建筑結(jié)構(gòu)體系與選型設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-預(yù)覽頁(yè)

　

【正文】 房、體育館、禮堂、食堂等中小跨度的建筑中。門(mén)式剛架的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，按構(gòu)件的布置和支座約束條件可分成無(wú)鉸剛架、兩鉸剛架、三鉸剛架三種。２．鋼筋混凝土兩鉸剛架兩鉸剛架也是超靜定結(jié)構(gòu)，對(duì)地基不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也必須考慮，但兩鉸剛架基礎(chǔ)材料用量較少和三鉸剛架相比，其結(jié)構(gòu)剛度較大，所以適用跨度較大。由于門(mén)式剛架的桿件較少，制作方便，而且結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間較大，便于利用，所以它廣泛用于工業(yè)廠房和體育館、禮堂、食堂等建筑。１．鋼剛架結(jié)構(gòu)鋼剛架結(jié)構(gòu)可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種（見(jiàn)圖1．15）。國(guó)外多采用熱軋H形或其他截面形式的型鋼，可減少焊接工作量，并能節(jié)約材料。這時(shí)橫梁高度可取跨度的1/30～1/40，并由拉桿承擔(dān)了剛架支座處的橫向推力，對(duì)支座和基礎(chǔ)都有利。預(yù)應(yīng)力拉桿可布置在支座鉸的平面內(nèi)，也可布置在剛架橫梁內(nèi)僅對(duì)橫梁施加預(yù)應(yīng)力，也可對(duì)整個(gè)剛架結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力。對(duì)于兩鉸或三鉸剛架，立柱上大下小，為楔形構(gòu)件，橫梁為直線變截面，如圖1．16所示。 （４）、橫梁的加腋長(zhǎng)度一般取自柱邊算起為（～）L； （５）、拱式門(mén)架的起拱高度（矢高）f，一般取為（1/9～1/7）L。其跨度由工藝條件確定，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)的考慮。屋蓋的主要承重結(jié)構(gòu)是中距為30m的兩榀東西向93m跨的雙鉸門(mén)架，矢高7m，門(mén)架頂高28m。將索上下倒置，即成為拱的作用，索內(nèi)的拉力也變成為拱的壓力，這條倒置的索線即為推力線。總的來(lái)說(shuō)，高跨比比較合理。拼接節(jié)點(diǎn)處，有加腋與不加腋兩種。剛架拼裝單元的劃分一般根據(jù)內(nèi)力分布決定，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)受力可靠，制造、運(yùn)輸、安裝方便。剛架承受的荷載一般有恒載和活載兩種。修理“伊爾一24”和“安一24”型客機(jī)。１．桁架方案 , 。但是跨度較小，采用懸索方案不經(jīng)濟(jì)，要求高強(qiáng)度的鋼索，材料價(jià)格高；同時(shí)對(duì)施工條件和技術(shù)的要求較高，因此這個(gè)方案不宜采用。在房屋建筑中，桁架常用來(lái)作為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，這時(shí)常稱為屋架?！?桁架結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)：把整體受彎轉(zhuǎn)化為局部構(gòu)件的受壓或受拉，從而有效地發(fā)揮出材料的潛力并增大結(jié)構(gòu)的跨度。側(cè)向剛度小，對(duì)于鋼屋架特別明顯，受壓的上弦平面外穩(wěn)定性差，也難以抵抗房屋縱向的側(cè)向力，這就需要設(shè)置支撐。鋼筋混凝土屋架當(dāng)其下弦采用預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，稱為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架。