网壳与悬索结构
平板网架结构,网壳结构,悬索结构,斜拉结
3.4.1基本假定
➢ 网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力； ➢ 结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很小，符合小
变形理论。
第3章 大跨屋盖结构
3.4.2 空间杆系有限元法要点
➢ 单元刚度矩阵 空间杆系有限单元：每个杆6个自由度
F e Fxi Fyi Fzi Fxj Fyj Fzj T
蜂窝形三角锥网架
第3章 大跨屋盖结构
3.2.3网架选型
根据建筑平面形状和跨度大小，支承方式、荷载大小、屋面 构造和材料、制作安装方法等因素。 《网架结构设计与施工规程》JGJ 7-91 ➢ 大跨度为60m以上 ➢ 中跨度为30～60m ➢ 小跨度为30m以下
第3章 大跨屋盖结构
网架结构的支承 ➢ 周边支承 ➢ 点支承 ➢ 周边支承与点支承相结合 ➢ 两边和三边支承等
对应6个杆端力
e ui vi wi u j vj wj T
它们之间的关系是
F e K e e
第3章 大跨屋盖结构
式中
1 0 0 1 0 0
0
00
0
0 0
K
e
EA 0 lij 1
0 0
0 0
0 1
0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
即单元刚度矩阵。和结构力学的矩阵位移法一致，只是相 应于剪力的各项均为零
网架形式
网架上弦网格数和跨度比
钢筋混凝土屋面体系
钢檩条屋面体系
网格数
跨高比
网格数
跨高比
两向正交正放网架，正放四角 锥网架，正放抽空四角锥网架 （2～4）＋0.2L2
两向正交斜放网架，棋盘形四
10～14 （6～8）＋0.07L2 (13～17)–0.03L2
钢结构的基本类型
钢结构的基本类型钢结构是一种重要的建筑结构形式，广泛应用于工业厂房、商业建筑、桥梁等领域。
钢结构具有高强度、轻质化、施工方便等优点，因此备受青睐。
在钢结构中，基本类型主要包括框架结构、网架结构、壳体结构和悬索结构。
一、框架结构框架结构是钢结构中最常见的一种形式，其特点是由柱、梁和节点组成的网格结构。
框架结构的受力方式主要是柱受压、梁受弯和节点受剪。
框架结构的柱和梁通常采用H型钢或工字钢，节点则使用焊接连接或螺栓连接。
框架结构具有受力均匀、刚度大、稳定性好等优点，适用于大跨度、大层高的建筑。
二、网架结构网架结构是由由多个节点和杆件组成的三维空间结构。
网架结构的杆件通常采用管材或角钢，节点则采用焊接连接或螺栓连接。
网架结构具有刚度大、重量轻、施工方便等优点，适用于大跨度、大空间的建筑，如体育馆、展览馆等。
三、壳体结构壳体结构是一种采用曲面或曲线形状的薄壁结构。
壳体结构一般分为索杆壳体和板壳体两种形式。
索杆壳体采用索杆和薄壁结构组成，常见的有网壳、穹顶等。
板壳体则采用薄板材料，形成曲面结构，常见的有抛物面壳、球面壳等。
壳体结构具有造型独特、刚度高、抗震性能好等优点，适用于建筑外形要求较高的场所。
四、悬索结构悬索结构是一种由主梁和悬索组成的特殊结构形式。
主梁一般采用钢箱梁或钢桁架梁，悬索则采用钢索或钢绞线。
悬索结构的主梁通过悬索的张拉使之保持平衡，形成悬挂在空中的结构。
悬索结构具有大跨度、造型美观等特点，常见于大型桥梁和体育场馆等工程。
总结：钢结构的基本类型包括框架结构、网架结构、壳体结构和悬索结构。
不同类型的钢结构适用于不同的工程需求，具有各自独特的特点和优势。
在实际工程中，根据具体的建筑要求和设计要求，选择合适的钢结构类型，能够确保工程的安全可靠性，并提高施工效率。
随着科技的不断进步，钢结构在建筑领域的应用将会越来越广泛，为人们创造更多美丽、实用的建筑空间。
建筑结构第七节悬索结构
错开布置，构成波形屋面
（3）、双曲面双层拉索索系
上索既是稳定索，又直接承载 a)双层内环梁 b)双层外环梁 c)双层内外环梁 d)单层外环梁网状布置 e)双层外环梁网状布置
3、预应力鞍形索网
• 由两组相互正交的、曲率相反的拉索直接 交叠组成，形成负高斯曲率的双曲抛物面。 • 两组拉索中，下凹者为承重索，上凸者稳 定索，稳定索应在承重索之上。
a)
四、悬索结构的尺度
• 主要是承重索的垂跨比与稳定索的拱跨比， 其各体系适宜的尺度如下：
五、悬索结构工程实例
1 、安徽省体育馆
2、北京奥林匹克体育中心综合 馆
• 该屋盖平面尺寸为80m×112m。屋盖结构由三部 分组成：一为两榀 • 双层圆柱面网壳，采用斜放四角锥结构体系；二为 设置在中间屋脊 • 部位的立体桁架，作为网壳一边的支座；三为8对 共16根斜拉索。
2、预应力双层悬索体系
• （1）、一般形式：平行布置，辐射布 置，网状布置 • 由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们 之间的连系杆组成 • 承重索垂跨比一般取1/201/15 ， • 稳定索拱跨比一般取1/201/25
