《廣義結(jié)構(gòu)力學(xué)及其工程應(yīng)用》 陳燊 -15

1、第15章 組合結(jié)構(gòu)與索結(jié)構(gòu)§15.1 梁桁組合結(jié)構(gòu)梁桁組合橋是一種常見的組合結(jié)構(gòu)（圖15.1.1），由剛性的實(shí)腹梁和桁架組合而成，分上承式和下承式。組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可以用同一材料，也可用不同材料制成。實(shí)腹板梁與桁架組合后，梁式桿件為受彎桿件，也起上（或下）弦桿的作用，既受彎、剪，又受軸力；而桁架桿件只有軸力。此種組合體系梁與一般桁梁比較，結(jié)構(gòu)簡潔，工地拼裝構(gòu)件數(shù)量大大減少。 圖15.1.1 梁桁組合結(jié)構(gòu)如圖15.1.2a所示的下?lián)问轿逍切挝菁芫褪橇鸿旖M合結(jié)構(gòu)在建筑上的應(yīng)用實(shí)例。其上弦由鋼筋混凝土預(yù)制（梁式桿），下弦和腹桿為型鋼（鏈桿）。計(jì)算簡圖如圖15.1.2b所示。 (a) (b)圖

2、15.1.2 下?lián)问轿逍切挝菁芨鶕?jù)梁的使用場(chǎng)合及其彎矩圖，相應(yīng)布置折線形桁架加勁，可形成力學(xué)性能合理的梁桁組合結(jié)構(gòu)，如圖15.1.3所示伸臂梁橋，最大桁高位置與支點(diǎn)一致，用以抵抗負(fù)彎矩。圖15.1.3 梁桁組合伸臂梁橋圖15.1.4a是一次超靜定梁桁組合結(jié)構(gòu)，由鏈桿加勁梁式桿，用于結(jié)構(gòu)加固尤為簡便。在超靜定結(jié)構(gòu)中，由于鏈桿的作用，使梁式桿的彎矩減小，從而達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)自重、增加剛度的目的。梁桁組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，可按受力性能的不同選用合適的材料以充分發(fā)揮其作用。梁式桿可以是鋼筋混凝土材料或鋼材，可以是實(shí)體梁或桁架梁。圖15.1.4b所示用于高架橋箱型梁混凝土現(xiàn)澆的施工膺架，一次超靜定。該梁式桿即所謂

3、“拆裝梁”桁架，加勁鏈桿中豎桿采用槽鋼作壓桿，斜桿和下弦桿采用螺紋鋼作拉桿，便于施加預(yù)應(yīng)力（見§17.2）。 (a) (b)圖15.1.4 超靜定梁桁組合結(jié)構(gòu)§15.2 梁拱組合結(jié)構(gòu)剛性梁和柔性拱相組合的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在上世紀(jì)60年代的我國鐵路橋上就已出現(xiàn)（圖15.2.1），拱與梁的剛度比為1/108。此外，還有柔性系桿剛性拱和剛性系桿剛性拱，以及單跨和連續(xù)的梁拱（或拱梁）組合結(jié)構(gòu)體系。1992年建造的九江長江大橋主跨就是以柔拱加勁的雙層連續(xù)鋼桁梁橋（圖15.2.2）。圖15.2.1 梁拱組合體系 圖15.2.2 柔拱加勁連續(xù)鋼桁梁拱與梁的組合形成了新的結(jié)構(gòu)體系，使拱與

4、梁在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，并呈現(xiàn)美觀的造型和優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因其結(jié)構(gòu)輕巧且可以做成外部無推力，故也適用于軟弱地基?，F(xiàn)代梁拱組合橋的發(fā)展，得益于預(yù)應(yīng)力技術(shù)和施工工藝的更新。三跨連續(xù)形式的梁拱組合橋適用于較大跨度的城市橋梁，當(dāng)今備受重視。從結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況看，荷載在拱與梁中產(chǎn)生的內(nèi)力大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼈冎g所形成的自平衡體系的相互作用力，拱推力與梁的縱向拉力相互作用，拱與梁截面的總彎矩等效為主要由拱受壓，梁受拉的受力形式，剪力則主要成為拱壓力的豎向分力，即拱內(nèi)的軸向力將分擔(dān)梁的剪力。下承式連續(xù)梁拱組合橋（圖15.2.3）的拱不是加強(qiáng)連續(xù)結(jié)構(gòu)的中支點(diǎn)截面，而是通過對(duì)中孔（類似系桿拱）的加強(qiáng)使內(nèi)