我國(guó)常用的屋架有三角形、矩形、梯形、拱形和無(wú)斜腹桿屋架等多種型式，見(jiàn)圖1．24。在一般情況下，屋架的主要荷載類型是均勻分布的結(jié)點(diǎn)荷載。 式中：（負(fù)值表示上弦受壓，正值表示下弦受拉）一一 簡(jiǎn)支梁相應(yīng)于屋架各結(jié)點(diǎn)處的截面彎矩； 一一 屋架高度。腹桿的內(nèi)力可以根據(jù)隔離體的平衡法則，由力的豎向投影方程求得： 式中：一一 斜桿的豎向分力和豎桿的軸力。用同樣的方法可以分析三角形和拋物線形屋架的內(nèi)力分布情況，見(jiàn)圖1．26d、c所示。二、屋架結(jié)構(gòu)的選型、基本尺寸及布置（一）屋架結(jié)構(gòu)的選型屋架型式的選擇一般與建筑物的使用要求、跨度和荷載大小，以及材料供應(yīng)和施工技術(shù)水平等因素有關(guān)，選擇屋架型式的一般原則是適用、經(jīng)濟(jì)、美觀和制造簡(jiǎn)單?！?梯形屋架，因其既具有較好的力學(xué)性能，上下弦均為直線施工方便，故在大中跨建筑中被廣泛應(yīng)用。● 當(dāng)屋面防水材料采用粘土瓦、機(jī)制平瓦或水泥瓦時(shí)，應(yīng)選用三角形屋架、陡坡梯形屋架。４．屋架結(jié)構(gòu)的跨度● 跨度在18m以下時(shí)，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工吊裝方便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。１．矢高：屋架矢高主要由結(jié)構(gòu)剛度條件確定，屋架的矢高直接影響結(jié)構(gòu)的剛度與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。● 屋架的矢高也要根據(jù)屋架的結(jié)構(gòu)型式。● 當(dāng)采用大型屋面板并做卷材防水時(shí)，屋面坡度可平緩些，一般為 1/8～1/12?！?為減少屋架制作工作量，減少桿件與節(jié)點(diǎn)數(shù)目，節(jié)間長(zhǎng)度可取大些?？缍容^大的屋架將產(chǎn)生較大的撓度。對(duì)于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等間距、等標(biāo)高布置的同一種類的屋架，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造、方便結(jié)構(gòu)施工。屋架的腹桿布置要合理，盡量避免非結(jié)點(diǎn)荷載。１．屋架的跨度屋架的跨度應(yīng)根據(jù)工藝使用和建筑要求確定，一般以3m為模數(shù)。２．屋架的間距屋架一般宜等間距平行排列，與房屋縱向柱列的間距一致，屋架直接擱置在柱頂。當(dāng)一根屋架兩端支座的標(biāo)高不一致時(shí)，要注意可能會(huì)對(duì)支座產(chǎn)生水平推力。（四）屋架結(jié)構(gòu)的支撐屋架支撐的位置在有山墻時(shí)設(shè)在房屋兩端的第二開(kāi)間內(nèi)，對(duì)無(wú)山墻（包括伸縮縫處）的房屋設(shè)在房屋兩端的第一開(kāi)間內(nèi)；在房屋中間每隔一定距離（一般≤60 m）亦需設(shè)置一道支撐，對(duì)于木屋架，距離為 20～30m。三、 屋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例1. 貝寧體育館位于貝寧科托努市的貝寧友誼體育場(chǎng)的多功能綜合體育館，如教材圖1．27（Ｐ21）所示。上海大劇院工程用地面積21644，占地面積11530， 總建筑面積62800，地下兩層，地上6層，高度為40m。屋蓋結(jié)構(gòu)縱向?yàn)閮砷麒旒芗皟砷舞旒埽诿扛麒旒芟赂髟O(shè)三個(gè)由電梯井筒壁形成的薄壁柱，作為整個(gè)屋架結(jié)構(gòu)的支座，次桁架僅起到保證屋蓋整體性的作用。而且能獲得較好的經(jīng)濟(jì)和建筑效果。它距今近1400年，雖經(jīng)多次地震，而巍峨挺立，是馳名中外的工程技術(shù)與建筑藝術(shù)完美結(jié)合的杰作。它是古羅馬穹頂技術(shù)的最高代表作，也是世界建筑史上最早、最大的大跨結(jié)構(gòu)。