6第1章 绪论

特种结构河北工程大学土木工程学院建筑工程教研室孙克第1章绪论特种结构的概念是指除普通的工业与民用建筑结构、交通土建工程、矿山、码头和水利水电工程研究对象以外的，在土木工程中有广泛用途的、功能比较特殊的，且结构的作用以及结构的形式比较复杂的工程结构。1.1特种结构的研究内容1.1.1特种结构的研究对象挡土墙深基坑支护储液池水塔筒仓烟囱等，其结构大多采用钢筋砼结构，本课主要讲述特种钢筋砼结构。挡土墙是建筑工程、道路工程、桥梁工程、矿山工程和码头工程中应用很广的一种支挡结构。1绪论储液池、水塔均为市政工程中用途很广的特种结构，对它们分析设计的研究也比较多，其设计理论相对比较成熟，本书将对储液池、水塔进行比较详细的讨论。储料仓是水泥、粮储和矿山中用途很广的一种结构，本书也将对其进行讨论。深基坑支护结构是随着城市高层建筑的大量修建而发展起来的一种新型特种结构，目前，对其研究不很深入，设计方法粗糙，实践超前于理论，本课只作初步探讨。烟囱主要用在工厂和北方的居民生活区的供热系统的主要附属构筑物上，其设计、施工均较复杂。1.1.2简介几种特种结构1.水池水池同水塔一样用于储水。不同的是：水塔用支架或支筒支承，水池多建造在地面和地下。按材料分：钢水池、钢筋混凝土水池、钢丝网水泥水池、砖石水池等。其中，钢筋混凝土水池具有耐久性好、节约钢材、构造筒单等优点，应用最广。按施工方法分：预制装配式水池和现浇整体式水池。目前推荐用预制圆弧形壁板与工字形柱组成池壁的预制装配式的圆形水池；预制装配式矩形水池则用V形折板作池壁。泳池是建筑工程中的一个重要部分。随着生活水平的提高，现在别墅带私家泳池已不是新鲜事，且式样新颖。泳池给人们带来了很多好处，它为人们提供了一个夏季度假避暑的场所，甚至人们可以全年都利用它来进行休闲活动。泳池(图1.1)采用不规则形状的池沿，再配合风景如画的环境，就可以形成类似天然池塘或礁湖的效果。石板的路面，大块的岩石和蜿蜒曲折的砂砾色池底使泳池看起来好像一个天然的湖泊。2.水塔水塔是储水和配水的高耸结构，是给水工程中常用的构筑物，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。水塔由水箱、塔身和基础三部分组成。图1.2圆柱壳式、倒锥壳式、球形、箱形水塔(由左向右)水塔按建筑材料分为钢筋混凝土水塔、钢水塔、砖石塔身与钢筋混凝土水箱组合的水塔。水箱也可用钢丝网水泥、玻璃钢和木材建造，过去欧洲曾建造过一些具有城堡式外形的水塔。法国有一座多功能的水塔，在最高处设置水箱，中部为办公用房，底层是商场。我国也有烟囱和水塔建在一起的双功能构筑物。水箱(图1.2)的形式分为圆柱壳式和倒锥壳式，在我国这两种形式应用最多，此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。塔身一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形，塔身支架多用钢筋混凝土刚架或钢构架。水塔基础有钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。当水塔容量较小、高度不大时，也可用砖石材料砌筑的刚性基础。由我国援建的阿尔及利亚的2500m3水塔(图1.2)，其总高度为47.46m，球壳外径18.6m，采用了三种不同的厚度，上半球为0.35m，半球至梯形圈梁处为0.55m，圈梁以下为0.90m。