《建筑结构选型》课程教学大纲.doc

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1、建筑结构选型课程教学大纲课程编号: 610005课程名称：建筑结构选型 英文名称：Selection of structural design 课程类型: 必修课总 学 时：32 讲课学时：32 学分：2适用对象: 建筑学本科先修课程：无执 笔 人：金杰 审定人：孟昭博一. 课程性质、目的和任务建筑结构选型课程是建筑学专业学生的一门专业必修课，其基本出发点是紧密结合建筑学专业实际的需要提供相应结构的基本概念知识。 基本目的和意义在于，使学生通过学习后，能掌握基本结构知识，在进行建筑构思和设计中，增强建筑中结构的合理性与可行性，做出比较经济合理、切实可行的建筑方案与设计，以求得建筑艺术与建筑技术

2、的完美结合。同时，加深同学们对一般性房屋结构设计方法的了解，拓宽结构专业方面的知识，开阔学生的眼界和思路。 二. 课程教学和教改基本要求通过学习后，能掌握基本结构知识，在进行建筑构思和设计中，增强建筑中结构的合理性与可行性，做出比较经济合理、切实可行的建筑方案与设计，以求得建筑艺术与建筑技术的完美结合。同时，加深同学们对一般性房屋结构设计方法的了解，拓宽结构专业方面的知识，开阔学生的眼界和思路。 三. 课程各章重点与难点、教学要求与教学内容第一章 梁和悬挑构件教学要求：了解梁和悬挑构件的形式，掌握梁和悬挑构件的受力及变形特点。教学重点与难点：梁和悬挑构件的受力及变形特点教学时数：理论教学2学时

3、。教学内容： 1.1 梁的形式； 1.按材料来分(1) 石梁，古代埃及、西亚、希腊形成狭长式密柱林立的空间，如阿蒙神庙，帕提农神庙。这是因为石村抗弯性能差(抗拉低，抗压高)所以石梁高度很大，极其笨重，跨度受限制， 可达89m (2) 木梁，古代亚州地区大面积才用，形式空间开阔通透，一般为框架结构，也有采用干式结构木材抗腐、防蛀、防火性能差且资源有限，木结构房屋轻巧、精致，且富于装饰(细部)自重轻抗拉、抗压、截面小，跨度大，可达11m 按外观还可分为直梁和月梁 近年来，胶合木结构有所发展 (3)钢梁，适用范围广泛，轻质高强 材料强度高，所需截面小，自重相对较小，抗拉抗压均强防腐防火差，造价高，一

4、般采用土学形式空腹钢梁跨度可达18m以上 (4) 砼梁，受力明确，力学性能好砼受压，纵向钢筋受拉，箍筋受剪受到挠度和裂缝宽度条件的限制，一般不超过12m预压力砼梁石受拉区预压应力控制梁 的裂缝窗度和挠度，跨度达18m；一般梁高为1/141/8L，梁宽为1/31/2梁高。 2.按截面形式分类焊接工字型钢梁，砼有 等变截面梁普通砼薄腹梁612m，预砼梁1218m 3.按支座约束条件分类 静定梁：单跨 多跨 超静定梁：1.2 梁的受力与变形 一、梁的受力特点 梁主要承受垂直于梁轴线方向的荷载的作用，这在各种受力体中是最不保理的一种：不能完全发挥材料(强度)力学性能。 内力主要为弯矩和剪力；扭矩轴力。

5、 变形与约束条件有关:(1) 两端约束小，变形挠度大，内力大 适用：中小跨度建筑，地基较差，有不均匀沉降 不适用于跨度，外力较大的情况(2) 两端约束大，变形小于，内力小于 当梁刚度柱刚度时最小 当梁刚度=柱刚度时，处于两端固定与两端简支之间。(3) 只有一端有约束，固定端有较大弯矩(倾覆力矩) 抗倾覆安全系数，强度变形 平衡方式四种，上压；下拉，左右自平衡，副跨框架两端外伸的简支梁及连续梁(4) 两端外伸的简支梁及连续梁 充分发挥材料力学性能 特点：内力小，刚度大，抗震好。 对支座变形敏感，易引起附加内力1.3 梁式结构的工程实例1.4 悬挑结构1.4.1 悬挑结构的形式1、结构特点：无端部

