大跨建筑结构设计要点PPT(共 88张)
土木工程毕业设计—建筑结构设计ppt课件
明确几个问题：
为什么土木工程专业的毕业设计应该做建筑结构设计？
毕业设计难不难？做结构设计的目的和意义是什么？
力学、结构没学好怎么办？分层法、D值法完全不懂怎么办？
1、毕业设计思路——倒过来分析 （从最终成果追本溯源） 结构设计的最终目的——施工图 主要内容：梁配筋、柱配筋 （绘制平法施工图）
截面积
按轴压比预估，再计算验证。
柱配筋
箍筋
已知BxH，已知混凝土强度（C30）， 箍筋强度（HPB300），已知V，求解 Asv/s
纵筋
已知BxH，已知混凝土强度（C30）， 箍筋强度（HRB400），已知M、N， 已知计算长度L0，求解As，A’s
求解过程中一个重要内容——内力（M、N、V） 主要问题：怎样得出梁柱杆件上的内力？ 怎么求？ 结构设计全过程——求内力
材料选择
5、结构布置 结构体系的传力路径
竖向 楼盖结构体系 现浇梁板楼盖结构体系 水平
竖向：承受楼盖传来荷载 竖向结构体系 框架体系
水平：风荷载、地震荷载
基础的结构体系
独立基础
5、结构布置 框架结构承重方案
（1）横向框架承重方案
次梁沿纵向布置，即将力传给横向框架承重。该方案可提高横向抗侧刚度。 主要荷载传递到横向，横向梁截面较大，纵向可减小。
5、结构布置 框架结构布置要点
平立面布置宜规则，各部分质量和刚度均匀、连续。 框架梁宜连通。 框架柱宜纵横对齐、上下对齐。 柱子设在纵横墙交界处。
6、构件尺寸初步确定
梁
《高规》截面高度可取计算跨度的1/18~1/10，梁宽取1/3~1/2梁高。 需综合考虑荷载和跨度的情况，特殊情况特殊对待。同时需满足刚度、 延性的要求。 根据柱的受荷面积、 楼层数、荷载大小等 参数预估。
大跨空间钢结构
二、 杂交结构及整体张拉结构体系
2、弦支穹顶结构
2）弦支穹顶结构的产生 那么如何能够更好地利用索穹顶结构的优点，同时又避免它的不足之处呢? 日本的M．Kawaguchi教授于1993年提出了弦支穹顶的概念，该体系由单 层网壳、撑杆及预应力索组成，如图10.3所示。显而易见，弦支穹顶是将 索穹顶的上部拉索全部采用刚性构件而构成一单层网壳，同时保持其他构件 形式不变的一种新型的混合空间结构体系。
美国工程师Geiger（盖格）对实现这种结构思想做出了极大的贡献，他借 鉴张拉集成思想并作了实质性的推广和发展，于1986年开发出一种实用 的大跨度空间结构体系——索穹顶，其实质是用一个周边受压环梁来平衡 张拉体系。
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汉城奥运会体操馆
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太阳海岸穹顶
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索穹顶结构由放射性脊索、斜索和环索组成的连续张力索网和不连续 受压杆，以及中央拉环、周边压力环构成了Geiger型穹顶的基本体系 (图10.1)。
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一、概述
1、大跨建筑的概念
1）大跨的界定
国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将 60m以上定义为大跨度结构
2）大跨结构的特点
（1）自重轻，经济性好。 （2）刚度好，抗震性能好。 （3）便于工业化生产。 （4）形式多样化，造型美观。 （5）建筑、结构和使用功能的统一。
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一、概述
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二、 杂交结构及整体张拉结构体系
2、弦支穹顶结构
1）弦支穹顶结构的概念
弦支穹顶结构是将张拉整体、索穹顶等柔性结构的概念和单层网壳相结 合而形成的一种新型的空间结构体系。是由连续受拉构件( 索或钢拉杆) 和独立受压杆件( 撑杆) 共同支承上部受压结构( 或构件) 而形成的结构 形式。
大跨建筑结构设计要点
大跨建筑结构设计要点1. 引言大跨建筑是指跨度较大的建筑结构，通常用于场馆、机场、桥梁等重要工程。
大跨建筑结构设计要点涉及材料选择、结构布局、抗震设计等方面，本文将从这些方面介绍大跨建筑结构设计的要点。
2. 材料选择2.1 结构材料对于大跨建筑来说，结构材料的选择至关重要。
常见的结构材料包括钢材、混凝土和木材。
具体的选择需要考虑建筑的功能、负荷要求、耐久性和成本等因素。
钢材通常用于跨度较大、承载能力要求高的部位，混凝土用于提供更好的耐久性和抗震性能，木材则常用于轻型结构和装饰。
