现出展翅欲飞的建筑造型。
网架沿平行于四边形边长方向布置时，天棚分格比较简洁，但在局部荷载和风荷作用下会产生一定的弯矩和扭矩，所以这样布置的网壳一般应布置成双层网壳，即网壳有上、下两层弦杆，中间设有斜杆。宏观来看，就象两个方向交叉布置的桁架，每个网架上的荷载都传给周围的四边形边框，最后传给基础。四边形边框翘起的三个角，正好是体育馆的三个入口。
359：斜柱两肢间开天窗
360：石景山体育馆 斜柱柱脚
362、363：湖南游泳跳水馆
7.4.3 扭网壳结构的受力特点
单层扭网壳本身具有较好的稳定性，单其出平面刚度较小，因此控制扭网壳的挠度成了设计中的关键。
在扭网屋脊处设加强桁架，能明显地减少屋脊附近的挠度，但随着与屋脊距离的增加，加强桁架的影响则下降。由于扭网壳的最大挠度并不一定出现在屋脊处，因此在屋脊处设加强桁架只能部分地解决问题。
边缘构件刚度对于扭网壳的变形控制具有决定意义。有分析表明，相同结构边缘构件无垂直变位（如网壳直接支承在柱顶上）比边缘构件有垂直变位的网壳挠度几乎增大两倍，在扭壳的骤变，布置水平斜杆，以形成周边加强贷，可提高抗侧力能力。
对于四边简支的组合型扭网壳，如图8-17所示的益阳市人民法院大公判厅，在十字脊线附近会出现负弯矩，而壳面上测以薄膜力为主，同时在十字脊线交叉点附近区域内产生明显的负挠度。可考虑在十字脊线及边界处制作成成带下弦和腹杆的局部桁架，以提高网壳刚度。
扭网壳的支承考虑到其脊线为直线，会产生较大的温度应力，如采用固定约束，对网壳受力不利，对于支承柱也会产生较大的水平推理，因此做成橡胶支座，有助于放松水平约束。为抵抗网壳的水平推理，可在相邻柱间设拉杆或做落地斜撑。如北京体育学院体育馆，四角落地斜撑的设置承受了水平荷载及部分竖向荷载，起到了很好的效果。
7.5 其它形状网壳结构
7.5.1 柱面与球面相结合的网壳结构
364：柱面壳与球面壳连接过渡
当建筑平面呈长椭圆形时，可采用柱面与球面相组合的壳面形式。即在中部的一个柱面网壳，在两端分别用四分之一球网壳，形成一个犹如半个鸡蛋壳的网壳结构。这种结构形式往往用于平面尺寸和大的情况，如日本的秋田体育馆，平面尺寸为99m×169m，中间的柱面网壳长70m，两端的四分之一球壳半径为43m，四周以斜柱支承。由于跨度大，结构常常采用双层网壳结构，且一般为等厚的。
由于柱面壳部分和球面壳部分具有不同的曲率和刚度，如何处理两者之间的连接和过渡是结构选型中首先要遇到的问题。一般的过渡方式有图所示的三种方式。
图a在柱面壳与球壳之间设缝，把屋盖分为独立的三部分；
图b中柱面壳与球壳网格的划分相对独立，但两者通过节点连接在一起；
图c、d中柱面壳与球面壳整体连接在一起，且两者在网格划分时采取自然过渡的办法。
365、366、367：哈尔滨速滑馆
图为我国目前覆盖面积最大的屋盖结构—哈尔滨速滑馆屋盖。
其主要结构采用由中部圆柱面壳和两端半球壳组成的巨型双层网壳，轮廓尺寸为86.2m×191.2m；如果包括下部支承框架在内，则地面标高处的轮廓尺寸可达101.2m×206.2m。
网壳中部的柱面壳部分采用正放四角锥体系，两端球面壳部分采用三角锥体系，一律采用螺旋球节点，网格尺寸为3m左右。
7.5.2 双曲扁网壳结构
368：石家庄市某网壳曲面
双曲扁壳原因矢高小，空间利用充分，故常有应用。扁网壳结构常采用平移曲面，这样可使杆件的种类最小。
图为石家庄市新华集贸中心商业大厅屋盖的曲面形式。网壳布置为正交正放立体桁架形式，网格在曲面上沿两个主轴方向划分，两向均为13格。网壳四边设拱形边桁架，周边支承在钢筋混凝土连梁上，网壳上铺玻璃钢屋面板，屋盖上部中央设一个天窗。
该工程采用圆弧平移曲面的好处。
7.5.3 椭圆抛物面网壳结构
369、370：国家大剧院
钢壳体半椭球形，长轴（东西）长212.20m，短轴长143.64m，高度46.285m。由一组顶环梁、148榀弧形梁架、斜撑和内外42道环向联系杆组成。其中顶环梁呈椭圆形，长轴长60m，短轴长约38m，由环向钢管、箱形梁以及H型钢等构件组成。
371：水下入口长廊
372：肇庆市体育馆屋盖
图为肇庆市体育馆屋盖结构示意图，由椭圆抛物面切割组合而成，整个结构酷似一朵覆地的莲花。体育馆建筑平面为截角的正方形，边长为75m。单个网壳由两组正交正放的双层抛物线拱桁架组成，矢高分别为10.97m和5.20，网格投影尺寸为2687mm×2687mm，网壳厚度为2m。网壳结构的杆件为3号无缝钢管，用钢量为52kg/㎡。
373：肇庆市体育馆屋盖网壳
7.5.4 叉筒网壳结构
交叉筒网壳是由圆柱面交贯而成的网壳结构，有谷线式和脊线式两类曲面。
374：叉筒网壳曲面 ——(a)谷线式；(b)脊线式
7.6 网壳结构的选型
网壳结构的体型应与建筑造型相协调；
网壳结构的型式应与建筑平面相协调；
网壳结构的层数：
球面网壳：
小跨度：肋环型；
大跨：三向网格型、凯威特型、短线程型
柱面壳：
小跨度：联方型
大跨度：可形成三角型网格的类型
网格尺寸：
跨度≤50m，1.5~3.0m；跨度50~100m，2.0~ 3.5m；跨度≥100m，2.5~4.0m。
网壳的矢高与厚度:
跨度大时，宜采用矢高大的球面或柱面网壳；跨度小时，可选用矢高较小的双曲扁壳或双曲抛物面壳；
网壳结构除竖向反力外，会产生水平推力，应设置边缘构件承受水平推力。边缘构件应具有足够的刚度，可作为结构的组成部分进行协调分析计算。
支座：
双层网壳采用铰接节点，单层网壳用刚接节点；
容许挠度：
普通网壳挠度≤短向跨度的1/400；悬挑网壳挠度≤悬挑长度的1/200。
第八章 悬索结构
教学要求
了解悬索结构的受力特点及其型式，掌握悬索结构选型与布置
第一节 概述
悬索结构的概念
悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。拉索一般采用高强钢丝组成的钢铰线、钢丝绳或钢丝束；边缘构件和下部支承构件则常为钢筋混凝土结构。
375：世界十大悬索桥一览
376：海边吊床
悬索结构的组成
受拉索、边缘构件、下部支撑、拉锚构件组成
377：悬索结构的组成
悬索结构的特点
索――轴向受拉 。
便于建筑造型，各种平面 。
施工较方便。自重小（10kg/m2），屋面构件一般也较轻。
可创造良好物理性能的建筑空间。
稳定性较差。
边缘构件和下部支承必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。
第二节 悬索的受力与变形特点
8.2.1 索的支座反力
1）悬索支座受到水平拉力作用，大小等于同跨简支梁跨中弯矩除以悬索的垂度f，H值的大小与索的垂度f成反比；
2）悬索支座水平拉力H与跨度l的平方成正比。
378：示意图
8.2.2 索的拉力
索的轴力在支座截面（ a值最大）为最大， 在跨中截面（ a=0）时为最小。
索的拉力与跨度l的平方成正比，与垂度f成反比。
379:示意图
8.2.3 悬索的变形----索的变形随荷载的不同而改变
380：三角形、梯形、索多边形、悬链线、抛物线、椭圆
悬索是一个轴心受拉构件，既无弯矩也无剪力。
悬索承受单个集中荷载，形成三角形；
悬索承受多个集中荷载，形成索多边形；
悬索自重作用时，处于自然悬垂状态，为悬链线；
悬索承受均布竖向荷载，形成抛物线；
悬索承受的竖向荷载自跨中向两侧增加时，形成椭圆。
第三节 悬索结构的型式
悬索结构按屋面几何形式的不同，可分为
单曲面
双曲面
根据拉索布置方式的不同，可分为
单层悬索体系
双层悬索体系
