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第六章—大跨屋盖结构第六章大跨屋盖结构•1网架结构•2网壳结构•3拱结构•4悬索结构•5薄壁空间结构主要内容第六章大跨屋盖结构5.1概述•薄壁空间结构具有丰富的建筑外形，由于它们大部分属于曲面结构，所以习惯上也称之为薄壳结构。第五节薄壁空间结构印度新德里莲花庙莲花庙的外貌酷似一朵盛开的莲花，故称“莲花庙”。它高34.27米，底坐直径74米，由三层花瓣组成，全部采用白色大理石建造。底座边上有9个连环的清水池，拱托着这巨大的“莲花”第六章大跨屋盖结构壳体具有非常好的承载性能，能以较小的厚度承载很大的荷载。壳与板相比，其优越性类似于拱与梁对比的情况。对于要求自重轻而又要具有足够的强度和刚度的结构，常采用壳体的形式。5.1概述第六章大跨屋盖结构薄壳结构的特点•薄壳由于壁厚相比最小主曲率半径很小，因此主要承受曲面内的正向力和顺剪力，能够充分利用材料强度，同时具有很高的承载力和刚度。•例如：6m6m的钢筋混凝土双向板，一般情况下至少需要130mm厚，而35m35m的双曲扁壳（北京火车站候车厅屋顶）只需要80mm的厚度！折算下来双曲扁壳屋盖的厚度仅相当于平板结构屋盖厚度的1/10左右。5.1概述第六章大跨屋盖结构•薄壁空间结构不仅具有良好刚度和承载力，而且其造型优美，具有丰富的艺术表现力，并适用于各种建筑平面。•薄壁空间结构常用于屋盖结构、特别适用于较大跨度的建筑屋盖、如展览大厅、俱乐部、飞机库、食堂、工业厂房和仓库等。5.1概述第六章大跨屋盖结构不足：5.1概述薄壁空间结构也有它不足的方面：•结构计算复杂；•施工难度大；•模板、工时耗费多，施工费用高（施工费占总费用的2/3左右）。第六章大跨屋盖结构5.2薄壁空间结构的曲面形式1旋转曲面旋转曲面是指由以平面曲线做母线，绕其平面内的轴旋转而形成的曲面。母线如果是圆、椭圆、抛物线或双曲线，通过旋转可以形成球形曲面、椭球曲面、旋转抛物面或旋转双曲面。第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构2平移曲面•平移曲面是指由一曲母线沿另一曲率方向相同的竖向曲导线平移所形成的曲面。5.2薄壁空间结构的曲面形式第六章大跨屋盖结构3直纹曲面•直纹曲面是指由一根母线沿两根曲导线（这里指广义曲线，它既可以是曲线，也可以是直线或者点）平移所形成的曲面。根据曲导线的不同，直纹曲面又可以分为扭面、柱面、柱状面、锥面、锥状面等形式。•直纹曲面形成的薄壁空间结构的最大优点是，建造时模板容易制作，因此在工程中应用较多。5.2薄壁空间结构的曲面形式第六章大跨屋盖结构(1)扭面扭面也称双曲抛物面。扭面可以是指由一根母线沿两个相互倾斜但又不相交的直导线平移所形成的曲面（图a）。扭面也可以是用平移的方法，由一根竖向抛物线沿另一曲率相反的抛物线移动而形成（图b）。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。5.2薄壁空间结构的曲面形式第六章大跨屋盖结构(2)柱面柱面是指一根母线沿两根曲率相同且相互平行的竖向曲导线平移所形成的曲面。(3)柱状面柱状面是指由一根直母线沿两根曲率不同但相互平行的竖向曲导线平移并始终平行于一导平面所形成的曲面。5.2薄壁空间结构的曲面形式第六章大跨屋盖结构(4)锥面锥面是指一根直母线的一端始终通过一定点保持静止而另一端沿一根竖向曲导线平移所形成的曲面。5.2薄壁空间结构的曲面形式第六章大跨屋盖结构5.3筒壳结构1概述•筒壳的壳板为单向柱形曲面，所以也称为柱面壳。筒壳几何形状简单，模板制作容易，施工方便，在建筑工程中应用广泛。