《建筑构造》— 大跨度建筑构造

大跨度建筑构造通常是指跨度在30m以上的建筑。 我国现行钢结构规范则规定跨度60m以上的结构为大跨度结构。

3.1大跨度建筑结构形式与建筑造型

＊大跨度建筑类型：拱结构，刚架结构，桁架结构，网格结构，折板结构，薄壳结构，悬索结构，膜结构。

1、拱结构

拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。拱结构按组成和支座方式不同分为：三铰拱、两铰拱、无铰拱。

＊特点：

由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的变矩值可以降低到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。这会使建筑的平面空间组合受到约束 。

＊解决水平推理的处理方式：

①由拉杆承受拱推力

②由框架结构承受拱推力

③由基础承受拱推力

2、刚架结构

刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构；由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因应用非常广泛 ，但刚度较差，不宜用于厂房建筑。

＊刚架结构形式：

1.无铰钢架、两铰钢架（超静定结构，地基条件差时，不均匀沉降，会产生附加内力适用于跨度较大的建筑） 。

2.三铰钢架（静定结构，刚度不如前两者好，适用于跨度较小的建筑）。

＊刚架造型：常用钢筋混凝土建造，为了节约材料和减轻自重，常做成变断面的形式。

＊注：

①超静定结构：超静定结构是指具有多余约束的几何不变体系，又称静不定结构。

②静定结构：指仅用平衡方程可以确定全部内力和约束力的几何不变结构。

3、桁架结构

桁架是由链杆组成的格构体系，当荷载仅作用在结点上时，杆件仅承受轴向力，截面上只有均匀分布的正应力，是最理想的一种结构形式。

＊桁架结构形式：

桁架一般用木材、钢材、钢筋混凝土建造。桁架形式分为三角形、梯形、拱形、无斜腹杆式和三铰拱式等各种形式。

①三角形桁架：仅适用于跨度不超过18m的建筑。

②梯形桁架：适用于18~36M，桁架矢高与跨度之比一般为f/L=1/8~1/6。端部增大，降低了稳定性，增加了材料用量。

③拱形桁架：适用于18~36M，桁架矢高与跨度之比一般为f/L=1/8~1/6，预应力到60M,呈抛物线，杆件内力均匀，材料少，一般刚货钢筋混凝土。

④无斜腹杆桁架：适用于15~30M，上弦抛物线，受压；竖杆和下弦，受拉力；用料经济，造型简介，便于制作，桁架之间铺设管道和检修方便。

＊桁架造型：多用作屋顶的承重结构，可设计成单坡，双坡，单跨，多跨等多种形状。

4、网格结构

网格结构是一种由多根杆件以一定规律通过节点组成的空间结构。

＊优点 ：

①杆件相互支撑，多项受力，整体性强，稳定性好，空间刚度大，利于抗震 。

②杆件承受轴向力，充分发挥材料强度，节省材料 。

③结构高度小，有效利用空间 。

④规格统一，便于生产 。

⑤形式多样，创造多种建筑形式。

＊网格结构的形式：

1）平板网格结构，简称网架，一般双层，有多层，不产生推力，支座为简支，平面丰富，材料为金属。

2）曲面网格结构，简称网壳，一般单层，有双层，有推力的结构，支座复杂，外形丰富，材料为金属。

＊按构造方式分类 ：

1）交叉桁架体系平板网架

① 两向交叉桁架平板网架： 角度为90°，适用于平面正方形。 50M左右的正方形平面，正放比较有利； 平面为长方形时，斜放，更广泛。

②三向交叉桁架平板网架：角度为60°，内力均匀，跨越更大，但节点构造复杂，适用于平面三角形，梯形，六边形，八边形，圆形等 。

2）角锥体系平板网架

①三角锥体平板网架：锥尖可朝上朝下布置，受力更均匀，应用最广，平面形状可为矩形，方形，三角形，梯形，多边形，圆形等。

② 四角锥体平板网架：锥尖可朝上朝下布置，正放或斜放，用于中小型大跨度建筑，平面为正方形，节点汇集杆件数目少，构造简单，应用广。

③六角锥体平板网架：锥尖可朝上朝下布置，节点处聚集杆件数目多，构造复杂，一般宜用于60M以上跨度。

正放四角锥网架

＊网架杆件断面与节点连接：

1）网架杆件断面：钢管（壁厚≥1.5mm），角钢。

2）杆件节点链接：

①网架杆件采用角钢：节点用连接钢板将各杆件连接起来、可采用焊接、螺栓连接方式 。

②网架杆件采用钢管：用钢球将各杆件连接起来；用钢量少，外型美观，广泛采用 。