交叉索网体系
8.3.1 单层悬索体系
1.单曲面单层拉索体系(跨度可达80m，德国多特蒙特一展厅，1956)
381：图示
水平梁承受悬索拉力
水平梁和框架一起承受悬索拉力
悬索直接锚挂于框架
斜拉索将悬索拉力拉向地锚
拉索水平力的传递的三种方式：
1、通过竖向承重结构传至基础
2、通过拉锚传至基础
3、通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙
382、383：结构示意图
子主题
两跨悬索结构
384： 某体育馆主体结构示意图
385：德国乌柏特市游泳馆
386：德国多特蒙德展览大厅
2.双曲面单层拉索体系：也称单层辐射索系。常用于圆形平面，索辐射状布置，屋面形成一个旋转曲面。
387：德国乌柏特市游泳馆
388：淄博长途汽车站伞形悬索结构
8.3.2 双层悬索体系
由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索，以及之间的联系杆组成。
389：双层悬索体系
1.单曲面双层拉索体系
也称双层平行索系，常用于矩形平面的单跨或多跨建筑。
承重索和稳定索不在同一竖平面内的布置
390：单曲面双层拉索体系
391、392：单曲面双层拉索体系
393、394、395：吉林滑冰馆屋盖结构形式
2.双曲面双层拉索体系：
也称上层辐射索系。承重索和稳定索均辐射状布置，周围支承在周边柱顶的受压环梁上，中心则布置受拉环梁。
396：示意图
397：成都市城北体育馆钢索布置
8.3.3 双叉索网体系：也称为鞍形索网。
由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接交叠组成，形成负高斯曲率的双曲抛物面，下凹索承重、上凸索为稳定索。
398：交叉索网体系及其边缘构件
交叉索网体系及其边缘构件
闭合曲线环形梁
落地交叉拱
不落地交叉拱
一对不相交的落地拱
拉索结构
第四节 悬索结构的稳定性
悬索抵抗机构性位移的能力—索的稳定性
提高稳定性的措施：
增加悬索结构上的荷载
形成预应力索—壳组合结构
形成索—梁或索—桁架组合结构
8.4.1 增加悬索结构上的荷载
399：屋面加重量 、吊挂地板重量 、顶棚加重量
8.4.2 形成预应力所—壳组合结构
400：临时加载使板缝扩大 、卸载后形成预应力壳
8.4.3 形成索—梁或所—桁架组合结构
401：安徽省体育馆的索-桁架组合屋盖结构
402：安徽省体育馆的所-桁架组合屋盖结构
8.4.4 增设相反曲率的稳定索
即为双层拉索体系或交叉索网体系：通过调整受拉钢索或受压撑杆的长度，可对悬索体系施加预应力，使承重索和稳定索内始终保持足够大的拉紧力，提高了整个体系的稳定性和抗震能力。
第五节 悬索结构的工程实例
1、北京工人体育馆
403、404、405、406：照片
北京工人体育馆(1961)，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，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。
2、美国雷里竞技馆
美国北卡罗来纳州雷里竞技馆模型：1953年建成，跨度91.5m，高31.24m，建筑面积6500m2 。为世界上第一个现代化房屋悬索结构，采用鞍形索网体系。
407、408、409：照片、示意图
3、美国明尼亚波利斯(Minneapolis)联邦储备银行大厦
此银行为一座11层大楼，跨度达83.2m，用悬索（ SuspendedCable）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。
410：示意图
4、日本代代木体育馆
日本著名建筑师丹下健三的著名作品，包括一座游泳馆和一座球类馆，1964年落成，它是为1964年东京奥运会而建的。两座体育建筑都采用悬索结构，游泳馆的平面如两个错置的新月形，球类馆平面如蜗牛形。
游泳馆有16246个座位，可兼作柔道、滑冰比赛场地。平面像两个月牙形错叠在一起。长边240米，短边120米，最高处40.4米，屋顶可以抵御强风袭击。附馆在主馆的西南方，是篮球和拳击等项目比赛的场所。圆形平面，直径70米，最高点35．8米。屋顶结构由中间一根桅杆柱支撑，悬索扭曲成海螺状.
411、412：照片
5、美国金门大桥
金门大桥是世界著名的桥梁之一，是近代桥梁工程的一项奇迹。大桥雄峙于美国加利福尼亚州宽1900多米的金门海峡之上，1933年开始修建，历时4年和10万多吨钢材，耗资达3550万美元建成。
413：照片
6、江阴长江大桥
414：照片
7、上海杨浦大桥
415：照片
以高强钢丝、钢绞线为主要承重结构，是超大跨度结构的主要形式。张拉索结构按其拉索的布置也可分为多种形式
(一)斜拉索结构（Diagonal Tension-Cable Structure ）
这种结构以直线形斜拉索为水平结构提供中间支座。左图上海杨浦大桥(主跨为602m) 为典型的斜拉索结构。
8、北京奥林匹克体育中心综合馆
该屋盖平面尺寸为80m×112m。屋盖结构由三部分组成：一为两榀双层圆柱面网壳，采用斜放四角锥结构体系；二为设置在中间屋脊部位的立体桁架，作为网壳一边的支座；三为8对共16根斜拉索。
416：照片
第九章 膜
膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等于一体，具有很高技术含量。其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，结合整体环境，建造出标志性的形象工程。
膜结构的定义 ：以性能优良的柔软织物（或高强薄膜）材料，可以是膜内充气，由空气压力支撑膜面；也可以是利用柔软性的拉索结构或刚性支撑结构将膜面绷紧或撑起，从而形成具有一定刚度、能覆盖大跨度空间的结构体系。
417：418：照片
9.1 概述
一、更自由的建筑造型
多变的支撑结构和其独特的柔性膜材使建筑物造型更加多样化，外型新颖美观。
二、更好的经济效益
屋面重量轻，仅为常规钢屋面的1/30，而且能大幅减少支撑及基础之构件。这就大大地降低了墙体和基础的造价。
三、更短的施工周期
膜结构工程中的所有加工和制作，依设计均可在工厂内完成，通常在现场只进行安装作业。可减少现场施工时间，避免出现施工不便。
四、更低的能源损耗
膜材有较高的反射性及较低的光吸收率，并且其热传导性较低。对日照的高反射、低吸收的特性，使得室内空调之耗量减少。
五、更大跨度的建筑空间
由于自重轻，可以从根本克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑的实现上所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。
9.2 膜结构的形式
必须给柔性膜材施加预拉力使之具有刚度并承担外荷载。
按施加预应力方式可分为
充气膜结构：利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力。
张拉膜结构：通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件。
膜材既轻且薄，本身抵抗局部荷载的能力较差，常需要与钢索结合，也称张拉索膜结构
由于柔性膜材只能承受面内拉力，薄膜结构在面外荷载作用下产生的弯矩、剪力需通过结构的变形转换成面内拉力。当其初始曲率较小时，变形引起的面内拉力会很大。为防止膜内拉力过大，结构的初始形状应保证具有一定曲率。