第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构1概述筒壳一般由壳板、边梁和横隔三部分组成。两个横梁之间的水平距离l1称为跨度，两个边梁之间的水平距离l2称为波长。5.3筒壳结构第六章大跨屋盖结构1概述筒壳结构中，横隔的作用是抵抗筒壳结构的推力作用。5.3筒壳结构第六章大跨屋盖结构2筒壳的采光与开洞•筒壳的采光可以布置成锯齿形屋盖来解决，每一齿的距离一般不大于12m。这样采光均匀，波谷汇水量小，造型也美观。5.3筒壳结构北京798艺术区锯齿形屋盖筒壳展览厅第六章大跨屋盖结构3筒壳结构的工程实例•1960年建成的重庆山城宽银幕电影院，屋面由五个筒形薄壳组成。5.3筒壳结构重庆山城宽银幕电影院第六章大跨屋盖结构5.4折板结构1折板结构的特点•折板结构是以一定角度整体联系构成的薄板体系。•折板结构受力性能良好，构造简单，施工比筒壳结构更方便。第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构2折板结构的形式和尺寸•折板结构的形式主要分为有边梁和无边梁两种。•无边梁的折板结构由若干等厚度的平板和横隔构件组成，预制V形折板就是其中一种。•有边梁的折板结构一般为现浇结构，由板、边梁和横隔构件三部分组成，与筒壳类似。5.4折板结构第六章大跨屋盖结构2折板结构的形式和尺寸•折板结构的形式可分为单波和多波以及单跨和多跨。•板的宽度一般不宜大于3.5米，否则板内弯矩过大，板厚就必须增加，导致不经济。•一般情况下，顶板的宽度应为（0.25~0.4）l2，波长l2不应大于12m，l1跨度则可达30m左右。5.4折板结构第六章大跨屋盖结构2折板结构的形式和尺寸•多波折板应做成同样的厚度，有利于构件的规格统一。•现浇折板的倾角不宜大于30度，以避免坡度过大导致浇筑混凝土采用双面模板造成施工困难。•但预制折板的灵活度相对大些，倾角一般可取26度~45度。5.4折板结构第六章大跨屋盖结构3折板结构工程实例5.4折板结构第六章大跨屋盖结构5.5圆顶结构1圆顶结构的形式和特点•圆顶结构在建筑中的应用历史十分悠久。圆顶结构属于旋转曲面壳，它不像筒壳那样可以展开，具有较大的抗弯刚度和较高的整体稳定性。它比单曲率薄壳的厚度小，更加经济合理，适用于更大跨度的建筑。第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构1圆顶结构的形式和特点5.5圆顶结构按壳面的结构和构造不同，圆顶结构可以分为平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶三种类型。平滑圆顶在工程中应用较多。当圆顶结构的跨度较大时，可以采用肋形圆顶。肋形圆顶是由径向肋和环向肋及壳板组成，当圆顶结构的直径不大时，也可以仅设径向肋。多面圆顶结构是由数个拱形薄壳相交而成。第六章大跨屋盖结构1圆顶结构的形式和特点5.5圆顶结构圆顶的下部支承结构有以下几种：（1）圆顶结构通过支座环（对圆顶起到箍的作用，是圆顶基本的抗推力构件）支承在竖向承重构件上，如承重墙或柱等。第六章大跨屋盖结构1圆顶结构的形式和特点圆顶的下部支承结构（2）圆顶结构支承在斜柱或斜拱上。5.5圆顶结构第六章大跨屋盖结构1圆顶结构的形式和特点圆顶的下部支承结构（3）圆顶结构支承在框架上。（4）圆顶结构直接落地并支承在基础上。5.5圆顶结构第六章大跨屋盖结构2圆顶结构的内力分析5.5圆顶结构一般情况下，圆顶结构的壳面径向弯矩和环向弯矩都较小，可以忽略不计，因此壳面内力可以根据无矩理论计算。在均布竖向荷载作用下，圆顶径向受压，环向上部受压，下部受拉。