大跨空间结构模拟复习题

试卷A

（前6题每题10分，后2题每题20分，下同）

1．简述大跨空间结构的基本结构形式及其共同特点。

答案：薄壳结构、网格结构（网架结构、网壳结构）、张力结构（悬索结构、薄膜结构）、混合结构等。共同特点是：三维受力，通过合理的曲面形体抵抗外荷载作用。

2．简述空间桁架位移法的计算原理和步骤。

答案：基于空间杆系有限元理论，具体步骤为：1）建立基本方程及单元刚度矩阵; 2) 建立整体刚度矩阵；3）边界条件处理；4）内力计算及平衡校核；5）根据收敛条件来进行结构重分析。

3．简述两向正交正放网架、两向正交斜放网架、两向斜交斜放网架的受力特点和应用范围。

答案：1）两向正交正放网架：构造简单，刚度较弱，适用中小跨度、平面形状为矩形情况。2）两向正交斜放网架：各榀桁架刚度各异，形成良好空间作用，适用于大跨度建筑。3）两向斜交斜放网架：构造复杂，受力欠佳，适用于矩形平面，有特殊建筑要求时采用。

4．简述张力结构的三个基本要素，及其对结构力学性能的影响。

答案：张力结构的三个基本要素为互反曲面、初始预张力、几何非线性。互反曲面的作用是维持结构的形状稳定性；初始预张力的作用是增强结构刚度；几何非线性的作用是使结构具有刚度硬化的特点，使结构的刚度不仅与材料的弹性伸长有关，还与构件的刚体转动有关。

5．试列举3种增强索结构形状稳定性的措施。

答案：设置重屋面、形成混凝土薄壳、施加稳定索、采用劲性构件、与刚性结构

结合形成混合体系。

6．简述织物类膜材的基本构成以及各部分的作用。

答案：基材、涂层、面层。基材决定了材料的力学性能，如抗拉强度、抗撕裂强度等；涂层起密实和保护基材的作用，决定了材料的物理性能，如防火、防潮、透光等。面层起自洁和防紫外线辐射的作用。

7. 论述哈尔滨国际会展体育中心主馆结构体系的受力特点。

答案：1）128米跨度的预应力张弦桁架由前端的人字形摇摆柱和后端的刚性柱支承，桁架与刚性柱之间连接为固定铰支座，摇摆柱使桁架与下部结构间形成了理想的可动铰支座，使超大跨度的张弦桁架的整体受力形成理想的简支形式，这样可以很好的释放桁架中的温度应力。2) 前端的人字柱既可以传递竖向力，又可以为建筑物提供提供足够强大的纵向刚度，从建筑造型和结构受力上看都是比较理想的。3）大厅前立面玻璃幕墙的支撑桁架（抗风柱）上端与张弦桁架连接在一起，并采用了一种专门设计的连接构造，使两者间仅传递水平向力，竖直向不传力，这样近30m 高的幕墙支撑桁架得到可靠的水平支承，又可以不负担屋面的竖向荷载，使二者的受力都比较明确。4）为了方便施工，张弦桁架与摇摆柱，张弦桁架与纵向支撑间的连接大量采用了销栓式连接。张弦桁架中的一些受力复杂的关键节点采用铸钢件，节点处避免了产生复杂的焊接温度应力。

8．设有一承受均布荷载的抛物线索，已知索跨度为10m ，索水平张力为10kN ，均布荷载为0.5kN/m 。试求索的跨中垂度。

答案：由悬索结构的基本平衡微分方程可得到在竖向均布荷载作用下，索的水平

张力可表示为28ql H f

=，将已知条件代入该式，可得到索的跨中垂度为22

0.5100.625m 8810ql f H ⨯===⨯。

试卷B

1．简述螺栓球节点网架结构中螺栓的选择过程。

答案：（1）采用矩阵位移法等有限元方法求解单元内力；（2）如单元设计内力为拉力，螺栓则按照此拉力设计；计算公式为[]b b t n t N A f ψ=；（3）若单元内力为压力，则螺栓按照设计内力绝对值求得螺栓直径后，减少1～3个级别，但需保证套筒任何截面具有足够的抗压强度。

2．简述网壳结构中装配应力的计算方法。

答案：网壳结构装配应力的计算采用空间杆系的有限单元法，基本原理与计算温度应力时相仿，即把杆件长度的误差比拟为由温度伸长或缩短即可。

3．简述正放四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架的受力特点和应用范围。

答案1）正放四角锥网架：受力均匀，空间刚度大，应用最广；2）正放抽空四角锥网架：杆件数目少、构造简单、下弦杆件受力不均匀，刚度较小，用于较小跨度、轻屋面、无吊顶。3）斜放四角锥网架：上弦杆短、下弦杆长、节点构造简单，应用较广泛。

4．简述何为“形效结构”，并举例说明其受力特点。

答案：形效结构是指结构构件的纵轴形状与外荷载的形态相关，从而使构件以受轴向力为主，其典型形式为柱和拱。而像梁那样，以受弯曲应力为主的结构（构件）则称为非形效结构。

5．列举3种平面双索结构形式，并说明它们在结构和建筑性能方面的差异。 答案：凸式的结构占用空间较大，且结构抗非对称荷载的能力较弱；凸凹式的排水不好；凹式的结构占用空间较小，但也存在排水问题；Jawerth 体系具有较好

的抵抗非对称荷载能力，但是连接节点复杂。

6．简述膜结构设计的基本流程及各阶段需要完成的内容。

答案：膜结构的设计流程主要包括：初始形态分析、荷载效应分析、裁剪设计三部分。初始形态分析应确定满足一定初始应力分布的膜结构在自平衡态的几何形状。荷载效应分析应计算满足静力平衡条件的、在荷载作用下的结构内力和位移。裁剪分析应将空间膜曲面进行适当的剖分，将剖分的膜片展开为平面，在计算预应力的影响后确定膜材料的裁剪下料图。

7．试述索穹顶结构的基本思想、体系构成和受力特点。

答案：索穹顶是由美国工程师Geiger 根据Fuller 提出的“全张力体系”（Tensegrity ）的概念发展而来的。Tensegrity 原是指由连续的拉杆与分散的压杆组成的自平衡体系，其指导思想是充分发挥杆件的受拉作用。这种体系由沿辐射方向布置的脊索、布置在与脊索同一竖平面内的斜向拉索（斜索）和竖向压杆（竖杆）、以及将同一圈竖杆的下端连成一体的环索组成；从受力特点看，它实际是一种特殊形式的双层空间索系；膜材覆盖在脊索上，在相邻脊索之间用一根谷索将膜材张紧。

8．设有一承受均布荷载的抛物线索，已知索跨度为10m ，索跨中垂度0.5m ，均布荷载为0.5kN/m 。试求索内水平张力。

答案：由悬索结构的基本平衡微分方程可得到在竖向均布荷载作用下，索的水平

张力可表示为28ql H f

=，将已知条件代入该式，可得到索内水平张力为22

0.51012.5880.5ql H kN f ⨯===⨯

试卷C