419：受力示意图
9.2.1 张拉式膜结构
1）钢索张拉成形
以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。
通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，它具有高度的形体可塑性和结构灵活性。由于膜材是柔形结构，本身没有抗压能力，抗弯能力也很差，完全靠外部施加的预应力保持其形状，即使在无外力且不考虑自重的情况下，也存在着相当大的拉应力。
索张拉式是最能展现膜结构精神的构造形式. 近年来，大型跨距空间也多采用以钢索索网来支撑上部膜材。因施工精度要求高，结构性能强，且具丰富的表现力，所以张拉式膜结构价格略高于骨架式膜结构。
420：照片
1、整体张拉式膜结构
由钢索与膜组成整体，通过预张力形成稳定的体系。可由桅杆、拱或其他支承结构提供支点，并在周边提供锚固点。
421：示意图
当结构覆盖空间的跨度较小时，可通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件，即整体式张拉膜单元；
当跨度较大时，由于既轻且薄的膜材本身抵抗局部荷载的能力较差，难以单独受力，需要与钢索结合，形成索－膜组合单元；
当跨度更大时，可将结构划分成多个较小单元，形成多个整体式张拉膜单元或索-膜组合单元的组合结构。
张拉膜结构的曲面形式——锥体
422、423、424:单锥体 、双锥体、多锥体
425、426、427：锥体环绕式 、 正、倒锥体组合 、倒锥（上海F1赛车场）
张拉膜结构的曲面形式——鞍形曲面
428、429：简单鞍形曲面 、 鞍形曲面辐射布置
430、431：鞍形曲面平行布置 、拱支承鞍形曲面
张拉膜结构的曲面形式——组合曲面
432、433、434、435：组合曲面
张拉膜结构的支承体系
张拉膜结构支承体系的布置应保证所形成的索－膜结构曲面为负高斯曲面或分片负高斯曲面的组合，同时将膜内预应力及荷载产生的内力传递到基础和地基。
张膜结构的支承体系大体分成将膜内应力直接导入基础的边界支承和将膜内应力导入边界支承的跨内支承体系。
436：示意图
张拉膜结构的支承体系——刚性边界
封闭性建筑的边界支承一般采用连续刚性构件，即将膜边界直接与下部结构或邻近结构的刚性构件如圈梁等相连接，形成自平衡体系。
437：示意图
张拉膜结构的支承体系——柔性边界
对于开敞式结构，边界支承一般采用柔性体系，即膜材边界通过边索将膜内力汇至节点，通过斜拉索将内力传入基础。当斜率较小时，斜拉索向外扩展距离较大，会占用较大空间，此时宜在节点处增加支杆以改变斜拉索方向，缩小结构占用空间。
438：示意图
张拉膜结构的支承体系——跨内支承
跨内支承有内支、外吊两种基本形式。
内支，即在跨内支承点处直接布置支杆、拱等刚性构件，将荷载传入基础，或将支杆设计成飞柱通过其它构件将荷载传至边界支承。
439、440、441：支杆支承
442、443、444：拱支承
飞柱支承—— 为增加结构净跨，设飞柱通过索将荷载传至边界支承
445：示意图
1989年的美国圣迭戈会议中心中首次使用了“飞柱” ，由5个91.5m× 18.3m的张拉膜单元形成了宽敞无柱的大空间。
446、447：照片
张拉膜结构的支承体系——外吊支承
外吊，即在跨内支点处设外吊点，将内部支承改为外部支承以增加结构净跨，吊点可多点布置亦可单独布置。
448、449：多点悬吊支承
450：单点悬吊支承
451、452：芜湖体育场
2）骨架式膜结构（Frame Supported Structure）
2、骨架支承膜结构
以钢结构或其他刚性结构作为承重骨架，在骨架间布置按设计要求张紧的膜材。
453:示意图
汕头市游泳、跳水中心膜覆盖面积2.5万平方米，中央主拱架跨度120m 。
454、455：照片
成都水上乐园
456、457：照片
粕屋町综合体育馆
458、459：照片
骨架支承膜结构的支承体系
支承体系除传递荷载外，也是室内装饰的重要组成部分，因为透光的膜屋面上，屋面支承体系的拓扑构形十分突出，例如日本秋田的天空穹顶（Akita Skydome）的支承骨架由相互垂直交叉的拱构成，其主拱的排列从两侧向中央逐渐加宽，形成富于动感的观赏效果。
日本秋田的天空穹顶（Akita Skydome）
460：照片
南宁会展中心
461：照片
旋转双曲抛物面为骨架的双层膜结构，高度48m，底部直径65.5m，顶部形式为南宁市花朱槿花。
三亚美丽之冠文化会展中心
462、463：照片
长轴106m；短轴92m；高39m
3、索系支承膜结构
由拉索和压杆构成稳定的预张力体系，并布置张紧的膜材——索穹顶。
464：照片
韩国汉城奥运会体操馆
465：照片
1988年韩国汉城奥运会直径120m的体操馆的设计中首先采用了索穹顶。每两根脊索之间加设了谷索。
1996年美国亚特兰大奥运会主场馆著名的佐治亚穹顶
466、467、468：照片
跨度240m×192m。
天津理工大学体育馆
469、470、471：照片
全运场馆首个跨度超百米索穹顶完成。第十三届全国运动会的竞赛场馆之一，天津理工大学体育馆索穹顶结构张拉完成。长短轴马鞍形索穹顶结构，场馆顶部平面为椭圆形，长轴长102米，短轴长82米，也是天津市目前在施体育场馆中难度最大的一项。
9.2.2 充气式索膜结构
是依靠送风系统向膜结构构成的室内充入空气，保持使室内的空气压力始终大于室外的空气压力，由此使膜材料处于张拉状态来抵抗负载及外力的构造形式。它形体单一，运行与维护费用高，运用较少。
4、空气支承膜结构
具有密闭的充气空间，设置充气装置来维持内压，利用膜内外空气的压力差保持膜材的张力，从而构成按设计要求的曲面，能够覆盖所形成的空间。
膜面上任一点的承载力（气压差）是相同的，且沿膜面的法线方向。当外荷载沿膜面的法线方向均匀满布时，膜内张力将均匀减少，膜面形状仅会发生微小且均匀的变化；当外荷载非均匀分布荷载作用时，膜材局部变形和应变会很大，从而出现应力集中，易导致膜材撕裂。
气承式
气承式——直接向膜材覆盖的密闭使用空间内注入一定压力的空气，支承覆盖的膜材。
472、473：示意图
1975年建造的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”的椭圆平面达220m×159m，是世界最大跨度充气膜结构。屋面用了18根沿对角线交叉布置的钢索，起加劲作用。
474、485：照片
日本在1988年东京后乐园棒球馆中采用了充气膜结构，其平面为椭圆形，对角线跨度为205m，屋顶高度达 61m，采用双层膜构造并应用了先进的自动控制技术。中央计算机可以自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形和内力，并自动选择最佳方式来控制室内气压和消除积雪，保证膜结构的安全与正常使用。但由于运行费用昂贵，经营者几乎不堪重负。
476、477：照片
气肋式
向密闭的气囊内充入一定压力气体以形成具有一定刚度和形状的构件。
1970年日本大阪万国博览会的富士馆采用气肋式膜结构，该馆平面为圆形，直径50m，由16根直径5m、长78m的拱形气肋围成，气肋间每隔5m用宽500mm的水平系带把它们环箍在一起。中间气肋呈半圆拱形，端部气肋向圆形平面外突出，最高点向外突出7m。它也是迄今为止建成的最大的气肋式充气膜结构。
478：照片
英国伊甸园穹顶