2.2 外墙材料外墙材料的选择需要考虑建筑的整体风格和环境要求。
常见的外墙材料包括玻璃、金属板、石材等。
玻璃材料可用于增加建筑的透明度和光亮感，金属板常用于现代风格的建筑，石材则常用于提供建筑的稳定感和质感。
3. 结构布局大跨建筑的结构布局需要考虑建筑的跨度、高度、稳定性和空间利用率等因素。
3.1 平面布局在平面布局上，大跨建筑可以采用单室或多室结构。
单室结构适用于跨度较大、建筑内部空间需求较大的场所，多室结构则适用于灵活分区、功能需求复杂的场所。
3.2 立面布局在立面布局上，大跨建筑可以采用平直或曲线形状。
平直形状适用于现代简约风格的建筑，曲线形状则适用于提供建筑的流畅感和美感。
4. 抗震设计大跨建筑需要进行有效的抗震设计，以确保建筑在地震等自然灾害中的安全性。
4.1 建筑地基合理的地基设计是抗震设计的基础。
在大跨建筑中，通常需要采用深基坑和深基桩等方式来提供足够的支撑和稳定性。
4.2 结构体系合理的结构体系可以提高建筑的整体稳定性。
对于大跨建筑，常见的结构体系包括框架结构、剪力墙结构和桁架结构等。
其中，桁架结构通常用于跨度较大的建筑，剪力墙结构则适用于提高建筑的抗震能力。
4.3 防震装置大跨建筑还可以采用防震装置来提高抗震能力。
常见的防震装置包括减震器和承载控制装置等。
5. 结论大跨建筑的结构设计要点包括材料选择、结构布局和抗震设计等方面。
第五章 大跨度结构选型
第五章大跨度结构选型1 大跨度建筑概况2 拱结构3 刚架结构4 桁架结构5 网架结构6 折板结构7 薄壳结构8 悬索结构1 大跨度建筑概况1.1 大跨度建筑定义按网架结构设计规范规定≤30米，小跨度30～60米，中跨度>60米，大跨度1.2 大跨度建筑的发展过程1.2.1 古典大跨结构（2000多年前～文艺复兴）特征：“砖石结构”1.2.2 平面大跨结构（19世纪后半叶～二战）特征：“桁架、刚架、拱结构”1.2.3 新型大跨结构（二战～）特征：“薄壳、悬索、网架”1.3 大跨度建筑的结构特征1.3.1 大跨建筑主要承受竖向荷载1）高层结构荷载：水平荷载为控制因素构件：竖向悬臂构件—柱(线)，墙(面)，筒(体)变形：水平侧移2）大跨结构荷载：竖向荷载为控制因素构件：水平简支构件变形：竖向挠曲1.3.2 大跨结构是梁结构的改造和演变1.3.3 新型大跨结构的特点①整体上是空间结构②跨度大，可覆盖巨大的室内空间③矢高小、曲率平缓，可有效利用空间④厚度薄、自重轻，节省材料⑤形式多样，可适合于各种形状的平面组合2.1 拱结构的特点1）拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力2）拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩3）拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大2.2 拱结构的型式1）按受力①三铰拱②两铰拱③无铰拱2）按外形①双折线型②圆弧线型③抛物线型2.3 拱结构的主要尺寸1）跨度：公建主体30～40米，可达到95～200米，经济跨度80～100米2）矢高：与建筑外形、使用要求、屋面构造、内力计算有关屋盖结构f=(1/10～1/5)L公建主体f=(1/5～1/2)L2.4 拱结构屋盖布置1）跨度40～60米时拱间距6～10米，设上弦横向支撑及纵向支撑2）跨度70～120米时拱间距9～15米，采用相距3～6米的成对拱2.5 拱结构支座处理1）由拉杆承受推力2）由框架承受推力3）基础承受推力4）刚性水平构件承受推力3 刚架结构3.1 刚架结构的特点1）内力分布均匀2）结构轻巧，节省材料，制作方便3）空间高度大4）结构刚度差3.2 刚架结构的型式1）按组成①三铰刚架②两铰刚架③无铰刚架2）按断面①实腹式②格构式3.2 刚架结构的主要尺寸①实腹式：50～60米②格构式两铰刚架：60～120米③格构式无铰刚架：120～150米④折线弓形刚架：40～50米高15～20米2）断面①实腹式梁高h=(1/12～1/20)L设预应力拉杆h=(1/30～1/40)L②格构柱宽同横梁节间5～7米③折线弓形刚架梁高、柱宽(1/15～1/25)L3.4 刚架结构节点构造1）顶点铰钢销栓2）实腹刚架支座①固定支座细石砼填实②铰支座沥青麻丝填3）格构刚架支座①板式支座支反力≤100t②臼式支座支反力>100t③平衡支座支反力≤100t4 桁架结构4.1 桁架结构的特点1）将受弯杆件转化为轴力杆件2）充分利用三角形的刚性特点3）充分利用材料特性，以小杆件拼合跨越大空间4.2 桁架结构的型式1）按材料：木、钢砼、钢、组合式2）按外形：①三角形L≤18m，i=1/5～1/2②梯形L=18～36m，≤72m，f/L=1/6～1/8③拱形L=18～36m，≤60m，f/L=1/6～1/8④折线形⑤平行弦4.3 桁架结构节点构造1）支座①平板支座②滚轴支座2）屋架端部①内天沟式②自由落水③外天沟式5 网架结构1）整体刚度大，稳定性好，为空间多向受力状态2）杆件受力合理，能充分利用材料特性3）高跨比小，能有效利用空间4）杆件规格少，便于工厂化、装配化5）建筑造型新颖，可适合于多种平面5.2 网架结构的型式1）按材料：木、钢砼、钢、组合式2）按外形：①平板网架 a.