建筑結構體系與選型設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 維修費用較高?！?對于相對濕度較大而又通風不良的建筑，或有侵蝕性介質的工業(yè)廠房，不宜選用木屋架和鋼屋架，宜選用預應力混凝土屋架，可提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。４．屋架結構的跨度● 跨度在18m以下時，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構造簡單、施工吊裝方便，技術經濟指標較好。● 跨度在36m以下時，宜選用預應力混凝土屋架，既可節(jié)省鋼材，又可有效地控制裂縫寬度和撓度?！?對于跨度在36m以上的大跨度建筑或受到較大振動荷載作用的屋架，宜選用鋼屋架，以減輕結構自重，提高結構的耐久性與可靠性。（二）屋架結構的基本尺寸屋架結構的基本尺寸包括屋架的矢高、坡度、節(jié)間長度。１．矢高：屋架矢高主要由結構剛度條件確定，屋架的矢高直接影響結構的剛度與經濟指標?！?矢高大、弦桿受力小，但腹桿長、長細比大、易壓曲，用料反而會增多。矢高小，則弦桿受力大、截面大、且屋架剛度小、變形大。因此，矢高不宜過大也不宜過小?！?屋架的矢高也要根據屋架的結構型式?！?一般矢高可取跨度的1/10～1/5。２．坡度：屋架上弦坡度的確定應與屋面防水構造相適應?！?當采用瓦類屋面時，屋架上弦坡度應大些，一般不小于1/3，以利于排水?！?當采用大型屋面板并做卷材防水時，屋面坡度可平緩些，一般為 1/8～1/12。３．節(jié)間長度：屋架節(jié)間長度的大小與屋架的結構型式，材料及受荷條件有關?！?一般上弦受壓，節(jié)間長度應小些，下弦受拉，節(jié)間長度可大些。● 屋面荷載應直接作用在節(jié)點上，以優(yōu)化桿件的受力狀態(tài)。● 為減少屋架制作工作量，減少桿件與節(jié)點數目，節(jié)間長度可取大些。但節(jié)間桿長也不宜過大，～4m。屋架的寬度主要由上弦寬度決定。鋼筋混凝土屋架當采用大型屋面板時，上弦寬度主考慮屋面板的搭接要求，一般不小于20cm。跨度較大的屋架將產生較大的撓度。因此，制作時要采取起拱的辦法抵消荷載作用下產生的撓度?？缍却笥?8m的三角形屋架和跨度大于24m的梯形屋架，起拱度一般為跨度1/500。（三）屋架結構的布置屋架結構的布置，包括屋架結構的跨度、間距、標高等，主要考慮建筑外觀造型及建筑使用功能方面的要求來決定。對于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等間距、等標高布置的同一種類的屋架，以簡化結構構造、方便結構施工。為了構造簡單，制作方便，屋架的弦桿通常設計成等截面的。所以確定屋架的形式時應盡量使弦桿沿全長的內力分布基本相同。如果各節(jié)間的內力相差太大，容易造成材料的浪費。屋架的腹桿布置要合理，盡量避免非結點荷載。并盡量使長腹桿受拉，短腹桿受壓，腹桿數目宜少，使結點匯集的桿件少，構造簡單。結點構造要簡單合理。桿件的交角不宜太小，一般在25度～75度之間。１．屋架的跨度屋架的跨度應根據工藝使用和建筑要求確定，一般以3m為模數。對于常用屋架型式的常用跨度，我國都制訂了相應的標準圖集可供查用，從而可加快設計及施工的進度。對于矩形平面的建筑，一般可選用同一種型號的屋架，僅端部或變形縫兩側屋架中的預埋件稍有不同。對于非矩形平面的建筑，各根屋架或根架的跨度就不可能一樣，這時應盡量減少其類型以方便施工。