479、480、481：照片
9.3 膜结构材料
一、建筑膜材及其性能
建筑膜材为复合材料，一般由中间的纤维纺织布基层和外涂的树脂涂层组成，称涂层织物（Coated Fabric）。
基层是受力构件，起到承受和传递荷载的作用；
树脂涂层起密实、保护基层的作用，还具备防火、防潮、透光、隔热、自洁等性能。
482：组成示意图
涂层、基层、面层
常用膜材涂层
聚氯乙烯（PVC）
多色彩，柔韧性能较好，可卷折，易与其它构件连接；但抗紫外线能力较差，在太阳光的长期照射下，易发生化学变化，造成灰尘、油渍的附着，且不易清洗、自洁性差，进而降低透光率，一般应用于临时性建筑。可在PVC涂层外涂敷化学稳定性更好的附加面层，如聚二氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯（PVF），提高膜材的自洁性，使用寿命达15年以上，可应用于半永久性结构。
聚四氟乙烯（Teflon）
白色，惰性材料，抗紫外线能力强，透光性和自洁性好，寿命长（25~30年），具有可焊性，是永久性建筑的良好选材；但其刚度较大，运输及施工中的卷、折易产生微细裂缝，使水分侵蚀基层纤维，降低基层纤维的强度和使用寿命。
常用膜材基层
聚酯纤维
弹性模量和强度低，在拉力和紫外线的长期作用下会有较大的徐变，容易造成膜面皱折，进而使灰尘、异物在皱折处聚集，影响感观效果及透光率。
玻璃纤维
一般由石英、钙、硼、铁、氧化铅等成份组成，弹性模量和强度均较高，徐变小，属脆性破坏材料湿、热环境对其力学性能具有一定的影响，可通过表面涂层的覆盖而减弱。
常用膜材产品
外涂聚四氟乙烯的玻璃纤维膜 （PTFE），一般用于永久性建筑；
外涂聚氯乙稀的聚酯纤维膜（PVC），一般应用于临时性建筑；
主要建筑物理指标——抗紫外线能力、透光性、自洁性、保温性和隔音性。
膜材本身的保温（导热系数约为 5.7-7.0 千卡/m2hoc）、隔音性能并不优良，采用有空气夹层的双层膜可使其性能得到改善。寒冷地区的膜结构可采用双层膜，中间形成空气层以隔热保温。如果夹层中夏天输冷气，冬天吹热风，还可进一步增强双层膜的降温和保暖作用。
自洁性是指膜面在雨水冲刷下的自我清洁能力，因此膜材涂层一般采用惰性材料，以保证其与环境介质中的灰尘、有机污渍不易结合。
膜材是半透明织物，对自然光有反射、吸收和透射能力，其透光率一般为5%~16%，晴天室内照度达1000~2000LX，雨天也可达500 LX，可使白天室内无需人工照明。
美国丹佛国际机场候机大厅
483、484：照片
1993 年建成的美国丹佛国际机场候机大厅是寒冷地区大型封闭张拉膜结构的成功范例。其平面尺寸为 305 m× 67 m，由17个连
成一排的双支帐篷膜单元屋顶所覆盖。屋顶由间隔600mm的双层PTFE膜材构成，保证大厅内温暖舒适并且不受飞机噪声的影响。
膜材强度有限
485： 膜材抗拉强度（经向/纬向）表格
膜结构采用的薄膜材料，大多是强度高、柔韧性好的一种涂层织物薄膜。
486：组成示意图
材料分类 ：膜结构所用纺织膜材料一般由基布和涂层两部分组成。
基布：决定材料的抗拉、抗撕裂强度，膜材的力学性能。
涂层：决定材料的耐火、耐久及防水、自洁的物理性能。
18.3.1 膜材的内部材料
聚氯乙烯(PVC)
主要特点是以聚酯纤维织物为基布，双面涂覆PVC涂层或粘合聚氯乙烯薄膜而成，价格便宜（只有PTFE的20％左右）、容易加工制作、抗折叠性能好、色彩丰富，但是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，寿命一般在5～7年，主要用于要求比较低的临时性建筑。
聚四氟乙烯（PTFE）(Teflon)
PVF（聚氟乙烯）和PVDF（聚偏二氟乙烯）
为改善PVC膜结构材料性能，可在其表面再涂一层氟素系树脂，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。其中，PVF膜材是在PVC膜的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片粘合加工，具有高防沾污、耐久性的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。目前，用量较大的是PVDF膜结构材料，其基本上达到了难燃水平。
ETFE膜是透明建筑结构中品质优越的替代材料。
1） 特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点。通常雨水即可清除主要污垢。
2） ETFE膜使用寿命至少为25-35年。
3） 该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标准，一般为15-30米。小跨度的单层结构也可用较小规格。
4）可达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。
5） 该膜质量很轻，每平方米只有0.15-0.35公斤。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势。
6） 该膜的透光率可高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，使用时几乎不需日常保养。可对其由于机械损坏的屋顶进行简单检查（一年一次为宜），并根据需要就地维修。同时也可检查通风系统，更换过滤装置。
7）ETFE膜完全为可再循环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其它ETFE产品。
9.3.2 膜材的外涂层
选择对采光、保温、防火、自洁有利的涂料。
9.4 膜结构的设计
1、平衡的形状----膜曲面形状必须满足在一定边界条件和一定预应力条件下的力学平衡。
2、荷载----风荷载、雪荷载
3、裁剪----由二维材料的裁剪、张拉形成所需要的三维空间曲面，须减少误差。
意大利巴里市圣.尼古拉体育场
487：照片
为1990年世界杯建造的体育场。整体呈椭圆形的观众席是通过现场组合310根新月状的预制钢筋混凝土梁而建成的。通过计算机模拟试验确保所有座位的视线均不被遮挡。
488：照片
为免受日晒雨淋，采用了一个带PTFE涂层的玻纤膜顶。膜顶由26块各自从上层观众席的钢筋混凝土框架延伸出来的大膜构成。26个膜顶之间通过小块拱形膜连为一体，整个膜覆盖面极为13250m2。
489：照片
膜顶悬挑跨度介于14m-27m之间，每块膜均在四边连续固定，并通过膜的双向张力和位于拱肋间的膜上索的下压力与下部的拱肋紧密贴合。 膜被确定为几何意义上的双向等应力场，而每块膜安装在两个方向上的拉力均不超过4080N。
490：箱形悬臂拱形梁仰视
膜顶的主要支撑构件是从上层观众席顶部悬挑出来的箱形梁；次要构件有：膜顶前端的U形桁架、与箱形梁平行的弧形拱肋以及连接弧形拱肋与索的侧向稳定杆。结构体系保证整个膜面处于张拉状态。为使这些拱肋尽量细，它们的空间刚度通过两端间的一系列拉杆加以强化。
香港大球场
491：照片
工程要求在现有地段上建造一个新的体育场能容纳 4000观众，其中5％的面积（达16000m2）在屋顶下，成为一座集运动、会议等多种功能于一体的21世纪的大型露天体育场。
492：照片
看台因势利导依山形升起。其屋顶进深40m~55m。这种跨度的屋顶如用悬挑结构会导致看台非常笨重。因此，设计师考虑纵向用240m跨度、顶部标高55m的拱形骨架支撑屋顶的前沿。在该地段条件下，这是一种更为经济的解决办法。
