大跨度空間結構設計

1、《大跨度空間結構設計》電子課件制作人： 孫建琴-蘭州交通大學李方慧—黑龍江大學2009.4月,第1章 緒論,一、空間結構的概念,凡是建筑結構的形體成三維空間性狀，在荷載作用下具有三維受力特性、呈立體工作狀態(tài)的結構稱為空間結構。日常生活中空間結構的例子，如草帽、折扇、簸箕、笸籮等。觀察自然界我們會發(fā)現(xiàn)許多空間結構，如蛋殼、烏龜殼、蚌殼、花生殼各種植物種子的外殼等，適合于各自的大自然環(huán)境，是一種受力性能很好的空間結構(薄殼結構

2、)；蜂窩也是空間結構(空間網格結構)；蜘蛛網屬于索網結構；肥皂泡是典型的空間結構(充氣薄膜結構)。,,第1章 緒論,,,（a）網架結構 （b）網殼結構 圖1.2 空間結構,高次超靜定，三向受力，非線性，大變形。,平面結構：梁、屋架、框架、剛架、拱； 單向受力，計算理論成熟；,,第1章 緒論,第1章 緒論,二、大跨度空間結構的特點,（1）自重輕，經濟性好。目

3、前大部分空間結構都采用鋼材、膜材等制作，輕質高強材料的運用使結構自重大大減輕。（2）剛度好，抗震性能好。由于空間結構具有三維受力特性，內力均勻，對集中荷載的分散性較強，所以能很好的承受不對稱荷載或較大的集中荷載，整體剛度大。 （3）便于工業(yè)化生產?？臻g結構的構件通常在工廠中制作，在工地上可以很快地安裝起來。 （4）形式多樣化，造型美觀?？臻g結構的形式豐富多彩，千變萬化，個性鮮明，為建筑師的自由建筑創(chuàng)作提供了廣闊的想象空間?！?/p>

4、前大跨度結構的建造和所采用的技術已成為衡量一個國家建筑水平的重要標志，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當?shù)氐南笳餍詷酥竞椭娜宋木坝^。成為 標志性建筑；（5）建筑、結構和使用功能的統(tǒng)一。,,,第1章 緒論,三、空間結構的分類,（1）剛性空間結構剛性空間結構體系是指剛性構件構成的具有很好剛度的空間結構體系。包括薄殼結構、空間網格結構以及立體桁架結構。鋼筋混凝土薄殼在施工中耗用模板及腳手架較多，所需勞動量較大，費用高，高空澆筑

5、或吊裝費工費時。因此，薄殼結構的應用近年來有所減少。 空間網格結構根據(jù)外形分為兩大類，一類稱為網架，其外形呈平板狀（圖1.2a）；另一類稱為網殼，其外形呈曲面狀 （圖1.2b） 。立體桁架結構是以鋼管通過焊接有機連接而成的一種空間結構（圖1.3）。立體桁架結構是在網架、網殼結構的基礎上發(fā)展起來的，與網架、網殼結構相比具有獨特的優(yōu)越性和實用性。該結構省去一些縱向弦桿和球節(jié)點，并具有簡明的結構傳力方式，可滿足各種不同的建筑形式的要求，尤

6、其是構筑圓拱和任意曲線形狀更有優(yōu)勢。,1、按空間結構的受力特點來劃分,,（a）南京會展中心,（b）沈陽奧體中心,圖1.3 立體桁架結構,（2）柔性空間結構 柔性空間結構體系是指由柔性構件構成，如鋼索、薄膜等，通過施加預應力而形成的具有一定剛度的空間結構體系。結構的形體由體系內部的預應力來決定。包括懸索結構、膜結構和張拉整體結構等。（3）雜交結構體系 將幾種不同類型的結構體系組合成為一種新的結構體系。 雜交體系按照其組合