6、支承构件，可以构成灵活的使用空间，不妨碍视线，同时在建筑造型上有利于穿插（图1-4-1）；2、主要应用：在挑檐、阳台、体育场看台的顶棚等；3、材料选择：钢筋混凝土或钢结构；4、受力特点：除了需要进行强度和变形计算外，还需进行抗倾覆验算。1.4.2 悬挑结构的抗倾覆平衡1.4.3 悬挑结构的受力第二章 桁架（屋架）结构教学要求：掌握桁架结构的特点及应用。教学重点与难点：重点：桁架结构的特点及应用。教学时数：理论教学2学时。教学内容：1.1 桁架结构的受力特点1、 受力简支梁在外力作用下，产生弯矩和剪力，在其截面上产生正应力和剪应力，但其分而极不均匀，若以下边缘处材料强度作为控制值，中间部分材料不

7、能充分发挥作用。且分布在上下边缘处材料剪力为0不能充分发挥其抗剪作用。因此，将中间部分挖空可减轻自重、节省材料，纵截面与横截面都可以进行这种改变，当大幅度挖空后，中间只剩几根截面很小的连杆时，形成桁架。由梁到桁架虽然其结构整体来说其内力情况与简支梁完全一致，但它已由受弯构件变为轴向受力构件，传力路线发生了根本变化，将材料的抵抗力集中在最外边缘的纤维上，此时力臂最大上弦受压、下弦受拉，由此形成力偶来平衡外荷载产生的弯矩，剪力则由斜腹杆中的竖向分量来承担。2、 桁架结构内力与外形的关系 在桁架各杆件单元中内力的分布是不均匀的。（1）平行弦桁架 上下弦各节间内力随外荷载所产生的总弯矩而变化，跨中节间

8、轴力大，支座处轴力较小。（2）三角形桁架 跨中节间轴力小 靠近支座处最大（3）抛物线形桁架 形状与简支梁弯矩图形相似，符合受荷后的内力变化规律，内力分布均匀。 （4）折线形桁架 便于施工制作，将上弦各节点与弯矩图重合，在之间取直线，上下弦杆内各节间轴力基本相等。 （5）梯形桁架 介于矩形和三角形之间 有缓坡(接近矩形)与陡坡(接近三角形)之分。 腹杆受力与弦杆受力情况类似，在矩形、三角形相反抛物线、折线内力为零。 其间受力最为合理的为3和4。2.2 屋架结构的形式一、按材料 1、木屋架 （1）木屋架的典型型式是豪式屋架，因其适于木屋架表现在 a.屋架节间均匀杆件内力突变不致太大。 b.腹杆长度

9、与杆件内力变化相一致。 c.屋架结点上相交的结点不多，适于木屋架的齿联结。 (2)豪式屋架可有：三角形、梯形、三角形适于18m以内跨度。 (3)节间长度应控制在2-3m，适用跨度为12-18m，高跨比宜在1/5-1/4之间。 2、钢木组合屋架 将屋架下弦或腹杆等承受拉力较大的杆件采用钢材，提高屋架结构刚度和强度。 对于三角形屋架适用跨度为12-18m，梯形为18-24m。3、钢屋架 （1）典型型式是芬克式屋架，适用于钢屋架，因其： a.杆件长度较短 b.下弦受拉 c.施工方便 （2）形式主要有三角形、梯形、矩形。（3）主要用于大跨度建筑中，适用跨度为12-60m三角形高跨比1/6-1/4之间，

10、梯形节间长度应与屋面板协调 三角形 芬克式12-18m 高跨比1/6-1/4梯 形 豪式12-30m 高跨比1/6-1/10 再分式24-60m 高跨比1/8-1/10 4.轻型钢屋架： 三角形、三角拱、梭形屋架三种 轻型钢采用高强钢材质量轻、截面小。三角形相似于普通钢屋架，三角拱由两要斜梁一根拉杆组成梭形，取材方面，截面重心低空间刚度好，可不设支撑。由于腹杆不能受压，不能设置水平支撑和垂直支撑，因此侧向刚度小，适用跨度为18米以下，高跨比为1/9-1/12。 5.砼屋架 屋架形式多样，各项受力强度高，防腐蚀性能好。 屋架适用跨度为15-24m，预应力砼屋架适用跨度为18-36m。 6.砼一钢