（2）、平行索系 • 优点：稳定性好，整体刚度大。适宜于采 用轻屋面 • 对于平行索系，承重索和稳定索可在同一 平面内，也可错开布置，构成波形屋面
二、悬索结构的特点
1、悬索结构的优点 (1)、悬索结构受力合理，用料经济 (2)、施工便捷、施工设施简单 (3)、适应性强，造型美观 (4）、与桁架、钢架、拱和网架等常规结构相比， 悬索结构有以下特点：a 悬索的荷载与位移、荷 载与索力的关系曲线呈非线性，是动态变化的， 计算悬索结构要采用几何非线性理论。 b 悬索是一种可变体系，其平衡形式随荷载分布 方式而变化。
常见结构的认识通用技术
常见结构的认识通用技术结构是我们在生活中经常遇到的一个概念，无论是建筑物、桥梁、机械设备还是电子产品，都离不开结构的存在。
结构是指由一个或多个部分组成的系统，这些部分之间存在着相互关系和相互作用。
通用技术是指在不同领域中都可以应用的技术，它是多个学科交叉融合的结果。
在本文中，我们将介绍几种常见的结构以及它们的通用技术。
1.桁架结构桁架结构是一种由直线段和节点组成的三角形结构。
这种结构的特点是强度高、刚性好、重量轻。
它广泛应用于建筑物、桥梁、航空航天等领域。
在建筑物中，桁架结构可以用于支撑屋顶或平面结构，使其能够承受更大的荷载。
在桥梁中，桁架结构可以通过梁和柱的组合来支撑桥面，提供足够的强度和刚性。
在航空航天领域，桁架结构可以用于制造飞机机身、翼梁等部件，以提高机身的强度和刚性。
2.悬索结构悬索结构是一种以悬挂索为主要承力构件的结构。
这种结构的特点是简洁、大跨度、透明度高。
它广泛应用于桥梁、大型体育场馆、展览馆等领域。
在桥梁中，悬索结构可以通过悬挂索和桥塔的组合来支撑桥面，具有较高的刚度和承载能力。
在大型体育场馆和展览馆中，悬索结构可以用于支撑屋顶，使其能够承受更大的荷载，并提供更好的视野。
3.空间网壳结构空间网壳结构是一种由三角形网格平面组成的空间结构。
这种结构的特点是刚度大、自重轻、适应性好。
它广泛应用于体育场馆、展览馆、空间舱等领域。
在体育场馆和展览馆中，空间网壳结构可以通过三角形网格平面的组合来构成屋顶结构，具有较高的抗风能力和抗震能力。
在空间舱中，空间网壳结构可以用于制造舱体结构，提供足够的强度和刚性。
4.隧道结构隧道结构是一种用于地下交通的结构。
这种结构的特点是抗压能力强、安全性高、施工难度大。
它广泛应用于高速公路、地铁、铁路等领域。
在高速公路和铁路中，隧道结构可以通过挖掘地下通道或隧道的方式来实现交通流动。
在地铁中，隧道结构可以用于建造地下通道或隧道，以提供交通运输条件。
这些常见的结构都具有一定的通用技术。
第六章_6.4悬索结构
第六章 大跨屋盖结构
主要内容
• 1 网架结构 • 2 网壳结构 • 3 拱结构 • 4 悬索结构 • 5 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
4.1 概述
• 悬索结构的主要承重构件是受拉的钢索。 这些索按一定的规律组成各种不同形式的 （网面）体系，并悬挂在相应的支承结构 上。
• 钢索一般采用由高强钢丝组成的高强钢丝 束、钢绞线或钢丝绳制成。
• 正如前面所讲，曲面结构都是有推力的结 构，所以悬索结构也是一种有推力的结构。
第四节 悬索结构
第六章 大跨屋盖结构
• 悬索结构有很多种结构类型，但基本组成 大致相同。以单曲面单层悬索结构为例， 其基本组成可分为：索网、边缘构件、下 部支承结构以及斜拉索等。
4.2 悬索结构的特点
第六章 大跨屋盖结构
4.3 悬索屋盖结构的类型
第六章 大跨屋盖结构
(3) 双曲面交叉索网结构
• 支承和锚固马鞍形索网的边缘构件，可以根据建筑不同的 平面形状和建筑造型采用斜向边拱、双曲环梁和人字刚架 等形式。
斜向边拱 双曲环梁
斜向边拱 人字刚架
4.3 悬索屋盖结构的类型
第六章 大跨屋盖结构
4.4 悬索屋盖的刚度和稳定
屋面构件都必须与悬索连接牢固，使得各道索之 间能够共同承担荷载和变形。
风吸力一般只出现在屋盖局部，通常在边缘处最 大，因此，必须加强屋盖边缘构件与其下部支承结 构之间的连接，确保安全。
4.4 悬索屋盖的刚度和稳定
第六章 大跨屋盖结构
提高悬索屋盖结构刚度和稳定性的措施 • (2)选择合理的悬索结构类型
一般来说，双层悬索结构的刚度和稳定性比单层 悬索结构要好得多，因此要尽量选用双层悬索结构 的形式。
悬索结构——精选推荐
悬索结构一、悬索结构的概念随着生产的发展和人民生活水平的提高，建筑事业也在不断发展。
作为建筑结构中的重要分支——钢筋混凝土结构在各个方面都发展得越来越完善，而具有经济指标低、施工快、便于建筑造型等优点，在国外应用很广的悬索结构，在我国却因实践和理论研究上的不足，均处于相对落后的地位。
