大跨结构第1讲-大跨房屋结构体系
浅析大跨房屋钢结构建筑的结构体系
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四川建筑科学研究
Ｓｅ ｕ ｎ Ｂ ｉ ｉ ｇ Ｓ ｉ ｎ ｅ ｉｈ ａ ｕ ｌ ｎ ｃ ｅ ｃ ｄ
第３卷 ３
第２ 期
２０ ０ ７年 ห้องสมุดไป่ตู้月
浅析大跨房屋钢结构建筑的结构体 系
袁 雪峰 李效梅 周 俐俐 ， ，
（ ． 台职业技术学 院建筑系 ， １邢 河北 邢台 ０ ４ ３ ； ５ ０ ５ ２ 清华大学建筑学 院， ． 北京 １０ ８ ； ０ ０ ４ ３ ．西南科技大学土木工程与建筑学 院， 四川 绵阳 ６ １ １ ） ２ ０ ０
摘
要： 钢结构建 筑在近几 十年来蓬勃 发展 ， 建筑师在 钢结构建 筑设计 市场上 大有 作为。然而 ， 中国 以建 筑师的设 计思维 在
对钢结构进行研究 的课题甚少 。在大跨房屋钢结构建筑 的结 构体 系 内容被 不断更新 的当前新形 势下 ， 基于传 统思 路的大跨 房屋钢结 构建筑 的结构体系 ， 从建 筑师的角 度 ， 对其进行 了重新 的诠 释与 补充 ， 提出 了新技术 、 材料 、 新 新构件 运用 背景下 的 大跨民用钢结构建筑 的结构体系 。 关键词 ： 大跨房屋钢结构 ； 结构体系 ； 新结构形式
大跨度钢结构
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2.3 拱式结构的特点和应用
特点
•拱式屋盖受力合理 •比梁式和框架式屋盖结构经济指标好(跨度超过80m时尤为显著)
结构布置
•跨度为40∼60m时，拱间距可取6∼10m，无檩或型钢檩条
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2.3 拱式结构的特点和应用 续) 拱式结构的特点和应用(续
•跨度达100m左右时，宜采用相距3∼6m的拱对，拱对间距为9∼15m
减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/20∼1/12 设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/40∼1/30
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2.2 框架结构的特点和应用 续) 框架结构的特点和应用(续
•跨度较大时，常用双铰格构式框架 跨度超过100m时，宜采用无铰格构式框架
11
2.2 框架结构的特点和应用 续) 框架结构的特点和应用(续
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3.2网架类别 续) 网架类别(续 网架类个方向的平面桁架相互交角60° 比两向网架刚度大，适合大跨度 常用于正三角形，正六角形平面 在某些平面形状会出现不规则杆件
正放抽空四角锥网架
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3.2网架类别 续) 网架类别(续 网架类别
斜放四角锥网架
受力合理，杆件数量少 屋面板类型多 屋面组织排水较困难
•三(多)层网架
减少弦杆内力(25%∼ 60%)，减小网格尺寸，大跨经济性好；杆件数量多
三层网架示意图
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3.3平板网架形式的选择 平板网架形式的选择
选择网架型式考虑的因素： 建筑物的平面形状和尺寸、支承情况、荷载大小、屋 面构造、建筑要求、制造和安装的方法及材料供应情况等 • 从平面形状和大小来看，当周边简支时： 平面为方形或接近方形，且为中小跨度时，宜采用两 向正交斜放交叉梁系网架，或正放和斜放四角锥网架。 平面为矩形时，宜采用两向正交斜放交叉梁系网架， 或斜放四角锥网架。 平面为圆形、八角形、六角形、扇形，且平面尺寸较 大时，可选用三向交叉梁系网架，或三角锥网架。 • 从屋面构造来看： 正放网架的屋面板规格常一种，而斜放网架却有两三 种。倒锥体网架的上弦网格较小，因而屋面板规格也较小
房屋 建筑学 大 跨度 建筑构造 大 跨度 建筑结构型式与建筑造型
房屋建筑学大跨度建筑构造大跨度建筑结构型式与建筑造型大跨度建筑结构型式与建筑造型结构是房屋的骨架，是形成建筑内部空间和外部形式的物质基础，结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的。
某种新的结构一旦产生并在工程实践中反复出现时，便会逐渐形成一种崭新的建筑形式。
可见结构技术是影响建筑的重要因素，在大跨度建筑中尤其如此。
通过上述例子说明，在建筑设计中，选择结构型式不仅是结构工程师的工作，也是建筑师的职责，现代建筑的特点是建筑艺术与建筑技术的高度统一。
建筑师只有对各种结构形式的基本力学特征和适用范围有深入的了解才能自由地进行创作，把结构型式与建筑造型融为一体。
现就大跨度建筑常见的各种结构型式及其建筑造型作介绍。
一、拱结构及其建筑造型拱结构及其建筑造型(一)拱的受力特点、优缺点和适用范围拱是古代大跨度建筑的主要结构型式。
由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的变矩值可以降低到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。