7、方式的不同可分為以下三類：第一類為剛性結構體系之間的組合，如組合網架、組合網殼、拱支網殼等；第二類為柔性結構體系與剛性結構體系的組合，屬于半剛性結構，這種又可分為斜拉結構、拉索預應力結構、張弦結構、支承膜結構等。第三類為柔性體系之間的組合，如柔性拉索與索網的雜交，柔性拉索與膜材之間的組合形成的索-膜結構。,,第1章 緒論,雜交結構懸索、索膜、張拉 受拉為主，高強材料幾何非線性結構,,第1章 緒論,混合體系：

8、受壓剛性，受拉柔性；張弦桁架，預應力索拱。,,第1章 緒論,,第1章 緒論,2、按單元劃分,將組成空間結構的基本單元歸納為五種，即板殼單元、梁單元、桿單元、索單元和膜單元。一種單元或多種單元集合便構成各種各樣具體形式的空間結構，見圖表1。如網殼結構中，單層網殼由梁單元組成，而雙層網殼由桿單元組成，這樣單雙層網殼分屬于兩種不同的結構。另外，這種劃分對尚未出現(xiàn)的新結構形式留有較大空間。,表1.1

9、 空間結構分類,表1 空間結構分類,,圣彼得大教堂 羅馬萬神廟,古代空間結構,四、大跨度空間結構的發(fā)展,,,悉尼歌劇院,北京火車站屋面采用鋼筋混凝土薄殼結構,當代空間結構的發(fā)展,首都體育館，矩形平板網架, 1967，122×99×6m，平行弦桁架，用鋼量65kg/m2；,,第1章

10、 緒論,1973，圓形平面，110m×6m，平行弦桁架，用鋼量47kg/m2，這樣萬人級的體育館仍是大跨度網架結構中的佼佼者。,,第1章 緒論,上海體育館,153+153m×90m，采用三層斜放四角錐網架，焊接球節(jié)點平板網架，其跨度規(guī)模之大，在國際上是數(shù)一數(shù)二的，這是我國在鋼結構方面的又一大殊榮。機場的鋼結構屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。,首都機場四機位機庫,1994年建成的，放射狀布置的正放四角錐雙

11、層球形網殼，直徑有108m，網殼厚度為3m；,平面為三角形，邊長99.7m，屋蓋由三片四邊形的雙曲拋物面雙層網殼組成，支承在三叉形格構式剛架和鋼筋混凝土邊梁上，1989年建成,北京石景山體育館,天津市體育館,空腹桁架橢球殼體結構，長軸211.9m，短軸143.2m，高45.2m,國家大劇院,,第1章 緒論,2008 奧運會老山自行車賽館位于北京石景山區(qū)老山街，結構跨度149.536m，矢高14.69m，矢跨比約為1/10．網殼支承于

12、傾斜人字形鋼柱及柱頂環(huán)形桁架之上，柱頂支承跨度為133.06m．網格尺寸約4m，網殼厚度2.8m，為跨度的1/47.5，屋蓋以金屬屋面板為主，中部設玻璃采光帶．該網殼為目前我國跨度最大的雙層球面網殼結構。,老山自行車館采用雙層球面網殼結構,新奧爾良超級穹 D=205m 1975建成 球面網殼,,第1章 緒論,,第1章 緒論,圓形建筑的直徑為229.6m，支承在看臺框架柱頂?shù)奈萆w直徑則有187.2m,采用邊長約10m的鋼

13、管構成的三向網格，每個節(jié)點上都有六根桿件相交，采用直徑為1.45m的加肋圓環(huán)，鋼管桿件與圓環(huán)焊接,成為能承受軸向力與彎矩的剛性節(jié)點,日本名古屋單層網殼,北京工人體育館D=94m , 1961,,直徑94m的車輻式雙曲面雙層懸索，主要由雙層索、中心鋼環(huán)（承受拉索作用下產生的環(huán)向拉力）和周邊的混凝土環(huán)梁（承受軸壓力）三部分組成。,1967年建成的，橢圓平面馬鞍形雙曲拋物面正交索網結構，長徑80m，短徑60m。,浙江省人民體育館,黑龍江滑冰館

