结构选型课程设计毕业设计土木工程Word文件下载.docx
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由于钢筋混凝土桁架的拉杆在使用荷载下常出现裂缝，因而仅用于荷载较轻和跨度不大的桁架。
50年代以后，随着预应力混凝土技术的发展，对跨度较大和荷载较重的桁架,中国已普遍采用了预应力混凝土桁架,常用的跨度为18、24、30米，个别的为60米。
木桁架：
是指由木构件组成的桁架。
是木屋盖、木桥及木塔架的主要承重结构。
用于木屋盖时通称为木屋架。
木屋架按下弦所用材料分为木屋架和钢木屋架。
木屋架的形式主要有三角形、梯形和多边形。
适用跨度一般为12~18m。
钢—木组合屋架的形式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下折式屋架。
钢—木组合屋架的适用跨度视屋架的外形而定，对于三角形屋架，其跨度一般为12~18m，对于梯形、折线形等多边形屋架，其跨度可达18~24m。
常见的钢筋混凝土—钢屋架有折线形屋架、三铰屋架、两铰屋架等。
折线形屋架适用于跨度为12~18m的小型厂房。
屋架屋面坡度约为1/4。
两铰或三铰组合屋架上弦为钢筋混凝土或预应力混凝土结构，下弦为型钢或钢筋，顶接点为刚接或铰接。
屋面坡度，当采用卷材防水时1/5，非卷材防水时为1/4。
1.4受力特点
各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。
由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。
1.5结构布置原则和构造要求
屋架结构的主要尺寸包括屋架的矢高、坡度、节间距。
矢高
屋架的矢高直接影响结构的刚度与经济指标。
矢高不宜过大也不宜过小。
屋架的矢高也要考虑屋架的结构形式。
一般矢高可取跨度的1/10~1/5。
坡度
屋架的上弦坡度的确定应与屋面的防水构造相适应。
当采用瓦类屋面时，屋架的上弦坡度大些，一般不小于1/3，以利于排水。
当采用大型屋面板并做卷材防水时，屋面的坡度可平缓些，一般为1/12~1/8。
节间距
屋架的节间距大小与屋架的结构型式、材料及受荷条件有关。
一般上弦受压，节间距应小些，下弦受拉，节间距应大些，应使荷载直接作用在节点上，以优化杆件的受力状态。
一般取1.5~4m。
1.6屋架结构的选型
屋架结构的选型应考虑房屋的用途、建筑造型、屋面的防水构造、屋面的跨度、结构材料的供应、施工技术条件等因素。
屋架结构的受力
从结构受力来看，抛物线的拱状结构受力最为合理。
但施工复杂。
其次是折线型屋架，再则是梯形屋架，因其既有较好的力学性能，又使上下弦均为直线，施工方便，故在大中跨建筑中应用广泛。
三角形屋架与矩形屋架力学性能最差。
屋面防水构造
屋面防水构造决定了屋面排水坡度，并进而决定了屋盖的建筑造型。
材料的耐久性及使用环境
木材和钢材均易腐蚀，维修费用较高。
因此，对于相对湿度较大而通风不良的建筑，不宜选用木屋架和钢屋架，宜选用钢筋混凝土屋架。
屋架的结构跨度
跨度在18m以下时，可选用钢筋混凝土—钢组合屋架，跨度在36m以下时，宜选用预应力混凝土结构。
跨度在36m以上时，宜选用钢屋架、以减轻结构自重，提高耐久性与可靠性。
屋架结构的布置
屋架结构的布置，包括屋架的跨度、间距、标高等。
主要考虑建筑外观造型及建筑使用功能方面的要求。
屋架的跨度
屋架的跨度，一般以3m为模数。
屋架的间距
屋架一般易等间距平行排列，与房屋纵向柱列的间距一致，屋架直接搁置在柱顶。
屋架的间距同时即为屋面板或檩条、吊顶龙骨的跨度，最常见的为6m，有时也有7.5，9，12m等。