球体上有条有4条自墙体延伸上去宽1.5m的扶壁，以锚固预应力束。球壳由4片截面边续变化的墙体和一外径为6.1m、壁厚为0.5m的筒体支撑。采用了直径27m，厚3.0m的板式基础，其埋深7.05m。3.筒仓筒仓是贮存粒状和粉状松散物体(如谷物、面粉、水泥、碎煤、精矿粉等)的立式容器，可作为生产企业调节和短期贮存用的附属设施，也可作为长期贮存粮食的仓库。根据所用的材料，筒仓可做成钢筋混凝土筒仓、钢筒仓和砖砌筒仓。钢筋混凝土筒仓又可分为整体式浇筑和预制装配、预应力和非预应力的筒仓。从经济、耐久和抗冲击性能等方面考虑，我国目前应用最广泛的是整体浇筑的普通钢筋混凝土筒仓。按照平面形状的不同，筒仓可做成圆形、矩形(正方形)、多边形和菱形，目前国内使用最多的是圆形和矩形(正方形)筒仓。圆形筒仓的直径为12m和12m以下时，采用2m的倍数；12m以上时采用3m的倍数。按照筒仓的贮料高度与直径或宽度的比例关系，可将筒仓划分为浅仓和深仓。深仓主要供长期贮料用，从深仓中卸料需用动力设施或人力。浅仓主要作为短期贮料用，可以自动卸料。4.核电站我国的经济正以举世无双的态势迅猛增长，经济高速发展产生了庞大的需求，同时国内石油储备又不断下降，这些都促使我国做出提高核能发电量的决定。现有的8座核反应堆的发电量为6000兆瓦，这些核电站位于广东的大亚湾(图4.49)及浙江的秦山(图4.50)。计划到2020年，将核电占全国总体发电量的比例从目前的大约1％提高到5％。图1.4大亚湾核电站图1.5秦山核电站应堆是核电站的心脏，它是使原子核裂变的链式反应能够有控制地持续进行的装置，是利用核能的一种最重要的大型设备。反应堆中有控制棒，它是操纵反应堆、保证其安全的重要部件，它是由能强烈吸收中子的材料制成的，主要材料有硼和镉。反应堆的类型很多，根据不同的标准，可以有多种分类。下面介绍三种分类。“快堆”和“慢堆”(亦称“热堆”)。当前世界上绝大多数反应堆均为热中子反应堆(简称“热堆”或“慢堆”)。“快堆”即“快中子反应堆”，它与“慢堆”的根本区别在于，引起核裂变的“炮弹”是高能的快中子。“压水堆”和“沸水堆”。在正常运行条件下，压水反应堆内的水由于受到很高的压力，始终处于“液态”。我国已建成的秦山核电站(一期)和大亚湾核电站以及正在建设的秦山二期、岭澳和田湾核电站均采用压水堆。沸水反应堆内的水则处于气、液两相的状态。“轻水堆”和“重水堆”。自然界的氢有三种同位素：氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)。普通水中的氢原子是“氕”，这种水我们称为“轻水”；若水中的氢原子是“氘”，则称为“重水”。“轻水堆”和“重水堆”的区别在于反应堆的冷却剂、慢化剂是“轻水”还是“重水”。秦山三期核电工程采用的是重水堆。5.烟囱烟囱是工业中常用的构筑物，是把烟气排入高空的高耸结构，能改善燃烧条件，减轻烟气对环境的污染。烟囱按建筑材料可分为砖烟囱、钢筋混凝土烟囱和钢烟囱三类。砖烟囱的高度一般不超过50m，多数呈圆截锥形，用普通粘土砖和水泥石灰砂浆砌筑。其优点是：可以就地取材，节省钢材、水泥和模板；砖的耐热性能比普通钢筋混凝土好；由于砖烟囱体积较大，重心较其他材料建造的烟囱低，故稳定性较好。但其缺点是：自重大，材料数量多，整体性和抗震性较差；在温度应力作用下易开裂；施工较复杂，手工操作多，需要技术较熟练的工人。钢筋混凝土烟囱多用于高度超过50m的烟囱，外形多为圆锥形，一般采用滑模施工。