第一章建筑結構體系與選型

1第一章建筑結構體系與選型第一節(jié)概述人類社會在初期就出現(xiàn)了建筑物。人類的祖先為了生存不得不和自然界展開斗爭，房屋建筑就是人類向自然界作斗爭的產(chǎn)物。建筑結構(Buildingstructure)是房屋建筑的空間受力骨架體系，是建筑物得以存在的基礎（圖1．1）。．圖11建筑結構的功能●首先是骨架所形成的空間能良好地為人類生活與生產(chǎn)服務，并滿足人類對美觀的需求，為此須選擇合理的結構型式?！衿浯问菓侠磉x擇結構的材料和受力體系，充分發(fā)揮所用材料的作用，使結構具有抵御自然界各種作用的能力，如結構自重、使用荷載、風荷載和地震作用等（圖此外，建筑結構必須適應當時當?shù)氐沫h(huán)境，并與施工方法有機結合，因為任何建筑工程都受到當時當?shù)卣巍⒔?jīng)濟、社會、文化、科技、法規(guī)等因素的制約，任何建筑結構都是靠1．2）。2合理的施工技術來實現(xiàn)的。因此，優(yōu)秀的建筑結構應具有以下特點：（１）在應用上，要滿足空間和功能的需求；（２）在安全上，要符合承載和耐久的需要；（３）在技術上，要體現(xiàn)科技和工程的新發(fā)展；（４）在造型上，要與建筑藝術融為一體；（５）在建造上，要合理用材并與施工實際相結合。本章的目的是使讀者了解各種房屋建筑結構體系的基本類型及其組成，了解和掌握建筑方案設計中空間形式對結構性能的影響，更深入地理解和體會一些重要的結構概念，學會用近似方法快速估算和比較各種設計方案，使得在房屋設計的最初階段就能保證建筑設計與結構設計的基．圖12本協(xié)調(diào)。一、結構體系的分類建筑結構是由許多結構構件組成的一個系統(tǒng)，其中主要的受力系統(tǒng)稱為結構總體系。結構總體系雖然千變?nèi)f化，但總是由水平結構體系、豎向結構體系以及基礎結構體系三部分組成（教材圖1．3）。水平結構體系一般由板、梁、桁（網(wǎng)）架組成，如板一梁結構體系和桁（網(wǎng)）架體系。水平結構體系也稱樓（屋）蓋體系。其作用為：①在豎直方向，它通過構件的彎曲變形承受樓面或屋面的豎向●荷載，并把它傳遞給豎向承重體系；②在水平方向，它起隔板作用，并保持豎向結構的穩(wěn)定?！褙Q向結構體系一般由柱、墻、筒體組成，如框架體系、墻體系和井筒體系等。其作用為：①在豎直方向，承受水平結構體系傳來的全部荷載，并把它們傳給基礎體系；②在水平方向，抵抗水平作用力，如風荷載、地震作用等，也把它們傳給基礎體系?！窕A結構體系一般由獨立基礎、條形基礎、交叉基礎、片筏基礎、箱形基礎（一般3為淺埋）以及樁、沉井（一般為深埋）組成。其作用為：①把上述兩類結構體系傳來的重力荷載全部傳給地基；②承受地面以③限制整個結構的沉上的上部結構傳來的水平作用力，并把它們傳給地基；降，避免不允許的不均勻沉降和結構的滑移。結構水平體系和豎向體系之間的基本矛盾是，豎向結構構件之間的距離愈大，水平結構構件所需要的材料用量愈多。好的結構概念設計應該尋求到一個最開闊、最靈活的可利用空間，滿足人們使用的功能和美觀的需求，而為此所付出的材料和施工消耗最少，而且能適合本地的區(qū)自然條件（氣候、地質(zhì)、水文、地形等）?！窠ㄖY構的類型劃分有：1．以組成建筑結構的主要建筑材料劃分：有鋼筋混凝土結構、鋼結構、砌體（包括磚、砌塊、石等）結構、木結構、塑料結構、薄膜充氣結構等。2．以組成建筑結構的主體結構型式劃分：有墻體結構、框架結構、深梁結構、筒體結構、括折板）結構、鋼索結構、艙體結構等，如教材圖l．4所示。3．以組成建筑結構的體型劃分:有單層結構（多用于單層工業(yè)廠房、食堂等）、多層結構（一般拱結構、網(wǎng)架結構、空間薄壁（包2～9層）、高層結構（一般10層以上）、大跨結構（跨度大約在40～50m）。二、影響建筑結構選型的因素結構選型是一個綜合性的科學問題，不僅要考慮建筑上的使用功能，也要考慮結構上的安全合理，施工上的可能條件，還應注意結構效益和藝術上的造型美觀。選擇一個最佳的結構形式，往往需要進行多方面的調(diào)查研究，結合具體建設條件作出多種方案進行綜合分析，才能作出最終的選定。結構選型時應考慮如下因素。（一）結合建筑物的使用功能要求做好結構選型任何建筑物都具有對客觀空間環(huán)境的要求，根據(jù)這些要求可以大體確定建筑物的尺度、規(guī)模與相互關系。①首先，結構選型時應注意盡可能降低結構構件的高度，選擇與建筑物使用空間相適應的結構形式。例如：鋼桁架構造高度約為跨度的1/8～1/12，平板網(wǎng)架結構的構造高度僅為跨度的1/20～1/25，選擇適當，可使室內(nèi)空間得到較充分的利用。②其次，建筑物的使用要求應與結構的合理幾何體型相結合。例如：某散裝鹽庫在結構選型中比較了兩種方案，4方案Ⅰ為鋼筋混凝土排架結構（圖1．5a），方案Ⅱ為拱結構（圖1．5b）。方案Ⅰ的主要缺點是3/5的建筑空間不能充分利用，而方案Ⅱ采用落地拱，由于選擇了合適的矢高和外形，使建筑空間得到了比較充分的利用。③此外，結構選型時還應注意結構的幾何體型對聲學效果的影響、對采光照明的影響以及對屋面排水的影響。（a）排架結構（b）拱結構圖1．5兩種結構方案比較（二）建筑結構型式對建筑風格和建筑藝術的影響建筑結構型式對建筑風格和建筑藝術的影響極為明顯。教材圖1．6為三幢使用功能相同的食堂建筑，它們都具有較大跨度的室內(nèi)空間，但由于結構型式的不同，便產(chǎn)生了完全不同的建筑風格和形成了完全不同的立面效果。（三）建筑結構材料及其它因素對結構選型的影響比較梁式結構和軸心受力結構的受力狀態(tài)：梁的截面應力分極布不均勻，除邊緣纖維達到最大許用應力外，大部分材料的應力遠遠低于許用應力，即材料強度并未充分利用，而軸心受力狀態(tài)因截面應力分布均勻更能充分利用材料強度。為節(jié)約材料可把梁截面中和軸附近的材料減少到最低程度，從而形成了工字形截面構件，它比矩形截面構件獲得了更大的抗彎慣性矩。設想再進一步把梁腹部的材料挖去，就由梁式結構轉化為了平面桁架結構。由于桁架的各桿件均為軸向受力，可以認為桁架結構比梁式結構更能充分利用材料強度。若將桁架的外形與簡支梁的彎矩圖圖形相吻合，則桁架內(nèi)各弦桿內(nèi)力將保持一致而腹桿內(nèi)力接近零，這樣就最大限度地節(jié)約了材料。圖1．7為結構形式由簡支梁到桁架的變化過程。（a）（b）（c）（d）圖1．7由簡支梁發(fā)展成為桁架影響建筑結構形式的因素還包括建筑施工的生產(chǎn)技術水平以及經(jīng)濟指標等。衡量結構方案經(jīng)濟性的手段是進行綜合經(jīng)濟分析。所謂綜合經(jīng)濟分析就是要從以下幾個方面綜合考慮問題：（１）不但要考慮某個結構方案付諸實施時的一次投資費用，還要考慮其全壽命期費用。（２）除了以貨幣指標核算結構的建造成本外，還要從節(jié)省材料消耗和節(jié)約勞動力等各項指標來衡量。此外從人類長遠利益考慮，還要特別考慮資源的節(jié)約。5（３）在結構方案比較時還應綜合考慮一次性初始投資和建設速度的關系，以便較快地回收投資資金，獲得較好的經(jīng)濟效益。第二節(jié)混合結構體系混合結構體系又稱磚混結構，是指房屋的墻、柱和基礎等豎向承重構件采用砌體結構，而屋蓋、樓蓋等水平承重構件則采用鋼筋混凝土結構（或鋼結構、木結構）所組成的房屋承重結構體系。墻體是混合結構房屋中的主要豎向承重結構，也是圍護結構?；旌辖Y構廣泛用于層數(shù)不多的多層建筑。一、混合結構的優(yōu)點和應用范圍混合結構是我國有史以來使用時間最長、應用最普遍的結構體系。在多層建筑結構體系中，多層磚房約占85%，它廣泛應用于住宅、學校、辦公樓、醫(yī)院等建筑。（１）混合結構的主要優(yōu)缺點：●主要優(yōu)點①主要承重結構（墻體）是用磚砌，取材方便；②造價低廉、施工簡單，有很好的經(jīng)濟指標；③保溫隔熱效果較好。●主要缺點①由于磚砌體強度較低，故利用磚墻承重時，房屋層數(shù)受到限制；②由于抗震性能較差，它在地震區(qū)使用限制更加嚴格。③混合結構墻體主要靠手工砌筑，工程進度慢。④磚材料取土可能破壞農(nóng)田耕地，且消耗大量能源。因此，磚混結構在未來發(fā)展中將會逐步受到限制。（２）應用范圍：①非抗震區(qū)：10～12層以下；②抗震區(qū)：6～7層以下。