屋架的支座
屋架支座的标高由建筑外形的要求确定，一般为同一标高。
实际工程中，当跨度较小时，一般是把屋架直接搁置在墙、垛、柱和圈梁上。
当跨度较大时，则应采取专门的构造措施，以满足屋架端部发生转动的要求。
屋架结构的支撑
屋架结构的支撑包括设置在屋架之间的垂直支撑、水平系杆以及设置在上弦、下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面内的纵向水平支撑。
2、案例分析
天津奥林匹克中心体育场
天津奥林匹克中心体育场为2008年北京奥运会足球赛场。
体育场位于天津中心市区西南部。
体育场建筑面积15.8万m2，共由6层组成，总高53m。
主桁架最大跨度117m，主、环桁架均为平面管桁架结构形式，桁架最大安装高度达53m，整个钢屋盖由主桁架、子桁架、二道环形桁架及水平、垂直支撑、檩条组成，总用钢量约13000t。
主桁架上口定位采用柱帽杆固定于看台柱顶支座上，下口定位采用落地形式。
该工程的特点，决定了整个工程施工的难度非常高。
本工程主体钢屋架呈双曲面，各点标高不一，主要构件超重、超长，主桁架跨度较大，而且在屋盖内四周都是看台混凝土结构，在混凝土结构施工期间大型机械不能以常规方式在屋盖下进行作业，另外，主桁架的最大安装标高都在53m左右，安装高度较高，吊装难度大。
天津奥林匹克中心体育场内部结构
天津奥林匹克中心体育场现场施工图
（二）拱结构
拱是一种古老而又现代的结构型式。
拱主要承受轴向压力的作用，这对于混凝土、砖、石等工程材料是十分适宜的，特别是没有钢材的年代，它可以充分的利用这些材料的抗压强度高等特点，而避免了它的抗拉性能差的缺点。
我国古代就有拱式结构的杰出例子是河北省赵县的赵州桥，跨度37m,建于一千三百多年前，为石拱桥结构，经受历次地震的考验，至今保存完整。
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。
拱结构比桁架结构具有更大的力学优点。
按材料分为：
钢筋混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构。
从力学计算简图可分为：
无铰拱、两铰拱、三铰拱。
从截面来看：
有格构式和实腹式、等截面和变截面。
1.3.1钢结构拱
有实腹式和格构式两种。
一般采用格构式，具有节省材料，施工速度快，构造简单，受力合理，稳定性好等优点。
实腹式拱可以做成曲线形外形，通常为焊接工字形截面。
格构式拱分段制作后在现场进行吊装和组装。
1.3.2钢筋混凝土拱
刚筋混凝土拱一般采用实腹式，以方便施工。
截面一般采用矩形和工字形，上铺大型预制屋面板。
也可以做成折板形、波形截面或网状筒拱结构，成为梁板合一的结构，既可以进一步节省材料，有可以达到较好的室内视觉效果。
支座反力
（1）向荷载作用下，拱脚支座内将产生水平推力。
（2向荷载作用下，拱脚水平推力的大小等于相同高度简支梁在相同竖向荷载作用下所产生的在相应于顶铰截面上的弯矩M除以拱的矢高。
（3）当结构跨度与荷载条件一定时，拱脚水平推力与拱的矢高成反比。
拱身截面的内力
（1）拱身内的弯矩小于跨度相同荷载作用下简支梁内的弯矩。
（2）拱身截面内的剪力小于相同跨度相同荷载作用下简支梁的内力。
（3）拱身截面内存在有较大的轴力，而简支梁中是没有轴力的。
拱的合理轴线
拱轴线上的竖向坐标与相同跨度相同荷载作用下的简支梁的弯矩值成比例，即可使拱的截面内只受轴力而没有弯矩，满足这一条件的拱轴线称为合理拱轴线。
拱脚水平推力
拱是有推力的结构，所以拱结构的支座应能可靠地承受水平推力，才能保证它发挥拱的受力作用。