11、组合屋架 上弦和受压腹杆为砼构件，下弦和受拉腹杆为柔性钢筋，对材料的利用颇为充分。常见有：折线型组合一、三砼两级组合屋架。桥式屋架是将屋面板与屋架合二为一的结构体系。二、按形式分1、三角形：最大特点是上弦为两根直杆制作简单，但弦杆内力分布不均，一般用于小于18m的建筑中，可用钢木，砼坡度为1/3-1/6，适用于小别墅等中小型民用建筑。2、梯形：上弦平坦1/10-1/12适于上铺预应力大型屋面板，减少油钻下滑，油膏流淌现象，屋架之间便于架设管道和人穿行，常用于18-36m，有的可达72m，适用于影剧院舞台和观众厅屋顶。3、弧形屋架：内力均匀，受力合理。可在弦杆端部加短立柱来改变屋面坡度。 4.平

12、行弦屋架 杆件尺寸和节点形式划一，制作简便，适应性强，在均布荷载作用下，内力分布不均匀，不宜用于杆件内力相差大的大跨一常用作厂房吊车梁和托架。三、按受力特点 1.平面 2.立体桁架： 截面形式：矩形、正三角形、倒三角形，是由两榀平面桁架隔一定距设连接杆件将两榀平面桁架成90度或45度的夹角。为减少连接杆件，可采用三角形截面的立体桁架正三角形适于小跨度，倒三角形适于大跨(跨度大、截面大，可分，反之不可分)。立体桁架采用钢球节点，使各杆件中心汇交于球节点中心，受力明确均匀，施工方便。2.3 屋架结构的选型与布置 一、屋架结构的主要尺寸 1.矢高：结构的高度 2.坡度：大于1/3或1/8-1/12大

13、板 3.节间长度：3m，1.5-4m二、屋架结构的选型 1、屋架结构的受力2、屋架结构的跨度15-24米适用于混凝土结构；18-36米适用于予应力混凝土结构；36米以上适用于钢结构。 3、屋面防水构造 4、材料耐久性及使用环境三、屋架结构的布置 1.跨度 2.间距 3.支座 四、屋架结构的支撑第三章 单层刚架结构教学要求：掌握单层刚架的受力特点及刚架的结构形式，能够合理地进行刚架结构的选形。重点：掌握单层刚架的受力特点并能够合理地进行刚架结构的选形。难点：各单层刚架的受力特点。教学内容： 3.1 单层刚架结构的受力特点 一、受力特点1. 概念：梁柱等杆件之间为刚性连接的构件均为刚架单层刚架是直

14、线性杆件组成的具有刚性结点的结构 2.特点 门架顶部可看做两端有固定端的横梁由于与柱子刚性连接、横梁弯矩比较接情况下的M减少(柱对梁的约束减少梁的跨中弯矩)。同时梁对柱的约束作用也减少了柱内弯矩，峰值小很多，(在水平荷载下)二、影响其结构内力的因素 1.约束条件 三砼刚架，最大优点是静定结构，计算简便，不会引起附加内力，与其他刚架相比节点弯矩稍大，刚度略差的适用于2m跨度以内，或地基较差的情况。两砼刚架：超静定结构，基础无弯矩，省料省工，但地基不均匀沉降对结构内力也有影响。 无砼刚架：二次超静定结构，节点弯矩小，基础有弯矩，费工费料，对温差与支 沉降差很敏感。易产生附加内力。实际工程中常采用三

15、砼刚或两砼刚架以及由它们组成的多跨结构 2.梁、柱线刚度比 竖向均布荷载：梁/柱很大时，刚架大约等于简支梁(内力分布)，梁/柱很小时，刚架大约等于两端固定梁。 水平荷载：刚架梁无弯曲，柱无转动(柱相当于支座)，刚架梁相当于连杆大约等于排架。 3.高跨比 压力线：如何理解。 刚架高度的减小将使支座推力增大(相同跨度下)。 4.其他因素： 节点构造：温度变化，支座变化(平移，转动，沉降)。 三、截面形式及尺寸，构造及尺寸适用范围 3.2 单层刚架结构形式 约束条件：三砼、两砼、无砼。 一、结构材料：胶合木、钢、砼。 二、截面形式：变截面、空腹式、格构化刚架。结构型体：平顶、坡顶、拱顶、单跨、多跨、

