大跨空间

大跨空间结构概述
大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。

大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。

在这实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。

与此同时，无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。

空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。

当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。

事实上，当跨度达到一定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。

从国内外工程实践来看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。

近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。

建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。

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。

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。

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153m，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。

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。

大跨度结构主要分为两大类：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：网架及网壳结构、悬索结构、膜结构。

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：40至60m，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。

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。

2、框架结构体系。

与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，且横梁高度可以取得比梁式结构的高度小，刚度也较大，常用于工业建筑。

框架柱柱脚可以作成铰接，也可以作成刚接。

无铰框架刚度更好，用钢量省、便于安装，但这种框架对温度作用比较敏感，对基础及地基的要求较高。

框架结构体系主要有实腹式和格构式两大类：（1）实腹式框架结构体系。

实腹式框架适用于跨度不太大（L=18～60m）的框架结构。

它的优点是制作简单、便于运输，还能降低房屋高度。

实腹框架常设计成铰接柱脚。

由于框架支座弯矩的卸载作用使实腹框架的横梁高度不大，可取跨度的1/30～1/40。

在我国得到大力发展的轻型门式刚架结构，是实腹式框架结构体系的一种，其特点是屋盖及墙体均采用压型钢板，结构主要承受自身的重量。

轻型门式刚架结构设计。

门式刚架是一种有效利用材料的结构形式。

由于构件尺寸小，房屋高度相应降低，减轻了建筑体积和重量。

构件可以在工厂批量生产，工地安装用高强螺栓连接，简便而迅速，施工期短。

同时，门武刚架造型简洁美观，在房屋建筑中可适用于覆盖大面积的单跨、多跨等厂房、仓库和各类公共建筑。

轻型门式刚架结构：1、建筑特点：（1）轻型化，屋盖及墙体均为压型钢板，以减轻建筑自重；（2）吊车吨位：A1~A5工作级别的桥式吊车<20t；悬挂式起重机<3t。

（3）常用跨度：18~ 30m，高度4.5 ~ 9m。

规定跨度可作到36m。

2、
结构特点：（1）主体结构采用门式刚架，刚架可以是单跨、双跨或多跨，还可带附跨。

把中柱做成摇摆柱体现了材料集中使用的原则。

（2）采用变化构件截面的手段以适应弯矩变化是门式刚架轻型化的技术措施之一。

柱脚常用铰接，（当有桥式吊车时用等截面、柱脚固定）。

（3）刚架间距一般6m 左右，亦可采用7.5~9m，间距太大将增加檩条的用钢量。

温度区段长度：纵向<300m；横向<150m 。

当不超过以上数值时，一般情况下可不考虑温度应力和温度变形的影响。

柱间支撑的纵向水平刚度较单独柱大得多（约10～20倍），故厂房纵向温度变形的不动点接近于柱间支撑的中点（有两道柱间支撑时，为两支撑距离的中点）。

新规范增加：“当有计算依据时，温度区段长度可适当加大”，是考虑到影响温度区段长度限值的因素较多，在规范中无法逐一反映，让设计人员根据具体情况考虑增减。

当温度区段长度超过规范规定的数值时，应进行温度应力的计算或设置温度伸缩缝。

温度伸缩缝的两种做法：a. 在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔；b. 设置双柱。

此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。

（4）刚架斜梁的坡度取决于屋面
（4mm 排水坡度，一般i=1/8~1/20。

减小构件腹板厚度，一般腹板壁厚在4 ~ 10mm，
是规程规定的下限），主要利用腹板截面的屈曲后强度。

（5）檩条采用冷弯薄壁型钢，截面一般为C型钢或Z型钢（坡度较大时，可以做到主轴与地面平行）。

檩条壁厚一般1.5 ~ 3.0mm，1.5mm为规范规定的下限。

新修定的国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002 已取消了壁厚6mm上限的规定，板厚由设计者自行掌握（未试验），我国目前已能生产12.5mm厚的冷弯薄壁型钢（6）支撑体系：必须设屋盖支撑系统和柱间支撑系统。

屋盖支撑布置在温度区段的两端或端部第二开间（此时第一开间设刚性系杆）。

柱间支撑设在与屋盖支撑相同的柱间，无吊车时，间距一般30~ 45m，不大于60m。

有吊车时柱间支撑宜设在温度区段中部。

3、檩条的设计特点：（1）檩条为薄壁构件，在受力状态其组成板件可能丧失局部稳定而产生屈曲，但屈曲后仍能承载（利用薄膜效应，即张力场）。

设计中利用其屈曲后强度，一般采用有效截面的方法进行强度计算。

（2）檩条的整体稳定计算分为两种情况：a. 风压力作用下，一般压型钢板（条件是有足够的抗剪件）和受压区设置的檩间拉条能起侧向约束作用。

b. 在风吸力作用下，下翼缘受压（连续设置的檩条在风压力作用下也有类似情况），受力状态类似弹性地
基梁，有研究认为可按弹性地基梁的压杆计算，受拉翼缘对其的约束作用视为弹性地基梁的作用，截面扭转和侧向弯曲效应等效转化为作用于下翼缘的侧向荷载，以简化计算。

也可采用构造要求，如设置隅撑。

4、构件设计的特点：（1）斜梁轴力较大，一般按压弯构件设计，须满足强度、整体稳定、局部稳定的要求。

工字形截面的腹板也可按考虑屈曲后强度进行设计，但最大高厚比不宜大于250。

工字形截面构件腹板考虑屈曲后强度的设计特点：（a）条款不适用于吊车梁，因有关资料不充分，多次反复屈曲可能导致腹板边缘出现疲劳裂纹。

（b）腹板受剪屈曲后的强度计算利用了张力场概念，使极限剪力大于屈曲剪力。

精确确定张力场剪力值需要算出张力场宽度，比较复杂，为简化计算采用了相当于下限的近似公式。

（c）利用腹板屈曲后强度，只要腹板的抗剪承载力不低于构件的实际最大剪力，一般不再考虑设置加劲肋。

可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。

从今天来看，大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。

世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。

这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。

国际壳体和空间结构学会（IASS）每年定期举行年会和各种学术交流活动，是目前最受欢迎的著名学术团体之一。

我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展。

工程实践的数量较多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。

种种迹象说明，我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。

这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。

但与国际先进水平相比，我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。

主要表现在结构形式还比较拘谨，较少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合，尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少；结构类型相对地集中于网架和网壳结构，悬索结构用得比较少，
而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践，在我国则还处于空白或艰难起步阶段。

情况看来是，我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后，似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。

这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题，也包含尚未很好解决的一些理论问题。

为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展，有待科技工作者和企业家努力创造条件，以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。