二、混合結構房屋的墻體布置應根據(jù)建筑功能要求選擇合理的承重體系。按墻體承重體系，其布置大體可分為以下幾種方案：1．橫墻承重方案由橫墻直接承受屋蓋、樓蓋傳來的豎向荷載的結構布置方案稱橫墻承重方案，外縱墻主要起圍護作用（見圖1．8）?！駲M墻承重方案特點：圖1．8橫墻承重方案（１）橫墻是主要承重墻，6縱墻主要起圍護、隔斷和將橫墻連成整體的作用。（２）與縱墻承重方案相比，橫墻承重方案房屋的橫向剛度大、整體性好，對抵抗風荷載、地震作用和調(diào)整地基不均勻沉降均更為有利?！駲M墻承重體系適用于房間開間尺寸較規(guī)則的住宅、宿舍、旅館等。2．縱墻承重方案由縱墻直接承受屋蓋和樓蓋豎向荷載的結構布置方案稱縱墻承重方案（見圖1．9）?！窨v墻承重方案樓面荷載（豎向）傳遞路線為：板→梁（或屋面梁）→縱墻→基礎→地基。●縱墻承重方案（１）、縱墻特點：是主要承重墻，橫墻主要是為了滿足房屋使用功能以及空間剛度和整體性要求而布置的，橫墻的間距可以較大，以使室內(nèi)形成較大空間，有利于使用上的靈活布置。（２）、相對于橫墻承重體系來說，縱向承重體系屋中蓋、樓蓋的用料較多，墻體用料較少，因橫墻數(shù)量少，房屋的橫向剛度較差。圖1．9縱墻承重方案●縱墻承重體系適用于使用上要求有較大開間的房屋。3．縱橫墻承重方案根據(jù)房間的開間和進深要求，有時需要縱橫墻同時承重，即為縱橫墻承重方案。這種方案的橫墻布置隨房間的開間定，橫墻間小，所以房屋的橫向剛度比縱墻承重方案有所提高（見圖1．10）?！衿錁敲婧奢d（豎向）傳遞路線為：需要而距比縱墻承重方案的圖1．10縱橫墻承重方案●縱橫墻承重方案特點：房屋的平面布置比橫墻承重時靈活；房屋的整體性和空間剛度比縱墻承重時更好。4．內(nèi)框架承重方案內(nèi)框架承重體系是在房屋組成（圖1．11）。結構布置是樓板鋪設在梁上，內(nèi)部設置鋼筋混凝土柱，與樓面梁及承重墻（一般為房屋的外墻）梁端支承在外墻，梁間中支承在柱上。7●當承重梁沿房屋的橫向布置時，其豎向荷載的傳遞路線為：●內(nèi)框架承重體系的特點為：（１）由于內(nèi)縱墻由鋼筋混凝土框架代替，僅設置橫墻以保證建筑物的空間剛度；同時，由于增設柱后不增加梁的跨度，使得樓蓋和屋蓋的結構高度較小，因此在使用上可以取得較大的室內(nèi)空間和凈高，材料用量較少，結構也較經(jīng)濟。（２）由于豎向承重構件材料性質(zhì)的不（a）圖1．11內(nèi)框架承重方案（b）同，外墻和內(nèi)柱容易產(chǎn)生不同的壓縮變形，基礎也容易產(chǎn)生不均勻沉降。因此，如果設計處理不當，墻、柱之間容易產(chǎn)生不均勻的豎向變形，使構件(主要是梁和柱）產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力。另外，由于墻和柱采用的材料不同，也會對施工增加一定（３）由于橫墻較少，房屋的空間剛度較小，使得建筑物的抗震能力較差?！駜?nèi)框架承重體系適用于旅館、商店和多層工業(yè)建筑。的復雜性。5．底部框架承重體系房屋有時由于底部需設置大空間，在底部則可用鋼筋混凝土框架結構同時取代內(nèi)外承重墻，成為底部框架承重方案，如圖1．12所示?！窨蚣芘c上部結構之間的樓層為結構轉換層，其豎向荷載的傳遞路線為：“上部幾層梁板荷載→內(nèi)外墻體→結構轉化層鋼筋混凝土梁→柱→基礎→地基”圖1．12底部框架承重體系●底部框架體系的特點是：（１）、墻和柱都是主要承重構件。以柱代替內(nèi)外墻體，在使用上可以取得較大的使用空間。（２）、由于底部結構形式的變化，房屋底層空曠。橫墻間距較大，其抗側剛度發(fā)生了8明顯的變化，成為上部剛度較大，底部剛度較小的上剛下柔多層房屋，房屋結構沿豎向抗側剛度在底層和第二層之間發(fā)生突變，對抗震不利。因此《建筑結構抗震規(guī)范》對房屋上、下層抗側移剛度的比值做了規(guī)定?！竦撞靠蚣艹兄伢w系適用于底層為商店、展覽廳、食堂而上面各層為宿舍、辦公室等的房屋?；旌辖Y構不同承重體系的房屋，墻體布置各有特點，材料用量和結構空間剛度也有較大差別。至于某個具體工程應當采用哪種體系，首先要滿足建筑物的使用要求和考慮建筑設計特色，然后從地、基抗震、材料、施工和造價等因素上進行綜合比較，力求做到結構安全可靠、技術先進和經(jīng)濟合理。第三節(jié)單層剛架結構體系凡是梁、柱之間為剛性連接的結構，統(tǒng)稱為剛架。當梁與柱之間為鉸接的單層結構，般稱為排架?？绲膭偧芙Y構則常稱為框架，梁式和折線橫梁式兩種，它的選擇主要服從建筑排水和建筑造型的考慮。一的結構，其內(nèi)力小于排架結構，梁柱截面高度小，造型輕巧，內(nèi)部凈空較大，故被廣泛應用于中小型廠房、體育館、禮堂、食堂等中小跨度的建筑中。一多層多單層剛架也稱為門式剛架。門式剛架外形有水平橫單層剛架為梁柱合一、門式剛架的結構特點、種類與適用范圍剛架結構的受力優(yōu)于排架結構，因剛架梁柱節(jié)點處為剛接，在豎向荷載作用下，由于柱對梁的約束作用而減小了梁跨中的彎矩和撓度。在水平荷載作用下，由于梁對柱的約束作用減少了柱內(nèi)的彎矩和側向變位，如圖1．13所示。因此，剛架結構的承載力和剛度都大于排架結構，故門式剛架能夠適用于較大的跨度。a）排架結構b）無鉸剛架c)兩鉸剛架d）三鉸剛架圖1．13剛性連接與鉸接的彎矩比較門式剛架的結構計算簡圖，按構件的布置和支座約束條件可分成無鉸剛架、兩鉸剛架、三鉸剛架三種。１．鋼筋混凝土無鉸剛架9無鉸剛架和排架相比，當跨度和荷載相同，且跨度不大于18m時，剛架比排架結構輕巧，可節(jié)省鋼材約10％，混凝土約20％。無鉸剛架和兩鉸剛架、三鉸剛架相比，前者基礎承受彎矩較大，因此基礎大、耗料多，不夠經(jīng)濟；此外，由于這種剛架屬于超靜定結構，和三鉸剛架相比，對地基的不均勻沉降和溫度變化引起的內(nèi)力變化較大。所以地基條件較差時，必須考慮其影響。２．鋼筋混凝土兩鉸剛架兩鉸剛架也是超靜定結構，對地基不均勻沉降引起的結構內(nèi)力也必須考慮，但兩鉸剛架基礎材料用量較少和三鉸剛架相比，其結構剛度較大，所以適用跨度較大。３．鋼筋混凝土三鉸剛架三鉸剛架為靜定結構。當基礎有不均勻沉降時，對結構不引起附加內(nèi)力。但是當跨度較大時，半榀三鉸剛架的懸臂太長，吊裝內(nèi)力較大，而且三鉸剛架的剛度也較差，所以它適用于跨度較小及地基較差的情況。由于門式剛架的桿件較少，制作方便，而且結構內(nèi)部空較間大，便于用于工業(yè)廠房和體育館、禮堂、食堂等建筑。鋼達40m左右，最適宜是18m左右。由于門式剛架剛度較差，受荷后產(chǎn)生撓度，故用于工業(yè)廠房時，吊車起重量不宜超過10t。利用，所以它廣泛筋混凝土門式剛架的跨度可二、門式剛架的型式及截面尺寸門式剛架從構件材料看，可分成鋼結構、混凝土結構；從構件截面看，可分成實腹式剛架、空腹式剛架、格構式剛架、等截面與變截面；從建筑型體看，有平頂、坡頂、拱頂、單跨與多跨（見圖1．14）；從施工技術看，有預應力剛架和非預應力剛架。１．鋼剛架結構鋼剛架結構可分為實腹式和格構式兩種（見圖1．15）。實腹式剛架適用于跨度不很大的結構，常做成兩鉸式結構。結構外露，外形可以做得比較美觀，制造和安裝也比較方便。實腹式剛架的橫截面一般為焊接工字形。國外多采用熱軋H形或其他截面形式的型鋼，可減少焊接工作量，并能節(jié)約材料。當為兩鉸或三鉸剛架時，構件應為變截面，一般是改變截面的高度使之適應彎矩圖的變化。實腹式剛架的橫梁高度一般可取跨度的1/12～1/20。當跨度大時，可在支座水平面內(nèi)設置拉桿，并施加預應力對剛架橫梁產(chǎn)生卸荷力矩及反拱，如圖1．15所示。這時橫梁高度可取跨度的1/30～1/40，并由拉桿承擔了剛架支座處的橫向推力，對支座和基礎都有利。圖1．14單層剛架的形式10c)圖1．15格構式剛架結構及實腹式雙鉸剛架格構式剛架結構的適用范圍較大，且具有剛度大、耗鋼省等優(yōu)點。當跨度較小時可采用三鉸式結構，當跨度較大時可采用兩鉸式或無鉸結構，如圖1．15所示。格構式剛架的梁高可取跨度的1/15～1/20，為了節(jié)省材料，增加剛度，減輕基礎負擔，也可施加預應力，以調(diào)整結構中的內(nèi)力。預應力拉桿可布置在支座鉸的平面內(nèi)，也可布置在剛架橫梁內(nèi)僅對橫梁施加預應力，也可對整個剛架結構施加預應力。