16、施工技术。 3.3 单层刚架结构的构造与布置平顶、坡顶、拱顶、单跨与多跨。可根据通风、采光的需要设置天窗、通风屋脊和采光带。刚架的横梁坡度主要由屋面材料及排水要求确定。对于常见的中小跨度的双坡门式刚架，其屋面材料一般多用石棉水泥波形瓦、瓦楞铁及其他轻型瓦材，通常用的屋面坡度为1/3.节点构造与结构计算简图一致；制造、运输、安装方便1、一般情况下矩形平面建筑都采用等间距等跨度的结构布置间间距一般6m跨度由各项条件等确定。2、根据不同平面可呈辐射状，扇形等多种排列方式形成风格多变的建筑造型。 3.4 单层刚架结构的工程实例第四章 拱式结构教学要求：掌握拱结构的受力特点及结构形式，能够对拱式结构进行

17、合理的选型和布置。教学重点与难点：重点：拱式结构的受力特点教学时数：理论教学2学时。教学内容：4.1 拱的受力特点一受力特点1无论是木行架还是刚架从整体上来看仍相当于受弯构件，而拱结构已根本不再受弯。因此拱结构是使构件弯曲摆脱弯曲变形的一种突破性发展。为抗压性能好的材料提供了一种理想的结构形式。2拱结构的支卒会产生水平推力。水平推力大小等于相同跨度简支梁在相同荷载作用下所产生的在相应于顶铰C截面上的弯矩Mc除以拱的 f，因此荷载一定时H与f或反比。二内力1M100m时宜采用多层网架。结构刚度好，内外均匀，L50m时三层用钢量二层用钢量4腹杆体系腹杆与上下弦平面夹角宜45o对节点构造有力一般应将

18、腹杆布置成受拉杆5悬臂长度四点及多点支承悬襞长度宜 6.6 网架结构的构造1杆件截面：圆形截面钢管形式最合理5mm厚。2节点：钢板节点，空心球节点，螺栓球节点3支座：压力支座、拉力支座4柱帽5屋面：上弦节点上加立柱找坡网架变高度找坡网架起坡支承变高度找坡 6.7 组合网架结构 6.8 网架结构的工程实例第七章 网壳结构教学要求：掌握网壳结构特点和形式。教学重点与难点：重点：筒网壳结构和球网壳结构的结构形式和特点。教学时数：理论教学2学时。教学内容：7.1 概述网壳，即为网状壳体，是格构化的壳体，或者说是曲面状的网架（网格）结构。它是以杆件为基础，按一定规律组成网络，按壳体坐标进行布置的空间构架

19、，兼具杆系结构和壳体结构的性质，属于杆系空间结构。与平板网架不同的是，网壳的承载力特点为沿确定的曲面薄膜传力，作用力主要是通过壳面内两个方向的拉力或压力以及剪应力。网壳结构的优点1、网壳结构的构件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因而可以充分发挥材料强度作用。2、由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构都能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。3、由于杆件尺寸与整个网壳结构的尺寸相比很小，可把网壳结构近似地看

20、成各向同性或各向异性的连续体，利用钢筋混凝土薄壳结构的分析结果进行定性的分析。4、网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。5、便于工厂制造和现场安装，在构造上和施工方法上具有与平板网架结构一样的优越性。网壳结构的缺点1、杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响很大，给结构设计带来了困难。2、当矢高很大时，增加了屋面面积和不必要的建筑空间，增加的建筑材料和能量的消耗。3、由于网壳结构杆件以受压为主，存在稳定问题，不能充分利用材料的强度，当跨度超过某一范围后会不经济。 7.2