但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。
常见的方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。
很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。
拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。
古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢桁架拱，跨度可达百米以上。
拱结构所形成的巨大空间常常用来建筑商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。
(二)拱的型式拱结构按组成和支座方式不同分为三铰拱、两铰拱和无铰拱三种。
(三)拱结构的建筑造型拱结构的造型主要取决于矢高大小和平衡拱推力的方式。
拱的矢高对建筑的外部轮廓形象影响最大。
矢高小的拱，外形起伏变化小，呈扁平状，结构占用的空间小，但水平推力和拱身轴力都偏大。
而矢高大的拱，外形起伏变化强烈，产生的水平推力和轴向力都较小，但拱身材料耗费量多，拱下形成的内部空间大，拱曲面坡度很陡，当采用油毡屋面时，容易出现沥青流淌和油毡滑移现象。
大跨度房屋的界定标准
大跨度房屋的界定标准
大跨度房屋的界定标准有以下几种：
1. 混凝土结构：跨度在30m以上的房屋。
2. 钢结构：跨度在60m以上或横向跨越60m的房屋。
3. 框架结构：跨度在18m以上的房屋。
大跨度房屋通常用于大型公共建筑和工业建筑，如民用建筑的影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑，以及工业建筑的飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房等。
请注意，对于具体的建筑项目，还需要考虑当地建筑规范和标准，以及建筑师和工程师的建议和要求，来确定大跨度房屋的界定标准。
大跨度结构其结构体系有很多种
大跨度结构其结构体系有很多种，如网架结构、索结构、薄壳结构、充气结构、应力膜皮结构、混凝土拱形桁架等，常用于展览馆、体育馆、飞机机库等。
一.网架结构网架结构为大跨度结构最常见的结构形式，因其为空间结构，故一般称为空间网架。
其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。
常见的为平面桁架、四角锥体和三角形锥体组成，其节点形式可分为焊接钢板节点和焊接空心球节点两种。
二.索结构索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，可以说是土木工程中结构形式互通互用的典型范例。
三.薄壳结构薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。
圆形圆顶结构是轴对称结构，在轴对称荷载作用下，将只产生两种力：径向力和环向力。
径向力为沿经线方向的力，因其要平衡垂直向下荷载，所以必定为压力。
环向力为沿纬线方向的力。
圆形屋顶在垂直荷载作用下，上部的圆顶部分将受压收缩，其直径将变小，而下部近支承部分直径将增大，即上部将产生环向压力，而下部将产生环向拉力，中间将有一截面，为环向压力向环向拉力转变的交界线，该处的环向力为0，该截面称为“过渡缝”。
悉尼歌剧院格拉加尼亚修道院教堂上页下页四.混凝土拱形桁架混凝土拱形桁架在以前的工程中应用较多，但因其自重较大，施工复杂，现已很少采用。
目前最大跨度的拱形桁架为贝尔格莱德的机库，为预应力混凝土桁架结构，跨度为135.8m。
日本姬路市中心体育馆五.充气结构充气结构又称充气薄膜结构，是在玻璃丝增强塑料薄膜或尼龙布罩内部充气形成一定的形状，作为建筑空间的覆盖物。
对角跨长200m,由室内地面至顶高6.07m的东京穹顶，是不用柱子，只依靠室内外气压差来制成的膜屋盖结构，也是在日本最初用于多功能全天候的体育场，约30,000平方米超大椭圆形屋顶，采用悬索加强的充气膜结构。
其双向各配置14根共28根钢索，在其上张拉着涂有特富龙的玻璃纤维布。
请看充气膜的充气过程：六.应力膜皮结构应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结构。
关于大跨度钢结构设计的一些探讨
关于大跨度钢结构设计的一些探讨对于建筑结构来说，跨度越大，则其自重就越大且其水平构件的弯矩将按跨度比的平方增长，这是极其不利的，钢结构强度高而质量轻且结构形式灵活，用于大跨度结构具有较大的优势，因此在建筑结构中应用广泛，例如体育馆、候车室、飞机库、航站楼等大跨度结构都用到了钢结构。
本文主要对大跨度房屋钢结构设计中需要注意的一些问题进行简单的探讨。
标签：大跨度房屋；钢结构；设计在众多的结构形式中，钢结构具有强度高、重量轻、组装简单、施工周期短等优点，在进行钢结构设计时，要根据具体的工程情况，选择合适的结构形式，在钢材选择上，要充分考虑结构的受力形式和大小，而且要根据建筑结构的标准，考虑钢结构的抗火要求。
此外，钢结构建筑一般是采用工厂加工，现场拼装的方式进行施工，这就需要钢结构在运输和起吊过程中有足够的刚度，并保证稳定性要求。