14、,L=86m雙層懸索, 1996,主體結構采用由中央圓柱面與兩端半圓球面組成的雙層網殼，其輪廓尺寸為86.2m×191.2m，支承在下部三角形框架上，覆蓋了200m速滑跑道。,,第1章 緒論,為舉辦第六屆冬運會省滑冰館建筑面積為8622平方米，擁有觀眾坐席2600個，是可供冰球、花樣滑冰、短道速度滑冰訓練和比賽的國際性標準場地。2007亞冬會冰球比賽將在吉林省滑冰館舉行。場內設有運動員、裁判員休息室、官員室、仲裁室、醫(yī)療急救

15、室、興奮劑檢測室。音響、燈光、電子計時系統(tǒng)采用世界先進設備。,吉林省滑冰館雙層懸索, 59m×77m ，1986,浦東國際機場：張弦桁架結構,,第1章 緒論,,,,世界上第一座現(xiàn)代懸索結構是1953年建成體育館屋蓋，采用以兩個斜放的拋物線拱為邊緣構件的馬鞍形正交索網，其平面尺寸92m×97m。該索網被公認為第一個具有現(xiàn)代意義的大跨度索網屋蓋結構。,北卡羅來納州雷里（ Releigh）,為1988年第十五屆冬季奧運會

16、修建于，容納觀眾19300席。屋蓋平面形狀為與圓很接近的橢圓形，長軸135.3m，短軸129.4m。采用單層雙曲拋物面索網屋蓋，其圓形平面直徑135m，邊緣構件采用弧形混凝土結構形成巨大的環(huán)梁。,加拿大卡爾加里滑冰館1983年建成,,第1章 緒論,日本東京代代木體育館 鞍形索網,懸掛在兩個塔柱上的兩條中央懸索及分列兩側的兩片鞍形索網是屋蓋結構的主要組成部分。高聳的塔柱、下垂的主懸索和流暢的兩片鞍形曲面組成了雄偉別致的建筑物,第1章

17、緒論,造型獨特新穎，象一只待飛的飛行器。體育場看臺主體結構采用鋼筋混凝土斜向框架。看臺上空設一大型輕質罩蓬，采用膜結構設計。其外緣水平投影呈近似橢圓形，輪廓尺寸236m×209m，內環(huán)尺寸205m×143m，罩蓬覆蓋面積約25000m2。罩蓬由44座傘型膜結構單元連接而成，各傘形膜結構單元由膜、桅桿、前脊索、后脊索及谷索組成。膜面采用聚氯乙烯涂層的聚酯纖維膜材，外加PVDF面層，其特點為白色、自重輕、經濟性好、自潔性

18、好、耐久性好、有一定透明度。,1997建成的威海體育中心,1997年建成的馬鞍形看臺挑蓬，采用懸挑鋼桁架覆以傘形膜材, 馬鞍形屋蓋平面投影尺寸為288.4m×274.4m。由64榀徑向懸挑桁架和環(huán)向次桁架組成的空間結構作為骨架，最大懸挑長度73.5m。屋面共有57個由8根拉索和一根立柱覆以膜材組成的傘狀單體，膜的覆蓋面積2.89萬平方米，是中國的第一個大跨度膜結構,雖然其技術與材料主要還依靠國外,但對中國膜結構的發(fā)展必然將起重

19、大推動作用。,上海八萬人體育場,,佛山世紀蓮新穎輕巧的張拉膜結構形式象一朵盛開的蓮花，是佛山市的標志性建筑。,青島頤中體育場我國第一個自行設計和安裝、采用整體張拉式索膜結構體育場工程 。,美國館,富士館,以16個輪胎狀的半圓形筒體組成50m直徑的圓頂，每個筒體直徑為4m，長78m，這一布置使房屋兩個頂端向前突出7m，管子上每隔4m有一根50cm寬的水平帶把它們環(huán)箍在一起。中間的拱是半圓形的，其他各拱的矢高隨著拱腳愈來愈近而愈來愈高。兩端

