大跨度空間結構的主要形式及特點

2022-11-24 21:50:31 字數 4751 閱讀 4298

大跨度建築通常是指跨度在30米以上的建築,我國現行鋼結構規範則規定跨度在60米以上結構為大跨度結構。大跨度空間結構往往是衡量一個國家或地區建築技術水平的重要標誌。其結構形式主要包括拱結構、剛架結構、桁架結構、網架結構、折板結構、網殼結構、懸索結構、膜結構、薄殼結構等空間結構及各類組合空間結構。

形態各異的空間結構在體育場館、會展中心、影劇院、大型商場、工廠車間等建築中得到了廣泛的應用。

結構是房屋的骨架,是形成建築內部空間和外部形式的物質基礎,結構是在特定的材料和施工技術條件下運用力學原理創造出來的。某種新的結構一丹產生並在工程實踐中反覆出現時,便會逐漸形成一種嶄新的建築形式。上面所提到的空間結構也可以分成:

一實體結構類——薄殼結構、折板結構;二網格結構——網架結構、網殼結構;三張力結構——懸架結構、薄膜結構;四其他新型大跨度空間結構——可展開摺疊式結構、開合屋頂、張拉整體結構、張弦結構、整體張拉預應拱架結構。下面我就各空間結構作分析。

1拱結構

1.1定義與特點

拱結構是一種主要承受軸向壓力並由兩端推力維持平衡的曲線或折線形構件。拱結構由拱圈及其支座組成。拱是古代大跨度建築的主要結構形式。

由於拱呈曲面形狀,在外力作用下,拱內的彎矩可以降低到最小限度,主要內力變為軸向壓力,且應力分佈均勻,能充分利用材料的強度,比同樣的樑結構斷面小,能承受較大空間。但是拱結構在承受荷載後將產生橫向推力,為了維持結構的穩定性,必須設定寬厚堅固的拱腳支座抵抗橫推力。常見的方式是在拱的兩側作兩道後牆來支承拱,牆厚隨拱跨增大而加厚。

這樣就會使建築的平面空間組合受到約束。

1.2拱結構形式

拱結構應用廣泛,形式多種多樣。按建造的材料分類,有磚石砌體拱結構、鋼筋混凝土拱結構、鋼拱結構、膠合木拱結構等;按結構組成與支承方式分類,有無鉸拱、兩鉸拱和三鉸拱,無拉力杆拱和有拉桿拱;按拱軸的形式分類,常見的有半圓拱和拋物線拱;按拱身截面分類,有實腹式和格構式、等截面和變截面等。

1.3拱結構的建築造型與佈置

確定拱軸線的形式主要考慮兩個問題,一是拱的合理軸線,二是拱的矢高。其中拱的矢高對建築的外部輪廓形象影響最大。拱是一種有水平推力的結構,解決水平推力的方式不同,建築的外形也不一樣,常有的處理方式有:

1由拉桿承受拱推力的建築造型 2由框架結構承受拱推力的建築造型 3由基礎承受拱推力的建築造型。拱結構根據建築平面形式的不同,常有的佈置形式有1並列佈置 2徑向佈置 3環向佈置 4井式佈置 5多叉佈置

2剛架結構

2.1定義與特點

剛架結構通常是指由直線形杆件(樑和柱)通過剛性節點連線起來的結構。建築工程中習慣把樑和柱之間為鉸接的單層結構稱為排架,多層多跨的剛架結構則通常稱為框架。由於樑和柱是剛性節點,在豎向荷載作用下柱對樑有約束作用,因而能減少樑的跨中彎矩。

同樣,在水平荷載下,樑對柱也有約束作用,能減少柱內的彎矩。剛架結構比屋架和柱組成的排架結構輕巧,可以節省鋼材和水泥。由於大多數的剛架的橫樑是向上傾斜的,不但受力合理,且結構下部空間增大,對某些要求高大空間的建築特別有利。