２．鋼筋混凝土剛架鋼筋混凝土剛架一般適用于跨度不超過18m、檐高不超過10m的無吊車或吊車起重量不超過100kN的建筑中。構件的截面形式一般為矩形，也可采用工字形截面。剛架構件的截面尺寸可根據(jù)結構在豎向荷載作用下的彎矩圖的大小而改變，一般是截面寬度不變而高度呈線性變化。對于圖1．16廣州體育館，鋼筋混凝土剛架結構兩鉸或三鉸剛架，立柱上大下小，為楔形構件，橫梁為直線變截面，如圖1．16所示。鋼筋混凝土剛架的桿件一般采用矩形截面，也可采用I字形截面。其截面尺寸為：（１）、梁高可按連續(xù)（２）、柱底截面高度hl，一般不小于300mm；柱頂截面高度為（2～3）hl；、梁截柱面寬度b(鋼架厚度)，應保證屋面構件的擱置長度，并應滿足平面外剛度的要求，一般取b≥H/30(H為高柱)，且b≥200mm;梁確定，一般取h=（1/15～1/20）L，但不宜小于250mm;（３）（４）、橫梁的加腋長度一般取自柱邊算起為（0.15～0.25）L；（５）、拱式門架的起拱高度（矢高）f，一般取為（1/9～1/7）L。11三、剛架的結構布置和構造（一）結構布置剛架結構為平面受力體系，當多榀剛架平行布置時，為保證結構的整體穩(wěn)定性，應在縱向柱間布置連系梁及柱間支撐，同時在橫梁的頂面設置上弦橫向水平支撐。柱間支撐和橫梁上弦橫向水平支撐宜設置在同一開間內(nèi)，如圖1．17所示。剛架的縱向柱距一般為圖1．17剛架結構的支撐6m，橫向跨度以m為單位取整數(shù)，一般為3m的整倍數(shù)，如24m、27m、30m以至更大的跨度。其跨度由工藝條件確定，同時兼顧經(jīng)濟的考慮。1．等間距、等跨度的結構布置方案一般情況下，矩形平面建筑都采用等間距、等跨度的剛架布置方案。2．主次結構在置方案奧地利維也納市大會堂（見圖1．18）供體育、集會、電影、戲劇、音樂、文藝演出、展覽等活動用的多功大能廳。其平面呈八角形，東西長98m，南北長109m，最大容量為15400人。屋蓋的主要承重結構是中距為30m的兩榀東西向93m跨的雙鉸門架，矢高7m，門架頂高28m。其上支承8榀全長105m的三跨連續(xù)桁架。3．門式剛架的高跨比圖1．18奧地利維也納市大會堂門式剛架的高度與跨度之比，決定了剛架的基本型式，也直接影響結構的受力狀態(tài)。設想有一條懸索在豎向均布荷載作用下，在平衡狀態(tài)將形成一條懸垂線即所謂的索線，這時懸索內(nèi)僅有拉力。將索上下倒置，即成為拱的作用，索內(nèi)的拉力也變成圖1．19剛架的跨高比對內(nèi)力的影響12為拱的壓力，這條倒置的索線即為推力線。圖1．19給出了三鉸剛架和兩鉸剛架的推力線及其在豎向均布荷載作用下的彎矩圖。從結構觀點看，由于剛架高度的減小將使支座處水平推力增大;從推力線來看，對三鉸門架來說，最好的形式是高度大于跨度；但對兩鉸門架來說，由于跨中彎矩的存在，跨度稍大于高度就成為合理的了?？偟膩碚f，高跨比h/l0.75比較合理。（二）剛架節(jié)點的連接構造剛架結構的形式較多，其節(jié)點構造和連接形式也是多種多樣的，但其設計要點基本相同。設計時既要使節(jié)點構造與結構計算簡圖一致，又要使制造、運輸、安裝方便。1．鋼剛架節(jié)點的連接構造門式實腹式剛架，一般在梁柱交接處及跨中屋脊處設置安裝拼接單元，用螺栓連接。拼接節(jié)點處，有加腋與不加腋兩種。在加腋的形式中又有梯形加腋與曲線形加腋兩種，通常采用梯形加腋，如圖1．20所示。加多腋連接既可使截面的變化符合彎矩圖形的要求，又便于連接螺栓的布置。1．20實腹式剛架的拼接節(jié)點2．鋼筋混凝土剛架節(jié)點的連接構造在實際工程中，大多采用預制裝配式鋼筋混凝土剛架。剛架拼裝單元的劃分一般根據(jù)內(nèi)力分布決定，應考慮結構受力可靠，制造、運輸、安裝方便。一般可把接節(jié)點或彎矩為零的部位整個剛架結構劃分成形、Y接頭位置設置在鉸，把形拼裝單元，如圖1．21所示單跨三鉸剛架可分成兩個“”形拼裝單元，鉸結點設在基礎。和頂部中間拼接點部位。兩鉸剛架的拼接點一般設在橫梁圖1．21剛架拼裝單元的劃分零彎點截面附近，柱與基礎連接處做成鉸結點；多跨剛架常采用“”形和“Y”形拼裝單元，見圖1．21。剛架承受的荷載一般有恒載和活載兩種。在恒載作用下彎矩零點的位置是固定的，在活13載作用下，對于各種不同的情況，彎矩零點的位置是變化的。因此，在劃分結構單元時，接頭位置應根據(jù)剛架在主要荷載作用下的內(nèi)力圖確定。四、單層剛架結構設計實例我國某地曾擬建中型民航客機的維修車間。修理“伊爾一24”和“安一24”型客機。機身長24m，翼寬32m，尾高8.4m，槳高5.1m。機翼距地3m。設計過程曾做三種結構方案比較，如教材圖１．桁架方案機尾高8.4m,屋架下弦不能低于8.8m。由于建筑形式與機身的形狀尺寸不相適應，使整個廠房普遍增高，室內(nèi)空間不能充分利用。因此，這個方案不經(jīng)濟。２．雙曲拋物面懸索方案這個方案的特點是：建筑形式符合機身的形狀尺寸，建筑空間能夠充分利用。較小，采用懸索方案不經(jīng)濟，要求高強度的鋼索，材料價格高；同時對施工條件和技術的要求較高，因此這個方案不宜采用。３．剛架結構方案這個方案的特點是，不夠充分利用；而且對材料和施工都沒有特別要求。根據(jù)本工程的具體條件，選用了剛架結構見教材圖1．22c。1．22（Ｐ15）所示。但是跨度僅建筑形式符合機身的形狀尺寸，尾部高，兩翼低．建筑空間能方案，第四節(jié)桁架結構體系桁架結構一般由豎桿，水平桿和斜桿組成（見圖1．23）。在房屋建筑中，桁架承重結構，這時常稱為屋架?！裼糜谖萆w的桁架（1）、平面桁架，用于平面屋架（2）、空間桁架，用于空間網(wǎng)架。這兩類桁架的共同特點是它們都由一系列只受同向拉力或壓力的桿件連接而成。作為桁架結構的整體來說，它們在荷載作用下受彎、受剪；但作為桁架結構中的桿件來說，只承受軸向力，不承受彎矩、剪力和扭矩。常用來作為屋蓋體系有兩類：；圖1．23桁架結構●桁架結構的最大特點：把整體受彎轉化為局部構件的受壓或受拉，從而有效地發(fā)揮出材料的潛力并增大結構的跨度?！裎菁艿闹饕獧M向推力，因●屋架的主要缺點：結構高度大，側向剛度小。結構高度大，增加了屋面及圍護墻的用料，同時也增加了采暖、通風、采光等設備的負荷，并給音響控制帶來困難。側向剛度小，對于鋼屋架特別明顯，受壓的上弦平面外穩(wěn)定性差，也難以抵抗房屋縱向的側向力，這就需要設置支撐。優(yōu)點：桁架結構受力合理、計算簡單、施工方便、適應性強，對支座沒有而在結構工程中得到了廣泛的應用。14●桁架是較大跨度建筑的屋蓋中常用的結構型式之一。在一般情況下，當房屋的跨度大于18m時，屋蓋結構采用桁架比梁經(jīng)濟。屋架按其所采用的材料區(qū)分，有鋼屋架、木屋架、鋼木屋架和鋼筋混凝土屋架等。鋼筋混凝土屋架當其下弦采用預應力鋼筋時，稱為預應力鋼筋混凝土屋架。目前，我國預應力鋼筋混凝土屋架的跨度已做到60多米，鋼屋架的跨度已做到70多米。一、桁架結構的型式與受力特點屋架結構的型式很多，按屋架外形的不同，有三角形屋架、梯形屋架、拋物線屋架、折線型屋架、平行弦屋架等。根據(jù)結構受力的特點及材料性能的不同，也可采用橋式屋架、無斜腹桿屋架或剛接桁架、立體桁架等。我國常用的屋架有三角形、矩形、（a）三角形屋架（b）平行弦屋架（矩形）（c）梯形屋架（再分式）梯形、拱形和無斜腹桿（d）拱形屋架（e）下?lián)问轿菁埽╢）無斜腹桿屋架屋架等多種型式，見圖圖1．24常用的屋架型式1．24。盡管桁架結構中以軸力為主，其構件的受力狀態(tài)比梁的結構合理，但在桁架結構各桿件單元中，內(nèi)力的分布是不均勻的。屋架的幾何形狀有矩形的（即平行弦屋架）、三角形、梯形、折線形的和拋物線形的等等。它們的內(nèi)力分布隨形狀的不同而變化。在一般情況下，屋架的主要荷載類型是均勻分布的結點荷載。我們首先分析在結點荷載作用下平行弦屋架的內(nèi)力分布特點，見教材圖1．25（Ｐ17）。然后，引伸至其它形式的屋架。從教材圖1．25中可以得出如下結論：１．弦桿軸力：上弦受壓，下弦受拉，其軸力由力矩平衡方程式得出（矩心取在屋架結點）。MN0h式中：（負值表示上弦受壓，正值表示下弦受拉）M一一簡支梁相應于屋架各結點處的截面彎矩；0h一一屋架高度。