土木建筑结构所指的悬索结构，就是指以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支承结构体系边缘构件上的结构。
正是因为索主要承受轴向拉力，所以可以最充分地利用钢材的强度，如果再采用高强度材料时，更可大大减轻结构自重，因而，悬索结构可以较经济地跨越很大的跨度，是目前大跨建筑的主要结构形式之一。
二、悬索结构的特点(一)受力合理、节约材料悬索结构是一种受力比较合理的建筑结构形式，将悬索结构与简支梁两者的受力情况进行对比，就可以看出这种合理性。
如图I所示，简支梁在竖向荷载作用下，上纤维压应力的合力与下纤维拉应力的合力组成了截面的内力矩，合力间的距离即为内力臂，它总在截面高度的范围内，因此要提高梁的承载能力，就意味着要增加梁的高度。
但在悬索结构中，钢索在自重下就自然形成了垂度，由索中拉力与支承水平力间的距离构成的内力臂，总在钢索截面范围以外，增加垂度也就加大了力臂，从而可以有效地减少索中拉力和钢索截面面积。
图1 筒支梁与悬索结构受力的合理性比较上——筒支梁(M=Nh0)；下——1II}素{M=Hf)(二)施工比较方便由于钢索自重很小，屋面构件一般也较轻，因而给施工架设带来了很大的方便。
安装时不需要大型起重设备，施工时不需要脚手架，也不需要模板。
这些都有利于加快施工进度，降低工程造价。
因而，与其它结构形式比较，施工费用相对较低。
(三)便于建筑造型悬索结构由于索网布置灵活，便于建筑造型，能适应多种多样的平面形状和外形轮廓，因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求，使建筑与结构可以得到较完善的结合。
第七节悬索结构
(7)安装荷载:应分别考虑每一安装过程中安装荷 载对结构的影响,在边缘构件和支承结构中常常 会出现较大的安装应力。结构的蠕变和温度变化 将导致钢索和结构刚度减小,在结构设计中还应 考虑它们的影响。对非抗震设计,荷载效应组合 应按《建筑结构荷载规范》(GBJ5009)计算。在 截面及节点设计中,应按荷载的基本组合确定内 力设计值,在位移计算中应按荷载短期效应组合 确定其挠度。对抗震设计,应按《建筑抗震设计 规范》(GBJ50011)确定屋盖重力荷载代表值 。
(3)建筑造型美观。悬索结构不仅可以适应 各种平面形状和外形轮廓的要求,而且可以 充分发挥建筑师的想象力,较自由地满足各 种建筑功能和表达形式的要求 ,实现建筑和 结构较完美的结合。(4)悬索结构的边缘构 件或支承结构受力较大,往往需要强大的截 面、耗费较多的材料,而且其刚度对悬索结 构的受力影响较大,因此,边缘构件或支承结 构的设计极为重要。(5)悬索结构的受力属 大变位、小应变,非线性强,常规结构分析中 的叠加原理不能利用,计算复杂
(4) 悬索结构的计算应按初始几何状态、预应 力状态和荷载状态进行,并充分考虑几何非线 性的影响。 (5)在确定预应力状态后 ,应对悬索结构在各种 情况下的永久荷载与可变荷载下进行内力、 位移计算:并根据具体情况,分别对施工安装荷 载、地震和温度变化等作用下的内力、位移 进行验算。在计算各个阶段各种荷载情况的 效应时应考虑加载次序的影响。悬索结构内 力和位移可按弹性阶段进行计算。
五、悬索结构的节点构造
1、钢索与钢索 2、钢索连接件 3、钢索与屋面板 4、钢索支承节点
六、悬索结构施工
1、钢索制作 2、钢索安装 3、钢索张拉 4、钢索防腐
第三节悬索结构的结构形式
第九章 悬索结构 第四节 悬索屋盖的刚度 一．采用重屋面: 即通过加重屋面荷载（如：采用 钢筋混凝土屋面板、增加吊顶重量等）的方法。 当屋盖自重超过最大风吸力1.1～1.3倍时，即 是安全的，屋面不会被掀起。
第三节悬索结构的结构形式
第九章 悬索结构 第四节 悬索屋盖的刚度
二．预应力方案：
靠增加屋盖自重即使保证了结构稳定性，仍 不能确保屋面刚度与抗裂性。 1、1957年乌拉圭蒙特维多体育馆，碟形悬索屋 盖。
箱体内浇注C40混凝土。 劲性索采用槽钢平行
弦平面桁架形式，截面 高度2.5m
第三节悬索苏结构联的结莫构形斯式 科奥运会游泳馆
第九章 悬索结构 第四节 悬索屋盖的刚度
本章学习要点： 1.掌握悬索结构的各种结构形式及其应用范围 2.掌握索结构的特点和组成 3.掌握悬索结构的刚度和稳定性问题的处理方法
第九章 悬索结构
北 京 工 人 体 育 馆
1961年2月为举办第26届世乒赛第兴三建节悬的索结.北构京的结市构建形式筑设计研究院设计，国 内首次采用车辐式双层悬索结构。建筑平面为圆形、直径94m，建筑面积 42000㎡，可容纳观众15000席。屋盖结构采用了圆形双层悬索体系，由 钢悬索、边缘构件和内环三部分组成。
缺点：屋面稳定性差。
第三节悬索结构的结构形式
第九章 悬索结构 第三节 悬索结构的结构形式
索的水平拉力不能在上部结构实现自平衡。因 此，一般采用下列方式处理悬索端的拉力：
A、通过具有足够抗侧刚度的竖向承重结构传至 基础。