交叉桁架体系b.角锥体系②曲面网架 a.球面网壳b.柱面网壳c.双曲面网壳5.3 平板网架1）交叉桁架体系①两向正交正放: 适用于正方形平面②两向正交斜放：适用于矩形平面③三向交叉网架：适用于圆形、三角形、多边形平面2）角锥体系①三角锥体②四角锥体③六角锥体5.4 平板网架杆件与节点1）杆件①角钢②钢管2）节点①十字钢板节点：用于角钢杆件，焊接或螺栓②球节点：用于钢管杆件a.实心球：螺栓连接b.空心球：焊接连接3）网架上弦起坡排水坡度要求2～5%①结构起拱：跨度>60m时，起拱1/300②上弦加柱：按坡度变高5.5 平板网架构造1）支承方式①四边支承：四边设圈梁，支于列柱②柱支承：四点或多点柱支承③三边支承：三边支于列柱自由边加托梁、边桁架、拱2）支座构造①平板铰支座：用于跨度较小②转动弧形支座：用于跨度大③摇摆支座：用于跨度大、温差大5.6 网壳简介1）球面网壳2）柱面网壳6 折板结构6.1 折板结构的组成1）折板：由钢砼或钢网水泥平板组成2）横隔构件：可用横隔板、横隔梁、横隔桁架3）边梁：当跨度较大时设边梁，以减小折板倾角6.2 折板结构的主要尺寸1）折板类型①长折板：L/B>1，f≥(1/10～1/15)L②短折板：L/B≤1，f≥1/8L2）跨度：普通砼可达到21米，预应力砼可达到27米3）一般尺寸：B=2～3米，f=0.5～1.2米，板厚≥B/40L≥24米，B=1～2米，板厚25～457 薄壳结构7.1 定义曲面厚度/曲率半径≤1/20时称为薄壳建筑工程结构中常为1/50～1/1007.2 特点1）受力主要是面内力（薄膜内力）2）可覆盖大空间而不设柱3）自重轻，刚度大，整体性好，利于抗震4）节省材料，经济效果好5）造型美观，活波新颖7.3 薄壳结构型式及构造7.3.1 筒壳1）组成：壳面、边梁、横隔2）几何尺寸①跨度/波长：长壳=1.5～2.5；短壳=1～0.5②失高：f≥(1/10～1/15)跨度③壳板厚：现浇式≥50装配式≥30小跨度=50～60，大跨度≥80 3）边梁形式4）横隔形式7.3.2 球面壳1）组成：壳面、支承环2）几何尺寸①跨度：可达100米，多用60米以下②失高：f≥(1/8～1/4)跨度③壳板厚：现浇式≥40装配式≥303）支承环：同筒壳边梁7.3.3 双曲扁壳1）组成：壳面、边缘构件2）几何尺寸①跨度：经济跨度30～60米②失高：f≥(1/5～1/6)短边长度③壳板厚：跨度30～60米时，板厚50～1003）边缘构件薄腹梁拉杆拱桁架密柱曲梁7.3.4 双曲抛物面壳1）组成：壳面、边缘构件2）几何尺寸①跨度：单块柱网可达30x30米②失高：f≥(1/5～1/8)短边长度③壳板厚：跨度30～60米时，板厚50～1003）边缘构件：桁架、密柱边梁、刚性墙7.3.5 自由曲面壳8 悬索结构8.1 体系特征1）体系构成①索网②支承结构2）特点①跨度大，空间灵活②利用钢索受拉、砼受压，自重轻，节省材料③施工方便④造型新颖，适用性广⑤由于风力作用而容易失稳3）适用范围用于跨度60～150米方形、矩形、圆形、椭圆形平面8.2 结构型式1）单层单曲面索2）双层单曲面索3）轮辐式索4）鞍形索网8.3 悬索结构支承处理1）采用斜向牵索将悬索拉道基础上2）设置对称的斜撑体系平衡内拉力3）设置对称的斜拱体系平衡内拉力4）设置封闭环梁活马鞍形环梁平衡内拉力5）设置竖拱和扁圆环梁平衡内拉力6）设置横向水平桁架和纵墙体系平衡内拉力8.4 悬索结构的混合体系9其它结构型式9.1 薄膜结构体系9.2 结构的混合体系。
大跨结构设计注意事项
大跨结构设计注意事项
大跨结构设计是指那些跨度较大、跨越较远的建筑或工程结构，例如桥梁、大跨度建筑等。
在进行大跨结构设计时，需要考虑一系
列的注意事项，以确保结构的安全、稳定和可靠性。
首先，设计大跨结构时需要充分考虑结构的承载能力。
这包括
考虑结构所需的强度、刚度和稳定性，以确保结构能够承受预期的
荷载并保持稳定。
在设计过程中需要进行详细的结构分析和计算，
考虑各种荷载情况下的结构响应，包括静载荷、动载荷、风荷载等。
其次，大跨结构设计还需要考虑结构的材料选择。
不同的材料
具有不同的特性和适用范围，需要根据实际情况选择合适的材料。
例如，在桥梁设计中，常见的材料包括钢材、混凝土、预应力混凝
土等，而在大跨度建筑设计中可能还涉及到玻璃、钢结构等材料的
选择。
另外，考虑结构的施工性和可维护性也是大跨结构设计的重要
注意事项。
结构设计应该尽量考虑到施工过程中的实际情况，确保
结构施工的可行性和安全性。
同时，结构的日常维护和检修也需要