一般有以下几种：
（1）水平推力直接由拉杆承担
（2）水平推力通过刚性水平结构传递给总拉杆
（3）水平推力由竖向承重结构承担
（4）水平推力直接作用在基础上
1.5拱式结构的选型与布置
结构支承方式
拱可分为三铰拱、两铰拱、无铰拱。
三铰拱为静定结构，由于跨中存在着顶铰，造成拱本身和屋盖结构构造复杂，目前采用较少。
两铰拱和无铰拱是超静定结构，两铰拱的优点是受力合理，用料经济合理，制作安装比较简单，对于温度变化和地基变形的适用性强，目前较为常用。
无铰拱受力最为合理，但由于对地基的要求较高，当地基较差时，不宜采用。
拱的矢高
拱的矢高确定应考虑到建筑空间使用的要求、建筑造型的要求、结构受力的合理性及屋面排水构造等。
（1）矢高应满足建筑使用功能和建筑造型的要求
（2）矢高决定了建筑物的体量、建筑内部空间的大小，特别是对于散料仓库、体育馆等建筑。
（3）矢高的确定应使结构受力合理
（4）拱脚的水平推力与拱的矢高成反比。
当地基及基础难以平衡拱脚的水平推力时，可通过增加拱的矢高来减小拱脚水平推力。
矢高应满足屋面排水的要求
（5）矢高的确定应考虑屋面做法和排水的要求。
对于瓦类屋面及构件自防水屋面，要求屋面坡度较大，则矢高大。
对于油毛毡屋面，为防止夏季高温时引起沥青流淌，坡度不能太大，则相应的矢高不应太大。
拱轴线方程
从受力的合理的角度来看，应选择合理的轴线方程，使拱轴线内只有轴力，没有弯矩。
但合理拱轴线的形式不但与结构的支座约束条件有关，还与外荷载的形式有关。
实际工程中长采用抛物线形，其方程为：
拱身截面高度
拱身截面高度可以采用等截面也可以采用变截面。
变截面一般是改变的高度而使截面宽度保持不变，拱身截面的变化应根据结构的约束条件与主要荷载作用下的弯矩一致，弯矩大处的截面大些，弯矩小的地方截面小些。
1.6拱式结构的布置
拱式结构可以根据平面的需要而交叉布置，构成圆形平面或其他的正多边形平面。
当拱从地平面开始时，拱脚处墙体构造极不方便，拱端部的建筑空间高度较小，不利于建筑内部空间的利用。
1.6.1拱式结构的支撑体系
拱为平面受压或受弯结构，因此必须设置横向支撑并通过檩条或大型屋面板体系来保证拱在轴线平面外的稳定。
为了增强结构的纵向刚度，传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支撑与横向支撑形成整体。
1.7拱结构适用范围
拱结构受力比较合理，因此在大跨度的桥梁、房建、及工业厂房中应用比较广泛。
风景桥是俄罗斯首都莫斯科克雷拉茨科耶区横跨莫斯科河的一座公路斜拉桥，全长1460.00米，其中主桥长409.50米，宽37.00米；
跨河钢拱桥塔高105.00米，拱跨182.00米，斜拉索78根，拱顶下部建有圆形观景台和餐厅；
桥面至水面高30米。
风景桥于2007年12月建成通车。
2008年11月28日俄罗斯邮政部门发行“建筑-桥梁”邮票一套，以此来纪念风景桥独到的创意与设计。
这座桥的独特之处在于构思的巧妙。
为了避免道路与附近的地铁、公园、抽水站等公共设施的干扰，在地形地物受限的情况下，充分利用了河道上的空间，将桥梁架设在河道中心线上，在平面上桥梁与河流重叠。
利用钢架拱横向布置巧妙地将桥墩基础设置在两岸岸边，这样既能保证桥墩的生根，又能使桥下河流畅通无阻，真是巧夺天工的设计。
风景桥还有一个特点就是它的斜拉索体系。
桥梁主跨为等截面的钢箱梁，钢箱梁被由钢架拱上的斜拉索牵引支撑，梁塔（钢架拱）完全分离，形成全浮悬状态，在78根拉索下组成了空间曲线索面的对称性斜拉桥。
这种体系如果单就主梁的全浮悬状态来说，其抗震能力是很高的，当然，全桥的抗震水平还依赖于作为斜拉桥的主塔-钢架拱的稳定能力。