5、力重分布，以降低中孔加勁梁的建筑高度，并將荷載由拱直接傳遞到支點(diǎn)。中承式連續(xù)梁拱組合橋（圖15.2.4）在彎矩較大的跨中和中支點(diǎn)處，拱（壓）與梁（拉）的相對(duì)距離增大，形成最佳的抗彎受力狀態(tài)，而在剪力最大的中支點(diǎn)處，拱軸線與水平線呈最大傾角，拱壓力的豎向分力有效平衡了剪力。采用鋼管混凝土之后，不僅使拱的施工方法得以簡化，而且通過減小混凝土收縮、徐變，改善了拱與橋梁整體長期變形和受力狀態(tài)。 圖15.2.3 下承式連續(xù)梁拱組合橋 圖15.2.4 中承式連續(xù)梁拱組合橋在橋下凈空允許且地形合適時(shí)，上承式連續(xù)梁拱組合橋（圖15.2.5）是一種較佳的選擇。該結(jié)構(gòu)型式相當(dāng)于空腹的變截面連續(xù)梁（或是設(shè)置大角度V

6、型墩的連續(xù)梁），恒載作用下對(duì)支墩的水平推力很小。這種梁拱組合加強(qiáng)了中支點(diǎn)，只要矢跨比適當(dāng)，拱壓力及加勁梁的拉力將有效地抵抗支點(diǎn)處的負(fù)彎矩，也減少了拱對(duì)墩的推力，而且在跨中段可以梁拱合一獲得最小的建筑高度。在跨徑較大時(shí)，拱的矢跨比對(duì)連續(xù)梁拱組合橋的力學(xué)性能影響很大，應(yīng)盡可能選取較大的矢跨比。 圖15.2.5 上承式連續(xù)梁拱組合橋§15.3 梁索組合結(jié)構(gòu)梁與索的組合實(shí)際上等于在梁結(jié)構(gòu)上方增加了許多中間彈性支承，使梁的彎矩顯著減小，因此在不增加梁截面高度的情況下，大大增加了組合結(jié)構(gòu)的跨越能力，如特大跨度的斜拉橋和懸索橋。斜拉橋斜拉橋用斜拉索（或斜拉桿）支承梁板橋面系，結(jié)構(gòu)體系由斜拉索、墩塔

7、和主梁所組成。用高強(qiáng)鋼材制成的斜拉索將主梁多點(diǎn)吊起，并將主梁的恒載和車輛荷載傳至塔，再通過墩基傳至地基。大跨度的主梁就象一根多點(diǎn)彈性支承（吊起）的連續(xù)梁一樣工作，可大大減小主梁尺寸，減輕自重和節(jié)省材料，又大幅度提高橋梁本身的跨越能力。斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系按其斜索、墩塔和主梁三者的不同結(jié)合方式可分為：懸浮體系（主梁僅在梁端設(shè)支座）、支承體系（主梁在中間塔墩上也設(shè)支座）、塔梁固結(jié)體系（主梁與塔固結(jié)，相當(dāng)于配置體外預(yù)應(yīng)力索的連續(xù)梁）、剛構(gòu)體系（塔、梁、墩固結(jié)，相當(dāng)于配置體外預(yù)應(yīng)力索的連續(xù)剛構(gòu)）和協(xié)作體系（對(duì)于單塔斜拉橋，當(dāng)主跨太大時(shí)，可與變截面連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)相協(xié)作）。各種體系（圖15.3.1）在受力、