纳入设计考虑，以确保结构在使用过程中能够保持良好的状态。
此外，大跨结构设计还需要考虑环境影响因素。
例如，在桥梁设计中，需要考虑河流流速、地质条件、地震影响等因素，而在大跨度建筑设计中可能需要考虑风荷载、温度变化等因素。
这些环境影响因素需要在设计过程中进行充分的评估和考虑，以确保结构在各种环境条件下都能够安全可靠地运行。
总的来说，大跨结构设计需要综合考虑结构的承载能力、材料选择、施工性、可维护性和环境影响因素等多个方面。
只有全面考虑这些注意事项，才能设计出安全、稳定和可靠的大跨结构。
建筑结构设计 第6章 中跨与大跨建筑结构
图5 首都人民大会堂
图6 鸟巢
6.2 桁架及屋架
桁架是由杆件组成的几何不变体，即是指由直杆在杆 桁架 端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架 中的杆件大多只承受轴向力，杆件截面上应力分布均 匀，材料性能发挥较好，从而能节省钢材和减轻结构 自重，特别适用于跨度和高度较大的结构。 桁架在钢结构中应用很广 应用很广，分为空间桁架和平面桁架 应用很广 两类。网架结构和各种塔架结构为空间桁架，常用的 平面桁架如屋架、吊车桁架、支撑、桥梁等。平面简 支桁架的杆件内力不受支座沉降和温度变化的影响， 且构造简单、安装方便最为常用。
h = (1 / 10 ~ 1 / 6)l 0
6.3 单层钢架结构
单层钢架：一般由直线形杆件（梁和柱）组成 单层钢架 的具有刚性节点的结构。当横梁为折现形时称 为门式钢架 门式钢架；当横梁为弧形时，称为拱式钢架 拱式钢架。 门式钢架 拱式钢架 刚架结构由横梁、柱和基础组成。刚架的柱与 横梁刚接，与基础铰接。 排架结构由屋架、柱和基础组成，柱与屋架铰 接，而与基础刚接。
门式刚架从结构上分类有：
（1）无铰刚架；（2）两铰刚架；（3）三铰刚架
无铰刚架
两铰刚架
三铰刚架
三种刚架的经济指标 刚架用料 刚架形式 钢 (kg) 无铰 两铰 三铰 364 365 380 混凝土 钢 (m 3 ) (kg) 3.00 2.98 2.42 68.0 35.0 35.0 混凝土 钢 (m 3 ) (kg) 4.28 0.87 0.87 432 400 415 混凝土 (m 3 ) 7.28 3.76 3.29 基础用料 总材料用量
大跨建筑的发展概况
（1）罗马万神庙，见图1。穹顶直径达43.3m，顶端高度也是 43.3m，中央开一个直径8.9m的圆洞。 （2）威斯敏斯特教堂，见图2。总长156米，宽22米；大穹窿顶 高31米，跨度大19.3m，钟楼高68.5米，拱脚厚度达910mm。
大跨结构网壳结构课件
防腐处理：钢材表面 应进行防腐处理，以 提高结构的耐候性和 使用寿命。
通过以上施工方法和 步骤、施工技术与要 点以及质量控制与验 收标准的严格执行， 可以确保大跨结构网 壳结构的安全、稳定 和耐久性，满足建筑 物的使用需求。
04
工程实例和案例分析
大型体育场馆网壳结构分析
结构特点
大型体育场馆网壳结构通常采用钢结构或钢混结构，具有 大跨度、轻质、高强等特点。其形态多为穹顶或双曲面， 以实现良好的空间效果和视线通透性。
特殊形状网壳结构工程实例
1 2 3
结构创意
特殊形状的网壳结构往往具有独特的建筑造型和 象征意义，对结构设计和施工技术提出较高挑战 。
工程实例1
某球形网壳结构的文化中心，通过优化结构设计 和施工方法，实现了轻盈的球形外观与内部功能 的完美结合。
工程实例2
某异形网壳结构的展览馆，采用参数化设计和先 进的3D打印技术，呈现出极具未来感的建筑造 型。
• 计算机辅助设计：借 助计算机技术和有限 元分析方法，网壳结 构的设计和分析更加 精确、高效，为复杂 形态网壳的实现提供 了有力支持。
• 施工技术成熟：网壳 结构的施工技术不断 成熟，如整体吊装、 分块组装等方法，提 高了施工效率和质量 ，降低了工程成本。 同时，随着3D打印技 术的发展，网壳结构 的施工技术也将迎来 新的突破。
网壳结构的未来发展方向和挑战
超大跨度网壳结构
随着工程技术的进步，未来网壳结构 将向更大跨度发展，以满足特殊工程 需求。
绿色、环保材料
在网壳结构的设计和建造过程中，将 更加注重绿色、环保材料的应用，降 低结构对环境的影响。
抗震、抗风等性能提升
针对地震、风灾等自然灾害，加强网 壳结构的抗震、抗风性能研究，提高 结构的安全性。
大跨建筑结构课件
常用形式: （1）角钢（或T型钢）桁架 （2） H型钢重型桁架* （3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）*
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。*
11
上海证券大厦
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。