同時,傾斜的橫樑使建築形成折線形,建築外輪廓富於變化。

2.2剛架結構的形式

剛架結構按其結構組成和構造的不同,可以分為無鉸剛架、兩鉸剛架和三鉸剛架等三種形式。按結構分類,有膠合木結構、鋼結構、混凝土結構;按構件截面分類,可分為實腹式剛架、空腹式剛架、格構式剛架、等截面與變截面杆剛架;按建築體型分類,有平頂、坡頂、拱頂、單跨與多跨剛架;從施工技術看,有預應力剛架和非預應力剛架等。

2.3剛架結構的建築造型與佈置

剛架結構常用鋼筋混凝土建造,為了節約材料和減輕結構自重,通常將剛架做成變斷面的形式,柱樑相交處彎矩最大,斷面增大,鉸接點處彎矩為零,斷面最小,所以剛架的立柱斷面上大下小。為了造型需要,立柱可做成裡直外斜,或外直裡斜。剛架多采用預製裝配,構件呈“y”或“l”形,用這些構件可組成單跨、多跨、高低跨、懸挑跨等建築外形。

屋脊一般在跨度正中間,形成對稱式剛架,也可偏於一邊,構成不對稱式剛架。

單層剛架結構佈局靈活,可以是平行佈置、輻射狀佈置或以其他的方式排列,形成風格多變的建築造型。一般情況下,矩形平面建築都採用等間距、等跨度的平行剛架佈置方案。對一些大型複雜建築,有時也可採用剛架與其他結構或構件形成主次結構佈置方案。

3桁架結構

3.1定義與特點

桁架結構是指由若干直杆在其兩端用鉸鏈連線而成的結構。杆件與杆件的連線假定為鉸結,在外力作用下的杆件內力為軸向力,而且分佈均勻,故桁架結構比樑結構有更多更合理的優點:1擴大了樑式結構的適用跨度;2桁架結構可用各種材料製造,如鋼筋混凝土、鋼、木均可;3桁架是由杆件組成的,桁架體型可以多樣化,如平行弦桁架、三角桁架、弧線桁架等形式;4施工方便,桁架可以整體制造後吊裝,也可以在施工現場高空進行杆件拼裝。

3.2桁架結構的形式

桁架一般用木材、鋼材、鋼筋混凝土建造。桁架形式分為三角形、梯形、拱形、無斜腹杆式和三角拱式等各種形式。

3.3桁架結構的建築造型

桁架結構在大跨度建築中多用作屋頂的承重結構,根據建築的功能要求、材料**和經濟的合理性,可設計成單坡、雙坡、單跨、多跨等不同的外觀和形狀。

4網格結構

4.1.1網格結構定義與特點

由多根杆件按照某種規律的幾何圖形通過節點連線起來的空間結構稱之為網格結構,其中雙層或多層平板形網格結構稱為網架結構或網架。它通常是採用鋼管或型鋼材料製作而成。網格結構按其外形分為平板網格結構和曲面網格結構兩類,前者簡稱網架,後者簡稱網格,通常採用金屬材料製作。

網格結構空間工作,傳力途徑簡捷;重量輕、剛度大、抗震效能好;施工安裝簡便;網架杆件和節點便於定型化、商品化、可在工廠中成批生產,有利於提高生產效率;網架的平面佈置靈活,屋蓋平整,有利於吊頂、安裝管道和裝置;網架的建築造型輕巧、美觀、大方,便於建築處理和裝飾。

4.1. 2網格結構的形式

(1)平面桁架系組成的網架結構。主要有:兩向正交正放網架、兩向斜交斜放網架、兩向正交斜放網架、三向網架等型式。

(2)四角錐體組成的網架結構。主要有:正放四角錐網架、斜放四角錐網架、正放抽空四角錐網架、棋盤形四角錐網架、星型四角錐網架、單向折線型網架等型式。

(3)三角錐組成的網架結構。主要有:三角錐網架、抽空三角錐網架(分ⅰ型和ⅱ型)、蜂窩形三角錐網架等型式。

(4)六角錐體組成的網架結構。主要形式有:正六角錐網架。

4.2.1網殼結構的定義與特點

曲面形網格結構稱為網殼結構,有單層網殼和雙層網殼之分。網殼的用材主要有鋼網殼、木網殼、鋼筋混凝土網殼等。

網殼結構兼有杆繫結構和薄殼結構的主要特性,杆件比較單一,受力比較合理;結構的剛度大、跨越能力大;可以用小型構件組裝成大型空間,小型構件和連線節點可以在工廠預製;安裝簡便,不需大型機具裝置,綜合經濟指標較好;造型豐富多彩,不論是建築平面還是空間曲面外形,都可根據創作要求任意選取。