1大跨度房屋钢结构分类大跨度房屋钢结构按刚性差异以及它们的组合不同，分成三类：刚性结构、柔性结构及杂交（刚柔混合体系）结构。
在此主要介绍以下两种大跨度房屋钢结构。
1.1刚性大跨度房屋钢结构刚性大跨度房屋钢结构的构成如下：由大量钢杆件组成，如：空间桁架、网架等，根据结构单元的形式不同可以分为以下两种类型，一种称为空间网格结构，另一种称为空间结构。
1.2 柔性大跨度房屋钢结构柔性大跨度结构可由其受力体系的不同分为以下三类：竖直平面结构、水平层面结构及空间结构。
在柔性钢结构中，其受力较均匀，而且结构受力主要集中在竖直、水平和空间对称位置上。
如：悬索结构、膜结构等。
2 大跨度房屋钢结构的设计要点对于大跨度房屋结构来讲，其主要设计依据是所受的荷载类型，按照相关的标准，可以将荷载分为以下几类：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。
在进行结构设计时，还要注意结构布置合理、防震缝的设置等问题。
2.1永久荷载对大跨度房屋结构，永久荷载主要由以下两方面组成：屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。
在永久荷载计算过程中，要根据具体的情况，不要遗漏任何应该计入自重的构件材料。
大跨房屋钢结构建筑结构体系论文
浅析大跨房屋钢结构建筑的结构体系【摘要】随着我国改革开放的进一步深化和世界知识经济的普遍发展，经济腾飞，人民生活水平日益提高，房产建筑和交易市场呈现出前所未有的繁荣景象。
20时间后半期，土木工程和结构工程涌现出更高、更大、更长的超大型复杂结构，大跨房屋钢结构建筑形式得到更为广泛的应用，然而中国以建筑师的设计思维和视角对此进行研究的课题甚少。
本文基于传统大跨房屋钢结构建筑体系的理论和实践，从建筑师的角度，充分考虑建筑因素的复杂性和难度处理，对其基本构成要素和材料、构件、技术等进行详细分析，并参考《大跨空间结构选型的因素体系模型》一文的建模系统，对大跨房屋钢结构建筑的结构体系进行了重新的诠释与补充。
旨在为民用钢建筑提供新思路和新方法，提高工程质量、加快工程进度、降低施工成本。
【关键字】大跨房屋钢结构；结构体系；新结构形式1 大跨度钢的主要内容和应用情况1.1 大跨度钢的主要内容和特点理论界普遍认为大跨度钢结构体系覆盖范围广、包括内容多，很难用明确、严格的定义来说明，一般认可跨度超过60m的结构可以称为大跨度结构。
由于其结构上的多跨、连续跨等形式不同和受力特征的区别，又可概括出以下体系：大跨度钢结构具有形式多样化、多姿多彩的特点。
自上个世纪60年代以来，这种结构在我国得到广泛应用，直至80-90年代，中、小型跨度网架已经遍布各地，体育场馆、工厂车间、居民住房、机场等都使用了大跨度钢结构。
这种结构由逐杆相连改为上、下弦杆连续设置，较方便地形成多曲率，不存在节点连接件，结构用钢量可与网格结构持平或有所减小。
除此之外，代预应力技术的引入使大跨度空间钢结构更具活力，呈现出先进性、合理性、经济性的优势，改善了原结构的受力状态和内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。
构新材料的应用和计算机技术的进步也极大地推动大跨空间钢结构的进步与发展。
广厦钢结构 cad 系统、天津空间网架工程公司 tjwj909，以及浙大空间网格结构分析设计软件 mstcad 都是大跨度钢结构更加完善。
大跨度房屋结构
大跨度房屋结构摘要：随着经济的发展，大跨度结构在公共建筑中的应用越来越广泛。
关键词：大跨度;实腹式框架;格构式框架Abstract: with the development of economy, big span structure in the public buildings used more widely.Keywords: big span; Solid-web framework; Of lattice frame大跨度房屋结构常用于公共建筑。
公共建筑如大会堂，影剧院，展览馆，音乐厅，体育馆，加盖体育场，市场，火车站，航空港等，受使用要求和建筑造型要求所制约，具有大的跨度。
它们是为了满足人类社会文化生活不断丰富的需求而产生的。
大跨度房屋结构也用于工业建筑。
特别是航空工业和造船工业中，更多地采用大跨度结构如飞机制造厂的总装配车间，飞机库，造船厂的船体结构车间等等。
这些建筑采用大跨度结构是受装配机器（如船舶，飞机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。
大跨度建筑物的用途，其使用条件以及对其建筑造型方面要求的差异性，决定了采用结构方案的多样性------梁式的，框架式的，拱式的，空间式的以及悬挂-悬索式的。
梁氏及框架式体系，较常用于矩形平面的大跨建筑无盖；拱式体系具有建筑造型方面的优点，跨度在80m和更大时，这种体系比较经济；呈网格或实腹薄壳及褶板，平板网架结构，穹顶或篷盖状的空间体系，用钢量最为经济，多用于圆形或矩形的房屋平面。
悬挂结构体系中主要承重构件是用高强材料制作的受拉索缆（钢绞线，高强钢丝束等），轻巧是它的最大优点。
这种结构体系制造和安装都比较简单。
大跨度屋盖主要具有矩形平面。
但是公共建筑如影剧院，音乐厅，体育馆，展览馆等，除了矩形平面，也可能具有圆形或椭圆形平面。
采用普通矩形以外的平面，使屋盖结构的构成复杂化，这不便于使用定型结构构件。
大跨建筑物一般不属于大量建设项目，其建筑及结构方案极具个性，当然，这也在一定程度上限制了结构的定型化及工业化。