建成后的风景桥
风景桥施工现场78根拉索下组成的斜拉曲面
（三）网架结构
网架结构在最近三十年来得到了很大的发展，在国内外都得到了广泛的应用。
网架结构平面布置灵活，空间造型美观，便于建筑造型外形处理和装饰装修，能适应不同跨度、不同平面形状、不同的支承条件、不同功能需要的建筑物。
特别是大中跨度的屋盖结构，网架结构更现实其优越性，被大量应用于大型体育建筑、公共建筑、工业建筑中。
平板网架结构的优点：
（1）三向受力，轻重省材
（2）整体性好，适应性强
（3）无水平推力或拉力，支承构造简单
（4）平面布置灵活，应用广泛
（5）易于标准化生产和现场拆装
（6）占用空间小，可利用上下弦间布置管线
（7）造型轻巧美观，可用其中杆件拼图
由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。
具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点；
可用作体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。
缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。
1.3.1交叉桁架体系网架
第一大类是由两组或三组平面桁架组成的网架结构，称之为交叉桁架体系网架。
这是一种最简单的，也是最早得到采用的网架结构形式之一。
它是在交叉梁的基础上发展而来和演变而来。
这类网架的上、下弦杆等长。
腹杆一般可设计为“拉杆体系”，即长杆（斜杆）受拉，短杆（竖杆）受压，斜杆与弦杆夹角宜在40度到60度之间。
其中，竖杆为各组平面桁架所共用。
这类网架常用的有2种形式。
其中交叉桁架体系又分为：
（1）两向网架和三向网架
（2）两向正交正方网架
（3）两向正交斜放网架
（4）两向斜交斜放网架
（5）三向交叉网架
（6）单向折线形网架
1.3.2三角锥体系网架
第二大类适合于正方形、矩形、三角形、梯形、六边形、八边形和圆形等平面形状的建筑。
其中分为：
1.3.3三角锥网架
（1）抽空三角锥网架
（2）蜂窝形三角锥网架。
1.3.4四角锥体系网架
第三大类是由四角椎体组成的网架结构，有五种形式，分别是：
（1）正交四角锥网架
（2）正放抽空四角锥网架
（3）斜放四角锥网架
（4）棋盘形四角锥网架
（5）星形四角锥网架
1.3.5六角锥体系网架
第四大类是由六角锥体（七面体）组成的网架结构，称为六角锥体系网架。
它的基本单位元为6根弦杆，6根弦杆构成的六角锥体（可倒置或正置）。
这类网架的一种主要形式即为六角锥网架。
1.4网架结构的支承方式
（1）刚性支承
特点：
无竖向位移，但可有水平位移。
应用于：
将网架直接支承在柱、墙或大刚度梁上。
（2）弹性支承
有竖向位移。
一般应用于三边支承网架中的自由边设反梁支承、桁架支承、拉索支承等。
（3）周边支承网架
周边节点均设计为支座节点
受力均匀，刚度较大。
可不设桁架，用钢量较少
这种结构形式应用广泛。
（4）三边支承网架
仅在三边支承，另一边自由。
应用于飞机库或制造修理车间、造船厂、影剧院或有可能扩建的建筑物、厂房变形缝处。
（5）两边支承网架
只在其相对两边上的节点设计成支座节点，其余两边为自由边。
这种结构形式应用较少。
（6）点支承
支座点可布置在四个或多个支承柱上。
承点多对称布置，并没有周边设置悬臂端，以平衡一部分跨中弯矩，减少跨中挠度。
主要用于体育馆、展览厅等大跨度公共建筑。
（7）周边支承与点支承相结合
在周边支承的基础上，在建筑内部增设中间支承节点。
一般应用在大柱网工业厂房、仓库、展览厅等建筑。
网架结构的受力特点及其选型。
