第三章 夹层结构
建筑结构 第三章 框架结构
现浇结构的整体性好，抗震性能好，在地震区应优先采用。
缺点：抗侧刚度低，２０层以下建筑 适用范围：办公楼、餐厅、车间、营业室、 教室和实验室等
３-2 框架的类型
1.按框架构件组成划分
（1）梁板式结构(多层和高层)
（2）无梁式结构（仓库、冷藏库）
2 按框架的施工方法划分
（１）现浇整体式框架：工地现浇 优点：结构整体性及抗震性能好，节省钢材； 缺点：现场工作量大，模板消耗多，施工周期较长。 （２）装配式框架： 优点：构件可以在工厂预制，质量容易保证，施工现
板式
塔式
板式是指房屋宽度较小，而长度较大的建筑 为了增加板式结构的侧向刚度和稳定，避免“一字 形”建筑，可以做成折板式或曲线式。
塔式则是指平面的长度和宽度相接近的建筑 在塔式建筑中，常用圆形、方形、长宽比较小的矩
形、Y形、井形、三角形或其他各种形状。
图例：增大房屋等效厚度（1）
图例：增大房屋等效厚度（2）
1.主要承重框架横向布置 2.主要承重框架纵向布置 3.主要承重框架纵横两向布置
1.主要承重框架横向布置
特点：横向梁为主梁，纵向梁 为次梁（连系梁） 优点： 承重框架横向布置可有效提高纵 房屋横向的抗侧力强度和刚度； 有利于立面处理和室内采光
•横向框架承重方案
纵向布置连系梁。 横向抗侧刚度大。 有利采光和通风。
北京国际饭店：
（一）结构平面布置的原则 ２.尽量避免部分突出及刚度突变
３.控制房屋的长宽比 L/B不宜超过4.0
图例：抗震建筑平面
图例：不利抗震建筑平面
图例：日本建议的建筑平面
（一）结构平面布置的原则
４．抗侧力结构的布置应尽 可能使房屋的刚度中心与地 震力合力作用线接近或重合
第三章 多层框架结构简化计算汇总
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第二节
分层法
二
计算要点
4. 横梁的最后弯矩即分层计算所得弯矩。 5. 柱端的最后弯矩为上、下两相邻简单 刚架柱的弯矩叠加。对叠加后节点的不平 衡弯矩可在该节点内作一次分配平衡。
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第二节
分层法
三
注意点
ib / ic 5 当框架梁、柱线刚度之比 ，或框架不规则时，分层法不适用。 补充：固端弯矩、固端剪力，见结构力学 1.两端固定，作用一集中力时
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三 计算简图
根据假定，将空间结构简化成了平面结 构，使每榀框架可分别进行计算。
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第二节
分层法
多层多跨刚架（框架）在竖向荷载作 用下，通过用力法或位移法计算，其侧移 较小。一般可按无侧移的刚架来处理。 一 基本假定 二 计算要点 三 注意点
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第二节
分层法
一
基本假定
1.在竖向荷载作用下，可以忽略框架的侧 移。 2. 本层梁上的荷载对其他各层梁的内力 影响忽略不计。 据此，多层框架在竖向荷载作用下便可 分层计算。
2.两端固定，作用其他荷载时，可用上式 通过积分求得。 2 l
qdx q
M BA
B
A
x l
dx
同理：
M BA
ql 12
2
M AB
ql 12
2
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第二节
分层法
三
注意点
例3－1：下图为一两跨二层框架，用分 层计算法作弯矩图。括号内的数字表示梁柱 相对线刚度i值。
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第二节
分层法
三
注意点
解：1.求各节点的分配系数 （注意∑μ ＝1） 7.63 G节点： 0.668
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用