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。間距的大小除考慮建筑平面柱網布置的要求外，還要考慮屋面結構及吊頂構造的經濟合理性。屋架的間距同時即為屋面板或檁條、吊頂龍骨的跨度，最常見的為6m，、9m、12m等。３．屋架的支座 屋架支座的標高由建筑外形的要求確定，一般為在同層中屋架的支座取同一標高。當一根屋架兩端支座的標高不一致時，要注意可能會對支座產生水平推力。屋架的支座形式，在力學上可簡化為鉸接支座。實際工程中，當跨度較小時，一般把屋架直接擱置在墻、垛、柱或圈梁上。當跨度較大時，則應采取專門的構造措施，以滿足屋架端部發(fā)生轉動的要求。（四）屋架結構的支撐屋架支撐的位置在有山墻時設在房屋兩端的第二開間內，對無山墻（包括伸縮縫處）的房屋設在房屋兩端的第一開間內；在房屋中間每隔一定距離（一般≤60 m）亦需設置一道支撐，對于木屋架，距離為 20～30m。支撐體系包括上弦水平支撐、下弦水平支撐與垂直支撐，它們把上述開間相鄰的兩桁架連結成穩(wěn)定的整體。在下弦平面通過縱向系桿，與上述開間空間體系相連，以保證整個房屋的空間剛度和穩(wěn)定性。支撐的作用有三個： （１）、保證屋蓋的空間剛度與整體穩(wěn)定； （２）、抵抗并傳遞由屋蓋沿房屋縱向傳來的側向水平力，如山墻承受的風力、縱向地震作用等；（３）、防止桁架上弦平面外的壓曲，減少平面外長細比，并防止桁架下弦平面外的振動。三、 屋架結構的設計實例1. 貝寧體育館位于貝寧科托努市的貝寧友誼體育場的多功能綜合體育館，如教材圖1．27（Ｐ21）所示。體育館可容納觀眾5000名，總建筑面積14015，屋蓋結構考慮到當地的施工條件及實際情況，采用梭形立體桁架，高跨比為1/13，中間起拱1/330。上弦及腹桿采用Q235無縫鋼管，下弦用Q345無縫鋼管。上海大劇院是由上海市人民政府投資的大型歌舞劇院，位于上海市中心人民廣場西北側。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。該工程通過國際招標，法國建筑師以其“天地呼應，中西合壁”的構思，獨特的立面造型而中標，如教材圖1．28（Ｐ22）。方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋蓋，橫向寬94m，縱向懸挑26m，反拱圓弧半徑R=93m。由于其獨特的建筑造型和特殊的功能及工藝要求，大劇院的屋蓋體系采用交叉剛接鋼桁架結構。屋蓋結構縱向為兩榀主桁架及兩榀次桁架，在每根主桁架下各設三個由電梯井筒壁形成的薄壁柱，作為整個屋架結構的支座，次桁架僅起到保證屋蓋整體性的作用。橫向為12榀半月牙形無斜腹桿屋架。第五節(jié) 拱式結構體系在房屋建筑和橋梁工程中，拱是一種十分古老而現代仍在大量應用的結構型式。它是以受軸向壓力為主的結構，這對于混凝土、磚、石等材料是十分適宜的，特別是在沒有鋼材的年代，它可充分利用這些材料抗壓強度高的特點，避免它們抗拉強度低的缺點。而且能獲得較好的經濟和建筑效果。因而很早以前，拱就得到了十分廣泛的應用。在我國，很早就成功地采用了拱式結構。公元605～616年隋代人在河北趙縣建造的單孔石拱橋一安濟橋（又稱趙州橋），橫越交河。它距今近1400年，雖經多次地震，而巍峨挺立，是馳名中外的工程技術與建筑藝術完美結合的杰作。 在古代的西方，建造了許多體型龐大、氣魄雄偉的拱式建筑。在建筑規(guī)模、空間組合、建筑技術與建筑藝術等方面都取得了輝煌的成就，并對歐洲與世界建筑產生巨大的影響。 ● 古羅馬最著名的穹頂（半圓拱）結構，當推公元前27～14年建造，后因焚毀并于公元120～123年重建的羅馬萬神廟（見教材圖1．