大跨度房屋钢结构的应用及其主要特点

由四角锥体构成(五种)
三向网架
三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，正六三角形平面 在谋些平面形状会出现不规则杆件
正放四角锥网架 正放抽空四角锥网架
网架和网壳结构(4)
斜放四角锥网架
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
棋盘形四角锥网架
网壳结构(1)
网壳类别(以曲面外形分类)
柱面网壳
单层柱面网壳的网格形式 a)单斜杆柱面网壳：杆件数量少，节点构造简单；刚度差 b)人字形柱面网壳：亦称弗普尔形柱面网壳 c)双斜杆柱面网：壳杆件数量多；刚度好 d)联方网格柱面网壳：杆件组成菱形，夹角为30 50 e)三向网格柱面网壳：联方网格柱面加纵向杆件
结构型式
跨度较小时，可采用实腹式梁 (常用工字形截面)
跨度在5070m及更大时，采用桁架形式(吊顶与下弦设间隙)
桁架外形及腹杆体系取决于跨度，屋面形式和吊顶结构
桁架高跨比一般为1/81/6(注：跨度大于50m时，运输超限)
常用梯形桁架；屋面坡度大时，宜用平行弦；吊顶可作弧线形(设拉杆)
框架结构(1)
大跨度房屋钢结构的类型
平面结构
由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成 纵向构件层层重复传递荷载，并不分担荷载 梁式，框架式和拱式结构
空间结构
加强连接平面结构的纵向构件以形成一个整体结构，共同承载 克服荷载层层重复传递，经济性好，整体刚度大，抗震性能好 悬索结构，网架和网壳结构
梁式结构
折板结构 筒壳结构 圆顶壳结构
双曲扁壳结构
折板结构
折板结构
巴黎联合国 教科文组织 总部会议大 厅
球壳
罗马万神殿 约公元120～124年建于
意大利 ，直径43.3m，用天 然火山灰，变壳厚，顶厚 1.2m。
球壳
圣索菲亚大教堂 公元532～537年建于土耳其伊斯担布尔，直
径33m，原为拜占庭帝国东正教的宫庭教堂。
框架结构(3)
格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/201/12范围选取 格构式框架立柱的宽宜取其横梁的节间长度(卸载效应) 折线弓形框架接近于拱形结构的力学性能 常用于高度相对较大(跨度约4050m，高度约1520m)的建筑物 横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/251/15范围选取
拱式结构(1)
特点
与梁式相比，框架结构可降低建筑物高度Leabharlann 结构上比梁式结构经济结构型式
跨度在5060m时，常用双铰实腹式框架(常用工字形截面)
减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/201/12 设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/401/30
框架结构(2)
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
工程实例
美国瑞雷（Raleigh）竞技馆（大剧院） 1952年建于美国北卡罗里那州，平面
91.5m×91.5近似圆形，两个砼斜放抛物线拱，鞍 形正交预应力索网，世界上第一个现代悬索屋盖 。
美国华盛顿杜勒斯机场 1962沙里宁设计，两排 巨型钢筋混凝土斜柱支撑，一高一低，其间悬挂 40余米长的钢索，上铺屋面板，在重力的作用下， 钢丝自然下垂，形成充满张力感的屋顶曲线。
网架和网壳结构(10)
a)正放四角锥柱面网壳 d)三角锥柱面网壳
b)正放抽空四角锥柱面网壳 c)斜置正放四角锥柱面网壳
e)抽空三角锥柱面网壳
双层柱面网壳的网格形式 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系
a)：刚度大，杆件少，最常用 b)：适用于小跨度，轻屋面 c)：系将a)斜置 3.三角锥体系 常用d) ， e) 两种
网架和网壳结构(12)
a)肋环型四角锥球面网壳
b)联方型四角锥球面网壳
c)联方型三角锥球面网壳
双层球面网壳的网格形式 角锥体系(常见四种)
a):肋环型四角锥球面网壳， b):联方型四角锥球面网壳 c):联方型三角锥球面网壳， d):平板组成式球面网壳
d)平板组成式球面网壳
网架和网壳结构(13)
双曲面网壳
车辐式双层悬索体系
悬索结构(6)
一些典型建筑
单层悬索
德国乌柏特市游泳馆 前苏联克达斯若牙尔斯克车库
德国多特蒙特展览大厅 日本古川市民会馆
双层悬索
悬索结构(7)
瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场
拱式结构(4)
结构型式
双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低) 无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高) 三铰拱(应用不广，拱钥铰使结构复杂化)
亦分为实腹式和格构式 宜设计成等截面 实腹式截面高度可取跨度的1/801/50 格构式截面高度可取跨度的1/601/30
水平推力 拉杆设置 支座设计 框架结构
网架和网壳结构(11)
球面网壳
a)肋环型球面网壳 d)联方型球面网壳
b)Schwedler型球面网壳
c)Schwedler型球面网壳
e)三向网格型球面网壳
单层球面网壳的网格形式 a):刚度差，适用于中，小跨度 b):刚度好，适用于大，中跨度 c):交叉斜杆Schwedler型
还有其它Schwedler型 d):菱形网格，造型美观 e):适用于中，小跨度
美国圣路易斯航空港候机大厅
墨西哥城霍奇米尔科水上公园餐馆 建于 1958年，费利克斯·坎德拉设计，八片莲 花形双曲抛物面壳。
网架与网壳
我国网架结构发 展历程
1982年修建中的上海游泳 馆
1984年建造的广州天 河体育中心体育馆
网架 (1)
特点
多向传力，空间刚度大，抗震性能好 适应性强 经济指标好
平行布置形式
悬索结构(4)
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
悬索结构(5)
鞍形索网布置形式
a)
帐篷式索网
索网结构是同 一曲面上两组 曲率相反的单 层悬索系统相 交而成，凹向 下为承重索， 凸向上的稳定 索。
自由边
网架 (8)
网架屋面排水 网架起拱 适于双坡排水；抗震性好；起拱高度过大，内力分析应计及 网架变高度 可降低弦杆内力，使其趋于均匀；抗震性好；杆件种类增多 上弦节点设置小立柱(常用) 可构造双坡，四坡或其它复杂的多坡排水屋面；跨度大时要作稳定和抗震计算