8、變形、施工等方面均各有其特點(diǎn)。 (a) 懸浮體系 (b) 支承體系 (c)塔梁固結(jié)體系 (d) 剛構(gòu)體系 (e) 協(xié)作體系 圖15.3.1 斜拉橋結(jié)構(gòu)體系斜拉索是斜拉橋的主要承重部分，在立面布置上種類繁多，各種索形在構(gòu)造上、力學(xué)上和美學(xué)上各有其特點(diǎn)（圖15.3.2），常用的有輻射式（斜拉索傾角大，用鋼材省，但塔頂錨固困難）、豎琴式（外形美觀，傾角較小，鋼索用量多）和扇形布置（兼有上述兩種索形的大部分優(yōu)點(diǎn)）。在橋梁橫向布置上，傾斜設(shè)置的雙塔雙索面結(jié)構(gòu)具有更好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。(a) 輻射式 (b) 豎琴式 (c) 扇形布置 圖15.3.2 斜拉索布置形式塔柱主要承受軸力，即斜索的豎向分力，同時(shí)還要承

9、受因車輛活載、溫度變化等因素導(dǎo)致兩側(cè)不平衡斜索水平分力所引起的彎矩作用。對(duì)于單塔單索面結(jié)構(gòu)，還應(yīng)保證塔柱的抗風(fēng)穩(wěn)定性。索塔通常采用箱型截面、現(xiàn)場(chǎng)灌注鋼筋混凝土而成。順橋向看，塔柱主要有獨(dú)柱型、A型和倒Y型三種，此外，還有雙柱型、門型、H型、寶石型等（圖15.3.3）。 圖15.3.3 塔柱類型斜拉橋主梁可以做成連續(xù)的、帶懸臂的和既連續(xù)又與塔墩固結(jié)的等。鋼斜拉橋主梁截面型式一般采用兩根工字型主梁和橫梁組成的梁格結(jié)構(gòu)，斜拉索錨固在鋼主梁上，鋼橋面板為正交異性板。也有采用鋼主梁帶鋼筋混凝土橋面板的結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是橋面板造價(jià)低，有利于分擔(dān)斜索的水平分力，便于養(yǎng)護(hù)和減少行車噪音，但自重大?；炷列崩?/p>

10、橋主梁的截面型式有板式和半封閉式箱型，后者抗風(fēng)性能好；對(duì)于單索面，則需要抗扭剛度大的單箱多室截面。1991年建成的挪威斯卡恩圣特橋是跨度最大的雙索面混凝土箱梁斜拉橋（主跨530m）。1993年建成的上海楊浦大橋曾是世界最大跨度的結(jié)合梁斜拉橋（主跨為602m），2002年被福建閩江青州大橋超過（主跨605m）。1994年法國諾曼底大橋（主跨856m的混合梁斜拉橋）、1999年日本多多羅大橋（主跨890m的鋼箱梁斜拉橋）后來居上。不久前動(dòng)工的我國蘇通斜拉橋?qū)⒁灾骺?040m再次向世界紀(jì)錄發(fā)起沖擊。值得一提的是，近幾年出現(xiàn)一種將斜拉體系應(yīng)用于大跨度屋蓋的組合結(jié)構(gòu)形式。斜拉體系利用由塔柱頂端伸出的斜拉

11、索為屋蓋的橫跨結(jié)構(gòu)（主梁、桁架、平板網(wǎng)架等）提供了一系列中間彈性支承，使這些橫跨結(jié)構(gòu)不需靠增大結(jié)構(gòu)高度和構(gòu)件截面即能跨越很大的跨度，從而達(dá)到節(jié)省材料的目的。由于建造塔柱以及所需的邊緣錨桿和受拉基礎(chǔ)要增加造價(jià)，所以斜拉屋蓋體系最適用于大跨度的多跨建筑，或雖為單跨但沒有適當(dāng)附跨的建筑（如收費(fèi)站、停車棚），使塔柱兩側(cè)均可敷設(shè)斜拉索，或采用傾斜單塔以減少塔柱單向受力，保持塔頂平衡，這種受力體系在橋梁上已有成功的應(yīng)用（圖15.3.4）。圖15.3.4 荷蘭鹿特丹馬斯河橋懸索橋懸索橋也稱吊橋（圖15.3.5），是一種最適合于大跨度的橋梁型式。懸索橋承重主要靠大纜（主索），通過密布的吊桿，懸吊加勁梁和橋面系