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为保证节点板受压时的稳定, 桁架杆件间间隙不 能太大, 例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲
的节点板）c 15t 235 / f y , 不能理解为c 值愈小愈
好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间 隙, 不应小于20mm”, 是由于间隙过小, 焊接残余 应力影响过大。而对吊车桁架, 为避免疲劳破坏又 规定此间隙“不宜小于50mm”；同时还规定在工作 温度-20 C地区的桁架, 为防冷脆, “腹杆与弦杆 相邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样, 这些 规定不能理解为杆件间间隙愈大愈好, 在某些情况 如出现矛盾, 应妥善处理。
大跨建筑结构
1
参考书目: 1.《大跨空间结构》 张毅刚等编 机械工业出版社； 2.《大跨空间结构》完海鹰编 中国建筑工业出版社； 3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91； 4.《空间结构设计与施工》 东南大学出版社；
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概述
大跨与空间钢结构主要用于公共建筑, 如大会 堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育 场、航空港等。
新修订的荷载规范增加了以恒载为主的不利组 合式, 屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然 因素的不利影响, 故又恢复到0.5kN/m2。但注明“对 不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。新 修订的《钢结构设计规范》规定“对支承轻屋面的构 件或结构, 当仅有一个可变荷载且受荷面积超过 60m2时, 取0.3kN/m2 ” 。这与原《门式刚架轻型房 屋钢结构技术规程》的规定有所不同, 应注意檩条的 计算。
建筑结构-结构设计概论PPT课件
4 抗震承载力计算公式
S R / RE
5 抗震等级的划分
钢筋混凝土结构根据设防烈度、结构类型和房屋高度划分为一 ~四级抗震等级，抗震计算和抗震构造均与抗震等级有关。15
设计概论
1.1 结构类型 1.2 设计内容
1.2.1 设计过程 1.2.2 计算要求 1.2.3 抗震设计
框架结构
框—剪 结构
i 1
¢由永久荷载效应控制。所有的可变荷载均以组合值为代表值， 永久荷载分项系数取1.35。
m
S G CG GK Qi CQi ci QiK i 1 10
设计概论
1.1 结构类型 1.2 设计内容
1.2.1 设计过程 1.2.2 计算要求
•承载能力极限状态的简化组合（排架、框架结构）： ¢由可变荷载效应控制 仅考虑荷载效应最大的一项可变荷载，以标准值为代表值
•第三水准烈度：罕遇地震，50年超越概率约为2~3%，结构有 较大的非弹性变形，但在一定的控制范围内，不致倒塌。
14
设计概论
1.1 结构类型 1.2 设计内容
1.2.1 设计过程 1.2.2 计算要求 1.2.3 抗震设计
3 抗震设计内容 ¢抗震构造； ¢多遇地震下的承载力计算和变形验算； ¢罕遇地震下的薄弱层弹塑性变形计算。
变荷载取组合值）
m1
Ss
CGGK
CQ1 Q1K
CQi ci QiK
i 1
¢频遇组合：（一项可变荷载取频遇值，其余可变荷载取准永久
值）
Ss
CGGK
fiCQi QiK
CQj qjQ jK
ji
¢准永久组合：（所有可变荷载均以准永久值为代表值）
m
Sl CGGK CQi qiQiK i 1
《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
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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
全张拉结构,先进大跨结构概念与实例简介PPT分解
双层悬索结构
戈特利布· 戴姆勒体育场位于德国斯图加特。它最大的特 色是观众席的屋顶，屋顶由聚酯织物构成，精美的结构与花纹， 给人怀旧的感觉。屋顶结构为双层外压环和单层内拉环的双层 辐射状悬索结构。
（2）索网结构
实例1：慕尼黑奥林匹克体育场是1972年德国慕尼黑夏季奥运会 的主体育场，以颇具革命性的帐篷式屋顶结构闻名。其整个棚顶呈圆 锥形，由网索钢缆组成，每一网格为75×75厘米，网索屋顶镶嵌浅灰 棕色丙烯塑料玻璃，用氟丁橡胶卡将玻璃卡在铝框中，使覆盖部分内 光线充足且柔和。