复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用摘要：飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的情况下使结构尽可能轻，这一要求必然导致需利用稳定的薄蒙皮承受拉伸载荷和压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。
传统的飞机结构设计中使用了纵向加强件和增稳桁条、翼肋和隔框等结构加强蒙皮，这样不可避免会带来结构增重问题。
提高结构比刚度的有效结构形式之一是夹层结构，复合材料夹层结构具有重量轻、强度刚度好，耐热、吸声隔音、抗冲击、耐疲劳等特点，已被广泛应用于航空航天中。
关键词：复合材料；蜂窝夹层；飞机；结构设计蜂窝夹层结构复合材料是50年代末发展起来的一种轻质、高强、各向异性的复合材料。
蜂窝夹层结构的密度小,可以明显的减轻结构重量;它的导热系数低,可以作为绝热和保温构件使用;它的比强度和比刚度高,可根据特殊的要求进行各向异性设计与制造。
因此长期以来备受航空、航天等领域的关注,尤其在航空工业中,蜂窝夹层结构复合材料己成功的大量应用于飞机的主、次承力结构件,如机翼、机身、尾翼和雷达罩等部位。
由于飞机飞行的环境条件比较苛刻,要求飞机用材料不仅有足够的强度、抗冲击性和刚度,而且还需良好的耐疲劳性、阻燃性、减重及抗腐蚀等许多特殊要求。
为了使飞机能正常进行飞行,在对所选用的材料性能进行全面的分析后,还需探索清楚构件性能与成型工艺之间的规律,这是材料应用的重要环节。
一、蜂窝夹芯结构的特点1、发挥复合效应的优越性。
夹层结构复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它并不是由几种材料简单的复合,而是按复合效应形成新的性能,这种复合效应是夹层结构复合材料仅有的。
例如当夹芯板承受弯曲载荷时,上蒙皮被拉伸,下蒙皮被压缩,芯子传递剪切力。
从力学角度分析,它与工字梁很相似,面板相当于工字梁的翼缘,芯材相当于工字梁的腹板。
不同的是芯材与面板不是同一材料,芯材是分散的,而不是集中在狭腹板上。
由于轻质夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性距随之四次方增大,且面板有夹芯支持不易失稳。
建筑初步课件第三章建筑结构
第十二页，共53页。
穿斗式
04 二、骨架承重体系
（一）木构架结构
井干式木构架使用天然圆木或方 形、矩形、六角形断面的木料， 层层累叠，构成房屋的壁体。
第十三页，共53页。
05 二、骨架承重体系
（一）木构架结构
随着当今社会低碳、环保、可持续发展的 时代要求，现代木构架也进入了一个新的 发展阶段。其典型特点是：不再单一地使 用大块整料，而是采用现代化的科学技术 和设备，通过改料、黏合、高压热弯、真 空防腐等一系列工艺流程，生产或定制具 有更高物理性能、更耐火、更防腐的复合 木质材料，广泛应用于建筑等各个领域。
第十九页，共53页。
03 二、骨架承重体系
（四）框架—剪力墙体系
框架—剪力墙实例
第二十页，共53页。
01 二、骨架承重体系
（五）筒体结构
筒体结构由一个或几个筒体作为竖向结构， 并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来， 形成一个空间构架的高层房屋结构体系。 这种结构不仅能承受竖向荷载，而且能承 受很大的水平荷载。筒体结构内部空间较 大，建筑平面布局灵活，适用于超高层建 筑，常用于写字楼。
苏州博物馆
第三页，共53页。
01 建筑设计与结构设计
苏州博物馆·建筑结构
第四页，共53页。
第三章 建筑结构
承重方式
墙体承重体系 骨架承重体系 空间结构体系
第二节 建筑结构的体系分类 一．墙体承重体系:（一）生土（墙）建筑；（二）砌体结构； 二．骨架承重体系:（一）木构架结构；（二）框架结构；（三）剪
力墙结构；（（八）钢结构；（九） 拱结构；（十）刚架结构；（十一）桁架结构；（十二）排架 结构；（十三）悬挑结构 三．空间结构体系：（一）网架结构;（二）折板结构 ;（三）薄壳结 构;（四）悬索结构;（五）薄膜结构。
夹层结构成型工艺
1、玻璃钢夹层结构的种类与特点
根据夹层结构所用的芯材种类和形式不同， 玻璃钢夹层结构分为：泡沫夹层结构，蜂窝夹层 结构，玻板夹层结构。
（1）泡沫塑料夹层结构
泡沫塑料夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮 （面板），泡沫塑料做夹芯层.