第六章大跨屋盖结构2圆顶结构的内力分析5.5圆顶结构圆顶结构的支座环由于承受壳面边缘的推力作用，其截面内为拉力。由于支座环对壳面边缘变形的约束作用，壳面边缘附近会产生径向的弯矩。为了防止该处发生受弯破坏，可在壳面靠近支座环附近适当加厚，并增加抗弯钢筋的配置。对于较大跨度的圆顶结构，可以对支座环采用施加预应力的方法。第六章大跨屋盖结构3圆顶结构的工程实例5.5圆顶结构北京天文馆，1957年建成，其天象厅的半球形圆顶直径为23.5米。北京天文馆第六章大跨屋盖结构3圆顶结构的工程实例5.5圆顶结构香港天空馆，1980年建成，半球形圆顶的直径23米。香港太空馆第六章大跨屋盖结构5.6双曲扁壳结构1双曲扁壳的形式和特点•双曲扁壳由壳板和竖直的边缘构件（横隔构件）组成。双曲扁壳属于抛物线平移曲面，其顶点处的矢高与其底面最小边长之比f/l=5。第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构1双曲扁壳的形式和特点•因为扁壳的矢高比底面尺寸小很多，所以又称为微弯平板。为了减少壳面边缘处的剪应力和弯曲应力，双曲扁壳结构不宜做得太扁。当双向曲率不相等时，较大曲率与较小曲率比以及底面长边与短边之比均不宜超过2。5.6双曲扁壳结构第六章大跨屋盖结构1双曲扁壳的形式和特点•双曲扁壳的横隔构件可以采用薄腹梁、拉杆拱或者拱形桁架等，也可采用空腹桁架或拱形刚架。•横隔是双曲扁壳结构最基本的抗推力构件，在它的四个交接处一定要有可靠的连接措施，以约束壳面的变形。•横隔本身在其平面内应有足够的刚度，否则会引起横隔变形过大，在壳面内产生过大的内力。5.6双曲扁壳结构第六章大跨屋盖结构2双曲扁壳结构的工程实例5.6双曲扁壳结构北京火车站第六章大跨屋盖结构1双曲抛物面的特点•双曲抛物面壳的稳定性好。壳面下凹的方向如同受拉的索网，而壳面上凸的方向又如同薄拱。下凹的方向的拉应力会对上凸方向的压曲产生约束作用，提高受压的稳定性。5.7双曲抛物面壳结构第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构双曲抛物面的特点•双曲抛物面壳施工建造方便。由于双曲抛物面壳属于直纹曲面，壳面的配筋和模板制作简便。•双曲抛物面壳造型丰富。根据不同的切割组合方式能较为灵活地适应不同建筑功能和造型的需要。5.7双曲抛物面壳结构第六章大跨屋盖结构2双曲抛物面壳结构的工程实例5.7双曲抛物面壳结构广州星海音乐厅广州星海音乐厅的主建筑采用了钢筋混凝土双曲抛物面壳体结构。壳体南北翘起，东西两翼落地，奇特的外观造型异常富有现代感。第六章大跨屋盖结构5.8曲面的切割与组合应用实例•曲面的形成方法有旋转法、平移法和直纹法，可形成大约十种左右的基本曲面，但曲面结构的建筑却不限于这几种基本曲面的简单形式。建筑师通过对各种不同曲面进行切割、拼接和组合就可以设计出新颖的曲面结构建筑。第五节薄壁空间结构第六章大跨屋盖结构•建筑师在对各种曲面结构形式进行切割、拼接或组合时，不仅要满足建筑平面和造型的要求，还需要遵守曲面形成的画法几何法则。只有这样，才能确保形成的曲面在结构上受力合理，结构设计和施工都很方便。5.8曲面的切割与组合应用实例第六章大跨屋盖结构美国第一个大型薄壳混凝土建筑。优雅的钢筋弧形混凝土屋顶由一个1/8的球体表面形成，主要有三个穹隅支撑。，1956年的建筑实录上，克雷斯吉礼堂被评为第15届最显著建筑，并于2008年被列为波士顿十大建筑之一。5.8曲面的切割与组合应用实例美国麻省理工学院礼堂第六章大跨屋盖结构2美国兰伯特-圣路易斯国际机场候车大厅5.8曲面的切割与组合应用实例美国兰伯特圣路易斯国际机场候机大厅