12、；大纜由高塔提供中間支承，大纜兩端用錨碇固定。錨碇用大體積的混凝土做成，或深埋于地下，其地面上的外形和橋臺(tái)相似（也稱錨臺(tái)）；或在地面澆注三角塊（圖15.3.6），憑著錨塊混凝土的重量，抵抗大纜的豎向分力，憑著錨碇底面與地基的摩擦力，抵抗大纜的水平分力；或在橋端附近山體中開挖隧道，然后灌注混凝土做錨碇。這種傳統(tǒng)的“地錨式”懸索橋多為“三跨簡支”或“三跨連續(xù)”。圖15.3.5 傳統(tǒng)三跨懸索橋圖15.3.6 錨碇三角塊立面圖此外，還有“自錨式”的懸索橋。1990年建成的日本此花大橋是世界上第一座自錨體系、單主纜、斜吊索懸索橋（圖15.3.7）。該橋省去巨大的錨碇基礎(chǔ)，而將主纜錨于加勁梁端部節(jié)段特殊設(shè)

13、計(jì)的錨固梁上。自錨索相當(dāng)于為三跨連續(xù)加勁梁配置一根加大偏心距的體外預(yù)應(yīng)力索。單索面的斜吊索在加勁梁縱軸線上設(shè)置，形成一榀柔性的三角形“桁架”，有助于提高橋面剛度和增加動(dòng)阻尼，頗具特色。雙層橋面結(jié)構(gòu)的韓國漢城水受大橋也是一座自錨體系懸索橋，主纜在空間的曲線變化是該橋的主要特征。兩根主纜索在A型塔頂靠攏，到跨中分開在橋面兩側(cè)，主纜索錨固在加勁桁梁上。圖15.3.7 單索面自錨體系懸索橋古代吊橋有竹索橋、藤網(wǎng)橋和鐵索橋（如瀘定橋），多用索面支承橋面，由于受纜索曲線的限制，橋面難于通行，現(xiàn)代吊橋都已改用高強(qiáng)鋼纜懸吊平直橋面。吊橋纖細(xì)輕柔，下?lián)狭枯^大，而且風(fēng)荷載引起的橋面不對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，有可能損毀結(jié)構(gòu)。

14、直到橋梁工程界認(rèn)識(shí)到重力剛度的意義和吊橋的氣動(dòng)彈性特性，才對(duì)吊橋恢復(fù)了信心。吊橋的主要承重構(gòu)件除了大纜、塔和錨碇外，還靠加勁梁來增加剛度，傳遞荷載。可供選擇的加勁梁主要有鋼桁架梁和扁平鋼箱梁。目前仍保持吊橋跨度世界紀(jì)錄（主跨1990米）的日本明石海峽橋就是用鋼桁架加勁的公鐵兩用雙層懸索橋。近十年來，中國建造現(xiàn)代懸索橋技術(shù)突飛猛進(jìn)，已躍居世界前列。近來橋梁工程界提出一種懸索與斜拉索組合體系，也稱吊拉組合體系，前不久竣工的我國貴州烏江大橋作了一次有益的嘗試。這種將自錨式的斜拉橋與地錨式的懸索橋兩種體系結(jié)合在一起的方法，為擴(kuò)大橋梁跨度開辟了新的途徑。土耳其即將修建的跨度為600m+2000m+200

15、m的伊茲米特海灣橋就取這種方案。邊孔及中孔靠邊孔的600m范圍內(nèi)用斜拉索承重，不設(shè)豎直吊桿（吊索）；而中孔跨中800m范圍內(nèi)用懸索承重，不設(shè)斜拉索。§15.4 組合網(wǎng)架空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以分為平板型（網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）和曲面型（網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)）兩類。它不僅包括鉸結(jié)體系，也包括剛結(jié)體系。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間鉸結(jié)桿系結(jié)構(gòu)，其弦桿層數(shù)一般是雙層的，在某些情況下也可做成三層（或多層）；而網(wǎng)殼有單層和雙層兩種，當(dāng)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的單元尺寸和整體尺寸相比較小時(shí)，結(jié)構(gòu)大多具有連續(xù)體性質(zhì)。雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式很多，其中平面桁架系網(wǎng)架是由平面桁架交叉組成（圖15.4.1），其基本單元為一對(duì)平行等長的上下弦桿和一對(duì)等長的豎腹桿及一根