一、結(jié)構(gòu)的類型及其受力特點(diǎn) a)三鉸拱 　　 b） 兩鉸拱 　　 c）無(wú)鉸拱1．31 拱結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖拱的類型很多，按結(jié)構(gòu)組成和支承方式，拱可分為三鉸拱、兩鉸拱、和無(wú)鉸拱三種，如圖1．31。一般，無(wú)鉸拱有用于橋梁的，卻很少用于房屋建筑。如北京崇文門(mén)菜場(chǎng)的32m跨雙鉸拱，就是由五段工字形截面拱段拼裝成的。例如西安秦涌博物館展覽廳的67m跨的三鉸拱，由于地基為I～Ⅱ級(jí)濕陷性黃土，密度小壓縮大，不宜用象雙鉸拱、網(wǎng)架等超靜定結(jié)構(gòu)，故采用了靜定結(jié)構(gòu)的鋼三鉸拱?，F(xiàn)以三鉸拱為例，進(jìn)一步說(shuō)明拱的受力特點(diǎn)：三鉸拱和簡(jiǎn)支梁相比，在跨度與荷載相同條件下 １．拱腳處的水平推力（1）、在豎向荷載作用下，拱腳支座內(nèi)將產(chǎn)生水平推力。而且，水平推力H 與y的乘積越大，拱桿截面的彎矩越小。二、拱軸的形式確定拱軸的形式主要有兩點(diǎn)，一是拱的合理軸線，二是拱的矢高。對(duì)于三餃拱，在沿水平方向均布的豎向荷載作用下，合理拱軸線為一拋物線，見(jiàn)圖1．35a。以三鉸拱為例，在沿水平方向均布的豎向荷載作用下，拱的合理軸線為二次拋物線，當(dāng)矢高f不同時(shí)，拱軸形狀也不相同。水平推力H與失高f成反比。一般，抗推力結(jié)構(gòu)的處理方案有下列四種。（二）推力由水平結(jié)構(gòu)承擔(dān)圖1．37 拱腳水平推力由山墻內(nèi)的拉桿承擔(dān)(北京展覽館電影廳)本方案的目標(biāo)是盡量少設(shè)拉桿，讓水平推力由拱腳標(biāo)高平面內(nèi)的水平結(jié)構(gòu)（圈梁、挑檐板、邊跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓屋蓋等）承擔(dān)（如圖1．37），使拱腳以下的墻、柱、剛架等豎向結(jié)構(gòu)頂部不承受水平推力。豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)有極大剛度，極小變形。近年來(lái)，我國(guó)一些體育、展覽建筑采用雙鉸拱或三鉸拱（尤其鋼拱較多）,不設(shè)拉桿支承在斜柱墩上，這種結(jié)構(gòu)最早用于云南體育館，后又陸續(xù)用于內(nèi)蒙、天津、沈陽(yáng)等地田徑練習(xí)館中，跨度40～53m。⒊ 推力直接傳給基礎(chǔ)─落地拱：對(duì)于落地拱，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好或拱腳水平推力較小時(shí)，拱的水平推力可直接作用在基礎(chǔ)上，通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基。故一般大跨度拱幾乎全都采用落地拱。拱身的截面寬度b視其截面高度而定。一般，拱身承受彎矩比較容易滿足要求。 b．格構(gòu)式拱：當(dāng)拱截面較高h(yuǎn)＞1500mm時(shí)，可做成格構(gòu)式鋼拱。這就是板式截面拱。b．雙波拱：這種拱的橫截面呈有凹有凸的波浪形。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的縱向剛度，傳遞作用于山墻上的風(fēng)荷載，還應(yīng)設(shè)置縱向支撐與橫向支撐形成整體。由平面拱組合構(gòu)成的空間拱結(jié)構(gòu)，因其各拱肋已相互交叉連接，具有空間剛度與穩(wěn)定性，也就無(wú)需支撐。多叉拱的平面適應(yīng)性非常之強(qiáng)，幾乎能適應(yīng)任何平面形狀。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以用木材、鋼筋混凝土或鋼材來(lái)做，并且具有多種多樣的形式，使用靈活方便，可適應(yīng)于多種形式的建筑平面的要求，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多大跨度公共建筑中或工業(yè)建筑均普遍地采用這種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)來(lái)覆蓋巨大的空間。