493：照片
拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m见方。横向的三角形桥架断面3.5m高，连接屋顶前沿的拱架和后面的混凝土看台，跨度40m－55m。检修通道、放送设备及泛光灯照明都安放在这些桁架里。
494、495：照片
两个屋顶各外包5块涂敷聚四氟乙烯的玻璃纤维膜材，这种材料的传热和透明度可达到平衡，自洁能力、耐火、耐久性都很好。每块1600m2的膜材，跨3组桁架。这些膜材四边都压紧，中间部分并没有机械地固定在桁架顶部，而是在桁架之间用一直径为80mm的谷索压住。膜本身加有5100N的双向预张力。
日本熊本公园体育场
496：照片
空间构成的基本构想是用一个直径125m的圆顶覆盖中心场地，并用不规则的结构覆盖周边自由安排的其他设施。给予该建筑一个地球上浮云的形象。
在场地中央建造巨大的圆形双层充气膜结构屋顶，不规则的周边部分则用单层框架膜结构覆盖，全部室内空间保持正常压力。因为仅仅屋顶是充气膜结构，所以门窗可自由安排。为保持双层充气膜的厚度和形状。在屋顶中央部位设计了一个简单的锥台状框架，构成充气屋顶的中心环，这也使屋顶中央开口成为可能，对自然通风和采光极为有利。同时在声学上也是有效的。因为开口赋予天花表面一个自然的凸圆面形状，这就将声音朝四周分散，有效地降低了反射波。 双层充气膜形成了一个直径107m的、以锥台状框架为中央支撑的“浮云”。
497：照片
这个庞大的外径125m的碟状屋顶被支撑在沿环形桁架的8个点上，每个点由“3-柱”型的组合柱支撑。由于充气膜有索支撑，即使跑气也不会有坠落损害的危险，从预防灾害及撤离的角度看，这种布置也是有利的。这种结构系统被称作“混合充气膜结构”，因为它结合了轮式索结构和充气结构的优点。
498：照片
在中央的锥台状框架与外围的环形桁架之间，上、下各有48根辐射状的索相连。以带PTEE涂层的玻纤膜覆盖骨架和索，同时，双层膜间充气达30mm汞柱的气压。
国家游泳中心----水立方
499：照片
500：照片
水立方采用空间多面体延性钢架结构，其钢结构最大的特点就是不规则，纵横交错中透着一股自然的纯美。但焊接带来了极大的困难，“水立方”的钢结构是一个“三无工程”——无先例、无规范、无标准。在设计、施工时，“水立方”的钢结构甚至都没有一个标准的称谓。
501：施工现场
水立方的支撑结构采用钢筋混凝土。
502、503： 水立方膜结构内部效果
504、505：照片、内部结构图
中国国家游泳中心“水立方”采用气肋式膜结构。
177m× 177m ；高 31m； 墙厚5m ；屋盖厚7m
上海世博世博轴
柔性支承膜结构
506、507：照片
中国国家游泳中心采用的“气枕”
508、509、510、511：照片
采用ETFE膜材
运用不当
512、513、514：粗制滥造
515、516：明显皱褶
517、518：污迹严重
519、520、521：严重锈蚀
精细的设计与制作
522、523、524、525:照片
由于材料、构件及节点通常暴露在外，所以在设计中突出索膜形态的同时，也不能忽视建筑细部的处理。节点连接不仅仅是构造问题，还应清楚地表达结构体系中力的传递，节点的视觉形式还关系到人们对室内外空间的感受。
526、527、528、529：照片
对连接节点的处理可以反映设计者对结构逻辑及材料性能的理解。在连接构造中，膜材的剪裁布置以及膜结构边缘形式是膜结构（尤其是室内）所独有的艺术表现手段，应引起设计人员的高度重视。
应用中的问题
蒙特利尔体育场的悬吊开启膜屋盖，交工前一场暴雪使膜屋盖突然破裂，融雪瀑布似的倾下；使用过程中膜体至少被划破17次，教训也很深刻。表面积累冰雪使膜面下凹，由此积累更多的冰雪，形成恶性循环，最终导致膜材撕裂。
530：照片
美国庞提亚克体育馆“银色空穹顶” 1985年3月在一场暴风雪中（雪深2m），由于一大块外墙金属板的扯起，导致100块膜材中有7块撕裂，随后又吹坏了18块膜材。
531：照片
济州西归浦世界杯足球场遇两次大风，膜屋盖撕裂破坏两次。
532、533：照片
研究合理受力形体，开发更好的膜材料 。
534、535：照片
*正确使用和保养膜结构
536、537：照片
9.5 工程实例
第十章 大跨度建筑结构的其他型式
大跨度建筑体现了一个国家建筑技术的发展水平，往往被作为一个城市或者地区的标志
第一节 张拉整体体系和索穹顶
杆件：拉力海洋中的压力孤岛！
张拉弦整体体系
定义：由一组连续的受拉索与一组不连续的受压构件组成的自支承、自应力的空间铰接网格结构。
方法：通过拉索与压杆的不同布置形成各种形态，索的拉力经过一系列受压杆而改变方向，使拉索与压杆相互交织实现平衡。
预应力的应用：没有预应力，就没有结构形体和结构刚度;预应力值越大，结构的刚度也越大。
特点
自支承，集成单元由张力元（索段）和压力单元（压杆）组成；
预应力提供刚度，预应力越大刚度越大；
自平衡，单元处于互锁和自平衡状态；
恒定应力态，张力或压力状态恒定不变。维持该状态的条件
有一定的几何构成；
需要适当的预应力。
形式
结构单元
结构构件
张拉单元
张拉集成单元
：张拉集成单元
：集成单元
张拉集成单元由压杆支承着受拉单元，在单元内自支承且自平衡，张拉索形成一个连续的多面体外形，而压杆则彼此相隔。利用这些张拉单元组成张拉索网，由压杆撑开而拉紧，形成张拉整体体系。
拉索压杆
第二节 弦支空间骨架结构
概念
将索弯顶结构柔性的上弦索用刚性骨架结构代替，形成上部骨架与弦支体系相结合的新受力体系。
利用弦支体系调整骨架部分的内力分布，大大降低上部骨架结构最大弯矩的峰值和挠曲变形。
受力
弦支体系部分对下部支承结构产生压力，与骨架部分对下部支承结构产生的拉力可以部分抵消，大大降低结构体系对下部支承结构的要求。
结构
上部骨架是空间结构
交叉桁架、网壳等
由主梁与环梁组成的交叉梁系
下部弦支体系也为空间布置
环索
斜索
压杆
弦支空间梁系结构
以平面张弦梁结构为基本组成单元、通过不同形式的空间布置、并增设另一方向的张弦体系和支撑体系的一种空间结构。
因为张弦梁为平面结构，空间整体性差，较难适应复杂建筑平面的变化。
双向布置的弦索体系并在双向施加预应力是弦支空间梁系结构的基本特征，也是它与空间布置的平面张弦梁结构的根本区别。
实例
，：上海铁路南站屋盖结构
目前是世界最大圆顶透光火车站 “大交通、大空间、大绿化”设计理念
弦支网壳结构
是双向张弦空间网格结构，是由双向布置的张弦桁架组成的空间结构体系。上弦是由正交桁架组成的空间网格结构，下弦为相互正交的双向拉索。
和索穹顶的区别
由索穹顶演变而来，索穹顶属于柔性屋盖，弦支网壳时刚性屋盖，且可以采用单层网壳。加上撑杆及预应力索后使弦支穹顶结构具有足够的刚度。
：国家体育馆
屋盖采用双向张弦空间网格结构体系。结构横向为主受力方向，其下弦采用双索，纵向采用单索。纵向8根单索在上，横向14根双索在下，空间网格平面尺寸为8.5m。两部分通过桅杆形成一种新的空间结构体系---双向张弦空间网格结构。
：北京工业大学体育馆
屋盖平面呈椭圆形，长轴最大尺寸141m，短轴最大尺寸105m，立面为球冠造型，上弦为葵花型三向单层球面网壳，下弦设有5圈环向布置的高强度钢索和径向56根拉杆，通过28根撑杆形成整体。
弦支空间桁架结构
是以平面张弦桁架结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置、并增设另一方向的张弦体系和支撑体系所形成的一种空间结构。
