大跨度空间结构设计与分析-读书报告

大跨度空间结构设计与分析读书报告
Introduction
本书名称：大跨度空间结构设计与分析
出版社信息：2014年中国建筑工业出版社
当前工程建设对大空间、大跨度的需求不断增加。

大跨度空间结构类型很多，国内具有代表性的有142m×212m的国家大剧院、114m×144m的国家体育场馆、跨度为122m的济南全国运动会体育馆、297.3mX332.3m的北京奥运会“鸟巢”体育馆等。

大跨度空间结构作为重要的公用建筑，该类型建筑的合理设计对国民经济的发展以及人民生命财产安全有着重要的意义。

随着大跨度空间结构的广泛应用，关于大空间结构使用的合理设计和结构可靠度分析等方面面临的问题也越来越多。

我国属于地震多发区域之一，要从根本上解决大跨度空间结构面临的抗震性能差、结构设计不合理、结构安装初始缺陷、结构体系损伤免疫力差等问题，就必须对大跨度空间结构进行科学的研究。

本书从结构分类、受力特点及建模方法入手，并从设计要点与分析方法等方面进行了探究。

大跨度空间结构设计与分析一书结合实际工程案例，总结概括了大跨度空间结构的设计要点和结构体系分析方法。

具体内容包括大跨度空间结构体系的分类、大跨度空间结构的选型和高效设计建模、主要荷载及结构体系计算、主要节点和支座设计与计算、实际大跨度工程设计流程等内容。

此外，该书还介绍了大跨度网架结构体系的结构分析，如网架结构的非线性有限元分析、各类初始性缺陷造成的整体性能影响以及大跨度网架结构体系的损伤免疫力设计和计算方法等内容。

该书的研究为空间结构设计及结构可靠度分析提供了可靠的指导。

关键字：大跨度空间结构设计；损伤免疫力设计；网格结构；有限元分析；荷载作用；
Content Summary
1.大跨度结构的分类、受力特点及建模
（1）大跨度结构的分类
本书介绍的大跨度空间结构的分类主要内容及其分类如下图1所示。

图1.大跨度空间结构分类及构成
（2）大跨度结构的受力特点
大跨度空间结构的受力特点不同于普通框架结构体系，其传力充分运用空间结构模型的的形态，发挥不同材料的力学性能，没有“主次”之分，主要依靠曲面进行传递。

如薄膜结构体系和悬索结构，直接把外部作用力转化为构件的承载力，发挥空间结构整体的承载效果。

同时，大跨度空间结构自身重量较轻，大大减少了自重荷载的作用，进而实现结构的较大跨度。

（3）大跨度结构空间建模
本书第一章针对当前不同的大跨度空间结构类型因为建模的困难性，阐述了一种通过AutoCAD进行建模的实用方法,并介绍了运用AUToCAD实现实体建模的关键突破口,总结出了一套针对当前不同种异形空间结构体系的CAD建模和网格划分的方法，为大跨度空间结构的设计和结构分析的建模和网格划分提供了便捷，具有较好的实用性。

2.空间结构设计要点
关于大跨度空间结构的设计方面的要点，主要包括大跨度结构规范要求、荷载组合、结构计算、节点设计等内容，具体设计要点如见文。

（1）设计规范与空间结构计算方法
①大跨度结构设计考虑的荷载类型
根据国内现行规范，本书介绍了大跨度空间结构设计所需要考虑的荷载类型如永久荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、积灰荷载、温度应力、吊车荷载、施工荷载、维修荷载等内容，并指明了各类荷载的取值。

②抗震设计计算
由于近来来国内不断频发的工程地震事故，规范对大跨度结构的抗震要求也不断严格。

本书介绍了大跨度空间结构在地震作用下的地震计算方法、网格体系动力性能分析、抗震设计验算及其约束条件、振型分析等内容。

（2）不同节点类型设计及计算
本书介绍了大跨度空间结构常用的节点类型如：螺栓连接类节点、焊接型节点、铸钢类节点、嵌入型节点、预应力型节点等。

同时，本书还对大跨度结构常见的支座构造形式进行了介绍，如平板压力形支座、弧形支座、球铰型支座、平板拉力型支座、单面型支座、可滑移类支座、球铰拉力型支座、橡胶型支座、刚接性支座等内容，为当前设计中大量用到的大跨度空间结构的连接形式、支座选择等提供了重要参考。

①螺栓球节点连接
本书介绍了传统的螺栓模型，同时依据螺栓球的约束条件，对螺栓球直径控制计算公式进行推导，进一步推导出当杆件之间夹角较小时的锥头与杆件约束条件公式。