（8）周边支承网架和三边支承网架
1.5受力特点
正交正方交叉桁架体系网架结构可以看成是两个方向的平面桁架结构的组合，荷载沿桁架方向周边支座传递。
正交斜放交叉桁架体系网架结构荷载仍沿桁架方向向支座周边传递，但由于端部桁架较短，刚度较大，致使长桁架端部产生负弯矩和支座拉拔力。
两向桁架
用钢量比较：
正放四角锥最高，斜放四角锥最少，棋盘四角锥高于斜放四角锥，星形四角锥高于棋盘四角锥。
刚度比较：
周边支承的方形或矩形平面的两向正交正放、两向正交斜放、正交四角锥、正放抽空四角锥、斜放四角锥、棋盘四角锥和星形四角锥等刚度都相差不大。
三向桁架
蜂窝形三角锥最少，其次是抽空三角锥，三向网架和三角锥网架比上面两种都大。
蜂窝形和抽空三角锥网架较小，三向网架和三角锥网架较大。
1.6结构选型
正方形或接近正方形的周边支承网架应优先选用：
斜放四角锥、棋盘四角锥、星形四角锥。
圆形或多边形的周边支承网架，当荷载和跨度较大时，应优先选用：
三向网架、三角锥网架。
四点及多点支承网架
受力特点：
正交正放因传力路径较短而受力更佳。
结构选型：
点支承宜用正交正放结构形式。
1.7网架结构主要几何尺寸的确定
限定范围：
网格尺寸，主要是指上弦网格的几何尺寸。
影响因素：
跨度、柱距、屋面构造、杆件材料、结构型式。
截面高度
截面高度对网架性能的影响：
截面高，刚度大，内力小，但腹杆长度和围护高度大。
主要跨度，还有荷载大小，节点形式、平面形状、支承条件、起拱因素、建筑功能与造型等。
弦杆层数
需采用多层网架：
屋盖跨度大于100m时、网架的整体刚度和变形难以满足要求时、工业厂房的悬挂吊车行走困难时。
多层网架有点：
刚度好，内力均匀、杆件短，钢材强度得到充分发挥、杆件细，球铰小，节约钢材。
多层网架缺点：
杆件和节点数量增多，增加了安装工作量、交汇杆件增多，杆件角度变小。
克服多层网架缺点：
局部单元抽空，加大中间弦杆间距。
腹杆体系
倾角：
以
为宜。
布置：
布成受拉杆件比较合理。
减小杆件计算长度或跨中弯矩的措施：
采用再分式腹杆，但要保证其平面外稳定。
悬臂长度
悬臂设计范围：
点支承网架宜设计悬臂端
悬臂长度：
一般为跨度的1/3~1/4。
杆件设计与节点构造
网架结构的杆件截面应根据强度和稳定性计算确定。
为减小压杆的计算长度增加其稳定性，可采用增设再分杆及支撑杆等措施。
用钢材制作的板型网架及双层壳型网架的节点，主要有十字板节点、焊接空心球节点及螺栓球节点三种形式。
十字板节点适用于型钢杆件的网架结构，杆件与节点板的连接，采用焊接或高强螺栓连接。
空心球节点及螺栓球节点适用于钢管杆件的网架结构。
单层壳型网架的节点应能承受弯曲内力，一般情况下，节点的耗钢量占整个钢网架结构用钢量的15～20%。
1.8适用范围
中小跨度的工业与民用建筑，大跨度的体育馆和展览馆等屋盖结构。
A380机库位于首都机场3号航站楼的北侧,其施工单位是北京建工集团,结构设计方案由中国航空工业规划设计研究院提供。
该工程总建筑面积6.4万m2,局部地上3层,地下1层,由机库大厅和附楼两部分组成,其中机库大厅跨度2m*176.3m,进深110m,屋盖顶标高+39.800m。
建成后可同时容纳4架A380空中客机或两架A380和4架B747大型客机,是目前世界上最大的飞机维修库。
屋盖结构为3层焊接球型钢网架,总面积3.9万m2,总质量约为7000t,采用地面组拼、一次整体提升到位的施工方案,其一次提升面积和重量均堪称世界之最。
在机库建设中屋盖结构的整体提升无疑是最大的技术难点。
一层平面图
飞机库内部主空间为供飞机停靠的大空间，高度和跨度都比一般建筑大，而且要求内部没有柱网等障碍。
立面造型
