大跨度空间屋顶结构设计

1.1 课题研究背景和意义 (2)

1.1.1 大跨度空间结构的发展历程 (2)

1.1.2 空间结构类型 (2)

1.1.3 网架结构的特点 (3)

1.2 研究现状 (3)

1.3 论文研究内容 (4)

第2章结构选型 (5)

2.1 网架型式的确定 (5)

2.2 网架结构的选型 (5)

2.2.1 网架结构主要几何尺寸的确定 (5)

2.2.2 网架结构的支撑 (6)

2.2.3 网架屋面排水坡 (6)

2.2.4 网架起拱度和容许挠度 (7)

2.2.5 杆件材料与截面形式 (7)

2.2.6 网架腹杆布置 (7)

2.2.7 节点设计与制造概述 (7)

2.3 网架的几何参数与杆件的物理参数 (8)

第3章网架设计与程序的编制 (10)

3.1 杆件的设计与构造 (10)

3.1.1 杆件截面选择 (10)

3.1.2 网架杆件的计算长度 (10)

3.1.3 网架杆件的容许长细比 (11)

3.2 荷载分析 (11)

3.2.1 静荷载 (11)

3.2.2 活荷载 (12)

3.2.3 三种工况 (12)

3.3 网架设计的命令流 (13)

3.3.1 定义截面类型 (13)

3.3.2 输入网架结构基本参数 (13)

3.3.3 定义单元有关常数 (14)

3.3.4 几何模型的建立 (14)

3.3.5 添加荷载与约束 (15)

3.3.6 网架设计程序的核心思想 (15)

3.4 出现的问题与解决方法 (16)

3.4.1 截面组合形式的选择 (16)

第四章结果分析 (18)

4.1 网架的变形 (18)

4.2 网架杆件内力 (19)

4.3 网架杆件应力 (21)

第5章结论与展望 (22)

5.1 结论 (22)

5.2 展望 (22)

参考文献 (23)

附录 (25)

附录A 网架设计命令流 (25)

附录B 外文翻译 (30)

第1章绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 大跨度空间结构的发展历程

空间结构的发展是和人类生活、生产的需要，科学技术水平以及物质条件的发展紧密相连的。

远古的人类挖洞穴而居，满足了生存空间的需要；中国古代工匠用木材构筑梁柱结构的宫殿或寺庙，跨度达到20～30米；古罗马人用砖石建造穹顶或拱顶，跨度达到40多米；19世纪的工业革命使科学技术飞快进步，生铁材料的出现引起了建筑结构性的变化；20世纪的工业革命推动了建筑科学技术的发展，水泥和钢铁等新型材料的出现，人们学会了建造桁架、拱、钢架之类的平面结构，跨度达到50～70米。

随着人类生活水平的提高，人类从事生产和社会活动对更大跨度的空间提出了需要。能够容纳几万人进行体育、集会、文艺演出、展览的多功能大厅，跨度需做到100～200米；我国为2008年奥运会修建的国家体育场鸟巢和游泳中心水立方，跨度均在200米以上。对大跨度空间的需要，促使学者们深入研究什么样的结构体系既能满足建筑平面、空间和造型的要求，又能有足够大的跨度，并且有更好的经济技术指标。

日本巴组铁工所认为：21世纪是为人类创造舒适、清洁、节能的新型城市的时代，具有现代设备和人工智能的封闭式城市环境，将为人类提供与自然相协调的理想生活环境[1]。

1.1.2 空间结构类型

空间结构是指具有不宜分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在载荷作用下呈空间工作的结构。

空间结构可分为三种基本类型：实体结构类，网格结构类，张力结构类。实体结构类包括薄壳结构、折板结构；它们一般是钢筋混凝土实体结构，近年来应用不多。网格结构类包括网架结构、网壳结构；它们一般是由杆件按一定规律组

成的网格状高次超静定空间杆系结构。张力结构类包括悬索结构、薄膜结构；它们一般通过对索或膜施加预张力以后形成结构体系。

20世纪60年代以来，随着焊接连接技术的日益成熟，高强钢材的出现，电算技术突飞猛进，空间结构中的两类结构体系——网格结构和张力结构得以飞速发展[1]。

1.1.3 网架结构的特点

网架结构是由许多杆件从两个方向或几个方向有规律地组成的高次超静定空间结构。它改变了一般平面桁架受力体系，能承受来自各方向的荷载。

网架结构最大的特点是由于杆件之间相互支撑作用，刚度大、整体性好、抗震能力强，而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响；即使在个别杆件受到损伤的情况下，也能自动调整杆件内力，保持结构的安全。

网架结构中杆件主要受轴力，容易作到材尽其用，节省材料，减轻自重。

网架结构的适应性大，既适用中小跨度的建筑，也适用于大跨度的房屋，而且从建筑平面形式来说，网架结构也可以适应于各种平面形式的建筑：如矩形、圆形、扇形及各种多边形的平面建筑形式。

网架结构取材方便，一般多采用Q235钢或Q345钢，杆件截面形式多采用钢管或型钢，并且可以用小规格的杆件截面建造大跨度的建筑。

另外，网架结构杆件规格统一，适宜工厂化生产，这就为加速工程进度提供了有利条件和保证[2]。

1.2 研究现状

目前在我国建成的网架结构就有数千座，被世人誉为“网架王国”。从1990年在北京举行的十一届亚运会场馆建筑来看，13个场馆中有11个采用了网架和网壳，其中网架占了一半以上。全国各省市区的体育场馆，绝大部分也采用了网架。20008年奥运会的中国国家游泳中心水立方采用了一种全新的杆件布置方式，它是根据Kelvin的“泡沫理论”构成的，即将水在泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑结构尺寸，从几何上可以归结为一个14面体结合了14个12面体的多次重复。将这些多面体内部抽空就形成了空间网格，然后按照建筑需要切割出平板网架。这种网架是世界上第一次应用于建筑结构[1]。

国际上网格结构的应用也有许多杰出的成果。其中日本在开合网格结构领域成果突出。