同时本书该根据推到公式对七类节点实施设计和分析。

通过不同节点对比能够得出结论，通过合理设计杆件之间的夹角，推到出的文本公式螺栓球节点使用钢材的数量要少于计算规程中公式计算的用钢数量；此外，本书推到的公式有效避免了螺栓节点与节点之间的碰撞。

②焊接节点
焊接节点已经在当前大跨度空间结构中广泛使用，该类型节点在工程实践中发现了不同的链接形式和各类形式的优点和缺点。

具体见下图2。

图2焊接节点主要类型和特点
此外，本书还分析了不同焊接节点的受力特点、设计和计算方法等内容。

并对其构造要求验算方法、承载力验算等内容进行了详细介绍，为大空间网格结构计算提供了结合实际的计算方法。

③其他形式节点类型
本书介绍了铸钢节点的形式、材料选取、承载力设计、以及应用工程实例等内容为设计、安装、和结构有限元分析等提供了重要参考。

除了铸钢节点，本书还介绍了嵌入式节点类型，主要介绍了其发展历程、主流结构形式、材料选取、尺寸设计规程等内容的计算方法和原则。

本书还详细介绍了预应力索节点，具体内见下图3所示。

并具体介绍了各类节点的形式和设计计算方法。

图3预应力类节点构成
④大跨度结构支座设计
通常，网架体系都放置到圈梁或柱端位置，支座节点是用于连接大跨度结构体系与承载构件的纽带，其设计对结构受力有着重要影响。

本书介绍的节点支座
分类、内容如下表1所示。

同时还介绍了各类常见的支座，如平板压力形支座、弧形支座、球铰型支座、平板拉力型支座、单面型支座、可滑移类支座、球铰拉力型支座、橡胶型支座、刚接性支座等内容，为大跨度结构支座部分设计提供了参考。

表1.支座设计类型及要点
支座节点分类设计要求影响因素
1、压力形式支座
2、拉力形式支座
3、可滑移类支座
4、转动弹性支座
5、刚性剪力支座具有足够的刚度、强度、体系
受力合理、连接简易、安装便
捷、安全可靠、经济适用、符
合计算规程
温度变化影响、活
荷载变化影响等
（3）空间结构设计案例分析
本书最大的特点之一就是大量结合实际计算案例对设计和结构分析部分进行阐述。

对于设计部分典型案例就是运用USSCAD对某中学体育馆大跨度空间结构进行设计。

①工程概况
该工程为某中学体育馆，建筑为矩形结构，总体58500×45000，功能空间布置：首层篮球、排球场地，二层以上为看台。

具体柱网布置见图4所示。

该项目使用轻型大跨屋面空间结构。

图4.体育馆平面柱网布置图
②设计步骤与设计内容
图5.大跨网格结构体育场设计流程图
该案例设计过程中从设计选型到施工节点设计整个过程进行了大量计算，运用到了前些章节所用归纳的全部内容，案例计算结果和结构验算也比较成功。

作为本书的最大亮点之一，该案例和网壳结构设计的案例，比较有代表性，限于篇幅，不在对网壳结构模型进行详细介绍。

3.大跨度空间结构体系分析
大空间结构体系研究中，当前有限元分析占占有很大部分，本书结构分析部分主要通过有限元计算原理分析、大跨度空间结构初始安装应力分析以及结构的损伤免疫力分析等内容等全面地从理论到实际应用进行了介绍。

（1）空间结构有限元分析理论
基于网壳结构体系的稳定性设计和计算规程要求(JGJ7-2010)，空间结构体系的厚度小于跨度的2%时，必须进行稳定性验算。

稳定性计算机理基于有限元分析，根据刚度矩阵公式对其弹塑性变化全过程进行分析。

计算公式为：
)
1()(-∆+∆+-=∆i t
t t t i t N F U K
结构体系的非线性曲线是基于P-△曲线为基础，非线性分析能够清楚地表
达出结构的刚度、强度、整体稳定性等内容。

