大跨度空间结构设计

管桁架结构
受力及布置形式分类 平面管桁架
上、下弦杆及腹杆同一平面内，平面外刚度较差，需要设置 侧向支撑保持稳定； 多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最 经济的布置，与Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半数量腹 杆与节点，且腹杆下料长度统一，这样可极大地节约材料与 加工工时。
有较大的跨越能力，为建筑物提供较大的空间； 形式多样化，造型美观； 建筑、结构和使用功能的统一。
大跨空间结构体系分类-按结构构成分类
大跨空间结构体系分类-按结构构成分类
大跨空间结构体系分类-按受力特点分类
大跨空间结构体系分类-按受力特点分类
大跨空间结构体系分类-按受力特点分类
大跨空间结构体系分类-按构件单元分类
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网壳结构
结构选型
单层网桥采用刚接节点，双层网壳可采用铰接节点； 中小跨度宜选用单层网壳，中大跨度宜选用双层网壳； 网壳边界条件需要有足够的刚度，除抵抗竖向力，还要抵抗水平推力； 常规网壳结构几何尺寸确定可参考下表：
网壳结构
国家大剧院
大跨空间结构的荷载作用及计算分析
荷载作用

应力比：建议控制应力比不大于0.9，关键构件不大于0.85； 中、大震应力比不大于1.0；
计算分析
杆件长细比

竖向位移控制
大跨空间结构工程案例
潭州会展中心二期
推荐学习资料
1、《大跨度空间结构》，张毅刚等编著
2、《大跨度空间钢结构分析与概念设计》，王秀丽编著 ３、《结构概念与体系》，林同炎著 ４、《新型空间结构分析、设计与施工》，董石麟著
管桁架结构
受力及布置形式分类 空间管桁架（三角形管桁架）
一般采用倒三角形截面，上弦两根杆件（压杆），下弦一根 杆件（拉杆），上下弦通过腹杆连接，上弦节点处设水平连 杆； 侧向稳定好，可减小侧向支撑，同时扭转刚度也好。
管桁架结构
杆件截面分类
C-C形桁架：主管、次管均为圆管相贯的桁架结构；
风荷载

荷载作用
温度作用
一般情况均建议考虑温度作用，温度作用对大跨轻钢屋盖（尤其超长结 构）的控制作用仅次于竖向荷载； 根据项目当地气候资料确定温度荷作用，包括合拢温度、升温温差及降温 温差； 特殊项目要考虑太阳辐射等引起结构内、外表面温度变化的不利影响； 温度宜“放”，大跨结构尽量采用对温度变形有利的支座；
计算分析
荷载作用
静荷载
恒载：自重、附加恒载（一般轻钢屋面0.6~1.0kN/m2）; 活荷载：不上屋面取0.5kN/m2; 雪荷载：按规范取值，考虑不均匀分布影响； 雪荷载与活荷载按较大值输入； 柱面网壳结构，考虑半跨活荷载（雪荷载）不利影响； 大跨空间结构，竖向荷载起控制作用； 按规范取值，对于大跨、体型复杂等一般需按风洞试验确定; 无风洞试验数据时，风振系数建议取值不小于1.5，悬挑部分不小于1.8； 体型系数、风压高度变化系数按规范取值； 大跨屋盖（平屋盖、小坡度屋盖）风荷载以上吸风为主；
管桁架结构设计一些问题
分析模型假定
一般情况下，采用相贯节点的桁架，建议弦杆连续、腹杆与弦
杆铰接计算假定； 其它连接假定：全铰接、全刚接。
杆件长细比限值
受压杆件：一般情况下取180，支座附件取150，重要的关键
杆件取120； 受拉杆件：一般情况下取300，直接承受动力荷载取250。
管桁架结构设计一些问题
杆件计算长度
管桁架结构设计一些问题
节点
不设加劲肋； 受力较大或弦杆刚度较弱时，可按以下方法加强：
一般情况下，采用相贯节点，即腹杆直接焊接在贯通弦杆表面，
管桁架结构工程
某训练馆管桁架屋面
网架结构
受力机理
按弦层数分：双层网架、三层网架，一般采用双层。
网架结构
பைடு நூலகம்
网壳结构
受力机理
按弦层数分：单层网壳、双层网架。
网壳结构
单层网壳分类
球面网壳 柱面网壳 双曲扁网壳 圆锥面网壳 扭曲面网壳 双曲抛物面网壳 其它形式的单层网壳
网壳结构
双层网壳分类
双层球面网壳：交叉桁架体系、四角椎体系、三角椎体系 双层柱面网壳：交叉桁架体系、四角椎体系、三角椎体系
计算分析
阻尼比：纯钢结构取0.02， 上部钢结构下部混凝土结构，钢结构设计建议取0.02控制，混凝土 部分设计建议取0.035控制，整体结构指标建议按0.035控制； 节点 遵从“强节点、弱构件”设计原则； 复杂节点应进行实体有限元分析； 管桁架结构优先才相贯节点；网架结构采用螺栓球、焊接空心球；管截面的 网壳结构可根据实际情况优先采用相贯节点、加强型相贯节点，也可采用球 节点或节点板节点； 杆件长细比控制标准
谈谈大跨空间结构 设计
周坚荣 高成结构
主要内容：
大跨空间结构特点与体系分类 常用的大跨空间结构体系 大跨空间结构的荷载作用及计算分析 大跨空间结构工程案例-潭州会展中心二期 推荐学习资料
大跨空间结构特点与体系分类
大跨空间结构特点
大跨空间结构体系分类
空间结构的概念
凡是建筑结构的形体成三维空间性状，在荷载作用下 自然界有许多空间结构：如蛋壳、乌龟壳、蚌壳、花