從上式可以看出，上下弦的軸力N與M成正比，與h成反比。由于屋架的高度h值不0變，而M愈接近屋架兩端愈小，所以中間弦桿軸力大，愈向兩端弦桿軸力愈小，見圖1．25。0２．腹桿內(nèi)力15屋架內(nèi)部的桿件稱為腹桿，包括豎桿與斜桿。腹桿的內(nèi)力可以根據(jù)隔離體的平衡法則，由力的豎向投影方程求得：YV0Y一一式中：斜桿的豎向分力和豎桿的軸力;V一一簡支梁相應于屋架節(jié)間的剪力。0從圖1．26可以看出，V0值在跨中小兩端大，所以相應的腹桿內(nèi)力也是中間桿件小而兩端桿件大，其內(nèi)力圖見圖1．26。以上的分析可以看出：從整體來看，屋架相當于一個受彎構件，弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力，而從局部來看，屋架的每個桿件只承受軸力（拉力或壓力）。用同樣的方法可以分析三角形和拋物線形屋架的內(nèi)力分布情況，見圖1．26d、c所示。由于這兩種屋架上弦結點的高度中間大，愈向兩端愈小，所以，雖然上弦仍受壓下弦仍受拉，但是內(nèi)力大小的分布是各不相同的。從圖1-26可以看出，屋架桿件內(nèi)力與其形式有著密切的關系。（１）平的勻，弦桿內(nèi)力由兩端向跨增大，腹桿內(nèi)力由中間向兩端大；（２）三角形屋架內(nèi)力分布也是不均的勻，弦桿的內(nèi)力由中間向圖1．26不同形式的桁架及內(nèi)力圖增大，腹桿內(nèi)力由兩端向中間增大；（３）拋物線屋架的內(nèi)力分布比較均勻，從受力角它的形狀與同跨度同荷載簡支梁的彎矩圖形相似，也就是說，其形狀符合內(nèi)力變化的規(guī)律。行弦屋架內(nèi)力是不均度中間增兩端度看，它是比較好的屋架形式，因為二、屋架結構的選型、基本尺寸及布置（一）屋架結構的選型屋架型式的選擇一般與建筑物的使用要求、跨度和荷載大小，以及材料供應和施工技術水平等因素有關，選擇屋架型式的一般原則是適用、經(jīng)濟、美觀和制造簡單。16１．屋架結構的受力：從結構受力來看，●拋物線狀的●拱式結構●折線型屋架，●梯形屋架，拱式結構受力最為合理。上弦為曲線，施工復雜。與拋物線彎矩圖最為接近，故力學性能良好。因其既具有較好的力學性能，上下弦均為直線施工方便，故在大中跨建筑中被廣泛應用?！袢切挝菁芘c矩形屋架力學性能較差。三角形屋架一般僅適用于中小跨度，矩形屋架常用作托架或荷載較特殊情況下使用。２．屋面防水構造：屋面防水構造決定了屋面排水坡度，進而決定屋蓋的建筑造型。●當屋面防水材料采用粘土瓦、機制平瓦或水泥瓦時，應選用三角形屋架、陡坡梯形屋架?！癞斘菝娣浪捎镁聿姆浪⒔饘俦“宸浪畷r，應選用拱形屋架、折線形屋架和緩坡梯形屋架。３．材料的耐久性及使用環(huán)境：木材及鋼材均易腐蝕，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(zhì)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，工吊裝方便，技術經(jīng)濟指標較好。可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構造簡單、施●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?！駥τ诳缍仍?6m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指標?！袷父叽蟆⑾覘U受力剛度與經(jīng)濟小，但腹桿長、長細比大、易壓曲，用料反而會增多。矢高則弦桿受力大、截面大、且屋架剛度小、變形大。因此，矢高不宜過小，大也不宜過小。●屋架的矢高也要根據(jù)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●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?！癞敳捎么笮臀菝姘宀⒆鼍聿姆浪畷r，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。面防水構造相適應。大小與屋架的結構17●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)?！駷闇p少屋架制作工作量，減少桿件與節(jié)點數(shù)目，節(jié)間長度可取大些。但節(jié)間桿長也不宜過大，一般為1.5～4m。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?？缍容^大的屋架將產(chǎn)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(chǎn)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盡量使弦桿沿全長的內(nèi)力分布基本相同。如果各節(jié)間的內(nèi)力相差太大，容易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(shù)目宜少，使結點匯集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。等截面的。所以確定屋架的形式時應造成材料的浪費。的桿件少，構造簡單。１．屋架的跨度屋架的跨度應根據(jù)工藝使用和建筑要求確定，一般以3m為模數(shù)。對于用常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(wǎng)布置的要求外，還要考慮屋面結構及吊頂構造的經(jīng)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，有時也有7.5m、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根屋架兩端支座的標高不一致時，要注意可能會對支座產(chǎn)生水平推力。屋架的支座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、柱生轉動的要求。取同一標高。當一形式，在或圈梁上。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)（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(nèi)，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(nèi)；在房屋中間每隔一定距離（一般≤60m）亦需設置一道支18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，采用梭形立體桁架，跨度為65.3m，高跨比為1/13，中間起拱1/330。上弦及腹用Q235無縫鋼管，下弦用Q345無縫鋼管2.上海大劇院上海大劇院是由上海市人民政府投資上海大劇院工程用地面積21644m，占地面積11530m地上6層，高度為40m。該工程通過國際招標，法國建筑師構思，獨特的立面造型，如教材圖1．28（Ｐ22）。最引人注目的是呈反拱的月牙形屋蓋，縱向長100.4m，橫向寬94m，縱向懸挑26m，橫向懸挑30.9m，反拱圓弧半徑R=93m，拱高11.5m。由于其獨特的建筑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。面積14015m2，屋蓋結構考慮到當?shù)氐氖┕l件及實際情況桿采。的大型歌舞劇院，位于上海市中心人民廣，總建筑，地下兩層，面積62800m以其“天地呼應，中西合壁”的場西北側。222而中標方案中造型第五節(jié)拱式結構體系在房屋建筑一種十分古老而現(xiàn)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(jīng)濟和建筑效果。因而很早以前，拱就得到泛的應用。在我國，很早就成功地采用了拱式結構。公元605～616年隋代人在河北橋一安濟橋（又稱趙州橋），橫越交河，跨度37.37m。