29　Ｐ23）,。它是古羅馬穹頂技術的最高代表作，也是世界建筑史上最早、最大的大跨結構?！?近、現代的拱式結構應用范圍很廣，而且型式多種多樣。例如著名的澳大利亞悉尼歌劇院（圖130，始建于1957年）是大家熟知的建筑，處于深入海中的半島上。建筑形象的基本元素一一拱殼，不但是主要的結構構件，而且是一個符號，一種象征，一個母題，它既象“白帆”、“浪花”，又象盛開的巨蓮，使人產生豐富的聯想。一、結構的類型及其受力特點 a)三鉸拱 　　 b） 兩鉸拱 　　 c）無鉸拱1．31 拱結構計算簡圖拱的類型很多，按結構組成和支承方式，拱可分為三鉸拱、兩鉸拱、和無鉸拱三種，如圖1．31。三鉸拱為靜定結構，兩鉸拱和無鉸拱為超靜定結構。拱結構的傳力路線較短，因此拱是較經濟的結構型式。與剛架相仿，只有在地基良好或兩側拱腳處有穩(wěn)固邊跨結構時，才采用無鉸拱。一般，無鉸拱有用于橋梁的，卻很少用于房屋建筑。 雙鉸拱應用較多?？缍刃≌吖爸夭淮?，可整體預制。跨度大者，可沿拱軸線分段預制，現場地面拼裝好后，再整體吊裝就位。如北京崇文門菜場的32m跨雙鉸拱，就是由五段工字形截面拱段拼裝成的。雙鉸拱乃一次超靜定結構，對支座沉降差，溫度差及拱拉桿變形等都較敏感。 為適應軟弱地基上支座沉降差及拱拉桿變形，最好采用靜定結構的三鉸拱。在跨中央設永久性鉸后也便于分段制作，對大跨度拱更為有利。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級濕陷性黃土，密度小壓縮大，不宜用象雙鉸拱、網架等超靜定結構，故采用了靜定結構的鋼三鉸拱。（a）簡支粱受力特點 （b）拱的受力特點 （c）拱的傳力絡線圖1．32 拱與粱的受力分析 拱與梁的主要區(qū)別是拱的主要內力是軸向壓力，而彎矩和剪力很小或為零；但拱有水平反力，一般稱為水平推力（簡稱推力）。從圖1．32可以看出，粱在荷載P的作用下，要向下撓曲；拱在同樣荷載P作用下，拱腳支座產生水平反力H。它起著抵消荷載P引起的彎曲作用，從而減少了拱的彎矩峰值?，F以三鉸拱為例，進一步說明拱的受力特點：三鉸拱和簡支梁相比，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，拱腳支座內將產生水平推力。拱腳水平推力的大小等于相同跨度簡支梁在相同豎向荷載作用下所產生的在相應于頂鉸C截面上的彎矩除以拱的矢高f。（2）、當結構跨度與荷載條件一定時，為定值，拱腳水平推力H 與拱的矢高f成反比。２．拱身截面的內力（1）、拱身內的彎矩小于跨度相同荷載作用下簡支梁內的彎矩。而且，水平推力H 與y的乘積越大，拱桿截面的彎矩越小。因此在一定荷載作用下，可以改變拱的軸線，使其各截面的彎矩為零，這樣拱桿就只受軸力作用。（2）、拱身截面內的剪力小于相同跨度相同荷載作用下簡支梁內的剪力。（3）、拱身截面內存在有較大的軸力，而簡支梁中是沒有軸力的。二、拱軸的形式確定拱軸的形式主要有兩點，一是拱的合理軸線，二是拱的矢高。1. 拱的合理軸線圖1．35拱的合理軸線在一定的荷載作用下，使拱截面內僅有軸力沒有彎矩，滿足這一條件的拱軸線稱為合理拱軸線。了解合理拱軸線這個概念，有助于我們選擇拱的合理形式。對于不同的結構型式（三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱），在不同的荷載作用下，拱的合理軸線是不同的。對于三餃拱，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，見圖1．35a。 在垂直于拱軸的均布壓力作用下，合理拱軸線為圓弧線，見圖1．35b。2. 