B、拉索在柱顶改变方向直接通过拉锚传至基础。
C、通过刚性水平构件集中传至抗侧力墙（利用 山墙受压或设置扶壁实现力的平衡）
第九章 悬索结构 第三节 悬索结构的结构形式 1、单曲面双层拉索体系（也称双层平行索系）： 承重索与稳定索在同一平面，也可不在同一 平面（后者有利于屋面排水），双层索系的两 端仍必须锚固在侧边构件上或通过锚索固定于 基础上。
大跨度建筑结构设计中重点及难点分析
大跨度建筑结构设计中重点及难点分析摘要：随着我国经济的发展以及城市化进程的加快，城市建筑不断增加，而在城市建筑中，其建筑结构的设计对于提高建筑的质量有着重要的作用。
同时，在城市的建设中，其大跨度的建筑结构设计是未来城市建筑发展的一种新的趋势，是衡量一个城市和国家建筑体系发展的重要的标准，因此加强对大跨度建筑结构设计的研究进而确保建筑结构设计的合理性，成为设计人员需重点研究的课题。
本文从大跨度建筑结构的发展现状以及大跨度建筑结构设计中的重点和难点等方面进行简要研究和分析，进而为大跨度建筑结构设计提供参考性的意见和建议，进而提高大跨度建筑结构设计水平。
关键词：大跨度建筑；结构设计前言在我国城市化的发展中，城市建筑逐渐增加，大型的综合体建设量也越来越多。
在这些建筑中，由于对建筑的综合性需求，大跨度的建筑在城市中逐渐受到追捧。
同时，由于建筑功能要求，这些大型商业综合体一般具有建筑长度较长、内部大开洞造成连接薄弱、连廊及影厅跨度较大、局部位置大悬挑等共同特点。
因此，我们有必要做好大跨度结构设计工作，确保建筑结构设计的合理性。
因此，设计人员需加大对大跨度建筑的结构设计分析，掌握大跨度建筑结构设计中的重点和难点，进一步提高大跨度建筑结构的设计水平。
一、大跨度建筑结构的发展现状在现代城市中大跨度建筑越来越受到人们的欢迎和喜爱，而大跨度结构的建筑是巧妙的借助力学的原理，结合设计师对自然的感受，比如乔木、贝壳等，形成的一种建筑结构。
这种建筑结构不仅能满足人们对建筑的基本需求，同时由于在设计上接住了大自然中的事物，使得大跨度建筑结构为人们提供一种感官上的愉快享受，进而为人类的创造提供了范本。
但是，在大跨度建筑结构设计中，由于大跨度建筑结构的样式繁多，例如卡斯滕结构和树状结构等。
而随着现今人们生活水平的提高以及建筑行业的发展，简单的建筑设计已经不能满足人们的需求，其建筑也逐渐朝着更大跨度、更大空间、利用更合理以及更加美观的方向发展。
大跨度空间结构的主要形式及特点
膜结构的主要形式
膜结构形式上主要有气 压式膜结构、气承式膜 结构、混合式膜结构和 悬挂薄膜结构。
膜结构主要特点
膜结构主要有自重轻、跨度 大，建筑造型自由、丰富，施工 方便，具有良好的经济性和较高 的安全性，透光性和自结性好， 耐久性较差等特点。
团结 信赖 创造 挑战
4、悬索结构
悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件并将索 按照一定规律布置所构成的一类结构体系。悬索屋 盖结构通常由悬索系统、屋面系统和支撑系统三部 分构成。用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝 组成的平行钢丝束、钢绞线或钢缆绳等，也可采用 圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。
团结 信赖 创造 挑战
国家大剧院
团结 信赖 创造 挑战
悉尼歌剧院
团结 信赖 创造 挑战
本次结构分析总结
相对而言，网架结构和网壳结构在施工、结构
上比较简单，方便，稳定。但在造型上相对单
一，变化不大。而膜结构，悬索结构在造型上
较多变，灵活，适合多种形式，但对于结构受
力等要求更高。
在本次设计上，我们认为这几种结构对于我们
团结 信赖 创造 挑战
2、网壳结构
曲面形网格结构称为网壳结构。有单层网 壳和双层网壳之分，网壳的用材主要有钢网 壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。
团结 信赖 创造 挑战
球面网壳
双曲面网壳
圆柱面网壳
双曲抛物面鞍型网壳
单块扭网壳ຫໍສະໝຸດ 四块组合型扭网壳团结 信赖 创造 挑战
网壳结构主要特点
建筑结构种类
建筑结构种类一、框架结构框架结构是建筑中最常见的一种结构形式。
它是由柱、梁和水平和垂直的支撑构件组成的。
框架结构广泛应用于住宅、办公楼、商业建筑等各类建筑中。
框架结构具有刚性好、稳定性强、适应性广的特点，能够承受较大的水平和垂直荷载。
二、砖木结构砖木结构是一种传统的建筑结构形式，它采用砖墙和木梁作为承重结构。
这种结构形式在我国古代建筑中广泛应用，如古代寺庙、宫殿等。
砖木结构具有承重能力强、施工简便等优点，但也存在着防火性能差、易受潮等缺点。
三、钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构是现代建筑中应用最广泛的一种结构形式。