16、斜腹桿組成，位于同一垂直平面內(nèi)。一般設(shè)計(jì)為斜腹桿受拉，豎桿受壓。斜腹桿與弦桿夾角宜在40°60°之間。常見有：兩向正交正放、兩向正交斜放、兩向斜交斜放和三向（按60°相互交叉）網(wǎng)架等四種形式。 (a)兩向正交正放 (b)兩向正交斜放 (c)三向組合圖15.4.1 平面桁架系網(wǎng)架此外還有四角錐體系網(wǎng)架和三角錐體系網(wǎng)架（圖15.4.2、圖15.4.3）。網(wǎng)架的選型應(yīng)根據(jù)建筑平面形狀和跨度大小、網(wǎng)架的支承方式、荷載大小、屋面構(gòu)造和材料、制作安裝方法等，結(jié)合實(shí)用與經(jīng)濟(jì)的原則綜合分析確定。 圖15.4.2 四角錐體系網(wǎng)架 圖15.4.3 三角錐體系網(wǎng)架在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，由于建筑

17、要求等原因，常用鋼筋混凝土屋面板，板僅起傳遞外荷載作用，而板的自重也作為一種荷載加于網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)上，板本身并不參與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力。實(shí)際上，鋼筋混凝土板可能參與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的工作，如把板代替網(wǎng)架的鋼上弦桿，就形成了有鋼筋混凝土上弦板和鋼腹桿及下弦桿的組合結(jié)構(gòu)，稱為組合網(wǎng)架（圖15.4.4）。組合網(wǎng)架的類型可按相應(yīng)的網(wǎng)架形式來劃分，也可按上弦板的形式和支承形式來劃分。圖15.4.4 組合網(wǎng)架組成形式由于鋼筋混凝土板有一定的抗彎剛度，面內(nèi)剛度很大，因此組合網(wǎng)架在荷載作用下的撓度，比相同條件下的網(wǎng)架要小得多，鋼腹桿和弦桿的內(nèi)力也小許多。可見組合網(wǎng)架可承受更大的荷載或可建設(shè)更大跨度的結(jié)構(gòu)，在相同荷載條件下，建筑高

18、度可比一般網(wǎng)架矮。也就是說，組合網(wǎng)架具有剛度大、自重輕的特點(diǎn)。此外，板的抗彎剛度與荷載大小有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所受荷載和跨度的大小，選用合理的板厚、肋高、網(wǎng)架高，應(yīng)使鋼筋混凝土板與鋼腹桿及下弦桿等強(qiáng)。組合網(wǎng)架不僅使鋼材和混凝土兩種不同材料充分發(fā)揮各自的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，又使結(jié)構(gòu)的承重和圍護(hù)功能合二為一，是近十幾年來具有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式，適宜于建造荷載較大的大跨度樓層結(jié)構(gòu)，如倉庫、廠房、百貨公司、展覽廳等建筑。組合網(wǎng)架是從網(wǎng)架演變而來的，其荷載計(jì)算同網(wǎng)架。有限元分析法是組合網(wǎng)架計(jì)算方法中最精確的計(jì)算方法，它把組合網(wǎng)架離散成板殼元、梁元和桿元等有限個(gè)在結(jié)點(diǎn)上彼此相連的單元。各結(jié)點(diǎn)必需滿足平衡條件和

19、變形協(xié)調(diào)條件，以建立組合網(wǎng)架的總剛度方程，從而求得位移值和各單元內(nèi)力。§15.5 桿板殼結(jié)構(gòu) 桿、板、殼及其組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用相當(dāng)廣泛。此類結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為從理論上說是三維彈性力學(xué)的一類特殊問題?！皸U”是指可以當(dāng)作一維線度彈性體計(jì)算的三維物體，桿的橫截面的尺寸比長度小得多?！皻ぁ笔侵缚梢援?dāng)作二維曲面彈性體計(jì)算的三維物體，殼的橫截面的厚度比曲面橫展尺寸小得多?！鞍濉笔侵盖蕿榱愕摹捌綒ぁ?，事實(shí)上平板大變形后都成為有曲率的殼體。板殼實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往需要桿的支承和加勁。平板結(jié)構(gòu)樓板 樓板是常見的用來水平傳遞橫向荷載的板結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它和單根梁的組合不一樣。對(duì)于一組梁，只有受荷載的梁會(huì)彎曲，而樓板

