第二章-梁、悬挑结构

第二章第二章梁、悬挑结构梁、悬挑结构2.1梁的形式1.1.1梁按材料分类1.1.2梁按截面形式分类1.1.3梁按支撑约束条件分类2.2梁的受力与变形2.3梁式结构的工程实例2.4悬挑结构1.4.1悬挑结构的形式1.4.2悬挑结构的抗倾覆平衡1.4.3悬挑结构的受力1.4.4悬挑结构的工程实例梁和悬挑结构均属受弯构件，是建筑中应梁和悬挑结构均属受弯构件，是建筑中应用广泛的构件，也是建筑结构中的最基本构件用广泛的构件，也是建筑结构中的最基本构件（梁、柱、板、墙）。（梁、柱、板、墙）。1）横向受力。2）结构分析方便，制作简单。3）与其它横向受力结构（桁架、拱等）相比，梁的受力属于比较差的。主要是基于材料质量与其能够提供的承载力之比来衡量的。梁的特点梁的特点2.12.1梁的形式梁的形式2.1.12.1.1梁按材料分类梁按材料分类1、石梁是古希腊雅典娜女神的神庙，兴建于公元前5世纪的雅典卫城。它是现存至今最重要的古典希腊时代建筑物，一般被认为是多立克柱式发展的顶端；雕像装饰是古希腊艺术的顶点，此外还被尊为古希腊与雅典民主制度的象征，是举世闻名的文化遗产之一。石梁跨度4.2m雅典卫城雅典卫城古希腊德帕提农神庙古希腊德帕提农神庙石材抗压强度大、抗拉强度小，故高度大跨度小，十分笨重，柱网受限，影响室内空间的使用。阿提密斯是古希腊的狩猎女神，其神庙始建于公元前356年（说法不一）。整个建筑的设计师是Chersiphron父子，它最大的特色是内部有两排，至少106根立柱，每根大约12至18米高。神庙的底座约为60乘120米。石梁的跨度达8.6m左右古希腊的阿提密斯神庙古希腊的阿提密斯神庙2.1.12.1.1梁按材料分类梁按材料分类2、木梁木梁抗拉、抗压强度大，自重轻，但防腐、防蛀、防火性能差。胶合板、胶合梁等化学处理的胶合木材料具有良好的防腐防蛀阻燃等性能，且比普通木材有更高的强度。太和殿太和殿太和殿结构示意图（木梁跨度达到11m）2.1.12.1.1梁按材料分类梁按材料分类3、钢梁钢梁受拉、受压强度大，自重相对较小，防腐、防火性能差，造价和维修费用高。2.1.12.1.1梁按材料分类梁按材料分类4、钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁是目前应用最为广泛的梁。混凝土受压、纵筋受拉、箍筋受剪，整体受力。钢筋混凝土梁耐火性好、耐久性好、造价低廉，缺点是自重大，受裂缝及挠度限制。混凝土和钢筋的受力特点2.1.12.1.1梁按材料分类梁按材料分类5、预应力混凝土梁由于施加了预压力使其产生预起拱，可有效控制其裂缝宽度和挠度，节省材料减轻自重，跨度可达30m，甚至更大。图8预应力混凝土简支梁受力特点（a）预压力作用（b）外荷载作用（c）预压力和外荷载共同作用2.1.12.1.1梁按材料分类梁按材料分类6、钢-钢筋混凝土组合梁下部为钢梁或钢桁架，上部为普通钢筋混凝土板，充分利用钢与混凝土材料性能，具有良好的经济指标。2.12.1梁的形式梁的形式2.1.22.1.2梁按截面形式分类梁按截面形式分类常用截面形式：矩形、圆形、工字型、槽型、箱型、花篮形¾¾石梁石梁矩形截面矩形截面¾¾木梁木梁圆形截面或矩形截面圆形截面或矩形截面¾¾钢梁钢梁焊接工字形梁、箱形梁焊接工字形梁、箱形梁¾¾钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁矩形、矩形、TT型截面、工字形截面或箱形截面型截面、工字形截面或箱形截面¾¾预应力混凝土梁预应力混凝土梁变高度双坡薄腹梁、鱼腹梁、空腹梁变高度双坡薄腹梁、鱼腹梁、空腹梁¾¾钢－钢筋混凝土组合梁钢－钢筋混凝土组合梁矩形矩形2.1.22.1.2梁按截面形式分类梁按截面形式分类¾¾钢梁钢梁焊接工字形梁、箱形梁焊接工字形梁、箱形梁¾¾钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁矩形、矩形、TT型截面、工字形截面或箱形截面型截面、工字形截面或箱形截面¾¾梁与楼板现浇在一起，楼板成为翼缘（翼缘宽度的确定），形梁与楼板现浇在一起，楼板成为翼缘（翼缘宽度的确定），形成成TT形。