大跨度空间结构设计

第1章 绪论
图
空间网壳圆屋顶
（a）网架结构
平板网架屋盖
（b）网壳结构 图1.2 空间结构
高次超静定，三向受力，非线性，大变形。
第1章 绪论
平面结构：梁、屋架、框架、刚架、拱；
单向受力，计算理论成熟；
第 1章
二、大跨度空间结构的特点
绪论
（1）自重轻，经济性好。目前大部分空间结构都采用钢材、膜 材等制作，轻质高强材料的运用使结构自重大大减轻。 （2）刚度好，抗震性能好。由于空间结构具有三维受力特性， 内力均匀，对集中荷载的分散性较强，所以能很好的承受不对 称荷载或较大的集中荷载，整体刚度大。 （3）便于工业化生产。空间结构的构件通常在工厂中制作， 在工地上可以很快地安装起来。 （4）形式多样化，造型美观。空间结构的形式丰富多彩，千 变万化，个性鲜明，为建筑师的自由建筑创作提供了广阔的想 象空间。——目前大跨度结构的建造和所采用的技术已成为衡 量一个国家建筑水平的重要标志，许多宏伟而富有特色的大跨 度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。成为 标志 性建筑； （5）建筑、结构和使用功能的统一。
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第 1章
一、空间结构的概念
绪论
凡是建筑结构的形体成三维空间性状，在荷载作 用下具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构 称为空间结构。 日常生活中空间结构的例子，如草帽、折扇、簸 箕、笸箩等。观察自然界我们会发现许多空间结 构，如蛋壳、乌龟壳、蚌壳、花生壳各种植物种 子的外壳等，适合于各自的大自然环境，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)；蜘蛛网属于索网结构； 肥皂泡是典型的空间结构(充气薄膜结构)。
第1章 绪论
杂交结构 悬索、索膜、张拉
受拉为主，高强材料
几何非线性结构
第1章 绪论
混合体系： 受压刚性，受拉柔性； 张弦桁架，预应力索拱。
第1章 绪论
2、按单元划分
将组成空间结构的基本单元归纳为五种，即板壳单 元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元。一种单元 或多种单元集合便构成各种各样具体形式的空间结 构，见图表1。如网壳结构中，单层网壳由梁单元 组成，而双层网壳由杆单元组成，这样单双层网壳 分属于两种不同的结构。另外，这种划分对尚未出 现的新结构形式留有较大空间。
屋面采用钢筋混凝土薄壳结构
第1章 绪论 首都体育馆，矩形平板网架, 1967， 122×99×6m，平行弦桁架，用钢量
65kg/m2；
第1章
绪论
上 海 体 育 馆
1973，圆形平面，110m×6m，平行弦桁架，用钢量47kg/m2，这样万人 级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者。
153+153m×90m ，采用三层斜放 四角锥网架，焊 接球节点平板网 架，其跨度规模 之大，在国际上 是数一数二的， 这是我国在钢结 构方面的又一大 殊荣。机场的钢 结构屋盖由于建 筑上的要求比较 高，更是绚丽多 彩。
单元形式 薄壳结构 I 折板结构 带肋折板 I+IV 空腹网架 空腹夹层板 II+III 拱支网壳 双层网壳 斜拉网架（ 壳） III+I+II 索网结构 索桁结构 IV+III+V 气肋式膜结 构 V+II(或 III) V+III+IV
结构形式 波纹拱结构 I+II 空腹网壳 II+I II+III+IV 立体桁架 拉索预应力网架 （壳） IV 悬索-桁架结构 张拉整体结 构 IV+II I III 树状结构 II I 带肋薄壳 悬挂薄壳 单层网壳 组合网壳 局部双层网壳 张弦梁结构 网架结构
（a）南京会展中心
（b）沈阳奥体中心 图1.3 立体桁架结构
第1章 绪论 （2）柔性空间结构
柔性空间结构体系是指由柔性构件构成，如钢索、薄膜等，通过施加预 应力而形成的具有一定刚度的空间结构体系。结构的形体由体系内部的 预应力来决定。包括悬索结构、膜结构和张拉整体结构等。
（3）杂交结构体系
将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体系。 杂交体系按
照其组合方式的不同可分为以下三类： •第一类为刚性结构体系之间的组合，如组合网架、组合网壳、拱支网壳 等； •第二类为柔性结构体系与刚性结构体系的组合，属于半刚性结构，这种 又可分为斜拉结构、拉索预应力结构、张弦结构、支承膜结构等。 •第三类为柔性体系之间的组合，如柔性拉索与索网的杂交，柔性拉索与 膜材之间的组合形成的索-膜结构。
板壳 单元
II
梁单 元
表 1 空 间 结 构 分 类
III
杆 单 元
张弦立体桁架
组合网架 悬索结构
III+IV
IV
索 单 元
拉索网架 索穹顶结构 气承式膜结构
V
V
膜 单 元
骨架支承膜结 构 张拉膜结构
四、大跨度空间结构的发展
圣彼得大教堂
古代空间结构
罗马万神庙
当代空间结构的ຫໍສະໝຸດ Baidu展
悉尼歌剧院
北京火车站
空腹桁架椭球壳体结构， 长轴211.9m，短轴143.2m，高45.2m
第1章 绪论
三、空间结构的分类
1、按空间结构的受力特点来划分
（1）刚性空间结构
刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的空间结构体系。 包括薄壳结构、空间网格结构以及立体桁架结构。 •钢筋混凝土薄壳在施工中耗用模板及脚手架较多，所需劳动量较大， 费用高，高空浇筑或吊装费工费时。因此，薄壳结构的应用近年来有所 减少。 •空间网格结构根据外形分为两大类，一类称为网架，其外形呈平板状 （图1.2a）；另一类称为网壳，其外形呈曲面状 （图1.2b） 。 •立体桁架结构是以钢管通过焊接有机连接而成的一种空间结构（图1.3 ）。立体桁架结构是在网架、网壳结构的基础上发展起来的，与网架、 网壳结构相比具有独特的优越性和实用性。该结构省去一些纵向弦杆和 球节点，并具有简明的结构传力方式，可满足各种不同的建筑形式的要 求，尤其是构筑圆拱和任意曲线形状更有优势。
首都机场四机位机库
天津市体育馆
北京石景山体育馆
1994年建成的，放射状布 置的正放四角锥双层球形 网壳，直径有108m，网 壳厚度为3m；
平面为三角形，边长99.7m，屋 盖由三片四边形的双曲抛物面双 层网壳组成，支承在三叉形格构 式刚架和钢筋混凝土边梁上， 1989年建成
第1章 绪论
国家大剧院