20、是連續(xù)的，受載點(diǎn)附近的樓板都受影響。集中荷載會(huì)造成樓板各方向的彎曲，樓板也因此擁有較強(qiáng)的剛度，可做成薄板。由于剪力的關(guān)系，受載附近的樓板會(huì)發(fā)生扭曲。根據(jù)支承形式的不同，樓板分為單向板和雙向板。單向板由兩個(gè)平行梁所支承，單向抗彎；雙向板四邊都有梁或墻支承，兩個(gè)方向都有抗彎應(yīng)力，因此抗彎能力較強(qiáng)，通常可以做得更薄，特別是接近正方形的雙向板較為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)樓板的長寬比較大時(shí)，雙向板的應(yīng)力狀態(tài)接近于單向板。平板與肋板 點(diǎn)支承（如柱支承）的等厚度樓板常稱為平板。柱支承時(shí)，柱附近應(yīng)配筋較多以承擔(dān)剪力，或在柱頂加垂板或墊板用以局部加強(qiáng)，避免戳破樓板。肋板猶如在板底加小梁，用于加勁長邊樓板，小梁通常成為樓板的一部

21、分，排列于大梁之間。格柵樓板為格子狀混凝土樓板，格柵狀小梁與樓板成為一體。格柵樓板最適合于較大跨度的正方形平面。無梁板 用柱點(diǎn)支撐的無梁板是無梁（不設(shè)托梁或肋梁）的雙向樓板，由于省掉梁，平面有更多彈性，柱子也可呈不規(guī)則排列，并可增加空間凈高，降低施工難度。柱和樓板間的剛性節(jié)點(diǎn)可提供側(cè)向穩(wěn)定性。最經(jīng)濟(jì)的柱排列方式為正方形（也可不規(guī)則排列成自由形）。無梁板不太適合于大跨度構(gòu)造。類似于房屋建筑的無梁樓蓋，無梁板橋是用墩柱直接支承板式上部結(jié)構(gòu)的一種新型橋梁，也稱為點(diǎn)支承異型板橋，在城市立交系統(tǒng)的彎、坡、斜橋中有靈活應(yīng)用。其上部為連續(xù)平板，下部為墩柱，每根墩柱可以有擴(kuò)大的柱頭（托板），其作用在于減小跨徑

22、和提高平板的抗沖剪強(qiáng)度。也可不采用托板柱頭，而視跨徑大小選用等厚度或變厚度的板身。墩柱與板固結(jié)能分擔(dān)板身的彎矩，削弱墩頂處板身的負(fù)彎矩峰值，節(jié)省昂貴的支座費(fèi)用，施工也更容易。因此，實(shí)際工程中只在多孔或考慮溫度應(yīng)力時(shí)，才在兩端的一些墩臺(tái)上采用橡膠支座或滑板式支座。無梁板中，板正彎矩減小、承載力提高的現(xiàn)象稱為“無梁板效應(yīng)”。其形成原因主要是，支柱與板剛結(jié)，能承受橫向推力和彎矩；荷載通過板厚傳達(dá)到支柱時(shí)，經(jīng)過一個(gè)拱殼形的傳力路線，使板式結(jié)構(gòu)實(shí)際起到拱殼的作用（圖15.5.1），在變截面板中這種作用更為明顯。圖15.5.1 無梁板效應(yīng)中的拱殼作用折板結(jié)構(gòu) 一片薄紙連續(xù)反向平行對(duì)折后展開，便有了剛度，于