中和轴附近材料不能充分发挥作用，挖去后形成工字形。中和轴附近材料不能充分发挥作用，挖去后形成工字型或箱型。型或箱型。预应力混凝土梁预应力混凝土梁变高度双坡薄腹梁、鱼腹梁、空腹梁变高度双坡薄腹梁、鱼腹梁、空腹梁¾¾优点：制作、构造、吊装及设计较简单，侧向刚度大，可优点：制作、构造、吊装及设计较简单，侧向刚度大，可以降低厂房的高度和不需设置屋面支撑以降低厂房的高度和不需设置屋面支撑¾¾缺点：自重较大缺点：自重较大¾¾适用跨度：适用跨度：普通钢筋混凝土薄腹梁为６～１２ｍ普通钢筋混凝土薄腹梁为６～１２ｍ预应力钢筋混凝土薄腹梁为１２～１８ｍ预应力钢筋混凝土薄腹梁为１２～１８ｍ薄腹梁的特点薄腹梁的特点薄腹梁的设计要点和大致尺寸薄腹梁的设计要点和大致尺寸¾¾梁端部高度：一般不小于梁端部高度：一般不小于60cm60cm¾¾双坡度的屋面坡度：双坡度的屋面坡度：1/8L‾1/12L1/8L‾1/12L¾¾梁截面高度：单坡梁梁截面高度：单坡梁hh=(1/18L‾1/12L)=(1/18L‾1/12L)双坡梁中间高双坡梁中间高h=(1/14L‾1/6L)h=(1/14L‾1/6L)¾¾梁腹厚度：梁腹厚度：6‾10cm6‾10cm变截面梁，跨中变截面梁，跨中MM大，故为提高大，故为提高II（惯性矩），增（惯性矩），增加高度；支座边缘加高度；支座边缘VV大，故为提高横截面积，增大大，故为提高横截面积，增大宽度。宽度。¾¾简支梁简支梁¾¾悬臂梁悬臂梁¾¾两端固定梁两端固定梁¾¾多跨连续梁多跨连续梁¾¾静定多跨梁静定多跨梁2.1.32.1.3梁按支承条件分类梁按支承条件分类¾¾多跨连续梁桥多跨连续梁桥九江长江大桥九江长江大桥2.22.2梁的梁的受力与变形受力与变形梁的内力：M、V，有时也有扭矩（T）和轴力（N）¾简支梁：¾悬臂梁：¾固定梁：¾外伸梁：281qlM=max43845qlEIw=max221qlM=max481qlEIw=max2121qlM=max43841qlEIw=max2122181qlqlM−=max])([max214245384llEIqlw−=¾简支梁：构造简单，内力和挠度较大，常用于小跨度。也常用来作为沉降缝之间的连接构件。¾悬臂梁：常用于阳台、雨蓬、挑台，在最大负弯矩处进行计算，还需考虑抗倾覆（过早撤掉模板引起的倾覆实例））和轴力（N）¾固定梁：柱刚度大时，梁柱节点按固接；梁柱刚度差不多，按弹性支承。¾外伸梁：简支梁带外伸段对跨中弯矩和挠度都有利。¾多跨连续梁的内力和挠度：为使得跨中和支座最大弯矩趋于统一，可以调整跨度。（三跨连续梁跨度选择实例，跨度变化影响内力）¾有哪些优点？多跨连续梁为超静定结构，内力小、刚度大、抗震性能好、安全储备高。¾有哪些缺点？多跨连续梁对支座变形敏感，当支座产生不均匀沉降，会引起附加内力。为了避免这一点，可以转化为静定结构，在连续梁弯矩为0处设铰支座（为什么在弯矩为0处设置？为了避免弯矩图变化）。当然因为荷载不确定性，弯矩为0的点也不确定，所以多跨静定梁的受力往往不如多跨连续梁。2.32.3梁式结构的工程实例梁式结构的工程实例上海浦东国际机场第二航站楼上海浦东国际机场第二航站楼近年来，钢结构工程在我国大跨度建筑中得到广泛应用，其中也不乏大跨度钢梁结构。屋盖平面投影尺才：414mx217m整个屋盖上旋采用变截面箱形钢梁，在中间两个节点处采用了树状柱，整个屋盖217m宽的方向分成了3各大跨、2各小跨、外带2个外伸段的五跨连续梁结构。由于钢柱的弹性变形，连续梁支座应为柱端弹簧支座；在三个大跨跨中部分采用了梭形张弦梁结构，综合考虑造型及受力要求，箱型梁变截面，向跨中分叉，围合成一个梭形空间，布置梭形天窗。屋面箱形钢梁与钢柱之间为理想佼节点，由于分别采用了Y形柱及树状柱。柱端部与屋面梁为空间斜交，故要求该佼支座在沿屋架跨度方向和垂直于屋架跨度方向都有一定的转动能力，并能够有效传递轴力和剪力，为此采用了向心关节轴。为什么要布置成梭形张弦梁结构？为什么要布置成梭形张弦梁结构？为什么要设计成树状柱？