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大跨度建筑结构 华南理工大学 张雁 大跨度建筑结构常用于体育建筑、博览建筑、交通建筑（机场候机厅、火车汽车站）、影剧院、礼堂、音乐厅等公共建筑及飞机库等工业厂房。 与高层建筑不同，大跨度建筑结构的水平受力结构——屋盖是关键问题。 以均布荷载作用下的简支梁为例，其挠度 因此，大跨度结构的主要问题是水平受力结构的刚度问题。大跨度结构的风荷载、雪荷载与活荷载不大，主要荷载是恒载（自重），占总荷载的70%—80%。由上式可知，减小弯矩，减轻自重，采用轻质高强材料，是解决结构刚度的关键。 大跨度结构面临的问题还有声、光、热、空调等建筑物理方面的问题及内部结构空间的利用、能源消耗的问题。 另外，大跨度结构对施工技术要求较高，有些还需要专业施工单位施工。 拱结构 拱结构的受力特点和优缺点 拱结构的受力特点： 把直杆梁变为上凸的曲杆就形成了拱， 拱结构仍然是平面结构。 拱是一种有推力的结构，它的主要内力 为轴向压力。 拱结构优缺点： 由于拱结构的力学优点，使混凝土的抗压性能得到充分利用，可以减轻自重，降低造价，形成大跨度。 拱结构由于有支座的水平推力，而且拱的跨度越大、矢高越小，其推力也越大，这样就需要建造抗推力结构平衡水平推力。 推力由拉杆直接承受 在拱脚处设置钢杆，承受拱的水平推力（对钢杆来说是拉力），钢杆可以是型钢，或是圆钢。水平推力较大，地质条件不好的落地拱常采用这种方法，将拉杆埋在地下。 推力由侧面框架结构承受 根据建筑功能要求，当拱的两侧有边跨建筑时，可以采用这种方法，使拱脚推力传给边跨结构。但是，侧面框架的刚度要足够大，框架顶部不能有过大的侧移，以保证拱的正常受力，且框架柱基底不允许出现拉应力。 拱的主要尺寸 拱的矢高f 矢高f对拱的外形影响很大，它直接影响建筑造型和构造处理。 矢高f还影响拱身的轴力和水平推力H，水平推力H与矢高f成反比（f越小,H越大）。 因此，确定拱的矢高时，要从建筑外形和结构受力的合理性综合考虑。 对于屋盖结构，f = (1/5—1/ 7) L ,最小不小于L/10。有拉杆的拱矢高可以小些，可取f=L/7。 矢高的确定与屋面做法及排水方式有关: 自防水：屋面坡度1/3，则f= L/6 当为油毡屋面防水：屋面坡度要求不大于1/4，则f不大于L/8 。L为屋盖跨度。 拱身的截面高度 拱的截面可分为实体式和格构式，实体式拱一般采用钢筋混凝土材料，截面为工字形或矩形；格构式拱多采用钢结构。 拱身一般取等截面，钢筋混凝土拱身截面高度一般取h = (1/30— 1/40) L ; 钢拱身取h = (1/50— 1/80) L ; 格构式钢拱身取h = (1/30— 1/60) L L为拱的跨度。 薄壳结构 （薄壁空间结构） 薄壳结构的受力特点与优缺点 薄壳结构是在均布荷载作用下主要承受曲面内的轴力和顺剪力的空间结构。 薄壳结构是一种薄的不至于产生明显的弯曲应力，厚度是用来承受压力、拉力和剪力的“形抵抗结构”，这种结构是将材料造成一定的形式从而获得强度去承受荷载。 平面板结构虽然是双向受力，但其主要承受弯矩和扭矩，且两向刚度很小。而薄壳结构主要承受轴压力，具有很大的强度和刚度。 拱结构虽然主要承受轴向力，但其属于单向传力的平面结构，而壳体属于双向传力的空间结构。 桁架的杆件虽然也是主要承受轴向力，但其属于平面受力杆系结构。 因此，薄壳结构较梁式结构、桁架结构、拱结构等具有更优越的受力性能。 优点： 薄壳结构由于其优越的受力性能，使“薄”、刚度大成为其特点，结构自重小，节约材料，经济，可做大跨度的建筑空间。例如6m×6m的钢筋混凝土双向板，最小厚度需130mm，而35m×35m的双曲扁壳屋盖，壳板厚度仅80mm。例如球壳，壳体厚度（δ）与其曲率半径（R）之比一般δ/R=1/600（鸡蛋壳的δ/R = 1/20）。 屋面和承重结构二者合一，其造型接近动物界自然壳体，曲线优美、形态多变，为建筑的造型提供了创作条件。 缺点： 施工复杂，费模板，费工时 薄壳结构虽然本身的材料费很少，但由于其体形复杂，一般采用混凝土现浇，所需的模板、脚手架及人工等施工费用很高，往往占造价的一半以上。 结构层太薄，使保温、隔热成为问题，长期日晒雨淋可导致壳板开裂。 有些壳体曲面（如球壳、扁壳等）可导致声音反射与混响，产生回声现象，对音响效果要求高的建筑需采取一定的措施（如吸音处理）后选用此结构。 壳体还存在一些有待研究的问题，如开孔、稳定、振动、徐变等。 薄壳的曲面形式 壳体具有的优越受力性能，依赖其“形”——曲面。壳体的曲面形状和曲率变化会直接影响其应力状况，故壳体线型是决定其受力特征的关键因素。 薄