拱的矢高不同的建筑對拱的形式要求不同，有的要求扁平，矢高??；有的則要求矢高大。合理拱軸的曲線方程確定之后，可以根據建筑的外形要求定出拱軸的矢高。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，當矢高f不同時，拱軸形狀也不相同。由此可見，矢高對拱的外形影響很大。它直接影響建筑造型和構造處理。矢高還影響拱身軸力和拱腳推力的大小。水平推力H與失高f成反比。因此，設計時確定矢高大小,不僅要考慮建筑外形要求，還要考慮結構的合理性。三、平衡拱腳水平推力的結構處理手法拱是有推力結構，因此拱腳支座必須能夠可靠地承受傳遞水平推力，否則拱式結構的受力性能無法保證。如果能將結構處理的手法與建筑功能和藝術形象融合起來，通過對結構的袒露和藝術來收到建筑造型優(yōu)美的效果則更佳。一般，抗推力結構的處理方案有下列四種。（一）水平推力由拉桿直接承擔（a）室內拉桿拱 （b）地下拉桿拱圖1．36 拱腳水平推力由拉桿承擔這是最安全可靠的方案，能確保拱在任何情況下正常工作。另一優(yōu)點是，其支承結構（墻、柱、剛架等）頂部無水平推力H作用，只承擔豎向力，故支承結構的用料最省、最經濟（如圖1．36）。帶拉桿（尤其預應力拉桿較粗）拱的主要缺點，是其室內空間（凈高與內景）欠佳，故其應用受到限制，多用于食堂、禮堂、倉庫、車間等建筑。（二）推力由水平結構承擔圖1．37 拱腳水平推力由山墻內的拉桿承擔(北京展覽館電影廳)本方案的目標是盡量少設拉桿，讓水平推力由拱腳標高平面內的水平結構（圈梁、挑檐板、邊跨現澆鋼筋混凝土樓屋蓋等）承擔（如圖1．37），使拱腳以下的墻、柱、剛架等豎向結構頂部不承受水平推力。本方案比上一方案用料較多，造價較高，但由于拱內無拉桿，可獲得較大的室內建筑空間。（三）推力由豎向結構承擔拱腳推力H與豎載q的合力是斜向的，在拱腳處與拱軸曲線相切。在該力與其它力作用下，對豎向結構的變形要求比強度要求更嚴。豎向結構應有極大剛度，極小變形。其基礎應擴大，使地基應力盡量趨于均勻，其最大與最小應力相差不能過大，不致使豎向結構傾斜，以保證拱腳水平位移極小，避免拱內彎矩變化過大。這是對豎向結構的總要求?？雇屏ωQ向結構有下列幾種型式：⒈ 斜柱墩：跨度較大、拱腳推力較大時，采用斜柱墩方案,既傳力直接，用料經濟合理，又造型輕巧新穎。近年來，我國一些體育、展覽建筑采用雙鉸拱或三鉸拱（尤其鋼拱較多）,不設拉桿支承在斜柱墩上，這種結構最早用于云南體育館，后又陸續(xù)用于內蒙、天津、沈陽等地田徑練習館中，跨度40～53m。⒉ 邊跨結構：當拱跨較大，且其旁側有邊建筑（如走廊、辦公室、休息小廳、大廳等）時，就可讓拱腳推力傳給邊跨結構、靠它把推力均勻傳布開去。這些抗推力的邊跨豎向結構，可以是單層或多層的墻體，也可以是單層或多層的、單跨或多跨的剛架，或其它各種結構。而這些抗推力豎向結構的側向剛度要足夠大，以保證其在推力下側移極小。⒊ 推力直接傳給基礎─落地拱：對于落地拱，當地質條件較好或拱腳水平推力較小時，拱的水平推力可直接作用在基礎上，通過基礎傳給地基。為了更有效地抵抗水平推力，防止基礎滑移，也可將基礎底面做成斜坡狀。落地拱的上部作屋蓋，下部作外墻柱，不僅省去了抵抗拱腳推力的水平結構與豎向結構， 而且由于拱腳推力的標高一直下降到鉸基礎，使基礎處理大大簡化。這是落地拱的結構特點， 也是其所以經濟有效的根源，對大跨度拱尤其顯著。故一般大跨度拱幾乎全都采用落地拱。無論是雙鉸的或三鉸的落地拱，其拱軸線形都采用懸鏈線或拋物線。當拱腳推力較大，或地基過于軟弱時，為確保雙鉸拱的彎矩不致因基礎位移而增大，或為確?；A在任何情況下都能承受住拱腳推力