网架几何尺寸
网架形式
两向正交正放，正放四角锥 正放抽空四角锥
两向正交斜放，棋盘形四角锥 斜放四角锥，星形四角锥
钢筋混凝土屋面体系
网格数
跨高比
(24)+0.2L2 1014 (68)+0.08L2
钢檩条屋面体系
网格数
跨高比
(68)+0.07L2 (1317)+0.03L2
注：L2 是以米计的网架短向跨度；跨度小于18米时网格数可适当减少。
网壳
我国网壳结构发展历程
三层网架示意图
网架和网壳结构(6)
网架的点支承 点支承的设置原则 通过正弯矩和挠度减小，使整个网架的内力趋于均匀 对于单跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/3 (下图a) 对于多跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/4(下图b)
点支承的柱帽形式
网架和网壳结构(7)
网架选型 周边支承的矩形平面形状 长短边之比1.5时： 斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架，正放抽空四角锥网架 对于中(30m 60m)小(<30m)跨度，亦可选星形四角锥网架，蜂窝形三角锥网架 长短边之比>1.5时： 宜选正放类网架----两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架 点支承的矩形平面形状 两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架 圆形，多边形平面形状 宜选三向网架，三角锥网架，抽空三角锥网架 两边或三边支承的矩形平面形状 自由边作处理后可按周边支承情形考虑。自由边的两种处理方法： (a)整个网架高度加大，自由边杆件截面增大 (b)自由边局部增加网架层数(形成反梁) 反梁
单跨
双跨
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
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)
水平梁和框架一起 承受悬索拉力
水平梁 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
悬索结构(2)
2001年 河南鸭河口电 厂干煤棚
2003年 国家大剧院
实际施工图
地面安装 提升就位 构件补缺
悬索结构
悬索结构是以只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，是杆件截面材料强度利用效 率最高的结构之一。
结构形式及分类
悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和 支承系统三部分构成。 ①单层悬索结构 ◆单向单层
保持正放四角锥网架周边四角锥 不变，中间四角锥间隔抽空，下 弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交 正放。 克服了斜放四角锥网架屋面板类 型多，屋面组织排水较困难的缺 点。
棋盘形四角锥网架
由三角锥体构成(三种)
星形四角锥网架
三角锥网架
网架和网壳结构(5)
抽空三角锥网架
蜂窝形三角锥网架
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
拱式结构(5)
拱脚构造处理 构造不便 空间利用
空间结构
加强连接平面结构的纵向构件以形成一个 整体结构，共同承载
克服荷载层层重复传递，经济性好，整体 刚度大，抗震性能好
薄壳结构,悬索结构，网架和网壳结构,充气 结构
薄壳结构
薄壳结构基本概念：壳体厚度远小于曲面 尺寸的物体。
薄壳结构
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4060m时，拱间距可取610m，无檩或型钢檩条
拱式结构(2)
跨度达100m左右时，宜采用相距36m的拱对，拱对间距为915m
拱式结构(3)
侧窗难以开启，且宜积灰；檩条下移，构成横向天窗
两向索正交布置 屋面板规格统一 边缘构件弯矩大 于幅射式布置
设计要点
单层悬索体系垂跨比经验取值：
1/201/10 加强形状稳定性的措施：
采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件
悬索结构(3)
双层悬索结构
索垳架一般形式
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
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) 单层双向
大跨度房屋钢结构的应用及其主要特点
应用
公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等) 专门用途的建筑 (飞机库，汽车库等) 生产性建筑(飞机制造厂装配车间，造船厂等)
主要特点 跨度大
120m 160m(长春体育馆，网壳结构，1998)
主跨1385m (江阴长江大桥，悬索结构，1999)
个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)
a) 正交正放类 d) 正交斜放设斜杆类
b) 正交斜放类 e) 正交斜放设斜杆类
c) 正交斜放设斜杆类
双曲面网壳的网格形式 1.正交正放类
a):单层时在方格内设斜杆 双层时组成四角锥体 2.正交斜放类 b):抗剪强度弱 c):第三方向局部设斜杆 d):全部方格内设双斜杆 e):第三方向全局设斜杆
网壳的应用
网架类别(以网架构成方式分类)
由平面桁架构成(四种)
网架表示法
两向正交正放
网架和网壳结构(2)
两向正交斜放
两向斜交斜放 两向正交斜放 短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利 角部产生拔力，常取无角部形式 两向斜交斜放 适用于两个方向网格尺寸不同的情形 受力性能欠佳，节点构造较复杂
网架和网壳结构(3)
北京天文馆 1957年9月 建成, 直径25m，6cm厚， 自重200kg/m2。
德国耶纳泽司天文馆 建于1922年，直径25m 半球形穹顶，砼厚6cm ，第一个真正意义薄壳 。
筒壳
锯齿形锥壳
双曲扁壳
扭壳
双曲抛物面扭壳结构
曲面壳顶的组合
◆ 组合曲面
圆柱面切割组合 组合扭面
美国TWA环球航空公司候机楼 美国著名建筑师沙 里宁1961年设计，用4片钢筋砼扁壳组成，形似一只 正要起飞的大鸟。