23、是成為最簡單的折板模型。平板式構(gòu)造所能承受的荷載有限，但如圖15.5.2折起后的折板承載能力卻不可小視。折板適用于較大跨度建筑物承受均布荷載的屋頂構(gòu)造，其材料多半為鋼筋混凝土（也用夾板、金屬或玻璃纖維），結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)近似薄殼。折板可將荷載以拉力、壓力和剪力的形式傳遞到支承點(diǎn)，折板上存在彎曲應(yīng)力。折板的剛度視其高度與幾何性質(zhì)而定。折板的“折”越深，抗彎性能越好，板可越薄，但會(huì)增加折板的面積和材料用量。折板的深度與跨度之比一般在610之間。圖15.5.2 折板的承載能力折板據(jù)其長軸的長短，分為長折板和短折板。短折板在材料上不經(jīng)濟(jì)，較少應(yīng)用；長折板長軸較長，長向作用猶如梁，因此折板所受的彎曲應(yīng)力同梁

24、一般：上部受壓，下部受拉。為避免折板屈曲，應(yīng)在折板兩端或折板長向的邊緣加勁，以抵抗向外的水平推力，也可使折板在不同荷載下仍能維持其形狀。相鄰折板的水平推力互相抵消，交接處無需加強(qiáng)。長折板支承在兩端角落時(shí)，可用端頭三鉸“拱”加水平系桿來抵抗水平推力，也可用垂直支撐的承重墻維持折板形狀。和筒殼一樣，折板的結(jié)構(gòu)特性也與其長度有關(guān)。 薄殼結(jié)構(gòu)自然界中天然薄殼俯拾即是，如蛋殼、烏龜殼、堅(jiān)果殼、貝殼和腦殼等。薄殼為薄的曲面狀構(gòu)造，可將荷載經(jīng)由拉力、壓力及剪力的形式傳至支撐點(diǎn)，薄殼與拱不同之處在于能承受拉力。薄殼常以形狀分類（如圖15.5.3），常見的有兩向彎曲的球狀薄殼和單向彎曲的筒狀薄殼。鞍形薄殼則包括

25、圓錐狀、雙曲線狀及雙曲拋物線狀薄殼。還存在若干不遵循曲線公式的自由形薄殼。薄殼適用于曲線狀且荷載均布的建筑物，其無法抵抗集中荷載帶來的彎曲應(yīng)力。 (a) 球狀薄殼 b) 筒狀薄殼 (c) 鞍形薄殼 (d) 自由形薄殼圖15.5.3 薄殼的種類球狀薄殼是在球頂處以一條曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到的旋轉(zhuǎn)殼。薄殼上的應(yīng)力可分解為弧和圈兩個(gè)方向。在豎向均布荷載下，類似拱的弧受壓，殼底部較易發(fā)生屈曲。與拱不同的是，較高的球殼底部可出現(xiàn)抵抗屈曲的拉應(yīng)力，且較高的球殼靠薄殼本身可抵抗水平推力，較淺的球殼則需加厚底部或設(shè)底部拉力環(huán)以抵抗水平推力。若球殼坐落于柱上，拉力環(huán)的作用猶如環(huán)形梁。筒狀薄殼分短筒殼與長筒殼。短筒

26、殼在材料使用上不經(jīng)濟(jì)。長筒殼在兩端角落支撐，在長軸方向的結(jié)構(gòu)行為同梁一樣，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在豎向荷載下，上部受壓，下部受拉；也需要薄殼本身的剛度抵抗剪力。在短軸方向必須加強(qiáng)筒殼邊緣，以維持筒殼的形狀和抵抗水平推力。在大面積使用時(shí)，可采用多跨連續(xù)（其橫截面如波浪形或連拱形）或不連續(xù)的筒殼。鞍形薄殼即反曲形薄殼，可用直線或曲線沿另一曲線移動(dòng)而成。外形上往兩個(gè)方向彎曲，常見的有錐形、拋物線形和變曲線形。殼面上存在拉應(yīng)力，薄殼邊緣所受應(yīng)力沿邊緣積累于頂點(diǎn)。常用的雙曲拋物線薄殼的應(yīng)力大小與曲率有關(guān)，凸起的曲線所受的力為壓力（如拱），凹陷的曲線所受的力為拉力。§15.6 懸掛結(jié)構(gòu)大跨度建筑標(biāo)志著一