20、各有寬10m的開口作為出入口。,世界上第一個大跨度的氣承式膜結構。,“鳥巢”,我國為2008年奧運會修建的國家體育場游泳中心，是國內首次采用膜結構建設的國際上面積最大、功能要求最復雜、技術難度最大的膜結構體系。采用乙烯—四氟乙烯共聚物（ETFE）的膜材，該材料具有質量輕、韌性好、耐候性好、透光性好特點，每天平均有近10個小時的自然光照明，可大大節(jié)省能源。,游泳中心——水立方,1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主館 ——佐治亞穹頂 ，橢

21、圓形索膜結構（235m?186m） 張拉索膜,,第1章 緒論,1999年建成， 張拉索膜結構 ，穹頂周長1km，直徑365m，中心高度50m，它由超過70km的鋼索懸吊在12根100m高的鋼桅桿上，是當今世界上跨度最大的屋蓋結構。,,第1章 緒論,格林威治千禧頂,柏林機庫：363m長，225m跨,107m高，2000，鋼拱架，膜屋面,,第1章 緒論,L=205m 1989 拋物線網殼，可開啟,,第1章 緒論

22、,多倫多天空穹頂,①倉儲（72m剛架）、煤棚、機庫；②工業(yè)廠房：190×420m 網架；③體育場館、娛樂中心；④展覽，會議廳，影劇院；⑤車站、航空港；⑥超市、商場。,大跨建設高潮：機場、會展中心、體育館奧運場館、世博館,,第1章 緒論,五、大跨度房屋結構應用,(1)社會需求：巨型場所，人工環(huán)境，然境觀保護；(2)高強輕質材料：復合材料，碳纖維，有機材料，非金屬；(3)新結構形態(tài)：雜交結構，可開閉結構,多種體系

23、混合；建筑結構“另類”化， “新建筑結構”， 仿生學(4)非線性計算理論：高效算法，非線性，大變形，地震，風振，顫振；,六、大跨結構的發(fā)展,（5）設計①分析計算工作量大：結構大，節(jié)點和桿件多；②高次超靜定，整體穩(wěn)定和幾何非線性分析復雜；,,第1章 緒論,③構造復雜：考慮制造、運輸、拼裝、安裝等因素；④高新技術： 新材料、新安裝工藝、機械和測控技術。,,第1章 緒論,（6）施工①制造：尺寸準確，控制積累誤差，試拼裝，降低殘

24、余應力和初始應力；②運輸：交通工具，限制尺寸，保證側向剛度；③安裝：拼裝次序合理，吊裝驗算，防止傾覆。,,第1章 緒論,（7）分析和設計考慮的關鍵結構技術問題①材料強度充分發(fā)揮作用；②基礎反力（推力?。虎郯惭b過程簡單；④結構藝術性強。,,第1章 緒論,典型結構的設計特點—網架，網殼，懸索結構，新體系；大跨結構的基本設計方法；大跨結構非線性分析—網殼，索膜；大跨結構的設計構造和施工安裝。,,第1章 緒論,七、本課

25、程的主要內容,1、董石麟，羅堯治，趙陽.新型空間結構分析、設計與施工[M].北京：人民交通出版社.20062、沈祖炎.空間網架結構[M]. 貴州：貴州人民出版社.19873、 張文福，空間結構，科學出版社，2005年8月4 、完海鷹，黃炳生.大跨空間結構[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社. 6、2008.5 、杜文風，張慧.空間結構[M]. 北京：中國電力出版社. 2008.6 、張毅剛，薛素鐸.大跨空間結構[M].北京：機械