它距今近1400年，雖經(jīng)多次地震，，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，后因焚毀并于公和橋梁工程中，拱是了十分廣趙縣建造的單孔石拱而巍峨挺立產(chǎn)生巨大19元120～123年重建的羅馬萬神廟（見教材圖1．29Ｐ23）,其中央內(nèi)殿為直徑43.5m的半圓球形穹頂，穹頂凈高距地面也是43.5m。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(xiàn)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1-30，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(chǎn)生豐富的聯(lián)想。一、結構的類型及其受力特點拱的類型很多，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(jīng)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a)三鉸拱）兩鉸拱b）無鉸c拱1．31拱結構計算簡圖跨結構時，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。可整體預制。跨度大者，可沿拱軸線分段預制，雙鉸拱應用較多。跨度小者拱重不大，現(xiàn)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。為適應軟弱地基上永久性鉸后也便于分段制作，對大跨三鉸拱，由于地基為I～Ⅱ級濕陷性黃土，密度小壓縮大，不構，故采用了靜定結構的鋼三鉸拱。拱與梁的主要別是拱的主要內(nèi)力是軸向壓力，而支座沉降差及拱拉桿變形，最好采用靜定結構的三鉸拱。度拱更為有利。例如西安秦涌博物館展覽廳的67m跨的宜用象雙鉸拱、網(wǎng)架等超靜定結在跨中央設區(qū)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?lián)锨还霸谙?，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拱與粱的受力分析同樣荷載P作用20腳支座產(chǎn)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。現(xiàn)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(nèi)將產(chǎn)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(chǎn)生的在相應于頂鉸C截面上的彎矩除以拱的矢高f。M0cM0（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cf成反比。２．拱身截面的內(nèi)力（1）、拱身內(nèi)的彎矩小于跨度相同荷載作用下簡支梁內(nèi)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(nèi)的剪力小于相同跨度相同荷載作用下簡支梁內(nèi)的剪力。（3）、拱身截面內(nèi)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，是二拱的矢高。1.拱的合理軸線在一定的荷載作用下，使拱截面內(nèi)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。了解個概念，有助于我們選擇拱的合理形式。結構型式（三鉸拱無鉸拱），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，軸線為一拋物線，見圖1．35a。在垂直于拱軸的均布壓力作用軸線為圓弧線，見圖1．35b。對于不同的圖1．35拱的合理軸線、兩鉸拱和合理拱下，合理拱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，矢高小；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(jù)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。矢高還影響拱因此，設計時確定矢高大小,不僅要身軸力和拱腳推力的大小。水平推力H與失高f成反比。21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(jīng)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(nèi)空間（凈高與內(nèi)景）欠佳，（a）室內(nèi)拉桿拱（b）地下拉桿拱圖1．36拱腳水平推力由拉桿承擔故其應用受到限制，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(nèi)的水平結構（圈梁、挑檐板、邊跨現(xiàn)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圖1．37拱腳水平推力由山墻內(nèi)的拉桿承擔(北京展覽館電影廳)料較多，造價較高，但由于拱內(nèi)無拉桿，可獲得較大的室內(nèi)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變形要求比強度要求更嚴。豎向結構有應極大剛度，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(nèi)彎矩變化過大。這是對總要求。幾種型式下，對豎向結構的豎向結構的抗推力豎向結構有下列：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(jīng)濟合理，又造型輕巧22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(nèi)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小極。⒊推力直接傳給基礎─落地拱：對于落地拱，當?shù)刭|(zhì)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，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，防止基礎滑移，也可將基礎底面做成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(jīng)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，一般在拱腳兩基礎間設置地下預應力混凝土拉桿。四、拱結構的型式與主要尺寸（一）拱的主要尺寸1．拱的矢高綜合考慮結構的合理性和建筑外形的要求，拱的矢高可按下列關系取用：a．兩鉸、三鉸拱，一般矢高f取為：f(1/3~1/2)L，且fL/10；f(1/7~1/3)L；fL/7；經(jīng)濟高度：有拉桿時可?。篺(1/5~1/2)L；無拉桿時可?。篵．落地拱，一般矢高f取為：f(1/7~1/3)L２．拱身截面拱身一般采用等截面，對于無鉸拱，由于內(nèi)力從拱頂向拱腳逐漸增加，因此一般做成變截面的形式。拱身的截面寬度b視其截面高度而定。為保證平面外的剛度與穩(wěn)定，拱身應有足夠的截面寬度，一般取b=h/2左右。拱身截面高度h，可按下列關系取用：23a．鋼筋混凝土肋形拱h(1/40~1/30)Lb．鋼結構實腹式拱肋h(1/80~1/50)Lc．鋼結構格構式拱肋h(1/60~1/30)L（二）拱的型式拱式結構應用廣泛，型式多樣。從力學計算簡圖看，可分成無鉸拱、兩鉸拱和三鉸拱；按應用材料分類，有鋼筋混凝土拱結構、鋼拱結構、膠合木拱結構、磚石砌體拱結構；從拱身截面看，有格構式和實腹式拱，等截面和變截面拱。一般，拱身承受彎矩比較容易滿足要求。但拱在平面外會產(chǎn)生壓曲現(xiàn)象。為充分發(fā)揮抗壓材料的強度，拱身截面需有足夠寬度，最好能把拱身做成立體型式，以解決拱身平面外剛度與穩(wěn)定問題。