泡沫塑料夹层结构的最大特点是蒙皮和泡 沫塑料夹芯层粘接牢固、受力不大和保温隔热性 能要求高的部件，如飞机尾翼、保温通风管道及 样板等。
第四章 夹层结构制造技术
4、1 概述
夹层结构一般是由三层材料制成的复合材料。
夹层复合材料的上下面层是高强度、高模量材料， 中间层是较厚的轻质材料.
玻璃钢夹层结构实际上是复合材料与其它轻质材 料的再复合。
由于玻璃钢夹层结构的强度高，重量轻，刚度大， 耐腐蚀，电绝缘及透微波等，目前已广泛用于航 空工业和宇航工业的飞机、导弹、飞船及样板、 屋面板，能大幅度的减轻建筑物的重量和改善使 用功能。
聚
氨
脂
泡
聚苯乙烯泡沫夹层墙面板
沫
塑
料
夹
层
.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）蜂窝夹层结构
蜂窝夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮，蜂窝材 料（玻璃布蜂窝、纸蜂窝或其它棉布及铝蜂窝等） 做夹芯层。
蜂窝夹层结构的重量轻，强度高，刚度大，多用 作结构尺寸大、强度要求高的结构件，如玻璃钢 桥的承重板、球形屋顶结构、雷达罩、反射面、 冷藏车地板及箱体结构等。
在这些蜂窝夹芯材料中，以六边形强度最高.
由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较 高，故应用最广。
（2）原材料
夹层结构的蒙皮和夹芯材料种类很多，如果用铝、 钛合金做蒙皮和芯材，则称为金属夹层结构；
外面板为1mm的防锈铝板， 内面板（底板）为0.5mm的 防锈铝板，中间为铝蜂窝芯
复合材料中常见的夹芯材料介绍
复合材料中常见的夹芯材料介绍1、夹芯结构材料定义夹芯结构材料（sandwich material），又叫夹层结构材料，是一种复合材料夹层结构。
夹层结构材料的整体受力原理类似工字梁。
夹层结构材料的面板承受由弯矩引起的面内正应力和面内剪切应力，芯材主要承受由面板传来的横向剪切应力，与此同时还具有稳定两块面板，防止局部屈服的作用。
夹层结构材料具有优良的比刚度和比强度，即在同等刚度和强度下，重量更低。
此外，夹层结构材料还具有削弱噪音与震动、隔热、抗疲劳、阻燃、吸声、隔震等优点。
夹层结构材料通过合理选择芯材和面板，可以有效降低材料的单位体积成本。
常用的夹层结构材料芯材主要分为三类：硬质泡沫、蜂窝和轻木。
硬质泡沫主要有：聚氯乙烯（PVC）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚氨酯（PU）、聚乙烯（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）。
蜂窝：常见的蜂窝芯材有NOMEX蜂窝、铝蜂窝、棉布蜂窝、玻璃布蜂窝等。
轻木：轻木芯材是一类天然可再生芯材，原料为巴尔沙轻木2、夹芯材料的应用介绍通常夹层结构材料的强度要高于单独的面板材料或芯材刚度、强度，且重量、成本等均低于单一材料，因此被广泛应用于建筑、公路运输、轨道交通、航空、传播、风电等领域。
芯材是风电叶片关键材料之一，在叶片的前缘、后缘以及腹板等部位，一般采用夹层结构来增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力。
叶片常用芯材为PVC 泡沫和Balsa。
随着风电市场的日趋成熟，叶片向大型化方向发展，对叶片的重量、质量、成本以及材料的一致性提出新的要求。
现已开发出不同的新型芯材，逐渐在风能行业中得到应用和认可，主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫（PET）、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫（PMI）、聚醚酰亚胺泡沫（PEI）、丙烯腈-苯乙烯泡沫（SAN）、聚苯乙烯泡沫（PS）、纤维增强复合材料芯材等。
对于芯材，除了要求优异的力学性能外，还需考虑芯材的加工、承受的温度、制品形状以及在叶片中使用的工艺性能。
第三章 多层框架结构设计
适用于整