21、筒网壳结构筒网壳也称柱面网壳，是单曲面结构，适合于覆盖工业厂房、仓库、游泳池、网球馆等矩形平面。7.2.1 单层筒网壳以网格的形式及其排列方式分类联方网格型筒网壳弗普尔型筒网壳单斜杆型筒网壳双斜杆型筒网壳三向网格型筒网壳7.2.2 双层筒网壳1）按几何组成规律分类（1）交叉桁架体系双层筒网壳 由两个或三个方向的平面桁架交叉构成。（2）四角锥体系双层筒网壳 由四角锥按一定规律连接而成。 （3）三角锥体系双层筒网壳 由三角锥单元按一定规律连接而成。2）按弦杆布置方式分类与平板网架一样，双层筒网壳主要受力构件为上、下弦杆。力的传递与上、下弦杆的走向有直接关系。习惯上按上、下弦杆的布置方向分成三类：正

22、交类双层筒网壳斜交类双层筒网壳混合类双层筒网壳 7.3 球网壳结构球面网壳为典型的同向曲面结构，其关键在于球面的划分。球面划分的基本要求杆件规格尽可能少，以便制作与装配；形成的结构必须是几何不变体。7.3.1 单层球网壳包括：肋环型球面网壳 、施威德勒（Schwedler）型球面网壳 、联方型球面网壳 、凯威特型球面网壳 、三向网格型、短程线球面网壳、双向子午线网格，共7种。7.3.2 双层球网壳由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成；主要有交叉桁架系和角锥体系两大类。交叉桁架体系各种形式的单层球面网壳的网格形式均可适用于交叉桁架系，只要将单层网壳中的每根杆件用平面网片来代替，即可形成双层球面网

23、壳，注意网片竖杆的方向是通过球心的。 角锥体系由角锥体系组成的双层球面网壳的基本单元为四角锥或三角锥，而实际工程中以四角锥体居多。 7.4 扭网壳结构特点直纹曲面，反向双曲，即双向直纹；在直纹方向可以毫无阻碍的设置单根肋杆或桁架式网肋，就能构成双曲扭面。采用简单的施工方法就能准确地保证杆件按曲面布置。负高斯曲壳，可避免其他扁壳所具有的聚焦现象，能产生良好的室内声响效果。造型轻巧活泼，适应性强，很受建筑师和业主的青睐。 7.5 其他形状的网壳结构 7.6 网壳结构的选型1）网壳结构的体型应与建筑造型相协调进行网壳结构设计，特别是高、大跨度网完结构的选型，应与建筑设计密切配合，使网壳结构与建筑造型

24、相一致，与周围环境相协调，整体比例适当。建筑空间要求大，可选用矢高较大的球面或柱面壳，建筑空间要求较小，可选用矢高较小的双曲扁壳或落地式的双曲抛物面网壳；如网壳的矢高受到限制又要求较大的空间，可将网壳支承于墙上或柱上。使网壳呈现动态美或“跃动景观”，可在边界处即支承点附近或角隅部分进行处理，或采用非几何学曲面。2）网壳结构的形式应与建筑平面相协调网壳结构适用于各种形状的建筑平面。圆形平面：可选用球面网壳、组合柱面或组合双曲抛物面网壳；方形或矩形平面：可选用柱面、双曲抛物面和双曲扁网壳；平面狭长：宜选用柱面网壳；平面为菱形：可选用双曲抛物面网壳；三角形、多边形的平面，可对球面、柱面或双曲抛物面等

25、作适当的切割或组合。3）网壳结构的层数一般来说，相同条件下，单层网壳较双层用钢量少。但单层受稳定控制较大，当跨度超过一定数值后，双层网壳的用钢量反而省。当网壳承受较大荷载或非对称荷载时宜采用双层网壳。4）网格尺寸网格数或网格尺寸对于网壳的挠度影响较小，而对用钢量影响较大。网格尺寸越大、用钢量越省。但网格尺寸太大、对压杆的稳定不利。网格尺寸太小，则杆件数和节点数增多，将增加节点用钢员和制造安装的费用。网格尺寸最好与屋面板模数相协调，屋面板采用钢筋混凝土板，尺寸太大，吊装困难；屋面板采用轻型屋面，网格尺寸过大，将使檩条的用料增加。网格尺寸还必须保证与网壳厚度有合适的比例、使腹杆与弦杆之间的夹角在4