大跨建筑结构构思与结构选型作业——张拉结构体系屋盖模型实验
【实验目的】通过动手制作及准备过程了解其形态分类、力学特点、组合与演化方式 【实验材料】线、绳、纸板、金属丝等 【实验要求】选取一种张拉结构原型，通过参数调度，演化出不少于三种组合方式和形象。
【报告正文】 一．结构原型 拱壳结构 （1）拱-壳杂交钢结构通过拱
将整个网壳划分为若干局部区段，利用拱结构 整体刚度大、稳定性好的优点，一方面使网壳 结构在变形后内力重分布，提高了结构出现整 体失稳时的承载力；另一方面抑制了局部区域 失稳的扩散，降低了网壳结构对缺陷的敏感 性。（2）网壳结构对拱结构的侧向稳定也有很 大帮助。因此，拱-壳杂交钢结构的整体稳定 性较纯网壳结构有很大提高（如图 1 所示）。
高结构刚度。由于轮辐式悬索结构，特别是柔
性轮辐式张拉结构，空间尺度大、自重轻、受
力合理、极限承载力高并且建筑造型轻巧新
颖，已广泛应用于各种大型复杂的工程中。
图2
二．演化方式 1、索壳组合 把柔索与硬壳结合而成的索壳混合结构是改善索系刚度与稳定性的有效办法之一。
-1-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2、索杆组合结构 由拉索与压杆组合成各种形态，索的拉力经过一系列中介压杆而转变方向，使拉索与压杆 借其交织产生空间刚度。最后靠杆对索施加预应力，使索直网紧，达到预定的要求。
-3-
3、双层车辐式张拉结构 在车辐屋盖的柔性结构部分中,径向索、飞柱和环索为主要受力构件,上、下弦径向索之间 的连接索为次要构件。
三．制作体会
-2-
悬索结构类型虽多、式样各异，但其原理与特性却相同， 具有下列共同的优点： 1、受力性能优良 用柔索建立刚性屋面的问题已基本解决。在设计之初就要慎重选择屋盖的几何形状，以 保 证悬索结构的刚度与稳定性。一般规律是双层索系优于单层索系，同向双曲面由于单向曲面， 反向双曲面优于同向双曲面，预应力者优于非预应力，轻屋面优于重屋面。 因之，反向双曲预应力索网是理想的悬索结构型式。其刚度极大，变形很小，结构稳定性 强，屋面排水性能好，抗振性能好，自重轻。 2、非常经济 无论耗钢量、结构重量、造价等各个方面，都是跨度越大越经济。因为小跨的钢索锚固、 边缘构件与支承结构费钱，并不经济。一般悬索结构用于 60m 跨以上。 同时应当注意，悬索结构的经济性只有在合理的型式与屋面材料条件下才充分显示出来。 3、施工简便 索轻，无需满堂鹰架，除预应力张拉设备外，一般施工机械设备即能满足要求。 4、平面适应性强，造型优美 几乎任意形状的建筑平面与体型都可适用悬索结构，且其造型新颖、多样、优美。边缘构 件与支承结构不同，悬索结构的整个建筑体型与空间就不同，它们完全取决于前两者的型式与 组成，而悬索仅仅是一层外皮。这是设计者必须重视的。 通过模型的制作，我更深入地了解了拱壳结构和张拉结构形式，并对其形态、受力特点、 组合及演变方式有了全新的认识，并对这两种结构各部位的受力情况有了亲身的感受，结合老 师对其的讲解，理论联系实际，便于日后在设计中应用。
大跨度房屋钢结构设计与分析
大跨度房屋钢结构设计与分析摘要：当今社会经济飞速发展,人民生活水平日益提高,世界各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物。
来满足人们对生活空间的追求。
大跨度房屋钢结构设计是经济和社会发展的需要。
本文介绍了大跨度钢结构设计的现状和大跨度房屋主要的钢结构划分，分析了大跨度房屋钢结构的设计要点。
关键词：大跨度，房屋，钢结构，设计要点引言与其他材料的结构相比,钢结构具有材料强度高、结构重量轻;结构的塑性韧性较好;钢结构的制造简单施工周期短等优点。
我们在进行钢结构设计时,应当从工程实际出发,合理选用钢材,选择高强度、具有较好经济指标的钢材;在结构方案选择上,应尽可能采用标准化、模数化的结构布置;在连接设计中,应选用构造简单、传力直接的节点形式,并应满足构造要求;另外,在钢结构设计中,还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求,并应针对钢结构的实际,满足防火、防腐的要求。
宜优先选用通用的和标准化的结构和构件,减少制作、安装工作量。
一、大跨度钢结构设计的现状与设计其他形式的钢结构一样，大跨度钢结构设计主要解决结构体系设计、构件设计及连接节点设计等方面的内容。
与其他形式钢结构不一样的是，大跨度钢结构体系几何与材料非线性影响突出，延性性能成为其体系、构件、节点的安全控制因素。
在工程实践中，设计技术人员迫切需要设计规范提供明确的大跨度钢结构计算分析理论与设计方法、与现代计算技术相应的工程实用计算软件以及明确的结构承载力与变形能力安全控制指标。
我国现行钢结构及相关设计规范( 程) 对体系、构件及连接节点等三个层次设计的现状可简单总结如下:1、在计算理论与设计方法方面，现行钢结构及相关设计规范( 程) 对计算理论与方法的规定，相当程度是基于手算或平面简化计算技术，对于空间受力的大跨度钢结构体系缺乏适应性。
此外现行钢结构及相关设计规范( 程) 对连接设计有计算公式，对节点设计缺乏明确的计算理论和方法。
第二章平面承重大跨钢结构
管结构的适用范围：
不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的直接 焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件节点 受力情况复杂。