为什么要设计成树状柱？2.42.4悬挑结构悬挑结构悬挑结构的应用：挑檐、阳台、体育场的看台顶棚及影剧院的挑台等。特点：灵活的空间、造型丰富2.4.12.4.1悬挑结构的形式悬挑结构的形式2.42.4悬挑结构悬挑结构¾板式结构：1.5m¾梁板式、桁架或折板和筒壳等1.5m¾跨度更大时，可在悬臂端设置拉索，常用于大跨度体育馆等建筑。2.4.22.4.2悬挑结构的抗倾覆平衡悬挑结构的抗倾覆平衡1、一般认为51.倾覆力矩(M)R)抗倾倾覆力矩(抗倾覆的几种方法：¾重压平衡（雨蓬、阳台）¾下部拉压平衡（悬挑网架、网壳）¾自平衡（车库、机库）¾副跨框架平衡（剧院挑台）重压平衡重压平衡下部拉压平衡下部拉压平衡副跨框架平衡副跨框架平衡充分利用悬挑结构静力平衡系统的附属空间。充分利用悬挑结构静力平衡系统的组成构件，使抗倾覆的静力平衡系统为建筑功能服务。充分利用自身能保持其静力平衡（副跨框架）的悬挑结构。尤其对于观演性建筑－－礼堂、电影院、剧院、音乐厅等。2.4.32.4.3悬挑结构的受力悬挑结构的受力PLPLPLPPPLLLPPPLLLmmmmmmqqqLLLqL2/2qLqL22//22qLqLqL在悬臂梁中间增设支座并把悬臂看改为简支支座后，梁内最大负弯矩仅为悬挑梁最大负弯矩的四分之一。为减少弯距，常用方法是增加弹性支撑或拉索。（弹性支撑的弹簧系数和梁的刚度以及拉索或斜撑的刚度有关）2.4.42.4.4悬挑结构的工程实例悬挑结构的工程实例成都体育场看台挑篷成都体育场看台挑篷成都市体育场建成于1991年，是一座容纳42000观众，可供举行田径、足球比赛的大型体育场。体育场平面为近似圆形，内场尺寸为长轴201m，短轴138m。体育场屋盖为周圈全封闭带大悬挑挑篷的空间碗状结构，径向框架分为88条轴线，设16处双柱双梁变形缝，共布置了104榀双向对称的现浇钢筋混凝土看台框架及块体拼装悬挑雨蓬结构。挑梁为块体拼装后张部分预应力混凝土结构，采用工字形截面。限于吊装设备，单块混凝土重不超过5吨，悬伸部分划分为1-4段块体进行悬臂拼接。考虑到屋面压型钢板支承及灯具布置方便，块体长度分6.2m和3.2m两种。每榀挑梁的长度变化由尾段调整，尾段与框架顶部立柱整体现浇。天津奥林匹克中心体育场天津奥林匹克中心体育场外观造型以露珠为主题。建筑面积80000平米，地上层数6层，最高点为53米，可容纳观众6万人。屋盖采用钢管桁架悬挑结构。屋盖平面投影为扁长椭圆，长轴约471米，短轴约370米。整个屋面桁架以不同曲率坡向地面，形似露珠。桁架选用V字形平行弦桁架悬挑结构，各榀平行弦桁架呈V字形布置，径向首尾相接，环向布设钢管桁架和交叉斜撑，构成稳定的三维空间体系。内圈和外圈铺设玻璃面板，中间部分基本为金属板，但在V字形桁架之间交替铺设玻璃面板和金属板（内圈和外圈为玻璃板，中间圈交替为玻璃和金属板）上海世博会中国国家馆（东方之冠）上海世博会中国国家馆（东方之冠）建筑面积为48303m2,仅四个核心筒落地。寓意东方之冠，并给人以中国传统礼器“鼎”的联想。构成方式采用了中国传统建筑的屋架体系、斗砚造型。整个体系外观造型层叠出挑、壮观大气。内部空间构件穿插、空间流动、视线连通、满足现代展览空间的要求。结构上平衡稳重，受力明确、荷载传递路线简捷，表现现代工业技术的力学美感。四个钢筋混凝土核心筒，内部为电梯，承担结构上水平作用（风荷载和地震作用）与竖向作用（自重）。楼面采用型钢梁—混凝土板组合结构，为控制楼层净高，方便管道等管线的铺设，采用焊接工字形蜂窝钢梁。屋盖采用钢桁架—混凝土板组合结构。桁架上弦贯通整个屋盖，使拉力的平衡更为直接。为减小大悬挑所产生的挠度，屋盖悬挑部分施加有水平预应力。依建筑外立面的倒梯形造型，设置支撑于混凝土筒体的矩形钢管混凝土斜柱，内浇灌自密实混凝土。自密实混凝土既有高度流动度，又不离析，具有均匀性、稳定性，浇筑依靠自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土。1938年建筑师赖特为考夫曼夫妇修建的别墅，位于宾州的偏僻山间。建造费用：15.5万美元。楼