4.2. 2 網殼結構的形式

主要有球面網殼、雙曲面網殼、圓柱面網殼、雙曲拋物面網殼等。

4.3網架與網殼結構的建築造型

網格結構的建築造型主要受兩個因素的影響:一是結構的形式,二是結構的支承方式。平板網架的屋頂一般是平屋頂,但建築的平面形式可以多樣化。

網殼的外形多變,如拱形網架的建築外形呈拱曲面,但平面形式往往比較單一,多為矩形平面,穹形網殼的外形呈半球形或拋物面形等,平面則為圓形或其他形狀。

5折板結構

5.1定義與特點

折板結構是以一定傾斜角度整體相連的一種薄板體系。折板結構通常用鋼筋混凝土建造,也可用鋼絲網水泥建造。

折板結構由折板和橫隔構件組成,在跨度方向,折板如同一鋼筋混凝土樑,強度隨折板的矢高而增加。橫隔構件的作用是將折板在支座處牢固的結合在一起。折板結構呈空間受力狀態,具有良好的力學效能,結構厚度薄,省材料,可預製裝配,省模板,構造簡單。

折板結構可用來建造大跨度屋頂,也可用作外牆。

5.2折板結構形式

折板結構按波長數目的多少分為單波和多波折板;按結構跨度的數目有單跨與多跨之分;按結構斷面形式分為三角形折板和梯形折板;按折板的構成情況,分為平行折板和扇形折板。

5.3折板結構的建築造型

折板結構構造簡單,可預製裝配施工,被廣泛用於工業與民用建築,可用於矩形、方形、梯形、多邊形、圓形等平面。由折板結構建造的房屋,造型新穎,具有獨特的外觀。

6薄殼結構

6.1定義與特點

建築工程中的殼體結構多屬薄殼結構(學術上把滿足t/r≤1/20的殼體定義為薄殼)。

殼體結構具有十分良好的承載效能,能以很小的厚度承受相當大的荷載。殼體結構的強度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性,以材料直接受壓來代替彎曲內力,從而充分發揮材料的潛力。因此殼體結構是一種強度高、剛度大、材料省的即經濟又合理的結構形式。

6.2薄殼結構的形式

薄殼結構按曲面形成可分為旋轉殼與移動殼;按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和複合材料薄殼等。

6.3薄殼結構的建築造型

通常以各種幾何曲面圖形為基本特徵,基本形式為圓筒形、圓球形、雙曲拋物面形。造型上獨具特色,給人以新奇感,突出建築物的個性。薄殼建築往往巧妙地運用交貫、切割、改變結構引數等方法,對一種或一種以上的薄殼形式加以重新組合,進行再創造,因而在建築造型上有所突破和創新。

7懸索結構

7.1定義與特點

懸索結構是以能受拉的索作為基本承重構件,並將索按照一定規律佈置所構成的一類結構體系,懸索屋蓋結構通常由懸索系統,屋面系統和支撐系統三部分構成。用於懸索結構的鋼索大多采用由高強鋼絲組成的平行鋼絲束,鋼絞線或鋼纜繩等,也可採用圓鋼、型鋼、帶鋼或鋼板等材料。

懸索結構的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用,結構中不出現彎距和剪力效應,可充分利用鋼材的強度;懸索結構形式多樣,佈置靈活,並能適應多種建築平面;由於鋼索的自重很小,屋蓋結構較輕,安裝不需要大型起重裝置,但懸索結構的分析設計理論與常規結構相比,比較複雜,限制了它的廣泛應用。

7.2懸索結構的形式

懸索結構按索的佈置方向和層數分為:單向單層懸索結構;輻射式單層懸索結構;雙向單層懸索結構;單向雙層預應力懸索結構;輻射式預應力懸索結構;雙向雙層預應力懸索結構;預應力索網結構等。