地震荷载


地震作用参数按规范取值； 考虑双向地震，考虑竖向地震，考虑三向地震； 长度超过300m，考虑行波效应带来的不利影响，补充多点输入地震作用 分析 对于重要大跨空间结构，应进行性能化设计—中震不屈服或中震弹性，钢 结构相对容易实现。
计算分析
计算模型： 采用总装整体分析模型，考虑下部结构弹性支座对上部屋盖影响，准确 模拟上部屋盖地震作用； 模态分析： 大跨空间结构往往局部振型比较多，需要考虑足够多振型，建议采用里兹法求解； 考虑三向质量参与，水平方向参与质量系数不小于90%； 屋盖第一阶竖向振动频率不小于1HZ； 稳定分析 线性屈曲屈曲因子不小于10； 考虑几何非线性，结构稳定极限承载力安全系数不小于4.2； 考虑几何非线性、材料非线性，结构稳定极限承载力安全系数不小于2.0； 一般而言，平面桁架面外稳定性较差，容易出现局部失稳； 倒三角形空间桁架、网架结构、跨厚比较小的双层网壳稳定性较好； 单层网壳稳定性较差。 单层网壳、跨厚比不小于50的双层网壳必须进行考虑几何非线性、材料非线性的极 限承载力稳定分析； 稳定分析考虑初始缺陷，初始缺陷取最低阶整体屈曲模态，最大缺陷值取1/300跨度； 圆柱面网壳和椭圆抛物面网壳网壳需考虑半跨雪荷载或活荷载稳定分析；
生壳各种植物种子的外壳是一种受力性能很好的空间结构 (薄壳结构)；蜂窝也是空间结构(空间网格结构)；蜘蛛网
具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构称为空间结构；
属于索网结构；肥皂泡是典型的空间结构(充气薄膜结构)。
大跨空间结构特点
三维空间受力，整体性好，刚度好，内力均匀； 自重轻，经济性好； 便于工业化生产；
董石麟院士在《中国空间结构的发展与展望》一文中提出按空间结构的 基本单元进行划分 —按板壳单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元等 五种单元组成来分类。
大跨空间结构体系分类-按力学准则分类
大跨空间结构体系分类-按力学准则分类
常用的大跨空间结构体系
管桁架结构
网架结构 网壳结构
管桁架结构
网架结构
双层网架结构形式
网架结构
双层网架结构形式
网架结构
常规跨度网架用钢量 网架节点自重占比约15%~25%。
网架结构
网架几何尺寸的确定
对于轻钢屋面，网架跨高比可取15~25，甚至可达30； 腹杆与弦杆的夹角建议控制在40o~600 ；
网架结构
网架节点形式
焊接空心球节点 螺栓球节点 焊接钢板节点（应用较少） 采用相贯节点（平行桁架体系中应用）
R-R形桁架：主管、次管均为方钢管或矩形钢管相贯的桁架结 构； R-C形桁架：矩形截面主管与圆形截面支管直接相贯的桁架结 构；
管桁架结构设计一些问题
桁架几何及截面参数确定
桁架高度：一般轻钢屋面，桁架高度可取（1/15~1/25）L0，

立体拱桁架可取（1/20~1/30）L0 ,荷载较大取下限值； 腹杆与弦杆夹角：建议取30o~60o,不应小于15o ,不应大于75o ; 三角形空间桁架宽度：宜取（1/2~1/3）桁架高度，一般取 1/2.5桁架高度； 主管管径（宽度）不宜小于支管，壁厚不宜小于支管。一般情 况下，建议主管管径大于支管，主管壁厚大于支管2mm或以 上，以保证相贯节点的刚度及承载力； 矩形截面桁架（R-R形桁架），建议弦杆、腹杆宽度一致，尤 其是空腹桁架，节点连接简单、传力直接，一般情况下弦杆里 可不设加劲肋。