它由钢筋和混凝土组成，能够充分发挥钢筋和混凝土的优势，具有承载能力强、耐久性好、施工方便等特点。
钢筋混凝土结构广泛应用于高层建筑、桥梁、水利工程等领域。
四、悬索结构悬索结构是一种利用悬挂在两个或多个支点之间的悬挂索来支撑整个结构的建筑形式。
悬索结构具有荷载传递平稳、自重轻等优点，能够实现大跨度无柱空间的设计。
著名的悬索结构建筑有中国的杭州湾大桥、美国的金门大桥等。
五、拱形结构拱形结构是一种以拱为主要构件的建筑结构形式。
它通过将外力沿着拱的轴线传递到基础上，使整个结构处于压力状态。
拱形结构具有承载能力强、自重轻等特点，广泛应用于大跨度建筑和古代建筑中。
著名的拱形结构建筑有意大利的斗兽场、中国的故宫午门等。
六、壳体结构壳体结构是一种以曲面为形成结构的建筑形式。
它通过将曲面结构作为整体结构，使得整个结构具有较大的刚度和稳定性。
壳体结构广泛应用于体育场馆、展览馆等大空间建筑中。
著名的壳体结构建筑有中国的鸟巢、巴西的马拉卡纳体育场等。
七、筒仓结构筒仓结构是一种以圆筒形状为主的建筑结构形式。
它通过圆筒形状的构件来实现整个结构的承重和稳定。
筒仓结构广泛应用于粮食仓库、石油储罐等领域。
著名的筒仓结构建筑有中国的故宫角楼、美国的纽约大学大楼等。
八、空间网壳结构空间网壳结构是一种由杆件和节点组成的空间结构形式。
网壳与悬索结构
圆形，半径40m 圆形，半径25m 方形，30m×30m 对角线主索支承 六边形，80m×45m 六边形，74m×79m 卵形，73m×89m
1987 1989 1987 1988 1988 1990
近似椭圆，66m×78m 1990 六边形，72m×53m 矩形，45m×54m 方形，55m×56m 矩形，70m×83.2m 矩形，78m×117m 矩形，42m×63m 矩形，19m×31.5m 1989 1989 1992 1990 1990 1991 1992
1986
1991 1986 1987 1988 1989
伞形单层辐射索系 柳州水泥厂熟料库 淄博市长途汽车站 单层悬挂索网 淄博市化纤厂餐厅 单层平行索系、以刚架作为中央支承 丹东体育馆 鞍形索网、以拱作为中央支承 四川省体育馆 青岛市体育馆 鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承 北京朝阳体育馆 横向加劲单层平行索系 安徽省体育馆 上海扬浦区体育馆 潮州体育馆 斜拉屋盖结构 奥林匹克体育中心体育馆 奥林匹克体育中心游泳馆 呼和浩特民航机库 无锡市游泳馆
柱面网壳
柱状面
双曲抛物面 椭圆抛物面
3.4 网壳结构的形式
1.网壳形式 网壳按组成层数分为单层网壳和双层网壳
单层柱面网壳
双层柱面网壳
按曲面外形分类则有 球面网架 柱面网壳
单层球面网壳
日本名古屋网壳穹顶
切割或组合形成曲面网壳
球面切割网壳
平板组合球面网壳
其它曲面网壳
4 双层网壳的网格形式
正放四角锥柱面网壳
正放抽空四角锥柱面网壳
斜置正放四角锥柱面网壳
双层网壳的网格形式： 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系 3.三角锥体系
建筑结构12种类型
建筑结构12种类型建筑结构是指建筑物的骨架和支撑系统，承担起支撑和抗力传递的功能。
根据结构形式和工作原理的不同，可以将建筑结构分为12种类型，包括桁架结构、框架结构、筒壳结构、悬索结构、索承式结构、拱式结构、壳体结构、网壳结构、组合结构、空间网架、板柱结构和混合结构。
下面将详细介绍这12种结构类型。
1.桁架结构：桁架结构是由水平和斜线构件形成的平面或空间网格系统。
桁架结构具有良好的强度、刚度和稳定性，适用于广场、办公楼、室内体育馆等大跨度的建筑物。
2.框架结构：框架结构是由柱、梁和节点组成的刚性网格系统。
框架结构可以在多个平面上延伸，具有良好的刚度和承载能力。
这种结构常用于住宅、工业厂房和商业建筑。
3.筒壳结构：筒壳结构是一种由曲面构成的连续壳体，具有良好的强度和稳定性。
筒壳结构常用于体育场馆、展览馆和地铁车站等地方。
4.悬索结构：悬索结构是一种由主悬索和次悬索组成的悬挂式结构。
悬索结构具有较大的跨度和自重较小的优点，适用于桥梁、大型体育馆等建筑物。
5.索承式结构：索承式结构是一种由索承构件和支撑系统组成的轻型结构。
索承式结构具有较高的自由度和可塑性，适用于大型雨棚、展览馆等场所。
6.拱式结构：拱式结构是一种由拱形构件组成的稳定结构。
拱式结构具有较好的力学性能和空间美感，常见于教堂、桥梁和大型展览馆。
7.壳体结构：壳体结构是一种由薄壳体构成的曲面结构。
壳体结构具有卓越的结构性能和空间美感，常见于体育馆、剧院和博物馆等建筑物。
8.网壳结构：网壳结构是一种由刚性杆件和节点构成的空间网格结构。
网壳结构具有较高的自由度和承载能力，常见于体育场馆和空间结构复杂的建筑物。