26、0o55o之间。5）网壳的矢高与厚度矢跨比直接影响建筑体型，也是影响网壳结构内力的主要因素之一矢跨比越大，网壳表面积越大，屋面材料用量多，结构用钢量也增加，室内空间大，使用助词能源消耗大，但矢跨比大时，侧向推力有所减少，可降低下部结构的造价；矢跨比越小，材料消耗相应减少，但侧向椎力增加，从而提高了下部结构的造价。柱面网壳的矢跨比可取l/41/8，单层柱面网壳的矢跨比宜大于1/5，球面网壳的矢跨比一般取1/2l/7。第八章 悬索结构教学要求：掌握悬索结构的特点和形式。教学重点与难点：教学时数：理论教学2学时。教学内容：8.1 概述最早用在桥梁，很多现存的年代久远的桥是铁李桥1937年美国加州金门

27、大桥主跨1280m，桥下承高68m用在房屋中如蒙古包、帐蓬，现代大跨发展于十九世纪末从1961年开始用于体育包的建设特别多。主要用于跨度在60100m左右的体育馆、展览馆、机场目前悬索结构的跨度已达160m跨度在100150m范围内悬索结构是比非常经济的。 8.2 悬索的受力与变形特点单悬索与拱结构一样，都是平面结构，属于轴心受力物件但拱属于轴心受压的，对于抗压性能好的砖石和 来讲是一种合理的结构形式，悬索则是轴心受拉的构件对于抗检性能好的钢材来讲，悬索是一种理想的结构形式。1索网是一个轴心受拉构件，既无M也无V，抗弯刚变为O，当仅有自重作用时处于自然悬挂状态，受集中力作用时，自动形成悬吊折线

28、形。索的支座仅仅存在着向外的拉力和向上的拉力找出合理的重度处理好水平力的传递和平衡结构是设计中解决的重要问题，首要问题均布，抛物线，集中，折线3边缘构件承受拉力、较大，所以构件断面尺寸也较大。4下部支承构件受压5柔性悬索只能单向受力，当荷载和垂度方向相反时会发生失稳 8.3 悬索结构的型式一单面悬索结构1单层平地索行由许多平行的单根拉索构成，表面成反向圆筒形凹面。优：构造简单传力明确，缺：稳定性差，抗风能力小常采用重层盖或施加预应力以弥补此不足拉索水平拉力的传递至关重要一般有以下三种方式（1）通过竖向承重结构传至基础，斜柱看台框架（2）通过拉锚传至基础，在柱顶改变方向，通过（3）通过刚性水平构

29、件集中传至抗侧力墙2双层拉索体系（双层平行索系）由多片平行的索网组成，每片索网均为曲率相反的承重索和稳定索构成，之间用国钢或拉索联系，形状似斜腹杆。吉村水上运动中心滑冰馆二双曲面悬索结构1单层（单层辐射索系）不设中柱碟形，设中柱伞形碟形音响效果好，伞形排水效果好，稳定性均较差，拉索，外环梁，支承结构2双曲双层（双层辐射索系）屋面刚度大，抗风抗震性能好，平面较自由。3交叉索网体系。由两组曲率相反的拉索交叉而成，下凹一组为承重索上凸一组为稳定索，形成曲面为双曲抛物面一般称为鞍形悬索常需设置强大的边缘构件（因其再根索拉力大小、方向均不一样）三边缘构件1双曲环梁 浙江省体育馆2落地交叉拱 雷里竞技馆3不落地交叉拱 柏林瑞士展览馆4不相交落地拱5两对立落地竖拱6设中间物体，在中部设落地拱桁架等 8.4 悬索结构的稳定稳定性较差，单根悬索是一种几何可变结构，平衡形式随荷载分布方式而变，常需附加其他结构以提高屋盖稳定性。适应荷载变化能力差，抗风吸力风振能力差措施增加悬索结构上的荷载屋盖自重超过最大风吸力的1.1-1.3倍，但影响经济效果形成预应力索一壳结构整个屋面如同壳体一样工作，索和 共同抵抗列荷载形成索一梁或索一桁架组合结构增设相反曲率