飞机库整体造型为方形，立面为通透的玻璃材质。
配合结构特点，整个建筑显得轻盈简洁。
结构分析：
屋盖结构设计是大跨度机库设计的关键，方案的制定必须要满足以下要求：
根据机场空域高度的限制，机库屋顶最高点不得超过40m；
屋顶结构的布置和尺寸应满足工艺使用和设置悬挂吊车的要求，屋盖结构的变形不影响悬挂吊车和机库大门的正常运行；
机库能满足8度地震的抗震设防要求；
同时还要考虑到屋盖结构制作、运输、吊装合理可靠，加快施工周期。
根据以上原则，在经过多种方案比较之后，选用了多层四角锥网架和栓焊钢桥相结合的空间结构体系。
结构平面和立面
机库结构平面图和结构立面图如图所示，其中机库大门处网架边梁设计成一箱形的空间桁钢梁，宽9.5m，高11.5m。
施工现场进行多点多面的地面拼装工作
3、总结
跨度大，高度高成为机库结构设计的关键；
选用多层四角锥网架和栓焊钢桥相结合的空间结构体系；
首都机场A380机库运用一次性整体提升技术，将平板网架结构进行组装；
造型简洁轻盈；
（四）膜结构
膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，膜结构车棚是由多种高强薄膜材料及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。
膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，自从1970年以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。
膜结构，是由多种高强薄膜材料及辅助结构通过一定方式使其内部产生一定的预张应力，并形成应力控制下的某种空间形态，作为覆盖结构或建筑物主体，并具有足够的刚度以抵御外部荷载作用的一种空间结构形式。
膜结构可分为充气式膜结构、张拉式膜结构、骨架式膜结构等，另外还有一种组合式的膜结构体系。
组合式膜结构通常是在自身稳定的桁架体系上划分若干个单元，每个单元上布置张拉式膜结构单元，膜单元之间在受力上基本是相互独立的，可认为是多个简单张拉式膜结构单体的物理组合，受力复杂性介于张拉式膜结构和骨架式膜结构之间。
（1）充气式膜结构：
气承式膜结构和气胀（囊）式膜结构。
气承式膜结构通过压力控制系统向建筑物室内充气，使室内外保持一定的压力差，膜体受到上浮力，并产生一定的预张力，以保证体系的刚度。
（2）气胀（囊）式膜结构是向单个（或多个）膜构件内充气，使其保持足够的内压，多个膜构件进行组合形成一定形状的整体受力体系，
充气式膜结构空间密闭，配置智能和机电控制系统，靠内外气压差保持纤维膜的张力形成设计要求的曲面，室内无需任何框架或支撑，可轻松长达120米的建筑跨度。
（3）张拉式膜结构：
由索网结构发展而来的，通过一定的方式给膜体施加一定的预张应力，使其具有一定的形状和刚度。
（4）骨架式膜结构：
是指自身封闭的、稳定的骨架体系（一般是钢桁架体系、网架结构、索网结构或索穹顶结构等）与膜材料共同组成一个结构受力体系。
膜结构的特点和膜材料的特征
1.4膜结构的力学特点
膜作为继木材、砖石、金属、混凝土之后的第五代建筑结构材料，具有显著的自身特性。
第一代木材和第三代钢材拉压性能均良好，第二代砖石和第四代混凝土则只具备良好的抗压能力，作为第五代的膜材料则只能受拉，没有承压和抗弯曲能力，这是膜的最本质的特征。
充气式膜结构是通过对薄膜充气，利用薄膜的内压力获得预应力。
膜结构在充气后，形成一定的形状，并具有承载能力。
张拉式膜结构是从帐篷结构得
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