9.组合结构：组合结构是一种由多种结构类型组合而成的复合结构。
组合结构可以充分发挥各种结构的优势，常用于大型综合体、超高层建筑等。
10.空间网架：空间网架是一种由钢管、钢板和节点构成的三维刚性网格结构。
空间网架具有较高的刚度和承载能力，广泛应用于体育馆、展览馆和机场等建筑物。
悬索结构的组成
悬索结构的组成
悬索结构由几个基本组成部分组成，包括：
1. 主悬索：主悬索是悬索结构的主要支撑部分，通常为钢索或钢缆。
主悬索起到了承担悬挂物的重量和提供稳定支撑的作用。
2. 纵向支撑：纵向支撑是连接主悬索与桥墩或塔楼的部分，它们提供了主悬索的纵向支撑力，同时还承担悬挂物的水平荷载。
3. 横向支撑：横向支撑是连接主悬索之间的支撑杆或横向悬索，用于增加结构的稳定性和刚度，防止主悬索的侧向变形。
4. 锚固系统：锚固系统用于将主悬索固定在桥墩或塔楼上，确保其能够承受悬挂物的重力和荷载，并将这些力传递到地基中。
5. 辅助结构：辅助结构包括桥面板、桥面支撑梁等，用于支撑和固定桥面的部分。
这些组成部分共同协作，构成了悬索结构的基本框架，能够有效地承载重量和荷载，使得悬索结构成为一种高效且美观的桥梁设计方案。
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。
悬索结构
悬索结构的型式 交叉索网体系
单层平行索之上 或之下增设与之正 交的稳定索，形成 双层平行索系。 两组拉索中，下 凹者为承重索，将 屋面荷载传到边缘 构件，上凸者稳定 索，将风吸力传到 边缘构件，稳定索 应在承重索之上。
一般张拉稳定索，使两组索均 获得预应力。 刚度大，变形小，稳定性好， 抗动荷载能力优。
概述 悬索结构的发展
我国现代悬索结构之发展始于50年代后期和80年代。北京 的工人体育馆和杭州人民体育馆是当时的两个代表作。 北京工人体育馆：建于1961年，其屋盖为圆形平面，直径 94m，采用车辐式双层悬索体系，由截面为2m X2m的钢筋 混凝土圈梁、中央钢环，以及辐射布置的两端分别锚定于 圈梁和中央钢环的上索和下索组成。中央钢环直径16m， 高11m，由钢板和型钢焊成，承受由于索力作用而产生的 环向拉力，并在上、下索之间起撑杆的作用。 杭州体育馆：建于1966年，采用马鞍形悬索屋盖，建筑平 面椭圆形，长轴80m，短轴60m。
承重索和稳定索在同一竖平面内
悬索结构的型式 双层悬索体系 1）单曲面双层拉索体系
单曲面双层拉索体 系中的承重索或稳 定索也可以不在同 一竖向平面内，而 是相互错开布置， 构成波形屋面可有 效地解决屋面排水 问题。承重索与稳 定索之间靠波形的 系杆连接，并借以 施加预应力。
承重索和稳定索不在同一竖平面内
概述 悬索结构的发展
1961 北京工人体育馆
1966 杭州体育馆
悬索的受力与变形特点 索的支座反力
由 ，支座反力为 Y 0
1 V A VB ql 2
索中任一截面的弯矩为零， 以跨中截面为矩心，则有：
1 2 ql Hf 0 8
式中， M 0 1 ql 2
11第十一章悬索结构
(2)能跨越很大的跨度而不需中间支承，从
而形成很大的建筑空间。同时，悬索结构利于
建筑造型，适于建造多种多样的平面和外形轮
廓，因而能充分自由地满足各种建筑型式的要
求。当然，设计时还应考虑经济效果。
从受力性能来讲，圆形平面较其他型式的
平面更为有利，因而经济效果也最好。
(3)施工方便，速度较快。由于悬索自重很 轻，屋面可以利用轻质材料，这样就不需要重 型起重设备便可进行安装，从而降低施工设备 的投资。同时．钢索架设后就可以在它上面进 行屋面施工，不必另外搭脚于架，有利于缩短 施工周期，降低工程造价。 (4)可以创造具有良好物理性能的建筑物。 例如双曲下凹碟形悬索屋盖具有较好的音响效 果，因而可以用于对声学要求较高的公共建筑。
由此可见，悬索结构的特点是： (1) 索网只受轴向拉力，既无弯矩，受力简单，更有 利于采用钢材做“索”。 (2)钢索材料采用高强度的钢绞线或钢丝绳，因而整 个索网的结构自重小，能够跨越很大的跨度。 (3) 索网的支座叫“边缘构件”，即应注意对边缘构 件的处理；采用合理的边缘构件型式以承受索网拉力。 (4)边缘构件是索网的边框，无边框则索网不能成型 。所以，边缘构件是悬索结构的重要组成部分，而且是 决定悬索结构型式的重要依据。
悬索是轴心受拉。轴心受力的构件最能 充分利用结构材料的强度。利用钢材去做 “ 索”，就最能发挥钢材受拉性能好的优点， 所以钢悬索就是一种理想的结构。
不过，单悬索结构与拱结构一样，它 们都是平面结构体系。如果我们利用很多 单悬索互相交叉组成“索网”(好像利用桁架 交叉组成网架一样)，就形成多向受力的空 间结构——悬索结构。
如果我们利用很多单悬索互相交叉组成索网好像利用桁架交叉组成网架一样好像利用桁架交叉组成网架一样就形成多向受力的空间结构就形成多向受力的空间结构悬索结构
第四章悬索结构091.
