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1、Material Selection 4.1 材料选择材料选择4.结构总体设计1材料对结构影响材料是结构发展的原动力。结构材料无机材料有机材料复合材料金属材料：钢、铁、铝合金非金属材料：砖、石、玻璃、混凝土植物材料：竹、木高分子材料：塑料、合成树脂钢筋混凝土、夹丝玻璃建筑膜材、GFRP、CFRP结构展示2圣彼得教堂圣彼得教堂，1612跨度跨度42m千年穹顶千年穹顶，2000直径直径320m赫尔辛基滑冰馆赫尔辛基滑冰馆，1936跨度跨度70m新奥尔良穹顶新奥尔良穹顶，1975跨度跨度210m万神庙万神庙，125 AD跨度跨度43.5m小罗马体育宫小罗马体育宫，1957跨度跨度60m名古屋穹顶名古
2、屋穹顶，1997跨度跨度187m雷声穹顶雷声穹顶，1989跨度跨度209m砖石结构混凝土薄壳结构混凝土薄壳结构钢网壳结构钢网壳结构索膜结构索膜结构3QUESTION：如何评价材料性能？如何评价材料性能？如何做到合理选材、用材？如何做到合理选材、用材？（1）如何评价材料性能？4物理性能物理性能：线膨胀系数、热传导性 等力学性能力学性能：强度、弹性模量、延性 等热性能热性能：耐高温性能、耐低温性能 等耐久性能耐久性能：抗腐蚀、抗老化 等经济性经济性：可加工性、易于取材材料性能对比5特性粘土砖钢混钢材木材GFRP特性粘土砖钢混钢材木材GFRP线膨胀系数61212414温度传导率0.72.0450.1
3、30.2耐高温能力.300-800480180150制造能耗952600.3100比强度0.5860150145比弹性模量91527228体积造价lowlowhighVery lowVery high（2）如何做到合理选材、用材？6石板或素混凝土梁，由于其抗拉强度ft远小于抗压强度fc，即ft fc，当拉应力超过抗拉强度时梁就开裂破坏，破坏由ft 引起。木梁，由于天然木材有弯曲，切割成矩形木梁时木纹与梁轴不平行，而木材的横纹抗拉强度远小于顺纹抗拉强度，在主拉应力作用下，当主拉应力大于木材横纹抗拉强度 fttr 时，就发生斜向撕裂。钢管受弯，钢材的拉压强度是相同的，即 fy=fy，但由于受压时可
4、能引起较薄的管壁局部失稳，当压应力超过fy时受压区局部屈曲而早于受拉区破坏。a)砖石b)钢管c)木材（斜纹）ttfctftrtptf常用建筑材料的一些基本特性指标7砌体MU10M5混凝土C20C40木材钢材强度 fc(N/mm2)1.589.6 19.1 12210 1000单位体积重(kN/m3)1924 578.5拉压强度比ft/fc0.10.10.62 1价格低低高高适宜受力状态受 压受 压弯、压拉、压、弯可见，砌体和混凝土价格相对较低，是很好的抗压材料，但自重较大，不适宜建造高层和大跨结构。我国古代受当时建筑材料所限，有不少砌体建成的高塔。西安大雁塔8西安大雁塔西安大雁塔大雁塔建于公元
5、 952 年，为砌体结构，塔身共七层，高 64 m，正方形底层尺寸为 25 m25 m，底层墙厚达 9.15 m，中间只剩6.7 m见方的有效空间。可见，从今天的眼光分析，用砌体建造高塔显然是不合理的。如何充分利用材料91）根据构件的受力特点采用不同的材料组合。）根据构件的受力特点采用不同的材料组合。钢筋混凝土梁钢拉杆木上弦a)钢木屋架钢拉杆钢拉杆b)带拉杆的三角形拱栓钉压型钢板压型钢板工字钢c)组合结构楼板组合结构如何充分利用材料102）利用三向受压应力状态提高材料承载力和延性。）利用三向受压应力状态提高材料承载力和延性。混凝土受压破坏是由于受压时的横向变形超过了材料混凝土受压破坏是由于受压