：北京大学体育馆
屋盖结构跨度80x64m，由32榀辐射桁架、中央刚性环、中央单层球壳（矢高7m，跨度24m）和下撑杆、下刚性环、辐射拉索及支撑体系七部分组成。
第三节 斜拉结构
斜拉索的布置
利用塔柱顶端伸出的斜拉索作为附加的弹性支点，使结构的跨度减小。
传力途径
将受弯构件的传力途径改为由索和塔柱承受拉、压的传力途径。
措施：控制索的倾角
索水平分力：增加杆件内力
索竖向分力：减轻结构竖向负荷；
塔柱：尽量使其轴心受压，避免过大弯矩
塔柱的水平力：采用平衡措施
：方式
a辐射式
b竖琴式
c扇形
d星形多向或单向
：斜拉索锚固与平衡
利用拉索平衡、索有多重锚固方式
：图
a美国泛美航空公司纽约国际机场候机楼
椭圆形平面，斜拉钢梁屋盖，支承于混凝土柱上，悬挑34.8m，减小了梁的弯曲应力。
b美国世界运输航空公司某机库
平面39.7x82.4m，悬挑37.1m，由10对钢拉索悬挂，钢梁外形曲线状，是三段直梁拼接而成。
c法兰克福汉莎航空公司飞机库
斜拉拱结构
：布鲁塞尔世界博览会苏联展馆（1958）
：新加坡港务局开普区码头集装箱站仓库
：北京奥林匹克体育中心综合馆
：浙江省黄龙体育中心体育场挑篷结构
第四节 混合空间结构
将前述介绍过的大跨度结构形式经过合理布置组合而成。
一般说来，常以巨大的刚架、拱、悬索或斜拉结构形成巨型骨架，勾画出建筑结构的主轮廓。以巨型骨架、侧边构件或周边承重结构作为支座，在其上布置平板网架、网壳、悬索等屋盖，形成风格各异的屋面。
组成考虑因素
应满足建筑功能的需要
结构受力均匀合理、动力性能相互协调、材料强度得到 充分发挥
结构刚柔相济，具有良好的整体稳定性
尽量采用预应力等先进的技术手段，改善结构受力性能
施工比较简洁，造价比较合理
种类
刚架一索混合空间结构
：丹东体育馆
拱-网架混合空间结构
：江西体育馆
拱-悬索混合结构
：美国耶鲁大学冰球馆
：海南美兰机场机库
悬索-拱-交叉索网混合空间结构
：朝阳体育馆
综合利用各种同结构在受力性能、建筑造型、综合经济指标等方面的优势。结构中各构件受力性能明确，且往住以轴向受力主，根据构件的受力特点选用不同的结构材料，有利于材料充分发挥作用。
以刚架、拱、悬索或斜拉索组成巨型骨架结构作为网架、网壳、悬索等结构的支座：可有效地减小网架、网壳或悬索结构的跨度，提高屋盖结构的刚度，从而降低了网架、网壳及悬索结构的材料用量和工程造价。
刚架、拱及悬索或斜拉索的支塔结构具有巨大的外形尺寸，同时也承受很大的荷载，因此其截面形式赏为箱、工字形、槽型等，并常采用劲性钢筋配筋或采用预应力技术，这就可有效地保证巨型骨架结构的刚度和承载能力。
建筑造型活泼明块、易于变化，可以适应多种边界条件。巨型骨架结构的独特造型，直接赋予建筑气势磅礴、健美或新颖典雅的艺术形象，给人以稳健强劲、又蓬勃向上的艺术感染力，容易给人留下深刻的印象，因而乐于为建筑师的采用。
多面体空间刚架结构
几何图形学基础
多面体空间刚架构成简单，重复性高，结构内部多面体单元只有4种杆长，3种不同的节点，每个节点的汇脚杆件仅为4根。节点刚接，杆件为空间梁单元，同时受弯、剪、拉（压）、扭的复合作用，故称空间刚架结构。
结构构成特点
构成简单、汇交杆件少、节点种类少。
：基本结构沿三个正交坐标轴规律的重复；无限空间只包含三个不同面、四种不同长度边线和三种不同节点。每个节点汇交杆件仅为4根。
受力：节点刚接，能承受弯、剪、拉压、扭复合作用。高次超静定结构。
水立方
：空间刚架结构设计
国家游泳中心钢结构几何构成的理论基础是“气泡理论”，首先生成一个比“水立方”建筑大的、改良的多面体阵列，再把这个阵列围绕矢量轴旋转60度；
在多面体阵列中切出176.5m×176.5m×29.4m立方体的建筑外形，然后在立方体内挖去比赛厅、热身厅等内部使用空间，这样便切出了屋盖和墙体的结构。多面体单元在两个切割面上切出了屋盖和墙体结构。
多面体单元在两个切割平面上切出的边线就分别构成了屋盖结构的上弦、下弦杆件和墙体结构内外表面弦杆，两个切割平面之间的多面体棱边便为结构的腹杆。
：英国伊甸园
第十一章 多高层建筑的体型与结构布置
第一节 建筑体型
形成
：从结合学的概念来分类，建筑平面与立面形状一可分为凸形（简单图形）与凹形（复杂图形）两大类。
：建筑体型可归纳为平面上的两个基本类型与立面上的两个基本类型的组合，即一共有四个基本组合，如图所示。
变化
：在地震作用下，小塔楼由于鞭稍效应产生较大的惯性力，会造成塔楼根部的破坏甚至塔楼的倒塌。设计中一般是控制b/h值，即小塔楼不能突然内收很多，避免刚度发生突变。
复杂平面与复杂立面的组合
建筑体型可以是无限的变化；
具有明显个性，结构布置困难；
布置限制：限制局部尺寸、限制内收、限制小塔楼高度、设置刚性基础、刚性层
第二节 结构布置
对称性
：最佳的方案——“三心重合”。
使建筑平面形心、质量中心、结构抗侧刚度中心在平面上位于同点上，而在竖向则位于同一铅锤线上，简称“三心重合”。
建筑平面的对称性
最好是双轴对称的
不对称的建筑平面对结构来说有三个问题
a)外荷载作用不均匀，中心产生扭矩；
b)在凹角处产生应力集中；
c)不对称的平面很难使“三心重合”。
对于单轴对称和无轴对称的建筑平面，结构布置要谨慎，应从各个方向反复计算，还应考虑结构的空间作用。
质量布置的对称性
若建筑物质量分布有较大偏心，当遇到地震作用时，地震惯性力的合力将会对结构抗侧刚度中心产生扭矩，这时也会引起建筑物的扭转及破坏。
结构抗侧刚度的对称性
在对称的建筑外形中进行了不对称的建筑平面布置，从而导致了结构刚度的不对称布置。其危害也会使建筑物产生扭转而造成破坏。
：核心井筒的位置
布置楼梯间、电梯间四周的墙体所形成的核心井筒往往能提供较大的抗侧刚度，因此核心井筒的位置对结构受力有较大的影响。
连续性
合理的结构布置却应该是连续的、均匀的，不应该过度发生突变。
：框架结构的薄弱层子主题
：剪力墙的不连续布置
周边作用
由于墙体具有较大抗侧刚度，因此墙体位置的变化对整个结构的抗倾覆和抗扭转能力有明显的影响。
：抗侧力墙体的布置
角部构件
往往受到较大的荷载或复杂的内力，应适当加强。
：在筒体结构四角布置角筒
多道防御
多道防御的设计概念对抵抗未能预测的灾害有重要意义。
:框架结构的破坏形式
第三节 结构构造
温差及混凝土收缩对结构布置的要求
解决方案
设置伸缩缝
间距要求
现浇框架55m
剪力墙45m
框剪50m
设置后浇带
：后浇带·构造
加强构造措施
沉降的要求
为减少不均匀沉降缝而设置的结构缝。
设置原则
建筑物两部分荷载相差悬殊
建筑物两部分高低相差悬殊
新建建筑与原有建筑之间
地基条件相差悬殊的情况
沉降缝宽度
2~3层 50~80
4~5层 80~120
5层以上 小于120
设置方式
简支板
悬挑板
悬挑梁
：沉降缝两侧结构的连接
：北京昆仑饭店：28层，剪力墙结构，二层地下室。主楼与裙房间设置沉降缝和后浇带结合方式。主楼完成后沉降完成50%左右。
防震的要求
一般原则
平立面宜规则、对称
质量分布宜均匀
避免过大的外挑和内收
竖向刚度均匀变化
不宜错层
构件截面由下至上逐渐变化
结构布置宜对称
局部薄弱部位采取加强措施
控制局部尺寸
：L/Bmax ， l/Bmax ，l/b值
防震缝的设置
调整建筑形状，尽量不设缝。
设缝要求
框架结构
框架剪力墙
框架的70%；
剪力墙结构
框架的50%
基础可不断开
结构高宽比的要求