第二章平面承重大跨钢结构
第二节 框架结构体系
与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，且 横梁高度可以取得比梁式结构的高度小，刚度也较 大，常用于工业建筑。
桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于35～ 40m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的，以 减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反力 一般由屋架下弦的弹性变形产生。*
第二章平面承重大跨钢结构
上海证卷大厦
连接两幢主楼 的天桥桁架跨度 63m，共支承着从 17层至26层共8个 楼层，采用了H型 钢重型桁架。
第二章平面承重大跨钢结构
上海浦东国际机场 第二章平面承重大跨钢结构
上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m，跨 中高度超过11m，单榀屋架梁重55吨。
为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁 在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置了 一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。
第二章平面承重大跨钢结构
2 结构特点
（1）主体结构采用门式刚架，刚架可以是单跨、 双跨或多跨，还可带附跨。
把中柱做成摇摆柱体现了材料集中使用的原则。
第二章平面承重大跨钢结构
（2）采用变化构件截面的手段以适应弯矩变化是 门式刚架轻型化的技术措施之一。柱脚常用铰接， （当有桥式吊车时用等截面、柱脚固定）。
第二章平面承重大跨钢结构
重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系 的整体刚度是非常重要的。
第二章平面承重大跨钢结构
大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，决定于跨 度、屋面型式及吊天棚结构的形式，常用的有梯形 和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般 为1/6～1/8。
《钢结构》第八章-大跨度房屋结构PPT课件
2021/3/12
7
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第八章 大跨度房屋结构 单层悬索体系
悬挂式屋盖常用的有：
双层悬索体系
2021/3/12
金属薄壳—膜、鞍状 应力索网等
8
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
感谢您的阅读收藏，谢谢！
2021/3/12
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第八章 大跨度房屋结构
2021/3/12
1
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第八章 大跨度房屋结构
大跨度建筑物的用途、其使用条件及对其建 筑造型方面的要求的差异性，决定了采用结构方 案的多样性—梁式的、框架式的、拱式的、空间 式的以及悬挂—悬索式的。
2021/3/12
2
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第八章 大跨度房屋结/3/12
3
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第八章 大跨度房屋结构
空间网架屋盖结构
第八章 大跨度房屋结构
按支撑情况分类 1、周边支承网架 2、点支承网架 3、周边支承与点支承混合网架 4、三边支承或两边支承网架
2021/3/12
6
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第八章 大跨度房屋结构
网架结构的设计特点
一般设计规定 1、选型 2、网格尺寸和网架高度 3、网架结构体系的屋面 4、网架杆件 5、网架节点设计与构造要点
浅析大跨度房屋钢结构设计
浅析大跨度房屋钢结构设计摘要:对于大跨度房屋钢结构的框架进行了详细的介绍，整合了多个大跨度房屋的钢结构设计经验，并对其结构设计进行了系统的分析和归纳，对大跨度房屋钢结构的设计研究有重要的意义。
关键词：大跨度房屋钢结构设计分析1、前言随着社会的发展与进步，钢结构在大跨度房屋设计中应用越来越广泛。
钢结构相较于其他的材料结构有其鲜明的优点，比如有足够高的材料强度、较好的塑性和韧性、简单的制造工艺和较短的施工周期等。
在实际的工程应用中，应该科学的对钢材进行筛选，尽可能的选择有较高强度和性价比相对高的钢材；在其结构选择上，根据其标准要求合理的选择相应的结构方案；在其连接处的设计中，尽量采用较为简单的力学传递结构，满足其应有的运动要求。
此外，在实际的钢结构设计中，还要使钢结构在实际应用过程中满足其各个参数的要求，并根据实际需要做好防火和防腐等方面的设计。
所以，应该优先选择通用性的钢结构构件，减少其制作安装的流程，提高材料的实用性。