這種網(wǎng)架比較適合于正方形或接近于正方形的短形平面建筑。網(wǎng)架是高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全度特別大。（３）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的各個(gè)桿件，既是受力桿，又是支撐桿，不需單獨(dú)設(shè)置支撐系統(tǒng)，而且整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，空間剛度大，是一種良好的抗震結(jié)構(gòu)型式。（６）平板網(wǎng)架是一種無(wú)推力的空間結(jié)構(gòu)，一般簡(jiǎn)支在支座上，邊緣構(gòu)件比較簡(jiǎn)單。后者剛度更大，受力性能更好。兩個(gè)方向的桁架分別平行于建筑平面的邊線，因而稱為正放，如教材圖1．53（Ｐ35）所示。３．三向交叉網(wǎng)架三向交叉網(wǎng)架一般是由三個(gè)方向的平面桁架相互交叉而成，其交角互為600，故上下弦桿在平面中組成正三角形，如教材圖1．55（Ｐ36）所示。角錐體系網(wǎng)架比交叉桁架體系網(wǎng)架剛度大，受力性能好。四角錐體網(wǎng)架上弦不易設(shè)置再分桿，因此網(wǎng)格尺寸受限制，不宜太大。也可錐尖向上布置，這時(shí)由錐尖的連桿作為網(wǎng)架的上弦桿，由錐的底邊相連成為網(wǎng)架的下弦桿。正放四角椎體網(wǎng)架桿件內(nèi)力比較均勻。這種網(wǎng)架適用于平面接近正方形的中、小跨度周邊支承的建筑，也適用于大跨網(wǎng)的點(diǎn)支承、有懸掛吊車的工業(yè)廠房和屋面荷載較大的建筑。由于網(wǎng)架受壓的上弦桿長(zhǎng)度小于受拉的下弦桿，從鋼桿件受力性能來(lái)看，這種布置方式比正放四角錐網(wǎng)架更為合理，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)交匯的桿件數(shù)量也較少，因此用鋼量較少。六角錐體網(wǎng)架 （教材圖1．58b Ｐ38）這種網(wǎng)架由六角錐單元組成，如教材圖1．58b所示。三角錐體網(wǎng)架 （教材圖1．59 Ｐ39）三角錐體網(wǎng)架是由三角錐單元組成。一種是上、下弦平面均為正三角形的網(wǎng)格，如教材圖1．59a所示。這里的圈梁，即支承網(wǎng)架的托梁。四點(diǎn)或多點(diǎn)支承的網(wǎng)架相當(dāng)于四角支承雙向板或無(wú)梁樓蓋的平板。對(duì)于形式比較簡(jiǎn)單、平面尺寸較小的網(wǎng)架，則可采用角鋼作為桿件。螺栓連接適用于高空安裝。當(dāng)采用輕型屋面時(shí)，網(wǎng)格尺寸一般可以取3～6m之間。3．腹桿布置腹桿布置應(yīng)盡量使受壓桿件短，受拉桿件長(zhǎng)，減少壓桿的長(zhǎng)細(xì)比，充分發(fā)揮桿件截面的強(qiáng)度，使網(wǎng)架受力合理。這樣可以避免上弦的局部彎曲，并減少其長(zhǎng)細(xì)比，使受力更為合理。起拱后的網(wǎng)架，桿件長(zhǎng)度復(fù)雜化了，只有保持上、下弦平行才能求得較好的效果。網(wǎng)架的桿件采用直徑為48～159mm、壁厚為4～12mm的鋼管，焊接空心球節(jié)點(diǎn)，鋼球直徑為400mm，壁厚為14mm。根據(jù)飛機(jī)機(jī)尾高、機(jī)身矮的特點(diǎn)，機(jī)庫(kù)沿高度方向設(shè)計(jì)成高低跨，機(jī)尾高跨部分下弦標(biāo)高為26m，因此，機(jī)庫(kù)屋蓋選用了高低整體式折線形網(wǎng)架。一般在建筑工程中所遇到的殼體，常屬于薄殼結(jié)構(gòu)的范疇。薄殼空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較均勻，是一種強(qiáng)度高、剛度大、材料省、既經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)在設(shè)計(jì)方面，薄壁空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算過(guò)于復(fù)雜。