27、個(gè)國家的建筑水平，而懸掛結(jié)構(gòu)又是大跨結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。世界上最早的現(xiàn)代懸索（懸掛）屋蓋是美國于1953年建成的Releigh體育館，采用以兩個(gè)斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的鞍形正交索網(wǎng)。中國現(xiàn)代懸掛結(jié)構(gòu)的發(fā)展始于50年代后期。北京的工人體育館（圖15.6.1）和杭州的浙江人民體育館（圖15.6.2）是當(dāng)時(shí)的兩個(gè)代表作。我國建造的這兩個(gè)懸掛結(jié)構(gòu)無論從規(guī)模大小或技術(shù)水平來看，在當(dāng)時(shí)都可以說是達(dá)到國際較先進(jìn)水平。建成于1961年的北京工人體育館，其屋蓋為圓形平面，直徑94m，采用車輻式雙層懸索體系，由截面為2m X2m的鋼筋混凝土圈梁、中央鋼環(huán)，以及輻射布置的、兩端分別錨定于圈梁和中央鋼環(huán)的上索和下索組成

28、。中央鋼環(huán)直徑16m，高11m，由鋼板和型鋼焊成，承受由于索力作用而產(chǎn)生的環(huán)向拉力，并在上、下索之間起撐桿的作用。 圖15.6.1 北京工人體育館雙曲懸索系統(tǒng)由不同方向和曲面的懸掛纜索和穩(wěn)定纜索交織組成，可以防止風(fēng)力造成的上舉，常用于垂索式鞍形體育館。建成于1967年的浙江人民體育館，其屋蓋為橢圓平面，長徑80m，短徑60m。采用雙曲拋物面正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；長徑方向主索垂度4.4m，短徑方向副索拱度2.6m。 圖15.6.2 浙江體育館懸掛結(jié)構(gòu)由索或索和其它結(jié)構(gòu)混合組成。主要類型有：用索懸掛桿、板、殼結(jié)構(gòu)；單層索系結(jié)構(gòu)（多數(shù)由平行索系或平行索與相交梁的組合結(jié)構(gòu)）；雙層索系結(jié)構(gòu)（常用索桁架、雙層輻射

29、式結(jié)構(gòu)，如北京工人體育館）；索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（如浙江體育館，）以及索和混凝土的混合結(jié)構(gòu)。此外，近年還出現(xiàn)了索拱體系組合和斜拉屋蓋結(jié)構(gòu)。1990年由兩片鞍形索網(wǎng)和“索拱體系”的中央支承結(jié)構(gòu)組合而成北京朝陽體育館落成（圖15.6.3）。具有創(chuàng)新意義的索拱體系本身也是一種組合結(jié)構(gòu)。該中央索拱體系由兩條懸索和兩個(gè)鋼拱組成。索和拱的軸線均為平面拋物線，分別布置在相互對(duì)稱的四個(gè)斜平面內(nèi)，通過水平和豎向連桿兩兩相連，構(gòu)成橋梁形式的立體預(yù)應(yīng)力體系。索拱體系的工作性能顯示了索和拱兩種構(gòu)件相互配合、相互補(bǔ)充的特點(diǎn)。與單純的懸索比較，索拱體系具有較大的形狀穩(wěn)定性和剛度。尤其是在抵抗集中或局部荷載時(shí)變形較??；與單純的拱比較，索拱體系中的拱由于同張緊的索相連，其整體穩(wěn)定性較好，因而不需強(qiáng)大的截面。圖15.6.3 索拱體系懸掛結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)越性，能減輕自重，節(jié)約鋼材，跨度較大時(shí)用鋼量僅為其它類型鋼結(jié)構(gòu)的1/5到1/7，而且建筑處理自由，可以構(gòu)成所需要的任意空間。美國、日本的奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)體育館，國際博覽會(huì)中的美國館、德國館都采用了這類新型建筑。懸掛結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)用在大跨度屋蓋，對(duì)高聳塔桅結(jié)構(gòu)、索道、索橋方面，都有極為重要的應(yīng)用。高強(qiáng)度鋼材和輕質(zhì)建筑材料是大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展的兩塊重要基石。高強(qiáng)鋼材（鋼絲、鋼絞線）或合金鋼可組成大跨結(jié)構(gòu)的骨架，而輕質(zhì)建筑材料則能有效地減少大跨結(jié)構(gòu)所承受的內(nèi)力。應(yīng)當(dāng)跟蹤了解這些層出不窮的新型材