2、大跨度房屋主要的钢结构划分根据刚性差异，大跨度房屋钢结构可以分成以下三种：刚性结构、柔性结构和杂交结构。
其中，杂交结构可以用两种方式来获得，一种是通过刚性结构和柔性结构的有机组合，另一种是利用变更传统结构的特点，这里我们更多来讨论刚性大跨度房屋和柔性大跨度房屋。
2.1刚性大跨度房屋结构刚性大跨度房屋的组成结构主要包括钢梁和钢相架，且它们自身的刚度决定着刚性大跨度房屋总体的机构刚度。
所谓的空间网格结构就是指结构组成是规则的空间单元，而空间结构的定义与其正好相反。
空间网格结构的形式主要有网站结构、网壳结构、组合网架结构和预应力网架结构等。
空间网格结构一般由钢杆件组成，有众多优点，比如合理的受力、简单方便的计算过程、较大的刚度、优良的抗震性能、丰富的造型、较强的适应性等。
空间结构一般由钢梁或者钢析架组成，在跨度较大的情况下还应该用预拉力索来增加结构的刚度、减少钢的用量。
除了与空间网格结构相同的优点之外，还有其它优点。
《大跨度房屋刚结构》课件
保证结构的承载能力和稳定性
2
经济性
在满足功能需求的前提下，尽可能节约材料和成本
3
美学考量
拥有良好的外观和空间感
施工要点
基础施工
确保基础的稳固和坚实
防水保温
有效防止水渗漏和保证室内舒适度
结构组装
精确的组装和连接工艺
验收评估
严格的检查和评估工作，确保质量和安全
优势与挑战
优势
创造宽敞舒适的空间、灵活性、坚固稳定的结构、 适用于多个用途
灵活的设计
可适应多种功能和用途的建筑， 满足不同需求
刚性结构
具有强大的承载能力和稳定性
应用领域
1 体育场馆
为观众提供无遮挡的视野和舒适的观赛体验
2 会展中心
容纳大规模展览和会议活动，利用空间最大化
3 机场航站楼
提供宽阔的候机区域和流畅的旅行体验
4 大型工厂
优化生产流程并提高生产效率
设计原则
1
结构安全性
挑战
复杂的设计和施工、较高的成本和维护难度、限制 性的建筑要求
发展趋势
1 可持续性
注重能源效率和环境友好
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 数字化技术
运用BIM和VR技术增强设计和施工效率
3 工业化建造
采用模块化和预制构件，加快建造速度
《大跨度房屋刚结构》 PPT课件
本课件将深入探讨大跨度房屋刚结构的定义、特点、应用领域、设计原则、 施工要点、优势与挑战以及发展趋势。
定义
1 跨度量大
指大于15米的建筑跨度
2 结构刚度高
能够承受大荷载，并保持 稳定性
3 建筑高度低
大跨度房屋常用于宽敞的 空间，而非高层建筑
第九章 大跨屋盖结构
厦门国际会展中心
厦门国际会展中心
81×81米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦 标高为10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米， 沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶，由于该区屋面为屋 顶花园，屋面活荷载按8.0KN/m2设计,故屋盖承重结构选用钢桁 架,并且正交桁架高度相等,弦杆为刚接,在纵向垂直支撑、系杆 的保证作用下形成空间桁架结构体系。
(6)如果需要考虑温度变化引起的网架内力，可采用 空间桁架位移法，或近似计算方法。 (7)对非抗震设计的网架，荷载及荷载效应组合应按 国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009—2001 的规定进行计算。 (8)对抗震设计的网架， 荷载及荷载效应组合尚 应符合国家标准《建筑 抗震设计规范》的规定。
五、网架高度及网格尺寸 ⑴网架高度：与屋面荷载、跨 度、平面形状、支承条件及 设备管道等因素有关。 下列情况时，网架高度大些： A、屋面荷载较大、跨度较大时； B、狭长平面时，单向传力明显 时； C、点支承网架； D、网架中有穿行管道时。
⑵网格尺寸：与网架高度关系密切。 A、斜腹杆与弦杆夹角在40°～55°之间为宜； B、网格尺寸要与屋面材料相适应，直接铺设钢筋混凝 土板时尺寸不宜大于3m。 C、若采用有檩体系时，檩条长度一般不超过6m。 对周边支承的各类网架高度及网格尺寸按下表选用。
— 系数，对钢管杆件网架取1.0；对型钢杆件网架取1.2。
2、网架结构的可变荷载有： ①屋面(或楼面)活荷载； ②雪荷载(雪荷载不应与屋面活荷载同时组合)； ③风荷载，由于网架刚度较大，自振周期较小，计算 风载时可不考虑风振系数的影响； ④积灰荷载； ⑤吊车荷载(工业建筑有吊车时考虑)。 3、抗震设防烈度为6度或7度的地区，网架屋盖结构可 不进行竖向抗震验算； 在抗震设防烈度为8度或9度的地区，网架屋盖结构应 进行竖向抗震验算。
建筑概论第8章 大跨建筑简介
中国国家游泳中心，平面尺寸177m×177m，是世界上最大的膜结构工程，总 建筑面积65000～80000平方米，见图8-33。除地面外，外表面都采用了膜材料— ETFE。
图30 阿拉伯塔酒店图
图31 水立方
（六）充气结构
充气结构是由薄膜材料制成的构件充入空气后形成的结构，具有自重轻、跨 度大、构造简单、建造方便外形灵活等优点。
图3 德国法兰克福机场机库
图4 马拉卡拉体育场