據(jù)此，拱身可分為兩大類（梁式拱與板式拱）共有下面幾種:1、梁式拱a．肋形拱：拱身為一矩形截面曲桿。b．格構式拱：當拱截面較高h＞1500mm時，可目前我國最大跨度的拱結構之一西安秦俑博物館展覽廳即采用67m格構式軸為二次拋物線形，矢高為1/5。做成格構式鋼拱。箱形組合截面鋼三鉸拱。拱2、板式拱拱身向立體化發(fā)展的另一方法，也是最好的型式，是把屋面的板與拱合二為一，既是承重的拱結構，其本身又是屋面板。這就是板式截面拱。不僅省料后重輕，且平面外剛度極大，造型優(yōu)美。板式拱的種類很多，有下列幾種。a．筒拱：最簡單的板式拱截面是平板式的，稱筒拱。b．雙波拱：這種拱的橫截面呈有凹有凸的波浪形。c．箱形拱：澳大利亞悉尼歌劇院采用預制的預應力混凝土落地三鉸拱結構。度特別大的箱形拱。其拱身是尺五、拱結構布置1．拱式結構的支撐系統(tǒng)：拱為平面受壓或壓彎結構，或大型屋面板體系來保證拱在軸線平面外的受壓穩(wěn)定性。為了增強結構的縱向剛度，傳遞作用于山墻上的風荷載，還應設置縱向支撐與橫向支撐形成整體。拱撐系統(tǒng)的布置原則與單層剛架結構類似。2．并列布置：一般情況下，矩形平面建筑多采用等間距、等跨度、并列布置的平面拱結構，需要靠支撐解決其縱向抗側力的能力與側向穩(wěn)定性。3．徑向布置：對于非矩形平面（如正多邊形、圓形、扇形等）建筑，拱較多，如徑向、環(huán)向、井式、多叉等布置方案，但都已是非平面結構，間拱結構。由平面拱組合構成的空間拱結構，因其各拱肋已相互交叉連接，具有空間剛度與穩(wěn)定性，也就無需支撐?？臻g拱結構可以是落地拱，也可以支承在墻柱或剛架頂上的圈梁上。因此必須設置橫向支撐并通過檁條支的結構布置方案而成為空244．環(huán)向布置：古羅馬的拱結構很多采取環(huán)向布置方案，各拱沿周圈排列、拱腳互抵，推力相消。5．多叉布置：古羅馬的半圓拱、筒拱與十字拱，經(jīng)拜占庭的帆拱，發(fā)展到羅馬風的肋形拱，以至哥特式的尖券肋形拱，已具備了圍繞一個中心點，經(jīng)向布置輻射狀的4～8根拱多叉拱的是15世紀上半葉，意大利佛倫薩市主教堂的圓頂。肋的多叉拱特。平面適應性非常之強，幾乎能適應任何平面形狀。多叉拱最杰出的代表作第六節(jié)網(wǎng)架結構體系一、網(wǎng)架結構的特點與適用范圍網(wǎng)架結構是一種新型大跨度空間結構。它具有剛性大、變形小、應力分布較均勻、能大幅度地減輕結構且具有多樣的形式，使用靈活方便，可適應于多種形式的建筑平面的要求，近年來國內(nèi)外許多大跨度公共建筑中或工業(yè)建筑均普遍地采用這種新型的大跨度空間結構來覆蓋巨大的自重和節(jié)省材料等優(yōu)點。網(wǎng)架結構可以用木材、鋼筋混凝土或鋼材來做，并種多空間。1976年在美國路易斯安拉州建造的世界上最大的體育館，就是采用鋼網(wǎng)架屋頂圓形平面的直徑達207.3米。網(wǎng)架結構可分為單層平面網(wǎng)架、單層曲面網(wǎng)架、雙層平板網(wǎng)架和雙層穹窿網(wǎng)架等多種形式（圖1．52）。單層平面網(wǎng)架多由兩組互相正交的正方形網(wǎng)格組成，可以正放，也可以斜放。這種網(wǎng)架比較適合于正方形或接近于正方形的短形平面建筑。如果把單層平面網(wǎng)架改變?yōu)榍嬉还盎蝰妨W(wǎng)架，將可以進一步提高結構的剛度并減小構件所承受的彎曲力，從而增大結構的跨度。平板雙層鋼網(wǎng)架結構是大跨度建筑中應用得最普遍的一種結構形式，近年來我國建造的大型體育館建筑，如北京首都體育館、上海市體育館、南京市五臺山體育館（b）雙層平板型網(wǎng)架（b）單層殼型網(wǎng)架（雙曲）（c）單層殼型網(wǎng)架(單曲)圖1．52網(wǎng)架型式等都是采用這種形式的結構。網(wǎng)架結構具有如下優(yōu)點：（１）網(wǎng)架是多向受力的空間結構，比單向受力的平面桁架適用跨度更大，跨度一般可達到30～60m，甚至60m以上。網(wǎng)架是高次超靜定結構，結構安全度特別大。倘若某一構受壓屈曲，也不導致破壞。（２）由于網(wǎng)架的整體空間作用，桿件互相支持，剛度大，穩(wěn)定性好，網(wǎng)架具有各向件受25力性能，應力分布均勻，在節(jié)點荷載作用下，網(wǎng)架的桿件主要承受軸向拉力或軸向壓力。因此能夠充分發(fā)揮材料的強度，用料方面可比桁架結構節(jié)省鋼材30％左右。（３）網(wǎng)架結構中的各個桿件，既是受力桿，又是支撐桿，不需單獨設置支撐系統(tǒng)，而且整體性強，穩(wěn)定性好，空間剛度大，是一種良好的抗震結構型式。（４）網(wǎng)架結構能夠利用較小規(guī)格的桿件建造大跨度結構，而且具有桿件類型化，適合于工廠化生產(chǎn)、地面拼裝和整體吊裝或提升。（５）網(wǎng)架結構的靈活性與通用性;高跨比小，能有（６）平板網(wǎng)架是一種無推力的空間結構，一般簡支在支座上，邊緣構件比較由于網(wǎng)架具有上述優(yōu)點，所以它的應用范圍很廣，不僅適用于中小跨度的工業(yè)與民用建筑，而且尤其適用于大跨度的體育館、展覽館、影劇院、大會堂等屋蓋結構。對建筑平面的適應性強，造型表現(xiàn)力相當豐富，這給建筑設計帶來極大效地利用建筑空間；還能適應發(fā)展需要。簡單。二、平板式空間網(wǎng)架的結構型式平板網(wǎng)架架體系網(wǎng)架由兩向交叉或三向交叉的桁架等組成。后者剛度更大，受力性能更好。都是雙層的，按桿件的構成形式又分為交叉桁架體系和角錐體系兩種。交叉桁組成；角錐體系網(wǎng)架，由三角錐、四角錐或六角錐（一）交叉桁架體系這類網(wǎng)架結構是由許多上下弦平行的平面桁架相互交叉聯(lián)成一體的網(wǎng)狀結構。一般講，斜桿較長設計成拉桿，豎向腹桿較短設計成壓桿，以利于充分發(fā)揮材料的強度。交叉桁架體系網(wǎng)架的主要型式可分為以下幾種：１．兩向正交正放網(wǎng)架這種網(wǎng)架由兩個方向的分別平行于建筑平面的邊線，因而稱為正放，如教材圖1．53（Ｐ35）所示。這種網(wǎng)架一般適用于平面桁架交叉而成，其交角為900，故稱為正交。兩個方向的桁架正方形或接近正方形的矩形建筑平面，這樣兩個方向的桁架跨度相等或接近，才能共同受力發(fā)揮空間作用。２．兩向正交斜放網(wǎng)架這種網(wǎng)架也是由兩組相互交叉成900的平面桁架組成，但每片桁架與建筑平面邊線的交角為450，故稱為兩向正交斜放網(wǎng)架，如教材圖1．54（Ｐ36）所示。從受力上看，當這種網(wǎng)架周邊為柱子支承時，兩向正交斜放網(wǎng)架中的各片桁架長短不一，而網(wǎng)架常常設計成等高度的，因而四角處的短桁架剛度較大，對長桁架有一定嵌固作用，長桁架在其端部產(chǎn)生負彎矩，從而減少了跨度中部的正彎矩，改善了網(wǎng)架的受力狀態(tài)，并在網(wǎng)架四角隅處的支座產(chǎn)生上拔力，故應按拉力支座進行設計。使３．三向交叉網(wǎng)架三向交叉網(wǎng)架一在平面中組成正三角形，如教材圖1．55（Ｐ36）所示。三向交叉網(wǎng)架比兩向網(wǎng)架的空間剛度大內(nèi)力均勻，故適合在大跨度工特別適用于三角形、梯形、正六邊形、多邊形、圓形平面的建筑中。但三向交叉網(wǎng)架桿件種般是由三個方向的平面桁架相互交叉而成，其交角互為600，故上下弦桿、桿件程中采用，26類多，節(jié)點構造復雜，在中小跨度中應用是不經(jīng)濟的。（二）角錐體系網(wǎng)架角錐體系網(wǎng)架是由四角錐單元、三角錐單元、或六角錐單元（如教材圖1．56Ｐ37）所組成的空間網(wǎng)架結構，分別稱作四角錐網(wǎng)架、三角錐網(wǎng)架、六角錐網(wǎng)架。角錐體系網(wǎng)架比交叉桁架體系網(wǎng)架剛度大，受力性能好。若由工廠預制標準錐體單元，則堆放、運輸、安裝都很方便。角錐可并列布置，也可抽空跳格布置，以降低用鋼量。1、四角錐網(wǎng)架一般四角錐體網(wǎng)架的上弦和下弦平面均為方形網(wǎng)格，上下弦錯開半格，用斜腹桿連接上下弦的網(wǎng)格交點，形成一個個相連的四角錐體。四角錐體網(wǎng)架上弦不易設置再分桿，因此網(wǎng)格尺寸受限制，不宜太大。