3）网架排水坡度的形成方法：拱形、穹形网架由自身曲面自然排水 。平板网架的排水坡度一般为2%~5%。

＊坡度形成方法：

①自身起拱，屋面板檩条直接搁置于网架节点；由于各节点标高复杂，故较少采用；

②节点上加焊短钢管或角钢找坡，节点标高一致，应用广。

5、网架和网壳结构的建筑造型

＊影响因素：

1）结构形式

①平板网架：平屋顶，平面多变 。

②网壳外形多变，如，拱形网架：外形拱面，平面单一，多矩形；穹形网壳：外形半球形或抛物面形，平面为圆形 。

2）结构支承方式，有关于支承墙、柱、是否悬挑、封闭、开敞。；

①跨度不大，网架支撑于四周圈梁上，圈梁由墙柱支撑 。

②跨度较大，网架直接支撑于四周的立柱，直接传力，受力均匀。

③建筑不允许较多柱，网架立在少数几根柱上，最好悬挑以减少内力挠度。

④一边开门时，网架支撑于三边列柱 。

⑤穹形网壳支撑于环梁上，环梁支撑于柱或墙。

6、折板结构

折板结构是以一定倾斜角度整体相连的薄板体系，材料为钢筋混凝土，钢丝网水泥；由折板和横隔构件组成。在波长方向（即看得见三角形的面），折板波峰和波谷处刚度大；跨度方向，折板如同梁。横隔构建将折板固定于支座。

折板结构空间受力状态,具有良好的力学性能,厚度薄,升材料,可预制,省模版,构造简单。

折板波长:不易大于12M。长折板，跨度与波长比>1,矢高不宜小于跨度的1/15~1/10。短折板，跨度与波长比<1，矢高不宜小于波长的1/8。

＊折板结构形式

①按波长数目分：单波，多波（折板）

②结构跨度数目：单跨，多跨

③按结构断面分：梯形，三角形

④折板构成情况：平行，扇形（适用于梯形平面）

7、薄壳结构

薄壳结构是用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构。由壳面、边梁、横隔构建组成。

优点：材料混凝土，呈空间受力，内轴向力，弯矩扭矩小，强度利用充分；强度刚度好，厚度为跨度的几百分之一，一般为几十分之一；自重轻、升材料、跨度大、外形多样；适用于各种平面。

缺点：形体复杂，多采取现浇施工，费工费时费模版，结构计算复杂，不易承受集中荷载。

＊薄壳结构形式:筒壳、圆顶壳、双曲扁壳、鞍形壳。

1.筒壳

筒壳由壳面、边梁、横隔构件三部分组成。两横隔构件间距称为跨度l1，梁间距l2，l1/l2>1为长壳；l1/l2＜1为短壳，短壳比长壳受力性能更好，主要是横隔构件起作用。

为保证其刚度和强度，矢高应≥l1/15~ l1/10。筒壳为单曲面，形状简，易施工，最常用。

2.圆顶壳

圆顶壳由壳面、支撑环两部分组成。支撑环对壳面约束，起箍的作用，壳面边缘会产生弯矩，因此在支撑环附近要加厚。圆顶壳可支撑于墙上、柱上、斜拱、斜柱。

3.双曲扁壳

双曲扁壳由双向弯曲的壳面、四边横隔构件组成。矢高与边长比f/e≤1/5，壳体扁平状；弯矩在边缘，四角有较大拉力。力合理，覆盖空间大，厚度薄，较经济。适用于工业与民用建筑大厅或车间。

4.双区抛物面壳：

双区抛物面壳由壳面、边缘构件组成。“一组抛物线”倒悬在“两根拱起的抛物线”间，形如马鞍，故又称“鞍形壳”。倒挂曲面如索网，拱起曲面如拱结构，拉压相互作用，提高壳体稳定性和刚度，壳面可很薄。

8、悬索结构

悬索结构由索网、边缘构件、下部支撑结构三部分组成。索网柔软，只受拉力；边缘构件可以采用梁、桁架、拱等，为索网支座，通过锚固件固定；下部支撑结构受压，采用柱。

强风吸引力易使悬索结构丧失稳定性。适用于跨度60m~150m，体育馆、大会堂、展览馆等。

＊优缺点：

①充分发挥材料力学性能，省材料，自重轻，比普通结构省钢材50%；

②主要构件受拉，造型新鲜，形式多样，适用于多种平面形式；

③由于受力合理自重轻，不许再大空间间加支点，建筑功能可灵活安排；

④施工更快速。

＊悬索结构形式

按外形和索网布置方式分为：单曲面、双曲面、单层、双层（悬索）。

1.单层单曲面悬索结构

单层单曲面悬索由许多相互平行的拉索组成。像一组平行悬吊的缆索，屋面外表呈下凹；

拉索两端支点可等高，也可不登高；边缘构件可以是梁、桁架、框架，下部支撑结构为柱。

屋面铺设钢筋混凝土屋面板，且施预应力，弥补在强风作用下，悬索振动的缺陷。；然而悬索轻巧结构被削弱；

悬索垂度越小，拉力越大，一般为跨度的1/50~1/20。适用于矩形平面 。

2.双层单曲面悬索结构

双层单曲面悬索结构由相互平行拉索组成，分为曲率相反的承重索（上）和稳定索（下），之间由拉索拉紧，增加了刚度；抗风抗振性能好；屋面多用轻质材料覆盖；屋面自重轻，造价低；