实例2：位于于贵州省黔南州平塘县的大窝凼洼地在建的世界最大口径 射电望远镜（简称FAST）是约30个足球场大小的高灵敏度巨型射电望 远镜。FAST反射面全球面张拉索网体系。
（3）张拉膜结构
悬挂膜结构
奥林匹克体育 中心位于芜湖 市城南新区， 是芜湖市标志 性建筑。屋面 结构为悬挂膜 结构，结构轻 盈，新颖。
单层辐射状悬索结图
双层悬索结 构
双层悬索体系是由一系列下凹的承重索、上凸的稳定 索及两者之间的连系杆（拉杆或压杆）组成。双层悬索体 系中，两层索具有三种布置方式，凹向相背布置，凹面相 对布置，交叠布置（如下图所示）。
（2）索网结构
索网体系是由曲率相反的两组钢索相互正交做成的负 高斯曲率的曲面悬索结构，索网周边悬挂在边缘构件上。 下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在交点处 连接。预应力索网体系的空间形态丰富，最富变化。（如 下图所示）
索穹顶结构
目前实际工程中的索弯顶有两种类型,根据设计者的名字命名为Geiger 型索穹顶和Levy型索穹顶（如a，b图所示）。Geiger型索弯顶结构较为简 单,施工难度低。它的几何形状类似于平面桁架,所以结构的平面内刚度较小。 同时由于该体系结构内部存在着机构,当荷载达到一定程度时,易出现整个结 构的分支点失稳的情况。Levy型索弯顶是美国工程是M.Levy等对Geiger型 索弯顶的改造，增加了结构的复杂性,使结构构成立体桁架形式,消除了内部 机构,几何稳定性明显提高。乔治亚弯顶和阿根廷的La Plata体育馆采用的 就是Levy型索穹顶。
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。
(完整版)建筑大跨度结构案例分析
1.2园拱屋顶结构：天津西站
金属编织状的屋面，跨度114米，施工人员先在空中10 米高架层上分组进行屋面拼接，然后再整体提升到50米， 即站房的主体结构 整个屋顶长度是386.15米，重量接近7万吨。 在拱顶拼接完后，采取液压千斤顶群提升，整 体提起来，再与两侧进行拼接，最终形成整个 的拱结构
2.1刚架结构
屋盖采用管桁架+ 焊接球节点网架组 成的折板壳结构。 由呈辐射布置的11 对管桁架构成的支 撑结构体系+11对 桁架梁之间的多面 体折板网格结构体 系组合而成
折板网格结构由双层正交正放网格结构构成，厚度为2.5m，采用焊接空心球 节点。管桁架与折板网格桁架之间的连接单元，与管桁架相连一端采用相贯 焊形式，另一端为焊接空心球节点
4.1网格结构：上海宝耘石化设备有限 公司
三角形网格钢网壳有良好的强度、刚度、稳定性。在相同安全度情况下，其用钢量比四边 形网格网壳节约50%以上。在相同用钢量情况下，其承载力比四边形网格网壳高50%以上 。两向正交网格钢网壳（双向子午线网格钢网壳
4.2网格结构观测台
5.1折板结构：内蒙古大草原上的一座 丰碑—成吉思汗博物馆
通泰大桥主跨190米，双 向6车道，设计行车速度 60公里/小时，洪水频率百 年一遇，抗震烈度7度
全桥吊索共28根，吊索采用高强度镀锌钢丝成品索，双层PE保护层， 冷铸锚固体系。为保护吊索，除采用PE保护层外，在桥面以上2.5米高 度内设不锈钢管，在与主梁结合处设防水罩，上、下锚头采用防腐油脂 处理，并设置减震器，在索管内注入发泡材料，拱座基础采用钢筋混凝 土结构。
悉尼歌剧院
6.2:薄壳结构：黄石新体育馆
该体育馆造型 具有不规则、 多面、薄壳结 构的特点，是 全国第二座薄 壳结构设计建 筑——第一座 是广州歌剧院。 该体育馆的最 大跨度为111 米
大跨度结构设计阶段的风险控制要点
大跨度结构设计阶段的风险控制要点1.1.1大跨钢结构屋盖坍塌风险1风险因素分析造成大跨钢结构屋盖坍塌的风险在设计方面的原因是设计不当引起的，主要有：（1）结构计算模型各种工况考虑不周；（2）荷载取值与实际使用情况不符，特别北方地区雪荷载引起的超载影响；（3）大跨钢结构屋盖稳定性不满足规范要求；（4）支座刚度取值不合理造成空间杆件内力与实际不符；（5）没有考虑地基基础不均匀沉降的影响。
2风险控制要点对大跨钢结构屋盖坍塌的风险，设计阶段要综合考虑和采取以下措施：（1）大跨钢结构屋盖结构设计必须考虑施工安装方案与结构分析计算的一致性，当施工安装方案改变时，必须按调整以后的施工安装工况重新进行结构分析计算；（2）大跨钢结构屋盖结构设计除满足规范要求外，要考虑非预期荷载影响，应考虑足够的安全储备，另外，在寒冷地区，应考虑温度变化对屋盖结构杆件内力的影响，并应考虑凹凸屋面的造型、采光天窗、女儿墙等引起的积雪超载；（3）大跨钢结构屋盖结构设计需特别注意整体稳定性分析及杆件稳定性分析；（4）大跨钢结构屋盖空间结构进行结构分析时，应考虑上部空间结构与下部支撑的结构的相互作用，准确合理确定支座刚度；（5）在遇到软土地基或湿陷性土质地基时，应考虑不均匀沉降造成的支座沉降和位移对上部空间杆件内力的影响，采用合理的地基基础形式，避免下部结构的不均匀沉降。