华盛顿国际航空港大厅
（6）利用框架来平衡
框架结构具有较强的抗水平力的能力，可利 用单独框架来平衡水平拉力引起的倾覆力矩，也 可利用框架加倾斜柱来平衡覆力矩。
德国法兰克福机场5号双跨飞机库
也是国外应用单曲面单层悬索结构, 每跨由10个长135m、 宽7.5m、厚8.6cm的预应力混凝土悬索带组成, 每带净距3m, 其间设置采光带。 索带两端悬挂在34m高的钢筋混凝土格构式墩座上, 中间则 支承在跨度为78m的箱形截面大梁上。 在跨中最低处, 将2.2m宽的悬索带连成整体, 做成有组织排水 为控制屋面的竖向变形, 在板带中还设置了水平拉索。
第四章 悬索结构
suspended cable
第一节 概述 一、悬索结构 以一系列受拉的索作为主要承重构件，按一 定的规律组成各种不同形式的体系，悬挂在相应 的支承结构上。 由索的轴向拉伸来抵抗外荷作用，能充分地 利用钢材的强度。
1) 单纯的悬索结构必须受水平拉力支持才能成立。 结构设计中,端点如何承受水平应力是一个主要问题。
美国耶鲁大学冰球场
由两个水平拱和一个垂直的中央拱组成。
在中央拱到两边看台后的水平拱间架设一群 承重索，承重索的水平拉力在中央拱中平衡。
两侧荷载不同时，两侧的钢索会发生变位。
1988年 四川体育馆
双中央拱可增强拱的面外刚度，以抵抗屋面非对 称荷载。
四川省体育馆
日本岩手县体育馆
（5） 利用悬臂柱
（3）采用横向加劲构件
设置横向加劲梁或加劲桁架，使原来单独工作的 悬索连接成整体，在集中力和不均匀荷载作用下，荷 载能重新分配，让更多的索参加工作。
安徽省体育馆
桁架加劲的单曲面悬索结构
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柱面网壳
柱状面
双曲抛物面 椭圆抛物面
3.4 网壳结构的形式
1.网壳形式 网壳按组成层数分为单层网壳和双层网壳
单层柱面网壳
双层柱面网壳
按曲面外形分类则有 球面网架 柱面网壳
单层球面网壳
日本名古屋网壳穹顶
切割或组合形成曲面网壳
球面切割网壳
平板组合球面网壳
其它曲面网壳
圆形，半径40m 圆形，半径25m 方形，30m×30m 对角线主索支承 六边形，80m×45m 六边形，74m×79m 卵形，73m×89m
1987 1989 1987 1988 1988 1990
近似椭圆，66m×78m 1990 六边形，72m×53m 矩形，45m×54m 方形，55m×56m 矩形，70m×83.2m 矩形，78m×117m 矩形，42m×63m 矩形，19m×31.5m 1989 1989 1992 1990 1990 1991 1992
高斯曲率:T=K1×K2=1/R1×1/R2； 零高斯曲率网壳，即k1=0，k2不等于0，——单曲网壳； 若k2=0成为平板网架； 正高斯曲率，即Kl×k2>0； 负高斯曲率网壳，是指两个主曲率k1×k2<0； 等厚度壳和变厚度壳； 薄壳、中厚壳和厚壳：当壳体的厚度远小于它的最小 曲率半径时，成为薄壳；反之称为厚壳或中厚度壳。 在网壳结构工程中一般为等厚度的薄壳。 典型曲面与非典型曲面。曲面分为两大类，一是可由 几何学方程表达的几何曲面，亦称为典型曲面，如球 面、圆柱面、抛物曲面等；另一类是不易用几何学方 程来表达的非几何学曲面亦称非典型曲面。
不符合上述条件时，网壳应考虑温度应力的影响。设计 中考虑的温度应力情况一般有两种：（1）整个网壳有 温度变化；（2）双层网壳上下层有温度差△t。
网壳应按最不利的荷载效应组合进行设计。对于非抗震 设计荷载效应组合应按现行国家标准《建筑结构荷载规 范》（GB 50009 —2001）进行计算。 对抗震设计，荷载效应组合应按国家标准《建筑抗震设 计规范》( GB 50011— 2001）进行计算。
幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)
下凹双曲率碟形屋面 不便于排水，最大的 碟形屋面：美国阿拉 美达比赛馆，跨径 128m(1967)
伞形屋面 最大的伞形屋面： 前苏联伊利姆斯克 汽车库，跨径206m
受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作。可比平行布置做到 较大跨度。 网状布置形式(适用于圆形，矩形等各种平面) 设计要点 单层悬索体系垂跨比经验取值： 1/201/10 两向索正交布置 屋面板规格统一 加强形状稳定性的措施： 边缘构件弯矩大 采用重屋面 于幅射式布置 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件
4.网壳杆件及节点设计 网壳杆件的计算长度和容许长细比可按下表采用。
单层网壳杆件计算长度
壳体平面内
壳体平面外
0.9L
L
双层网壳杆件计算长度
腹杆
连接形式
螺栓球点
弦杆 l
支座腹杆 l
其他腹杆 l
焊接球结点
板节点
l
0.9l
l
0.9l
0.9l
网壳杆件容许长细比
拉杆 网壳类别 压杆 200 150 静荷载 300 300 动荷载 250 250
特点： ⑴ 采用相同的格子和尺寸较小的单元，可以跨越 较大的跨度。 ⑵ 各杆件没有鲜明的主次关系，受力均匀；网壳 结构的轻型化是它的重要特征。 ⑶ 构件标准化、规格化，制造工厂化。 ⑷ 建筑造型美观。 ⑸ 受力合理，综合效益好。
跨度650m的网壳蓝图
200m、500m、1000m网壳蓝图
重庆奥林匹克体育 中心体育场跨度直 线距离 312 米，网 壳纵向宽度 78 米， 最大悬挑梁长度 68 米，主拱高度 70.3 米，网壳为双层， 上下弦杆高度为 4.5 米，单块网壳 为 17400 平方米， 两块网壳由 3672 只焊接球、 16500 根钢管杆件组成。
上海世博会阳光谷。高40米，下小上大的悬挑
式单层网壳结构，上口最大直径为90米。
国家羽毛球馆（北京工业大 学体育馆）
球壳形，长约150m，宽约120m， 主体结构采用弦支穹顶结构，上 弦为单层网壳，下弦环向为拉索， 径向为钢拉杆；外挑部分采用悬 挑变截面H型钢梁。