一般有：（1）、柱曲面（一根直母線沿兩根曲率方向和大小相同的豎向曲導(dǎo)線移動(dòng)而成）或柱狀曲面（一根直母線沿兩根曲率方向相同但大小不同的豎向曲導(dǎo)線始終平行于導(dǎo)平面移動(dòng)而成） 它們又都稱單曲柱面，分別見(jiàn)教材圖1．67。3．平移曲面 （教材圖1．68 Ｐ44）由一根豎向曲母線沿另一豎向曲導(dǎo)線平移而成。又如，雙曲拋物面可近似看作用一系列直線相連的兩個(gè)圓盤(pán)以相反方向旋轉(zhuǎn)而成，扭面實(shí)際上是雙曲拋物面中沿直紋方向切割出的一部分（如教材圖1．69c）。a)殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力 　 b）薄膜內(nèi)力圖1．71 殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力上述內(nèi)力可以分為兩類，作用于中曲面內(nèi)的薄膜內(nèi)力和作用于中曲面外的彎曲內(nèi)力。理論分析表明：當(dāng)曲面結(jié)構(gòu)的壁厚t小于其最小主曲率半徑R的１／２０并能滿足下列條件時(shí)，薄膜內(nèi)力是殼體結(jié)構(gòu)中的主要內(nèi)力：（１）殼體具有均勻連續(xù)變化的曲面；（２）殼體上的荷載是均勻連續(xù)分布的；（３）殼體的各邊界能夠沿著曲面的法線方向自由移動(dòng)，支座只產(chǎn)生阻止曲面切線方向位移的反力。其縱向?yàn)橹本€，有其橫向剛度小的缺點(diǎn)，但卻由于它的幾何形狀簡(jiǎn)單，模板制作方便，易于施工，省工省料，這是其最大優(yōu)點(diǎn)。沿跨度方向稱為筒殼的縱向，沿波長(zhǎng)方向則稱為筒殼的橫向。側(cè)邊構(gòu)件（邊梁）與殼身共同工作，整體受力。橫隔的功能是承受殼身傳來(lái)的順剪力并將內(nèi)力傳到下部結(jié)構(gòu)上去。因此，筒殼結(jié)構(gòu)是橫向拱的作用與縱向梁的作用的綜合。2．短筒殼：當(dāng)跨長(zhǎng)與波長(zhǎng)的比值時(shí)，稱為短筒殼。c．天窗的布置：筒殼的天窗孔及其他孔洞建議沿縱向布置于殼體的上部。2. 筒殼的結(jié)構(gòu)布置方式a．折縫 （教材圖1．78 Ｐ49）單曲板的剛度雖比平板好。此外，還可形成折縫。因?yàn)榧觿爬叩睦吒哂邢?，而折縫兩側(cè)的曲面板寬度卻大得多。若在一個(gè)筒殼中，其波寬與矢高沿縱向變化，或兩端支座一高一低變化其形象，則筒殼的造型立時(shí)頓變，顯出無(wú)窮的活力。 懸挑橫隔密排者為短筒殼，疏排者為長(zhǎng)筒殼。五、圓頂薄殼結(jié)構(gòu)圓頂結(jié)構(gòu)是極其古老且近代仍然大量應(yīng)用一種結(jié)構(gòu)型式。此后應(yīng)用漸多，但由于受其造型之限，多用于天文館、會(huì)堂、音東廳、劇院、展覽館等中心型建筑。當(dāng)建筑平面不完全是圓形，或由于采光要求需要將圓頂表面分成獨(dú)立區(qū)格時(shí)，可采用肋形圓頂。多面圓頂結(jié)構(gòu)與圓形圓頂結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點(diǎn)主要是支座距離可以較大，同時(shí)建筑外形活潑。殼身結(jié)構(gòu)當(dāng)有通風(fēng)采光要求時(shí)，一般可在圓頂頂部開(kāi)設(shè)圓形孔洞。圓頂可以通過(guò)支座環(huán)直接支承在房屋的豎向構(gòu)件上（如磚墻、柱等），也可以支承在外拱或斜柱上。在軸向（旋轉(zhuǎn)軸）對(duì)稱荷載作用下，圓頂徑向受壓，環(huán)向上部受壓，下部可能受壓也可能受拉，這是圓頂殼面中的主內(nèi)力（教材圖1．86 Ｐ51）, 從此可以看出，圓頂結(jié)構(gòu)可以充分利用材料的強(qiáng)度。對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，支座環(huán)宜采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。球殼矢高一般取f=（1/5～1/2）L