它適用于中小跨度。目前，常用的四角錐體網(wǎng)架有兩種．a(chǎn)．正放四角錐體網(wǎng)架（教材圖1．57Ｐ37）正放四角錐網(wǎng)架是向下布置，將錐的底邊相連成為網(wǎng)架的所示。也可錐尖向上布置，這時由錐尖的連桿作為網(wǎng)架的的下弦桿。正放四角錐網(wǎng)架的上下弦桿長度相等。并列滿格布置的正放四角錐網(wǎng)架的較大，但由于桿件數(shù)量多，用鋼量指標較高。為了降低用鋼量，簡化構造，以及便于屋面設置采光通風天窗，根據(jù)網(wǎng)架指錐的底邊與相應的建筑平面周邊平行。正放四角錐網(wǎng)架尖的連桿為網(wǎng)架的下弦桿，如教材圖1．57a上弦桿，由錐的底邊相連成為網(wǎng)架一般為錐尖上弦桿，錐剛度當跨度較小時網(wǎng)架的的支承條件和內(nèi)力分布情況，可適當抽掉一些四角錐體，成為正放抽空四角錐網(wǎng)架，如教材圖1．57b所示。正放四角其它桿件的內(nèi)力也比較均勻。屋面板規(guī)格比較統(tǒng)一。上下弦桿等長，無豎桿，構造這種網(wǎng)架適用于平面接近正方形的中、小跨度周邊支承的建筑，也適用于大跨網(wǎng)的點椎體網(wǎng)架桿件內(nèi)力比較均勻。當為點支承時，除支座附近的桿件內(nèi)力較大外，比較簡單。支承、有懸掛吊車的工業(yè)廠房和屋面荷載較大的建筑。b．斜放四角錐網(wǎng)架（教材圖1．58aＰ38）斜放四角錐網(wǎng)架由錐尖向下的四角錐體所組成。與正放四角錐網(wǎng)架不同的是，各個錐體不再是錐底的邊與邊相連，而是錐底的角與角相接。所謂斜放，是指網(wǎng)架的上弦(即錐底邊)而連接各錐頂?shù)南孪覘U則仍平行于建筑構線，如教材圖1．58a所與建筑平面邊線成45示。角，0由于網(wǎng)架從鋼桿件受力性能來看，這種布置方式比正放四角錐網(wǎng)架更為合理，而且每個節(jié)點形式新穎，經(jīng)濟指標較好，構造簡單，因此近年來用得較多。度和矩形平面的建筑。的它支承方式可以是周邊支承或邊支承與點支承相結合。受壓的上弦桿長度小于受拉的下弦桿，交匯的桿件數(shù)量也較少，因此用鋼量較少。斜放它適用于中小跨四角錐體網(wǎng)架2、六角錐體網(wǎng)架（教材圖1．58bＰ38）這種網(wǎng)架由組成，如教材圖1．58b所示。當錐尖向下時，上弦為正六邊形網(wǎng)格下弦為正三角格；與此相反，當錐尖向上時，上弦為正三角形網(wǎng)格下弦為正六邊形網(wǎng)六角錐單元形網(wǎng)格。27這種型式的網(wǎng)架桿件多，結點構造復雜，屋面板為六角形或三角形，施工也較困難。因此僅在建筑有特殊要求時采用，一般不宜采用。3、三角錐體網(wǎng)架（教材圖1．59Ｐ39）三角錐體網(wǎng)架是由三角錐單元組成。這種網(wǎng)架受力均勻，剛度較前述網(wǎng)格型式好，是目前各國在大跨度建筑中廣泛采用的一種型式。它適合于矩形、三邊形、梯形、六邊形和圓形等建筑平面。三角錐體網(wǎng)格常見的型式有兩種。一種是上、下弦平面均為正三角形的網(wǎng)格，如教材圖1．59a所示。另一種是抽空三角錐體網(wǎng)格，其上弦為三角形網(wǎng)格，下弦為三角形和六角形網(wǎng)格，如教材圖1．59b所示。抽空三角錐網(wǎng)架的用料較省，同時桿件減少，構造簡單，但空間剛度不如前者。三、平板網(wǎng)架的支承方式和支座常用的平板網(wǎng)架支承方式有兩類：1．周邊支承（教材圖1．60Ｐ39）周邊支承可以由網(wǎng)架直接支承在邊柱上，網(wǎng)架的支座位架支承，圈梁再支承在若干個邊柱上。這里的圈梁，即支承網(wǎng)架的托梁當于四邊簡支雙向板（如教材圖1．60）。于柱頂，也可以在圈梁上做成網(wǎng)。周邊支承的網(wǎng)架相2．四點或多點支承（教材圖1．61Ｐ39）四點或多點支承如教材圖1．61所示。當采用四點或多點支承時，也可將網(wǎng)架沿周邊挑出，形成伸臂結構，挑出長度以1/4柱距為宜。四點或多點支承的網(wǎng)架相當于四角支承雙向板或無梁樓蓋的平板。四、平板網(wǎng)架的桿件與節(jié)點（教材圖1．62Ｐ40）網(wǎng)架常用的桿件有鋼管和角鋼兩種。鋼管一般取直徑70～160，管壁厚1.5mm～10mm。鋼管的受力性能比角鋼更為合理，并能取得更加經(jīng)濟的效果（鋼管網(wǎng)架一般可比角鋼網(wǎng)架節(jié)材30％～40％）,因而它的應用更為廣泛。對于形式比較簡單、平面尺寸較小的網(wǎng)架，則可采用角鋼作為桿件。約鋼在平板網(wǎng)架的節(jié)點上匯交了很多桿件，一般有10根左右，呈立體幾何關系。因此，在進行網(wǎng)架結構設計時，合理地選擇節(jié)點型式和相互連接的方法，對整個網(wǎng)架結構的受力性能，制造安裝、用鋼量和造價的影響都很大。網(wǎng)架節(jié)點的連接可以采用焊接或螺栓連接（如教材圖1．62）。螺栓連接適用于高空安裝。五、平板網(wǎng)架的主要尺寸網(wǎng)架尺寸取決建筑平面形狀、支承條件、跨度大小、屋面材料、荷載件等因素有密切關系采用鋼筋混凝土屋面板時，因屋面構件較重，吊裝于網(wǎng)架的跨度、屋面材料和屋面做法。它與網(wǎng)架的型式、網(wǎng)架高度、腹桿布置及大小、有無懸掛吊車、施工條。不易，所以網(wǎng)格尺寸不宜超過3m×3m。28當采用輕型屋面時，網(wǎng)格尺寸一般可以取3～6m之間。若網(wǎng)架的構件采用鋼管時，由于桿件長細比的考慮，網(wǎng)格尺寸不宜過大。網(wǎng)格尺寸跨度的比值一般取為：1．平板網(wǎng)架的高跨比跨度小于30m時，約為1/10～1/13；跨度30m～60m時，約為1/12～l/16；跨度大于60m時，約為l/14～1/20。2．平板網(wǎng)架網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)架短向跨度比跨度小于30m時，約為1/8～1/12；跨度30～60m時，約為1/11～1/14；跨度大于60m時，約為1/13～1/18。3．腹桿布置腹桿布置應盡量使受壓桿件短，受拉桿件長，減少壓桿的長細比，充分發(fā)揮桿件截面的強度，使網(wǎng)架受力合理。對交叉桁架體系網(wǎng)架，腹桿傾角一般在40斜腹桿的傾角宜采用60～50之間。對角錐網(wǎng)架，000，這樣可以使桿件標準化。對于大跨度網(wǎng)架，因網(wǎng)格尺寸較大，為了減小上弦長度，宜采用再分式腹桿。這樣可以避免上弦的局部彎曲，并減少其長細比，使受力更為合理。4．網(wǎng)架的起拱跨度較大者宜起拱≤l/40。雙向正放桁架宜雙坡起拱，雙向斜放桁架及三向桁架宜四坡起拱。起拱后屋面坡度不宜超過5％，需要較大排水坡度者，應在網(wǎng)架上弦節(jié)點上按坡度要求架設屋面支托(即短豎桿）。起拱后的網(wǎng)架，桿件長度復雜化了，只有保持上、下弦平行才能求得較好的效果。六、網(wǎng)架結構的工程實例1．上海體育館（教材圖上海體育館比賽館是一個圓形的建筑屋蓋的直徑為125m。屋蓋采用平板型三向網(wǎng)架結構，網(wǎng)格尺寸取直徑的1/18。上弦設置了再分式腹桿，以減少上弦壓桿的計算長度，節(jié)省上弦的用鋼量，并且由于上弦的桿斷面減小，使得節(jié)點鋼球的直徑也可以減少，因此也件采用直徑為48～159mm、壁厚為4～12mm的鋼管，焊接空心球節(jié)點，鋼球直徑為14mm，。網(wǎng)架與柱子之間采用雙面弧形壓力支座,在滿足支座轉動的前提下，能使網(wǎng)架有適量的自由伸縮，以適應溫差引起的變形要求。1．6３Ｐ41），直徑為110m，能容納18000多人；屋蓋挑出7.5m，整個減少了節(jié)點的用鋼量。網(wǎng)架的桿為400mm，壁厚2．廣州自云機場機庫（教材圖為檢修波音747飛機而建造的。根據(jù)波音747飛機機身長、機翼寬的特點，機庫平面形狀機尾高、機身矮的特點，機庫沿高度方向設計成高低跨，機尾高跨部分下弦標高為26m，機身低跨部分下弦標高只有17.5m，因此，機庫屋蓋選用了高低整體式折線形網(wǎng)架。1．