1.1.2雨棚坍塌风险1风险因素分析造成雨棚坍塌的风险在设计方面的原因主要有：（1）结构计算或构造设计不当；（2）对悬挑结构，设计文件没有提出施工程序要求。
2风险控制要点对雨棚坍塌的风险，设计阶段要综合考虑和采取以下措施：（1）对悬挑结构，设计要确保雨棚的抗倾覆能力；（2）对有拉杆的悬挑结构，设计要考虑风吸力的影响，确保拉杆受压时的强度和稳定性，同时设计要确保拉杆支座的连接节点的强度和构造合理；（3）对附于雨棚结构上的各类板件，应有牢靠的连接构造；。
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随着热轧H型钢在我国投产，剖分T型钢用于桁 架弦杆或腹杆的情况越来越多。T 型钢桁架的优点 是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。
问题： （1）节点施工不方便； （2）节点构造方式不同，节点内的应力状态更加 复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均 不适用； （3）板件的局部稳定难以满足规范的规定。
88规范后的90年代，重庆钢铁设计研究院会同云 南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板 的试验，其中受拉试件16个，受压试件8个。从而总 结出用撕裂面法推导出来的公式。
由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些 受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕 裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外 多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用 有效宽度法进行承载力计算。
大跨度结构也用于工业建筑，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。
展览馆
日本大分体育公园综合竞技场
伦敦千年穹顶
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家 标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工 规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造 均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以 钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。
有效宽度法假定腹杆轴力Ｎ通过连接件在节点板
内按照应力扩散角度传至连接件端部与N 相垂直的 一定宽度范围内，称为有效宽度be 。
假定be范围内的节点板应力达
到 fu ， 并 令 be·t·fu=Nu( 节 点 板 破 坏 时的腹杆轴力)，按此法拟合的结 果，当应力扩散角=270时精度最 高，计算值与试验值的比值平均 为 98.9% ； 当 =300 时 ， 比 值 为 106.8%，考虑到国外多数国家对 应力扩散角均取为300，为与国际 接轨且误差较小，建议取=300。
有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、 围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉 或螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。
桁架节点板厚度选用表
一般的钢结构教科书和手册均列有“桁架节点板 厚度选用表”，但都系互相参考，缺乏科学依据。这 次该研究组先制作了N- t/b关系表（N为腹杆最大拉力 ；t为节点板厚度；b为连接肢宽度），反映了侧焊缝 焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的 最不利情况下，重新整理出偏于安全的N—t表。相对 来说它比以往的N—t表更符合实际。
大跨建筑结构
参考书目： 1.《大跨空间结构》 张毅刚等编 机械工业出版社； 2.《大跨空间结构》完海鹰编 中国建筑工业出版社； 3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91； 4.《空间结构设计与施工》 东南大学出版社；