目的：控制边侧构件内力、侧向位移、倾覆作用
建筑物竖向相当于悬臂柱、高宽比越大，相当于悬臂构件的截面高度越小，相应的内力、变形等都会大。
：高层结构高宽比限值H/B
第十二章 多层建筑结构
第一节 多层砌体与“混合结构”
多层砌体与混合结构的材料
砌体结构
是把块材（砖、石、混凝土砌块）用灰浆通过人工砌筑而成。
砌体材料
优点
1）耐火、保温、隔声和抗腐蚀性能好；
2）较好的大气稳定性：
3）生产和施工简单；
4）造价低，比较经济。
缺点
1）自重大；
2）强度低；
3）抗震差。
分类
无筋砌体
配筋砌体
限制
规则性限制：如墙体开洞率不大于50%
层数和总高度限值：如7度时，24m和7层
高宽比限值：如7度时为2.5
抗震横墙间距限制：如7度时现浇楼屋盖不大于15m
局部尺寸限值：如7度窗间墙最小宽度不小于1m
加设构造柱、圈梁的限制：根据烈度、高度等具体规定
拉结筋限制：墙体四角、内外墙交接部位、非承重墙
材料强度限制：如砌筑砂浆强度不小于M5.0
混合结构
砌体作为竖向承重结构（墙），其他材料（钢筋混凝土或者木结构）构成水平方向承重结构（楼盖），组成的房屋结构。
多层混合结构的结构布置方案
：墙体灰缝
：纵墙承重体系
墙少、自重轻、刚度较差、抗震性能较差、楼面梁用料多
：横墙承重体系
空间布置不灵活、刚度大、抗震性能好、墙体多、自重大、楼面材料较省、结构简单、施工方便
：纵横墙承重体系
空间布置优于横墙承重体系、刚度和抗震性能介于二者间、自重和用材介于二者间
：内框架承重结构（现已不用）
因其抗震性能极差，现已不允许使用应优先采用横墙承重体系或纵横墙承重方案
第二节 多层框架结构
框架结构组成
竖向柱、水平横梁、节点刚接
框架梁柱布置
：框架梁截面形式
框架结构分类
所用材料
钢框架
钢筋混凝土框架
施工方法
整体式
梁、柱、楼盖全部在现场浇筑。
优点：整体性和抗震性能好
缺点：现场施工工作量大，并需大量的模板
地震区，应以现浇框架为首选
半现浇式
即框架梁柱现浇、梁板预制或柱现浇、梁板预制。
优点：节省模板、提高效率。
装配式
指梁、柱、板均为预制，现场只进行装配。
缺点：整体性差、抗震能力弱
不宜在地震区使用
装配整体式
指梁、柱、板均为预制，吊装就位后，焊接或绑扎节点区钢筋，并在现场浇捣混凝土，形成整体节点。
优点：具有良好的整体性和抗震性能、现场工作量小、用钢量小。
框架结构的布置
柱网的布置
（1）应满足生产工艺流程的要求
：多层工业厂房中的柱网布置
（2）应满足建筑平面的布置要求
：多层旅馆建筑的柱网布置
：多层办公楼建筑中的柱网布置
（3）柱网布置要使结构受力合理
:框架结构在竖向荷载作用下的弯矩图
（4）柱网布置应使施工方便、加快施工进度、降低造价。
:承重框架的布置
横向框架承重方案
纵向框架承重方案
纵横向混合承重方案
:框架结构的受力特点
1)普通框架的受力特点 ---计算控制截面
:2)底层大空间框架的受力特点—转换大梁、刚度变化
:3)带小塔楼框架的受力特点—鞭梢效应
:4)错层框架结构的受力特点—短柱、脆性剪切破坏
第三节 井格梁楼盖结构
：井格梁楼盖结构布置
正交正放
正交斜放
斜交斜放
:井格梁楼盖的受力特点
计算方法
有限元法---借助计算机完成
荷载分配法---假定交叉点竖向位移相等、变形协调
荷载集中于交叉点
周边一般按简支计算
利用表格查算。梁间距大于2m梁高：1/15~1/20
周边支承、跨度34.5x28.5m。
：北京政协礼堂梁式楼盖
：实例：上海闵行工人俱乐部屋盖 三向网格梁结构布置
边长：14米
对角线长：28米
网格：正三角边长3.5米
柱子：六根异形
柱截面：五边形
屋面板厚：80mm
梁截面：300x1000mm
边梁截面：400x1500mm
跨高比：1/28
错列桁架结构
第四节 密肋楼盖结构
密肋楼盖的特点
梁间距小于1.5米、适用于中等及大跨度的公共建筑
分单向布置、双向布置
普通梁：跨度10米、预应力梁：跨度15米
肋间可填充、可用定型膜壳
：肋楼盖间的填充物
：单向密肋楼盖
要求：肋间距不大于1500
肋宽：60~120mm
板厚：应小于50mm
适用：长短比大于1.5
：双向密肋楼盖
板厚：40~50mm
肋高：（1/22~1/17）h
加强：柱处板加厚
施工：使用定型膜壳
适用：长短边比小于1.5
：混凝土双向密肋体系
：柱上有梁的大型双向密肋楼盖简图
第五节 无梁楼盖结构
楼盖平板直接支承于柱子上形成、不设主次梁
传力直接
天棚平整
增加净空
楼板厚混凝土用量多
适用
两向跨度相近的楼盖
：分类
平板式
双向密肋式
:柱网布置
跨度5~7m为宜
周边支承
墙
柱顶
设柱帽
不设柱帽
悬挑：周边悬挑改善受力
：带悬挑的无梁楼盖
结构形式
正方形
矩形
圆形
：柱帽
a无顶板柱帽
b折线形柱帽
c有顶板柱帽
不小于120mm
不小于1/35l
一般不小于160~200
受力特点
在竖向荷载的作用下，为受点支承平板，板的受力是支承在柱上的扁梁体系。
划分为柱上板带和跨中板带，跨中产生正弯矩、支座产生负弯矩。
水平荷载作用下，为空间框架结构，其刚度为无梁楼盖的平面外刚度。
对于升板结构，应进行施工阶段的验算，板柱间应按铰接处理
：升板结构施工阶段的受力
第六节 多层建筑的其他结构形式
：错列桁架结构
由一系列与楼层等高的桁架组成，桁架横跨在两排外柱之间。
只有横向外柱，无内柱。
：布置
桁架跨度可达20m
纵向开间可6~9m
同层桁架隔开间布置
无分隔开间面积大
主要承重构件
楼板
桁架
节点刚接
每榀桁架上弦和下弦同时支持楼板的垂直荷载。
柱下可采用条形基础
：变形
剪切型
与普通框架相似
壁板结构
指预制为墙板、内部墙体采用砌筑或现浇亦可预制。
砌块
混凝土
：预制混凝土墙板的形式
金属
塑料
任何材料
增加墙板刚度
可对墙板加肋或起折皱
进行使用阶段和运输阶段验算。
盒子建筑
用立体的盒子构件装配而成。
：多层盒子建筑的组合及布置
工厂化生产、现场组
平面多为矩形。
预制盒子
轻质混凝土
木
上述组合
旅馆
办公楼
医院
住宅
学校
营房
工棚
整体浇筑
：整浇的盒子构件形式
板材拼装
骨架与板组装
盒子建筑的组成
全盒子建筑
重叠组合
交错组合
板材盒子建筑
盒子构件和大型楼板大型墙板组成
框架盒子建筑
承重框架与非承重盒子组成
筒体盒子建筑
筒体承重、盒子构件挂与其上
方法
（插）在筒体上
焊在筒体上
高强螺栓固定在筒体上
钢筋混凝土盒子建筑的连接
完全靠构件自重和构件间的摩擦力
在盒子构件四角设垂直连接点
在垂直方向的连接采用在墙板内预留孔洞，就位后从基础底到顶逐层穿入钢筋，用后张法施加预应力使连城整体。
第十三章 高层建筑结构
第一节 概述
高层建筑结构特点
占地面积小、获得建筑面积多
对城市造成热岛效应 或影响周边采光，玻璃幕墙可能造成光污染现象。
可提供更多空闲场地
可用作绿化，提供充足的日照、采光和通风效果。
结构设计中水平荷载起控制作用
（风荷载和地震作用）
侧向位移须限制
层间位移过大，将导致承重构件或非承重构件损坏；
工程造价较高
竖向交通和防火要求导致。
结构分析的特殊性
轴向变形不能忽视、水平荷载控制。
结构计算控制指标
要控制“八种比值”
轴压比
剪重比
刚度比
周期比
位移比
刚重比
层间受剪承载力比
层间位移角
605：高层建筑的设计控制指标
侧向位移控制是设计的主要控制因素：主要控制层间位移角和层间位移比
高层建筑结构的设计理念
(1)由平面构件向空间构件发展
(2)由分散的构件向集约化大构件发展
(3)由弯剪受力向轴向力发展