中国航海博物馆中央帆体
双向交叉桁架构成空间网格壳体，两瓣壳体 旋转对称，在高度约 41 米铰点相倚靠， 总高度 57.8m 、跨度 66.0m
第三章
网壳与悬索结构
山东科技大学钢结构所 王 来
3.1 网壳结构的特点
网架结构是一个以受弯为主体的平板，而网壳 结构以其合理的受力形态，形成较为优越的结构体 系。可以说它不仅仅依赖材料本身的强度，而是以 曲面造型改变结构的受力，成为以薄膜内力为主要 受力模式的结构形态，跨越更大跨度。不仅如此， 这种结构以其优美的造型激发了建筑师及人们的想 象力。随着结构理论及实验研究的不断深入，计算 机技术的不断发展，越来越多的建筑采用了这种结 构形式。
网壳结构具有很强的非线性性能，抗震分析宜采用时程 分析法。
双层网壳符合下列条件之一者可不考虑温度应力的影响： （1）支座节点的构造允许网壳侧移且其侧移值等于或 大于公式的计算值；（2）周边支承于独立柱，且网壳 在验算方向跨度小于40m；（3）支承网壳的柱在单位水 平力作用于柱顶时，柱顶位移大于或等于式公式的计算 值。
1986
1991 1986 1987 1988 1989
伞形单层辐射索系 柳州水泥厂熟料库 淄博市长途汽车站 单层悬挂索网 淄博市化纤厂餐厅 单层平行索系、以刚架作为中央支承 丹东体育馆 鞍形索网、以拱作为中央支承 四川省体育馆 青岛市体育馆 鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承 北京朝阳体育馆 横向加劲单层平行索系 安徽省体育馆 上海扬浦区体育馆 潮州体育馆 斜拉屋盖结构 奥林匹克体育中心体育馆 奥林匹克体育中心游泳馆 呼和浩特民航机库 无锡市游泳馆
双层网壳
单层网壳
3.5 悬索结构
1 特点 轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度 施工方便，费用低 便于建筑造型
2 单层悬索结构 平行布置形式(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅， 1956)
水平梁 承受悬索拉力 水平梁和框架一起 承受悬索拉力
悬索直接 锚挂于框架
斜拉索将 悬索拉力 拉向地锚
圆形，直径94m 圆形，直径61m 圆形，直径44m 椭圆形，24.6×36.6m 椭圆形，60m×80m 椭圆形，36m×50m
建成年份
1961 1979 1991 1965 1967 1977
矩形，59m×72m
矩形，43m×44m 矩形，54m×38m 矩形，36m×27m 矩形，54m×38m 矩形，54m×38m
2 单层柱面网壳的网格形式
单向斜杆 交叉斜杆 联方形 三向网格
3 单层球面网壳的网格形式
（1 ）肋环形单层球面网壳
（2） 施威德勒型(肋环斜杆)
（3） 三向网格
（4） 联方形
单层壳的特点(跨度不宜超过40米) 刚度差 节点必须刚接，以传递剪力弯矩 动力性能分析（地震和风振） 稳定问题非常重要
安徽体育馆 索-梁（桁）体系
除了直接服务于设计的理论分析和试验研究工作外，一 些更为基础性的理论研究近几年也在逐步开展。相对集中于 三个研究领域：（1）张拉结构初始形状的确定；（2）悬索 结构的地震反应分析；（3）悬索结构的风振反应分析。
谢 谢
2 基本曲面的形成方法
（1）旋转法形成曲面 一条平面曲线C绕该平面内某一给定的直 线L旋转一周，由此形成的曲面称为旋转 面，以旋转面为中曲面的壳体称为旋转壳。 动曲线C称为母线，而定直线L称为旋转轴， 如图所示。
球面网壳
旋转椭圆面
旋转抛物面
旋转双曲面
圆锥面
柱面
（2）平移法形成曲面
由一根平面曲线(母线C)沿着二根不在同一平面的平面 曲线(导线L)平移后形成的曲面，这种曲面称为平移曲 面，如图所示。
3 双层悬索结构
一般形式 由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成 承重索垂跨比一般取1/201/15 ，稳定索拱跨比一般取 1/201/25
平行布置形式
幅射式及网状布置形式
上索既是稳定索，又直接承 载 a)双层内环梁 b)双层外环梁 c)双层内外环梁 d)单层外环梁网状布置 e)双层外环梁网状布置
工程名称
车辐式双层索系 北京工人体育馆 成都城北体育馆 广汉市文体馆 双曲抛物面索网 天津大学健身房 浙江人民体育馆 新疆化肥厂俱乐部 平行双层空间索系 吉林滑冰馆 平行双层平面索系（索桁架） 无锡市体育馆 单层平行索系 淄博市体育馆 淄博市毛纺厂俱乐部 东营钻井公司体育馆 新汶矿务局体育馆
平面及尺寸
4 双层网壳的网格形式
正放四角锥柱面网壳
正放抽空四角锥柱面网壳
斜置正放四角锥柱面网壳
双层网壳的网格形式： 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系 3.三角锥体系
三角锥柱面网壳 抽空三角锥柱面网壳
3.5 网壳的设计及计算
1.网壳的一般计算原则
网壳结构在直接和间接作用下的内力、位移及整体稳定 计算除工作荷载之外，还应根据具体情况包括地震、温 度变化、支座沉降及施工安装荷载等效应。 网壳的永久荷载有：（1）网壳自重；（2）屋面材料的 重力；（3）吊顶材料的重力;（4)设备管道的重力。 网壳结构的可变荷载有：（1）屋面活荷载；（2）雪荷 载 ；（3）风荷载。
2. 网壳的内力分析
网壳是一个准柔性的高次超静定结构 目前单层网壳计算主要是考虑几何非线性的有限单元法 考虑与不考虑几何非线性的有限单元法的区别在于前者 考虑网壳变形对内力的影响
3.网壳的稳定性
网壳的稳定性计算可采用非线性有限单元法，取结构刚 度矩阵的行列式之值等于零 作为确定临界荷载的准 则，即： det[K]=0 刚度矩阵[K]应包含所有的非线性因素，使 det[K]=0的 荷载即为临界荷载{P}cr 。 注意： 在设计工作中需要引进临界荷载的折减系数 不同的网壳不能用相同的折减系数