（5）首都人民大会堂，采用的是钢屋架，跨度达到60m，南北长336米，东西宽 206米，高46.5米，占地面积15万平方米，建筑面积17.18万平方米。比故宫的全 部建筑面积还要大。见图5。 （6）北京奥运会主场馆“鸟巢”，目前是世界上跨度最大的钢结构建筑，外形像 鸟巢，立面与结构达到了完美的统一，工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，南北长
深圳龙岗商业中心建筑面积114300平方米，2003年开工兴建，是我国也是 世界上第一个充气悬浮的建筑，见图32。
图32 深圳龙岗商业中心
（七）应力蒙皮结构
应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结 构。
1959年建于美国巴顿鲁治的应力膜皮屋盖，是第一个应力蒙皮大跨结构。屋 盖直径为117m，高35.7m，由一个外部管材骨架形成的短程线桁架系来支承804 个双边长为4.6m的六角形钢板片单元，钢板厚度大于3.2mm，钢管直径为 152mm，壁厚3.2mm，见图33。
大跨空间析架弦支穹顶结构体系及建造关键技术研究与应用
大跨空间析架弦支穹顶结构体系及建造关键技术研究与应用说起大跨空间析架弦支穹顶结构，嘿，这可是个不得了的东西。
你要是从天上俯瞰，看到的可能是一座座仿佛挂在天上的“大网”一样的建筑。
它们常常出现在大型场馆、体育馆、展览中心这些地方，造型霸气，气派十足，给人一种大气磅礴的感觉。
你看那些建筑，表面简洁得很，但细看时，你会发现它们的结构就像是一座精密的时钟，里面有着无数条支撑力、压力和力量的“线路”。
这玩意儿要搞明白，得先从它的“骨架”说起。
这个架子啊，咱就叫它“弦支穹顶”。
别看名字长得有点儿高深，实际搞清楚了，就跟拆开一块拼图似的，容易明了。
这东西的好处多了，它比传统的钢筋混凝土建筑轻得多。
想象一下，如果你在一个巨大的空间里放上一个笨重的屋顶，那顶棚一旦下沉，就麻烦了。
可是弦支穹顶，嘿，它的力学结构设计得巧妙无比，能够均匀分布压力，避免让整个结构“塌下去”，说白了，就是一个“不怕压力”的好帮手。
更让人惊叹的是，很多时候它不需要那么多的支柱就能站得稳，这简直是给空间腾地方！你不禁想，哇，这设计真是妙啊，空间大了，视觉感受也不一样，整个建筑看起来都开阔了不少。
不过，你可能会问，那建造这种弦支穹顶，难度是不是特别高？嘿，没错，真得难得要命。
要知道，造一个这样的结构，首先得考虑如何把这么复杂的元素搭建起来。
就像做拼图似的，一开始每个零件都很散，每个构件之间的连接要精确到毫米级，谁都不能马虎。
大家都知道，建筑嘛，任何一个环节出差错，可能全局就得“推倒重来”，所以在施工过程中，那些技术工人可得像医生一样，手稳眼准，每一个动作都得小心谨慎。
别说是安装这些弦支、钢架了，就是每一根材料的搬运，都是对技术团队的挑战。
除了这些技术挑战，还有一个不得不提的就是施工时的“精准度”。
这些大跨空间结构，材料的搭配、铺设，都是按照最严苛的标准来的。
工程师们计算得死死的，一点儿误差都不允许。
所以，一开始设计时，要做到“心中有数”，连每一根钢筋都要算得清清楚楚，计算得明明白白。
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大跨度房屋结构
主讲教师：石永久
一、一、大跨度房屋大跨度房屋建筑关注和研究的问题建筑关注和研究的问题
1建筑理念的创新性1、建筑理念的创新性
2、建筑结构的统一性
3、技术和经济的合理性
4、建筑与自然的协调性
5、公众的认同性
6、结构体系的先进性
二、大跨度房屋的结构特点
1、构造
①几何尺寸大跨度大），
①几何尺寸大：跨度大（
（L>60m
结构要求起控制作用；
②个别性强难以定型但构件可标准化生产
②个别性强：难以定型，但构件可标准化生产；
③屋盖问题突出
③屋盖问题突出：为结构
的主要部分，耗材料多，约
左右；
50%左右；
占总造价50%
占总造价
④层跨特点为主
；
单跨为主
为主；
、单跨
④层、跨特点：单层
单层、
造型、
外观造型、⑤建筑要求：对设计影响大，如平面形状、
⑤建筑要求：对设计影响大，如平面形状、外观
温、视听、排水等，美观、采光、通风、保温
美观、采光、通风、保
；
标志性建筑；
标志性建筑
⑥建筑、结构和使用功能的统一。
2、荷载
①屋盖自重：恒载比例大；
雪：引起振②风雪：引起振动②风、雪：引起振②风、雪：引起振动动、掀起掀起，堆积，，堆积，坍塌等坍塌等；；
③温度：变形大、超静定结构内应力大③温度：变形大、超静定结构内应力大，大空间火灾，大空间火灾；；
多点输入；
④地震：竖向作用,,多点输入
④地震：竖向作用
⑤安装：整体提升不同步；
⑥不均匀沉降对不均匀沉降敏
⑥不均匀沉降：对不均匀沉降敏感。
混凝土，
，
①结构材料：轻质高强，受拉钢，受压混凝土
——
、膜、铝合金；
、玻璃、
木、玻璃。
装饰、承重、防水、保温。
②建筑材料：轻质，多用，
②建筑材料：轻质，多用，耐久，
耐久，装饰、承重、防水、保温
4、设计
①分析计算工作量大：结构大，节点和杆件多；
；①分析计算工作量大结构大节点和杆件多
①分析计算工作量大：结构大，节点和杆件多
②高次超静定，整体稳定和几何非线性分析复杂；
③构造复杂：考虑制造、运输、拼装、安装等因素；
材料、
、新安装工艺、机械和
测控技术。
安装工艺、机械和测控技术。
：新材料
机械和
新技术：
安装工艺机械和测控技术
测控技术
④高新技术
5施工5、施工
①制造：尺寸准确，控制积累误差，鸟巢试拼装，降低残余应力和初始应力；②运输交通工具限制尺寸保证侧向刚度②运输：交通工具，限制尺寸，保证侧向刚度；