(4)由简单体型向复杂体型发展
(5)由普通材料向高强度材料发展
(6)由单一结构向组合结构发展
(7)由结构抗侧向耗能减震发展
(8)由普通结构向轻质预应力方向发展
第二节 高层建筑结构的基本结构体系
框架结构体系
由梁柱刚接组成
由纵横向框架组成、形成框架框架
建筑布置灵活
造型活泼
抗侧刚度小
水平位移大
变形大
非结构构件易损
变形特点
剪切形变形
适用范围
地震区一般不超过50m，根据不同的抗震烈度有具体规定。
607：昆明市工人文化宫
15层、高56.4m，屋顶塔楼高69.3m，六边形平面组合
608：同济大学教研楼
21层，高100m，平面48.6x48.6m，由九个16.2.x16.2m正方形组成
剪力墙结构体系
由钢筋混凝土墙承担竖向和水平力
由墙体承受竖向和水平荷载
抗侧刚度大
侧向变形小
建筑布置不灵活
造价高
弯曲形变形
地震区120m以内
609：剪力墙的截面形式
610：结构布置方式
611：深圳敦信大厦
612：北京西苑饭店
剪力墙计算简图，依据墙体开洞分类
整片墙
小开口墙
双肢墙
壁式框架
多肢墙
613：剪力墙开洞大小的变化
框架-剪力墙结构体系
框架结构与剪力墙结构的结合
由框架和墙体共同承受竖向和水平荷载
抗侧刚度适中
侧向变形易控
建筑布置尚灵活
造价适中
弯剪形变形
剪力墙的截面形式
同剪力墙结构
设计关键
剪力墙布置数量和位置
楼屋盖作用
协调框架与剪力墙的共同工作
614：楼盖犹如支撑在剪力堵上的深梁
剪力墙布置原则
纵横向双向布置
平面形状变化处
刚度变化处
楼电梯间处
荷载大处
端部附近
615：剪力墙间距限值
618：剪力墙结构布置示意图
受力和变形
计算简化
总框架、总剪力墙，通过连杆连接
616：结构计算简图
变形
综合框架与剪力墙，为弯剪型变形
617：结构受力与变形的协调
619：广东省人民银行
筒体结构体系
主要由由筒体承受水平荷载
剪力墙相连形成筒体或柱子密布形成筒体
根据筒体布置、组成和数量分类
框筒结构
周边密柱与跨高比很大的窗裙梁组成
框筒要求
周边密柱深梁、角柱加大尺寸
墙面开洞率小于50%
柱轴线间距2~3m
窗裙梁高度0.6~1.2m
窗裙梁宽0.3~0.5m
结构高宽比≤3
平面长宽比≤2
筒中筒结构
外为框架筒内为实筒
筒中筒要求
中部竖向交通处形成中间实腹筒
外筒要求同框筒
框架核心筒结构
外框架内筒体
框架-核心筒要求
周边形成框架结构
中部形成核心筒
多重筒结构
内外筒间增设柱列或剪力墙
多重筒要求
实腹筒和框筒共同要求
用于较高建筑
束筒结构
多筒相连
束筒要求
每个筒均由密柱深梁组成
622：西尔斯大厦
620：筒体结构的平面布置
621：筒中筒结构和框架筒体结构布置实例
第三节 高层建筑结构的特殊布置
带转换层的高层建筑结构
是剪力墙结构部分剪力墙落地、部分剪力墙在底部改为框架形成
623：框支剪力墙结构
筒体结构底部
转换
拱结构
树状结构
大梁结构
桁架结构
624：筒体结构底部柱子的转换
转换构件
625：转换结构的型式
大梁
剪力墙
桁架实、空腹
箱形结构
斜撑
拱形结构
树形结构
工程实例
大连友谊广场
15层、采用大模施工，转换跨度，5400x3=16200m
626：大连市友好广场高层住宅的结构布置
627：上海兴联大厦剪力墙结构布置
25层、底部商场、上部住宅
框架结构中把框架梁改为桁架起到加强结构抗侧刚度的作用，减小结构侧向变形
628：水平析架结构体系
629：设水平桁架结构变位图
带水平加强层的高层建筑结构
框架核心筒结构中，利用设备层、避难层在核心筒与外围框架之间设置刚度较大的水平伸臂构件或沿该层的外围框架设置刚度较大的周边环带。
明显提高结构的整体刚度。
构件
水平外伸构件
实体梁
斜腹杆桁架
空腹桁架
周边水平环带
开孔梁
630：上海世贸国际广场
高度246m，60层，平面等腰三角形，中部设核心筒，周边三面为巨型框架，利用11、28、47层设备层配置周边巨型桁架，联合角部巨型柱，形成巨型框架体系。
631：11层以下结构平面布置
632：巨型外框中钢结构次框架布置
巨型柱用钢骨混凝土，转换层外围桁架用钢结构箱形截面，各杆件刚性连接，11层以上采用次框架，由转换桁架传力。
633：伸臂桁架的布置
634：楼板平面内水平支撑结构布置
悬挂式和悬挑式高层建筑结构
悬挂、悬挑结构
以核心筒、刚架、拱等作为主要承重结构
全部楼面均通过钢丝束、吊索挂在上述结构上。
635：悬挂式结构
充分利用材料性能
自重轻
用材少
有效面积大
同济大学图书馆
636：同济大学图书馆总平面图
637：同济大学图书馆结构布置
该楼建于原有二层通讯稿和三层书库索围成的天井内，为核心筒悬挑结构。
核心筒8.3x8.3m，平面25x25m，楼盖支撑与每两层一榀的预应力悬挑空腹桁架上，桁架支于核心筒上。
高层建筑板柱核心筒结构
组成
板柱结构-板柱组成
板柱-剪力墙结构-板柱
墙组成
板柱-核心筒---板柱加核心筒形成
优点：与板柱-剪力墙比
受力合理、提高延性，周边形成暗梁提高抗冲切内力；
厅、房均可采用落地窗；
空间宽阔平整，便于管道安装；
提高室内建筑空间；
施工方便、模板及配筋简单。
广州远洋大厦
638：广州远洋大厦结构布置
地上22层，高73.4m，中部为筒，外部为空间，设边梁，厚板连接框架与核心筒。
钢结构支撑的布置
框架结构内增设斜向支承，形成框架-斜撑结构。
支撑形式
“X”形、
“K”形、
偏心“K”形。
639：钢结构框架“K”形支撑
第四节 巨型高层建筑结构型式
巨型混凝土框架结构
巨型框架结构
大梁或大型桁架与周边的大型柱子或钢筋混凝土井筒连接，便形成抗侧刚度很大的巨型框架结构。
640：巨型框架结构
可作为独立承重结构，亦可为其他体系的补充。
中部可采用次框架结构。
次结构上部形成大空间
分大层施工、加快施工速度
荷载集中
基础处理困难
对变形适应性差
641：深圳亚洲大洒店
32层，高96.5m
“Y”字形平面
翼缘端部为巨型框架柱
中部混凝土核心筒
每隔6层设巨型框架梁，梁高2000mm，跨度16.5m
次结构柱截面仅250x400mm，次结构上形成大空间
北京电视中心综合业务楼
642：北京电视中心综合业务楼平面图
柱、梁均为钢刚架，同时设有斜向支撑。
建筑四角规则的布置四个“L”形复合巨型柱，由钢柱、钢梁、型钢支撑组成。
643：“ L” 形复合巨型柱
用2层高桁架梁连接巨型柱，形成主体结构。
644：巨形钢桁架梁
645：结构立面图
646：开口结构平面布置
巨型钢刚架结构
台北101大楼
647：台北101大楼结构体系
648，649：台北101大楼阻尼器
上海浦东金茂大厦
650：上海浦东金茂大厦主楼结构体系
高420m，88层，结构体系由钢筋混凝土内筒、8个劲性混凝土巨型外柱及联结两者的3个钢结构加强层组成。
核心筒平面呈八角形，外围尺寸27x27m，筒顶高333.7m，全部现浇混凝土，核心筒内各设井字形剪力墙。
第一道外伸桁架位于24~25层，第二道设在51~52层，第三道设在85~86层。
上海环球金融中心
492m，101层
651：上海环球金融中心布置图
巨型竖向桁架结构
652：竖向桁架结构
653：汉考克大厦
芝加哥，343m
桁架具有很大的刚度，能够充分利用材料强度，在框架柱间增加斜向支撑，或把部分框架直接改竖向放置的桁架可以大大提高结构的抗侧刚度，改善结构的受力性能。
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