6、时的横向变形超过了材料的拉伸极限变形而引起的破坏。的拉伸极限变形而引起的破坏。如果对横向变形提供一如果对横向变形提供一些约束，将大大提高材料的抗压强度。材料在三向受压些约束，将大大提高材料的抗压强度。材料在三向受压状态状态(Tri-axial Stress State)下不仅强度提高，而且其抵抗下不仅强度提高，而且其抵抗变形的能力也大大提高，利用这种特性可大大改善结构变形的能力也大大提高，利用这种特性可大大改善结构的承载能力（的承载能力（Carrying capacity）和提高结构构件的延性）和提高结构构件的延性(Ductility)。如何充分利用材料11三向受压状态提高的是材料的抗压强度，
7、对偏心受压或长细比较大构件不适用，因为此时构件破坏往往是由稳定或抗拉强度控制。a)网状配筋砌体b)螺旋箍筋柱c)钢管混凝土钢管混凝土如何充分利用材料12后张预应力混凝土结构预应力筋锚头附近，设横向钢筋网或螺旋钢筋，以提高混凝土的局部承压强度。提高预应力筋锚头下的局压强度如何充分利用材料13钢管混凝土受压破坏试件虽然钢管局部变形很大，剖开钢管可以看到内部混凝土基本没有破碎，可见三向应力状态下混凝土材料的延性大大提高。如何充分利用材料143）材料改良，如胶合木结构、建筑膜材。）材料改良，如胶合木结构、建筑膜材。如何充分利用材料15逆吊实验逆吊实验(reverse hanging experimen
8、t)是利用特定荷载和边界条件下，是利用特定荷载和边界条件下，纯拉结构纯拉结构与与纯压结构纯压结构的的镜像关系镜像关系，获得纯压结构的一种模型实验方法。，获得纯压结构的一种模型实验方法。悬索拱三维逆吊三维逆吊二维逆吊二维逆吊4）巧妙利用结构技术，做到扬长避短。）巧妙利用结构技术，做到扬长避短。如何充分利用材料16 逆吊实验的实现过程 逆吊实验的实现过程对薄膜施加可凝固材料悬吊薄膜使其凝固对薄膜施加可凝固材料悬吊薄膜使其凝固翻转曲面翻转曲面等比例放大并进行设计等比例放大并进行设计如何充分利用材料171748年，物理学家年，物理学家波莱尼（波莱尼（G.Poleni）利用利用悬悬垂实验垂实验分析了万神
9、庙穹顶的安全性。分析了万神庙穹顶的安全性。英国科学家英国科学家胡克胡克（R.Hooke）在在1675年即发现年即发现“拱的合理形式与倒过来的悬索一致拱的合理形式与倒过来的悬索一致”。”。逆吊实验法的发展逆吊实验法的发展如何充分利用材料18Antonio Gaudi(1852-1926)19世纪末至世纪末至20世纪初，世纪初，西班牙建筑师西班牙建筑师A.Gaudi采采用用丝线悬垂法丝线悬垂法设计了许多设计了许多砖石结构教堂建筑。砖石结构教堂建筑。如何充分利用材料19圣家大教堂圣家大教堂如何充分利用材料20自上世纪自上世纪50年代以来，瑞士工程师年代以来，瑞士工程师 H.Isler 利用“利用“充
10、气膜和悬垂膜方法充气膜和悬垂膜方法”设计了”设计了数百个混凝土薄壳结构。数百个混凝土薄壳结构。Heinz Isler(1926-2009)Wyss Garden Center,1961Sicli Company Building,1970Heimberg Tennis Center，1979如何充分利用材料21德国建筑师德国建筑师Frei Otto 将逆吊实验法用于空间网格结构的设计中。将逆吊实验法用于空间网格结构的设计中。Mannheim,Multihalle,1975汉诺威世博会日本馆汉诺威世博会日本馆,2000 为什么这些设计大师偏爱逆吊实验法？22重力平衡构形重力平衡构形自应力平衡构形自应力平衡构形1）概念清晰、形象直观，可实现1）概念清晰、形象直观，可实现纯压结构纯压结构2）代表了一种基于力学平衡的结构2）代表了一种基于力学平衡的结构构形方式构形方式纯压结构正高斯曲面纯拉结构负高斯曲面相互补充相互补充23课后思考：你还能想到哪些充分利用材料的方法？你还能想到哪些充分利用材料的方法？