概述
大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会 堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育 场、航空港等。
平面承重的大跨度钢结构
1 梁式结构体系
梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架 的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹 杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。
适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量 过大而不经济。
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。
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。
大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛 盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨 度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材 料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
主要分为两大类：
平面结构体系
梁式体系 框架式体系 拱式体系
空间结构体系
实体结构类：薄壳、折板结构 网格结构类：网架及网壳结构 张力结构类：悬索结构、膜结构 混合结构类
常用形式： （1）角钢（或T型钢）桁架 （2）形管）*
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。*
上海证券大厦
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。
为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不 能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲
的节点板）c15t 23/5fy，不能理解为c 值愈小愈
好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间 隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余 应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又 规定此间隙“不宜小于50mm”；同时还规定在工作 温度-20C地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆相 邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样，这些规 定不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如 出现矛盾，应妥善处理。
（2）H型钢重型桁架
桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长， 以H型钢作弦杆或腹杆的重型桁架，设计时应注意 节点的次应力，或按刚接节点设计，对重要的节点 还应进行有限元分析。
（3）钢管桁架（圆管或矩形管）
钢管桁架节点受力复杂，原88规范只有直接焊 接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学 对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析；哈工 大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管 为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，《钢 结构设计规范》修订时，其成果已部分纳入。
上海浦东国际机场
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。
（1）角钢（或T型钢）桁架
一般用节点板连接，过去采用的方法是按桁架 弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当受力较复 杂时不可靠。国外有些规范（如美国AISC规范）规 定需进行计算。