上悬索垂度为跨度的1/20~1/7；下悬索垂度为跨度的1/25~1/20；适用于矩形平面。

3.双曲面轮辐式悬索结构

由上下两层放射状布置索网组成。平面圆形，承重索（上）和稳定索（下）固定于外环，形似车轮，故称轮辐式悬索，外环受压，内环受拉。比单层索增加了稳定索，屋面刚度大且轻巧，抗风抗振，施工方便；适用圆形平面。

调换上下索位置和内外环形式，可构成两种新形式，有两道受压外环，上下索之间均用拉索拉紧。；

4.双曲面鞍形悬索结构

双曲面交叉悬索结构由两组曲率相反的拉索交叉组成，其曲面为双曲抛物面，亦称鞍形悬索，外形多变、可适用于圆形、椭圆形、菱形等多种建筑平面形状。

曲率下凹的索网为承重索，上凸的为稳定索，通过对稳定索施加预应力来使承重索张紧，从而提高屋面刚度，边缘构件可根据不同建筑造型的需要采用双曲环梁、斜向边梁和斜向边拱等各种形式。

9、膜结构

膜结构是以性能优良的柔软织物为膜面材料，由空气压力支承膜面，或用柔性钢索或刚性骨架网索将膜材绷紧形成建筑空间的一种结构。

膜结构的优点是重量轻，跨度大，施工方便，透光性和自洁性较好，建筑造型自由丰富等；其缺点是隔声效果较差，耐久性不够好(膜材的使用寿命一般为 15～20年)，膜面抵抗局部荷载能力较弱等。

＊按膜结构的支承方式分类：

（1）张拉膜结构是指通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的，是由稳定的空间双曲张拉膜面、支承桅杆体系、支承索和边缘索等构成的结构体系。有膜材、拉索、支柱三部分。

（2）骨架支承膜结构，刚性骨架为承重结构,上面敷设膜材。骨架有桁架、拱、网架、网壳等。

（3）空气支承膜结构（气承式充气薄膜结构，气肋式充气薄膜结构）

① 气承式充气薄膜结构

不断向气囊送气，略保持正压维持其形体。 低压充气，薄膜均匀受力，可充分发挥材料力学性能，室内无需密闭，应用广。

②气肋式充气薄膜结构

密闭重启薄膜做成肋，各气肋外敷设薄膜维护。其属于高压充气，气肋竖直受压，横向受弯，受力不均，不能充分发挥材料力学性能。

10、其他大跨度结构

1.管桁结构

管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格子式结构。桁件使桁架结构用料经济、结构自重轻，易于构成各种外形以适应不同的用途，譬如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等。

2.张弦梁结构

张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系。

3.2大跨度建筑的屋顶构造

大跨度建筑屋顶构造组成：承重结构，屋面基层（有檩无檩），保温隔热层，屋面面层。

屋面基层分为有檩方案和无檩方案，前者是在屋顶承重结构上先搁檩条，然后在檩条上再搁搁栅和屋面板，后者则是在屋顶承重结构上直接搁屋面板而无檩条。

屋顶保温隔热层根据具体工程设计进行处理，可设在屋面板上，或悬挂于搁栅之下，或置于吊顶棚之上。

屋面面层有卷材面层、涂料面层、金属瓦面层、彩色压型钢板面层（接缝方法:搭接缝、卡口缝、卷边缝）。

当采用薄壳结构、折板结构作屋顶承重结构时，不需要设屋面板。用充气薄膜结构和帐篷薄膜结构作屋顶时，不需要另设屋面基层和防水面层，因这类结构具有承重、围护、防水等多重功能。

3.3中庭天窗设计

中庭通常是指建筑内部的庭院空间，通常中庭作为一个宏伟的入口空间，中心庭院，并覆有透光的顶盖 。

中庭的基本形式有单向中庭，双向中庭，三向中庭，四向中庭，环绕建筑的中庭，贯穿建筑的条形中庭。天窗形式有棱锥形，斜坡式，拱形，圆穹形，锯齿形。

消防安全设计要设置合理的防火分区，防排烟设施（自然、机械排烟），人流疏散通道。

＊中庭防火分区：中庭防火分区面积应按上下层连通面积叠加计算，当超过一个防火分区时，应采取以下防火措施：

①房间与中庭回廊相通的门窗应设自动关闭的乙级防火门

②与中庭相通的过厅通道，应设乙级防火门或耐火极限大于3h的防火卷帘

③中庭每层回廊应设自动灭火系统，

④中庭每层回廊应设火灾自动报警系统

＊排烟：净空高度小于12m可采用自然排烟，其可开启的平开窗面积或高侧窗面积不小于中庭面积的5％。不具备自然排烟及净空高度超过12m应设机械排烟 。

＊中庭天窗构造设计要求;

①天窗应有良好的安全性能；

②防止天窗冷凝水对室内的影响

③天窗应有良好的防水性能

④防止眩光对室内的影响

⑤满足建筑安全防护要求

＊天窗的排水处理

当天窗面积较小时，天窗顶部的雨水可以顺坡排至旁边的屋面，由屋面排水系统统一排走。

当天窗面积较大或者由于其他原因不便将水排至旁边的屋面时，可以设置天沟将雨水汇往屋面或单独的水落口和水落管。冷凝水由排水槽的金属骨架排向天沟。