体性要求 较高和楼 面荷载较
大的情况 。
双向承重
§3.2 框架梁柱截面尺寸及计算简图 1、 框架梁 框架梁截面尺寸估算 1 1 ~ l0 一般情况下： hb 10 18
1 1 bb ~ hb 2 3
梁净跨与截面高 度之比不宜小于4
为了防止梁发生剪 切脆性破坏，hb不 宜大于1/4净跨。
本章重点
了解框架结构的特点和适用范围； 熟悉框架结构的布置原则与方法； 掌握框架结构在竖向和水平荷载作用下的 内力计算方法； 掌握框架结构的内力组合原则与方法； 熟悉框架结构在水平荷载作用下的侧移验 算方法； 熟悉梁、柱的配筋计算和构造要求。
§3.1
框架结构布置
框架结构的定义
施工简便； 经济合理。
好
差
结构布置的方法
框架结构布置主要是确定柱在平面上的排列方式（柱网 布置）和选择结构承重方案，这些均必须满足建筑平面及使用 要求，同时也须使结构受力合理，施工简单。
框架结构的承重方案
1）横向框架承重。 主梁沿房屋横向布置，板和连系梁沿房屋纵向布置。 2）纵向框架承重。 主梁沿房屋纵向布置，板和连系梁沿房屋横向布置。 3）纵、横向框架承重。 房屋的纵、横向都布置承重框架 ，楼盖常采用现浇双向板或井字梁楼盖。
多层建筑：
框架柱的截面边长不宜 小于250 mm，抗震时不 宜 小 于 300mm ， 圆 柱 的 截 面 直 径 不 宜 小 于 350 mm，剪跨比宜大于2
1 1 bc ~ hi 12 18
hc 1 ~ 2bc
hi—— 第i层层高； hc—— 柱截面高度； bc—— 柱截面宽度。
敞口框架的杆端弯矩，由此所得的梁端弯矩和底层柱端弯矩即 为其最后的弯矩值；而其余各层柱属于上、下两层，所以每一 柱端的最终弯矩值需将上、下层计算所得的弯矩值相加。在上、 下层柱端弯矩值相加后，将引起新的节点不平衡弯矩，如欲进 一步修正，可对这些不平衡弯矩再作一次弯矩分配，此时除对 底层各柱支承端外，其余梁柱均不作传递。 （5）在杆端弯矩求出后，可用静力平衡条件计算梁端剪 力及梁跨中弯矩；由逐层叠加柱上的竖向荷载（包括节点集中 力、柱自重等）和与之相连的梁端剪力，即得柱的轴力。 （6）在内力计算中，所有构件均可采用相对线刚度。
【内部教材】飞机结构与修理-第三章-副翼及尾翼结课件
四、副翼结构中力的传递 空气动力在副翼结构中的传递情况与在机翼结构 中的传递情况相似： 空气动力→蒙皮→翼肋→翼梁腹板 机翼 剪力由梁腹板承受； 弯矩由梁缘条和有效宽度的蒙皮承受； 扭矩由闭周缘蒙皮承受。
13
5
五、副翼的剪力、弯矩和扭矩图 图 3 － 6 给出了三支点情况下副翼结构的剪力、弯 矩和扭矩图。 副翼在装有支点的横截面上承受的剪力、弯矩最 大；在操纵摇臂部位扭矩最大。
在着陆滑跑时使用减速板，可缩短滑跑距离。 因为它们不仅增大了阻力，还降低了机翼的升力 使飞机下沉，加大机轮与跑道表面的结合力，从 而提高刹车效率。
当主起落架缓冲器开始压缩时，减速板被锁定
32
减速板和扰流板均为薄板结构。 图 3 － 9 为某型飞机上典型的减速板和扰流板 结构。 每块减速板都由几段组成。 各段的主承力结构是与中间的支臂连接的两 块板，该板由大梁和两个П 形截面的端肋、上、 下蒙皮、尾部桁条、金属蜂窝夹芯、前墙和封严 型材构成。
不对称载荷所产生的力矩，是随着飞行速度 增大而增大的。而且，许多高速飞机的水平尾翼 往往安装在垂直尾翼上，垂直尾翼的厚度(结构 高度H)较小，在上述力矩作用下，水平尾翼的固 定接头以及垂直尾翼，都会受到很大的力(图3－ 16)。
有桁条的单梁式结构。 方向舵与垂直安定面的连接接头通常多于两
个。当垂直尾翼被水平尾翼分隔为上下两部分时 上下两个方向舵的转轴是用万向接头连接的。
45
低速飞机上，左右升降舵的转轴大多是成一 直线的。因此，往往将它做成一个整体，并用几 个接头与水平安定面相连，中间的接头通常与操 纵臂做成一体。
后掠水平尾翼升降舵的转轴不成一直线，所 以左右升降舵只能各自用两个以上的接头连接在 水平安定面上。左右升降舵的转轴，有的用万向 接头连接，有的则分别与操纵机构的两
夹层结构设计
木• 材