大跨度结构体系在荷载布置是，必须将几何缺陷考虑其中，分别取不同最低阶屈曲，数值为跨度的1/300；安全系数Ｋ=4.2。

此外，本书的该部分还介绍了结构体系的几何非线性、杆件单元和梁单元的刚度矩阵。

同时，还运用新方法和成果对传统的非线性方程进行了求解，为进一步有限元分析奠定了计算理论基础。

（2）空间结构安装应力研究
本书为了获取大空间网架体系的杆件安装应力的实际分布情况，分别取跨度为4米、5米和6米的构件进行了安装初始应力试验测量工作。

测量方案选取跨度6米的构件模型实施极限承载力测试，同时将测试结果跟理想弹塑性模型和马歇尔压杆模型的有限元软件的非线性分析结果相互比较。

主要结论如下：
①构件安装时出现极少数杆件出现初始应力超过或接近构件自身的稳定应力极限值要求。

②实际测试，实验构件的承载力比其理论计算值降低了17.9%左右，体系的安全储备系数仅达到 1.25。

由于初始安装应力导致的破坏结构整体不对称、始初弯矩较大、杆件受压失稳等问题直接造成了整体结构不稳定，影响其安全使用性能。

③对于网架结构，在其构件或整体设计时，特别是及极限应力设计，必须认真考虑到初始应力对其使用性能的影响。

（3）空间结构损伤免疫力设计及分析方法介绍
本书介绍的空间结构的损伤免疫力指的是空间网格体系因为小概率事件造
结构选型 体系建模
设计分析
结构施工图绘制
支座节点设计
成的部分构件或节点失效。

为防止进一步破坏，通过设计和结构分析使得体系能够自行调整，形成阻止结构体系连续性破坏机制。

考虑到空间结构体系的这种特殊性设计要求，本书介绍了两种评估结构部分区域受到破坏时整个结构体系的稳定定能能。

本文还介绍了根据等效杆件撤消的结构重分析法，完成了空间结构体系的损伤免疫力评价。

同时还结合实际案例的理论计算，证明了损伤免疫力跟空间结构体系的自身约束条件相关，通过理论计算数值判断出结构体系的内力调整水平及结构自身稳定性能。

①提出网格结构损伤免疫力设计的必要性
随着大跨度空间结构体系的安全系数要求的，要为了保证结构的安全，设计中必须考虑结构易损性的问题[3,4]。

然而，目前在结构易损性分析方面的研究主要针对框架结构，而且处在定性处理的水平[5]。

为了针对空间网格结构这一特定的结构类过程延续，抵抗结构整体连续性倒塌的能力。

②提出网格结构“损伤免疫力”的度量准则
对于网格结构损伤免疫力设计，必须满足以下准则：
第一，必须满足局部或某个构件损伤后不会造成其余构件的承载力失效为设计准则
第二，已损伤构件为的形变特点为重要准则。

第三，必须考虑结构体系的极限承载力为前提。

第四，对于结构整体的可靠度为量度，对结构损伤免疫力评估。

③研究结论
通过这一部分对大跨度空间体系损伤免疫力的具体案例分析体现，结构体系的损伤免疫力设计受结构体系所出的约束条件影响很大。

结构损伤免疫力能够较好地体现结构体系的自身抵抗抵抗局部损伤水平的高低。

大跨度结构设计人员必须将结构损伤免疫力作为结构体系验算的标准，通过结构分析和工程实际对结构体系的免疫力分布进行总结归纳，并找到其构件的低免疫力部分，并以变换杆件截面、材料类型等方式为整体体系损伤免疫力的提高做出保障，进而减少因为大跨度体系连续性破坏造成的安全事故。

Text analysis and evaluation
大跨度空间结构体系作为当前工程建设技术的重要代表形式之一，直接代表了一个国家和区域的工程建设水平。

大跨度结构体系设计和结构稳定性水平直接关系到人民生命财产的安全，这就要求大跨度结构体系具有较高的结构选型、节点设计、安全储备性能、受力性能，本文介绍的武汉大学教授杜新喜所编著的大跨度空间结构设计与分析一书为解决这些问题做了探索。

本书整体分为两个部分分别对结构设计与结构分析两个部分进行了介绍，结构层次清晰、结构布置合理。

结构设计部分，本书分为了四个章节进行介绍，分别包括：①结构常见形式、受力特点和CAD网格划分技术，②结构体系的荷载设计、抗震设计、节点设计、支座设计等，③结构设计实际案例计算。

本书的结构分析部分，主要分为三个章节进行了介绍，即：①大跨度结构有限元分析、非线性分析、稳定性分析等原理，②大跨度空间结构模型的初始安装存在的应力缺陷，如承载力极限、稳定性极限等内容，③结构体系的免疫力设计内容，如结构损伤免疫力的概念提出、结构损伤免疫力设计准则、结构损伤免疫力计算等内容。

对结构设计和结构分析部分的计算规程和工程实际应用进行了介绍。

本书的最大亮点之一就是，结合近年来文献，穿插性地对研究成果、存在的问题以及未来研究方向等内容进行了详细介绍，同时还运用工程实际算理，为理论计算提供了论证
依据。

The conclusion
本书作为土木工程的研究生教材之一，相比同类的教材增加了现代化的制图软件介绍、有限元分析介绍、常见的结构形式计算规程修正分析等内容，同时也借助了近年来作者在期刊上发表的各类行业内代表性的杂志，具有较好的研究思路和显著的研究成果。

该书作为大跨度结构设计和结构分析方面的高等教育图书，是广大改方面研究人员的必选书籍之一。