64Ｐ42）廣州白云機場機庫是設計成“凸”字形。根據(jù)飛機29第七節(jié)薄壁空間結構一、薄殼結構的概念殼體結構一般是由上下兩個幾何曲面構成的空間薄壁結構。這兩個曲面之間的距離稱為殼體的厚度t。當厚度t遠小于殼體的最小曲率半徑時，稱為薄殼。一般在建筑工程中所遇到的殼體，常屬于薄殼結構的范疇。（a）平板結構（b）曲面結構（殼）圖1．65面結構在面結構中，平板結構主要受彎曲內(nèi)力，包括雙向彎矩和扭矩，如圖1．65a。薄壁空間結構如圖1．65b所示的殼體，它的厚度t遠小于殼體的其它尺寸（如跨度），屬于空間受力狀態(tài)，主要承受曲面內(nèi)的軸力（雙向法向力）和順剪力作用，彎矩和扭矩都很小?！癖”诳臻g結構，由于它主要承受曲面內(nèi)的軸力作用，所以材料強度得到充分利用；同時由于它的空間工作，所以具有很高的強度及很大的剛度。薄殼空間結構內(nèi)力比較均勻，是一種強度●薄壁空間結構常用于中民用建筑中也常采用薄殼結構?！癖”诳臻g結構在應用中也存在一些問題，由于它體形復雜，一般費模板、費工時，往往因此而影響它的推廣。同時在設計方面，薄壁空間結構的計算過于復高、剛度大、材料省、既經(jīng)濟又合理的結構型式。、大跨度結構，如展覽大廳，飛機、庫工業(yè)廠房、倉庫等。在一般的采用現(xiàn)澆結構，所以雜。二、薄殼空間結構的曲面形式薄殼結構中曲面的按其形成的幾何特點可以分成以下三類：形式，1．旋轉曲面（教材圖1．66Ｐ43）線（或直線）作母線繞其平面內(nèi)的一在薄壁空間結構中，常用的旋轉曲面有球形曲面、旋轉拋物（橢圓）面轉雙曲面等。2．直紋曲面（教材圖一根直母線，其兩端各沿兩固定曲導線（或為一固定曲導線，一而成的曲面，稱為直紋曲面。一般有：（1）、柱曲面（一根直母線沿兩根曲率大小相同的豎向曲導線移動而成）或柱狀根直母線沿兩根曲率方向相同但大小不同的豎向曲導線始終平行于導平面移動而成）它們又都稱單曲柱面，分別見教材圖1．67。（2）、錐面（一根直母線一端沿一豎向曲導線，另端通過一定點移動而成）或錐狀面（由一平面曲根軸線旋轉而成的曲面，稱為旋轉曲面。、圓錐曲面、旋1．67Ｐ44）固定直導線）平行移動方向和曲面（一同30上，但另端為一直線，母線移動時始終平行于導平面）,后者又稱劈錐曲面，分別見教材圖1．67。（3）、扭面（一直紋曲面模板易于制作，常被采用。根直母線在兩根相互傾斜又不相交的直導線上平行移動而成）,見圖1．67。建造時3．平移曲面（教材圖1．68Ｐ44）由一根豎向曲母線沿另一豎向曲導線平移而成。其中，母線與導線均為拋物線且曲率方向相同者稱橢圓拋物面，因為這種曲面與水平面的截交曲線為一橢圓；母線與導線均為拋物線。4．切割或組合曲面（教材圖1．69、圖1．70Ｐ45）由上述三類曲面切割組合形成的曲面建筑師能根據(jù)平面及空間的需要，通過對曲面的切割或組合，形成千姿百態(tài)的建筑造型。曲面切割的形式有著名建筑師薩瑞南的設計的美國麻省理工學院大會堂的建筑造型（圖1．69a），著名建筑結構大師托羅哈1933年建造的西班牙Algeciras市場的建筑造型（如教1．69b）。又如，雙曲拋物面可近似看作用一系列直線相連的兩個圓盤以相反方向旋轉而扭面實際上是雙曲拋物面紋方向切割出的一部分（如教材圖1．69c）。曲面的組合多種多樣。教材圖1．70a是兩個柱形曲面正交的造型；教材圖1．70b是八個雙曲拋物面1．70c是六個扭殼組合后如教材材圖成，中沿直組合后的造型；教材圖的造型。三、薄殼結構的內(nèi)力對于一般的殼體結構，中曲面單位長度上的內(nèi)力一共有8對，它們是軸向力N、N；xy順剪力SVVS；橫剪力、；彎矩M、M以及扭矩MMxxyxyyxyyx，見圖1．71。xy上述內(nèi)力可以分為兩類，作用于中曲面內(nèi)的薄膜內(nèi)力和作用于中曲面外的彎曲內(nèi)力。理想的薄膜在荷載作用下只能產(chǎn)生軸向力Nx、Ny和順剪力Sxy=Syx，見圖1-71b。因此，這三對a)殼體結構的內(nèi)力圖1．71殼體結構的內(nèi)力）薄膜b內(nèi)力內(nèi)力通稱為薄膜內(nèi)力。彎曲內(nèi)力是由于中曲面的曲率和扭率的改變而產(chǎn)生的，它包括有橫剪力V、V；彎矩M、M以及扭矩yxyxMM。xyyx理論分析表明：當曲面結構的壁厚t小于其最小主曲率半徑R的１／２０并能滿足下列條件時，薄膜內(nèi)力是殼體結構中的主要內(nèi)力：（１）殼體具有均勻連續(xù)變化的曲面（２）殼體上的荷載是均勻連續(xù)分布的；（３）殼體的各邊界能夠沿著曲面的法線方向自由移動，；支座只產(chǎn)生阻止曲面切線方向31位移的反力。四、筒殼結構歷史上出現(xiàn)的第一種殼體是筒殼。其外形似圓筒，故名圓筒殼，又似圓柱體，故又名柱面殼。筒殼外形簡單，是單曲面殼體。其縱向為直線，有其橫向剛度小的缺點，但卻由于它的幾何形狀簡單，模板制作方便，易于施工，省工省料，這是其最大優(yōu)點。也是筒殼在歷史上最早出現(xiàn)，并在近代仍大量應用的根本原因。（一）筒殼的結構組成筒殼由殼身、側邊構件及橫隔三部分所組成（見圖1．72）。側邊構件可理解為殼體“邊框”，兩個橫隔之間的距離稱為筒殼的跨度，以l表示；兩個側邊構件1之間的距離稱為筒殼的波長，以l表示。l沿跨度2稱為筒殼的縱向，沿波長1方向l方向則稱為筒殼的橫向。2筒殼殼身橫截面的邊線可為圓弧形、橢圓形，或其他形狀的曲線，一般用采圓弧形圖1．72筒殼結構的組成較多，它方便施工。殼身包括側邊構件在內(nèi)的高度稱為筒殼的截面高度，以h表示。不包括側邊構件在內(nèi)的高度稱為筒殼的矢高，以f表示。側邊構件（邊梁）與殼身共同工作，向受拉鋼筋，另一方面可提供較大的剛度，減少殼身的布產(chǎn)生影響。常見的側邊構件型式如教材圖1．73（Ｐ46）所示，其案最為經(jīng)濟。橫隔是筒殼的橫向支承，缺順剪力并將內(nèi)力傳到下部結構上去。常見的筒殼橫隔整體受力。它一方面作為殼體的豎向位移及水平位移，并中以教材圖1．73a受拉區(qū)集中布置縱對殼身的內(nèi)力分截面的方少它，殼身的形體就要破壞。橫隔的功能是承受殼身傳來的型式如教材圖1．74（Ｐ4７）所示。（二）筒殼的分類及受力特點筒殼的空間工作是由殼板、側邊構件似，在殼身內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向的壓力，而在縱向則同時發(fā)揮著梁的作用，梁的作用傳給橫隔。因此，筒殼結構是橫向拱的作用與縱向梁的作用的綜合。在由于建筑布置的不同，使跨長與波長有著大小不同的比例，跨長與波長的比值不同時，筒殼的受力狀態(tài)也不一樣。當跨長與波長的比值增加到一定程度時，筒殼就會像弧形和橫隔三者共同完成的。筒殼在橫向的作用與拱相把上部豎向荷載通過縱向實際設計中，截面梁一樣受力；當跨長與波長的比值減小時，筒殼的間工作的影響。空間工作性能（拱的作用）就愈來愈明顯，這主要反映了橫隔對空因此，工程中按跨度與波長的比值將筒殼分為三類：1．長筒殼：當跨長l與波長l的比值l/l3時，稱為長筒殼。12122．短筒殼：當跨長l與波長l的比值l/l1/2時，稱為短筒殼。1212323．中長筒殼：當跨長l與波長l的比值121/2l/l3時，稱為中長筒殼。12（三）筒殼的結構布置1．結構構造a．短殼：短殼的殼板矢高一般不應小于波長的1/8。b．長殼：長殼的截面高度建議采用跨長l的1/10～1/15，1其殼板的矢高不應小于波長l的1/8。2筒殼的天窗孔及其他孔洞建議沿縱向布置于殼體的上部。在橫向，洞口c．天窗的布置：尺寸建議不大于(1/4~1/3)l。在縱向，洞口尺寸可不受限制，但在孔洞四周應2設邊梁收口并沿孔洞縱向每隔2～3m設置橫撐加強。當殼體具有較大的不對稱荷載時，除設置橫撐外，尚需設置斜撐，形成平面桁架系統(tǒng)。2.筒殼的結構布置方式a．折縫（教材圖1．78Ｐ49）單曲板的剛度雖比平板好。但不如雙曲板。如何加強單曲板（筒殼）的側向剛度是個重要問題。正如前述的橫隔和加勁肋都為解決該缺點而設。此外，還可形成折縫。平板的出平面剛度很小，若是折一下，在直線折縫處，卻能獲得很大的剛度，可以作為平板的剛勁支座。同樣，筒殼也可以通過組合（如并列、交貫等）形成曲線或直線折（縫見教材圖1．78a），稱為加勁折。這不但與加勁肋的作用完全一樣，并且加勁作用更強。因為加勁肋的肋高有限，而折縫兩側的