端面巴萨木是最常用的木材芯材。巴萨木最先是在19 世纪40年代，在飞艇的船体中使用铝面板和巴萨木芯材， 抵抗在水面着陆时受到的重复的冲击荷载。随后，开始在 海洋结构中使用端面巴萨木作为FRP结构的芯材。巴萨木 除了具有高的压缩性能，还有很好的隔热性能和隔音性能。 在加热以后，材料不会发生变形，在遇火时，用作隔热层 和烧蚀层，芯层慢慢烧焦，使未遇火的面材保持结构性能。 同时，巴萨木还能提供向上的浮力，其加工工具和设备简 单。巴萨木芯材产品一般有织物背村，3—50mm厚，具 有一定轮廓。刚性端面巴萨木板材的厚度可以达到 100mm。针对真空袋、预浸料工艺或压力基础上的制造 工艺艺过程，例如 RTMI艺，这种板材可以预先采用树脂 涂覆。
•
巴萨木的一个缺点是最小密度偏大，通常最小密度值
大约是100kg／m3。但在层会的过程中，巴萨木还要吸
收大量的树脂。为了减少树脂的吸收增加重量，可以预先
用泡沫密封。巴萨木的应用通常限制在那些重量不是要求
很高或局部承载力要求很高的地方。
其它泡沫材料
• 聚苯乙烯PS泡沫广泛用在船舶、冲浪板制造行业。虽 然其拥有重量轻（40kg／m3），成本低，易于机械 加工等主要优点，但是因为力学性能差，很少在高性 能结构构件中使用。另外，这种泡沫不能和聚酯树脂 同时使用，因为树脂中含有的苯会溶化泡沫。
• 聚氨酯PU泡沫的力学性能表现一般，树脂芯材的界面 发生老化，导致面板剥离。作为结构材料使用时，常 常是用作构件的加强筋或加劲肋。但是聚氨酯泡沫也 能用作荷载较小情况下的夹层层板中，起到隔热作用。 该类泡沫的使用温度是150℃左右，同时吸声性能好。 泡沫的机械加工成形简单。
• 密度从30kg／m3到300kg／m3不等。
• 通常在复合材料中，使用的泡沫密度在 40kg／m3 － 200kg／m3之间。
第三章 多层框架结构简化计算
2.两端固定，作用其他荷载时，可用上式 通过积分求得。 2 l
qdx q
M BA
B
A
x l
dx
同理：
M BA
ql 12
2
M AB
ql 12
2
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第二节
分层法
三
注意点
例3－1：下图为一两跨二层框架，用分 层计算法作弯矩图。括号内的数字表示梁柱 相对线刚度i值。
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第二节
分层法
三
注意点
解：1.求各节点的分配系数 （注意∑μ ＝1） 7.63 G节点： 0.668
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第一节
概述
一 计算方法
3.刚性楼面假定 一般假定楼盖在自身平面内刚度无穷大， 在平面外刚度不考虑。当楼盖在平面内的最 大相对位移小于建筑物长度的1/12000时， 可认为属刚性楼盖。 据以上假定，在水平力作用下，由于抗 侧构件在同一标高处的水平位移相等，各片 抗侧力构件按其抗侧刚度的大小分配相应的 水平力。
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第四节
D值法
二
D值计算
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第四节
D值法
二
D值计算
D值法要解决的主要问题： 侧移刚度和反弯点高度 （一）柱侧移刚度D值计算 从框架中任取一柱AB，由转角位移方 程有：
12ic 6ic V 2 ( A B ) h h
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第四节
D值法
二
D值计算
由此可以看出，侧移刚度D＝V/Δ值不但 与柱本身的刚度有关，而且与柱上下两端转 动约束有关，与柱的弦转角有关。 返回
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第三节
反弯点法
一
概述
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第三节
反弯点法
一
概述