③安装：③安装：空间空间定位定位,,拼装次序合理，吊装验算，防止倾覆。
充分发挥材料性能，节省材料--
①充分发挥材料性能，节省材料无弯矩；
②基础反力（推力小）
基础反力（推力小）；
③安装过程简单；
③安装
结构艺术性强。
④结构艺术性强
三、大跨度房屋结构应用①仓①仓储储（7272m m 刚架刚架）、煤棚）、煤棚(127m)(127m)、机库；、机库；②工业厂房：②工业厂房：190190××420420m m 网架②厂房网架网架；；③体育场馆体育场馆、娱乐中心、娱乐中心；；展览会议厅影剧院④展览，会议厅，影剧院展览，会议厅，影剧院；；⑤车站、航空港车站、航空港；；
⑥超市、商场
上海世博会
广州亚运会
高速铁路车站
航站楼
四、我国大跨度房屋结构的发展
L=61m 1959 铆接钢屋架
人民大会堂L=61m 1959
工人体育馆
, 1961
双层轮状悬索,
首都体育馆
, 1967
矩形平板网架
吉林滑冰馆吉林滑冰馆,,L=59L=59m m
黑龙江黑龙江滑冰馆滑冰馆,,L=86L=86m m 双层悬索双层悬索, , 19961996双层悬索双层悬索, , 19861986
国家大剧院
空腹桁架椭球壳体结构，
长轴21192119m 短轴14321432m 2452m 长轴长轴211.9211.9m m ，短轴短轴143.2143.2m m ，高45.245.2m m
首都机场T3：网壳结构
香港机场：网壳结构
北京奥运场馆
鸟巢：空间桁架结构
National Stadium(Bird Nest)
水立方：空间空腹网格结构
176mx176mx29m Aquatic Center(Water Cubic)
五棵松篮球
国家会议中心
Wrestling Hall
National indoor stadium 国家体育馆
农大体育馆
Judo Hall
科大体育馆
Judo Hall
Valley Ball Hall Badminton Hall
理工体育馆
工大体育馆
北大体育馆
Table tennis Hall
老山自行车馆
北京射击馆
沈阳奥林匹克中心
天津奥林匹克中心
五、国外典型大跨度房屋结构
新奥尔良超级穹球面网壳
L=205m 1989 抛物线网壳，可开启多伦多天穹抛物线网壳，可开启
格林威治千禧顶
D=320m 1999 张拉索膜
佐治亚穹顶
L=192m 1992张拉索膜福冈体育馆D=222m 1993 三块扇形网壳，可开启
，钢拱架，膜屋面
107m m高，2000
225m m跨,107
363m长，
长，225
柏林机库：363m
六、大跨度结构常用的结构形式平面结构梁屋架框架刚架拱平面结构：梁、屋架、框架、刚架、拱
平面结构：梁、屋架、框架、刚架、拱；；单向受力单向受力，，计算理论成熟计算理论成熟；；
；
薄膜、张拉、悬挂、杂交；
、薄膜、张拉、悬挂、杂交
薄膜张拉悬挂杂交
预应力
应力、
，非线性，大变形。
高次超静定，三向受力
高次超静定，三向受力，
D=108m，
，D=108m
天津体育馆
天津体育馆，
，1995
球面网壳，
球面网壳
刚性体系：
刚性体系
、树枝；
网架、网壳
网架网壳树枝
网架、网壳、
、为主，
受压、
稳定问题突出
悬索、索膜、张拉；
：悬索、索膜、张拉柔性体系：
柔性体系
几何非线性结构
体系：
混合
混合体系
受拉柔性；
性，受拉柔性；受压
受压刚
刚性，
张弦桁架，预应力索拱。
张弦桁架预应力索拱
（1）网架结构设计与施工规程（2）网壳结构技术规程
（3）钢筋混凝土薄壳结构设计规程（4）悬索结构技术规程
（5）膜结构技术规程
（6）预应力钢结构技术规程
八、大跨结构的发展前景
)()社会社会需求需求巨型场所人工环境(1)(1)社会社会需求：巨型场所，人工环境，需求：巨型场所，人工环境，自自然景观保护观保护,,更大跨度300~400m ；(2)(2)高强轻质材料：复合材料，碳纤维，有机材料，非金属；高强轻质材料：复合材料，碳纤维，有机材料，非金属；
多种体系混合；
，可开闭结构
(3)
；
杂交结构，
新结构形态：
(3)新结构形态
：杂交结构
，非线性计算理论，
高效算法，非线性计算理论，先进的计算理论和手段：
(4)
(4)先进的计算理论和手段
：高效算法
，大型有限元程序和高性能计算机，结构地震，风振，颤振
风振，颤振，大型有限元程序和高性能计算机，结构
地震，
控制；
精确加工制造技术；
(6)精确控制施工技术
精确控制施工技术；
(7)节能环保
节能环保
化，（8）建筑结构
建筑结构“另类”
机械结构
结构，仿生建筑机械
结构”，仿生建筑
”，仿生建筑“机械结构
“机械
空间结构非线性分析
空间结构整体抗震性能，多维地震作用
空间结构与风相互作用
精细化、全过程分析
抗火、抗倒塌
张拉和索膜结构非线性风振
预应力结构体系和整体安全性
空间结构使用安全监测
钢管节点、铸钢节点、张拉节点
十、本课程的主要内容（本课程的主要内容（1616学时）学时）
网架网壳索膜典型大跨结构的设计特点—刚架刚架，，拱，网架，网壳，索，膜；
大跨结构的基本计算方法大跨结构的基本计算方法；；
大跨结构非线性分析；
大跨结构的设计和构造问题
结合工程案例分析
十一十一、、参考书目董石麟，沈世钊，董石麟，沈世钊，沈祖炎，沈祖炎，蓝天，刘锡良等编著的教材蓝天，刘锡良等编著的教材空间结构，建筑结构，现代结构工程会议论文集，网络学堂考核考核方式方式
课堂讨论、作业，专题总结。