其优点是自重较小，造型美观，整体性、抗风、抗震性好，施工筒便，维修量小。按内衬布置方式的不同，可分为单筒式、双筒式和多筒式。目前，我国最高的单筒式钢筋混凝土烟囱为210m。最高的多筒式钢筋混凝土烟囱是秦岭电厂212m高的四筒式烟囱。现在世界上已建成的高度超过300m的烟囱达数十座，例如米切尔电站的单筒式钢筋混凝土烟囱高达368m。钢烟囱自重小，有韧性，抗震性能好，适用于地基差的场地，但耐腐蚀性差，需经常维护。钢烟囱按其结构可分为拉线式(高度不超过50m)、自立式(高度不超过120m)和塔架式(高度超过120m)。随着我国城市的不断发展和环保意识的加强，近年来有很多早期的大型烟筒需要拆除，但是由于场地限制和工期紧迫，在建筑工程中需要采用爆破。广州造纸厂100米烟囱采用折叠式爆破,在6.8秒中形成三折化灰烬。。沈阳冶炼厂三座百米高的巨型烟囱被同时实施定向爆破拆除(图1.56。在同一场地同时起爆三座百米巨型烟囱，这在亚洲是第一次，在世界上也属罕见。7.混凝土电视塔混凝土电视塔是塔体部分或全部分由混凝土构成的电视塔，它的组成包括塔体、桅杆、塔基础。塔基础顶面以上竖向布置的受力结构称塔体。塔楼以上的塔体部分称桅杆，主要用于安装发射天线，它由混凝土和钢结构构成。塔体的中部或顶部的建筑由单层或多层空间组成，部分或部分挑出塔体外部称为塔楼。塔体和地基间，承受塔体各种作用的结构称为塔基础。电视广播和电信事业在我国乃至全世界迅速发展。自20世纪50年代以来，国外兴建了大量的各种类型的电视塔。德国早在1956年率先建成了混凝土斯图加特电视塔，高度为217米，以后又在汉堡、慕尼黑等地建造了更高的电视塔。非洲、美洲和亚洲的国家也相继建造混凝土电视塔。目前世界最高的电视塔是加拿大的多伦多电视塔高度为553.3米；位居第二的是俄罗斯的533米的奥斯坦金电视塔。上海电视塔位于世纪大道1号，浦东陆家嘴地区，与黄浦公园、外滩隔江相望1991年动工建造，1994年投入使用。它是上海的标志性建筑。东方明珠电视塔，选用了东方民族喜爱的圆体作为基本建筑线条，其设计富有唐代诗人白居易诗中“大珠小珠落玉盘”的优美含意。电视塔主体结构高350米，全塔总高度为468米。从电视塔大台阶步入塔内底层，便见宏伟的大堂，从底层电梯大厅到直径为45米的中球，离地面263米，该球共九层，有1万多平方米。主体由三个斜筒体、三个直筒体和11个球组成，形成巨大的空间框架结构，具有鲜明的海派建筑特色，做到了现代科技与东方文化的完美统一1.2特种结构的学习方法“特种结构”是土木工程专业的一门专业课，它的前续课程有“材料力学”、“结构力学”、“钢筋混凝土结构”、“土力学与地基基础”、“工程结构抗震设计”等，只有学习了相关的前续课程才能够学习特种结构。特种结构由于结构形式较为复杂，对结构的各种作用较难确定，因此给结构分析带来了较多的困难；另外其构造设计也较复杂，因此在学习特种结构时应注意以下几个问题：•（1）要结合相关规范掌握荷载及其他作用的计算方法和组合方法，使得荷载及各种作用计算相对准确。•（2）要正确选用结构计算模型，考虑主要因素，忽略次要因素。（3）要采用简单可行的结构分析方法，省时、省力、准确。（4）要结合各相关规范掌握各种特种结构设计的基本方法，既要满足强度、刚度、稳定性基本要求，又要使计算模型和计算方法未考虑的因素和不足通过构造措施来满足。（5）学习本门课要有扎实的数学、力学和结构设计方面的知识。（本课是一门选修课，要注重方法的掌握及知识面的扩大。)