大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、《大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》電子課件制作人： 孫建琴-蘭州交通大學(xué)李方慧—黑龍江大學(xué)2009.4月,第1章 緒論,一、空間結(jié)構(gòu)的概念,凡是建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)稱為空間結(jié)構(gòu)。日常生活中空間結(jié)構(gòu)的例子，如草帽、折扇、簸箕、笸籮等。觀察自然界我們會(huì)發(fā)現(xiàn)許多空間結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)(薄殼結(jié)構(gòu)

2、)；蜂窩也是空間結(jié)構(gòu)(空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu))；蜘蛛網(wǎng)屬于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)；肥皂泡是典型的空間結(jié)構(gòu)(充氣薄膜結(jié)構(gòu))。,,第1章 緒論,,,（a）網(wǎng)架結(jié)構(gòu) （b）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 圖1.2 空間結(jié)構(gòu),高次超靜定，三向受力，非線性，大變形。,平面結(jié)構(gòu)：梁、屋架、框架、剛架、拱； 單向受力，計(jì)算理論成熟；,,第1章 緒論,第1章 緒論,二、大跨度空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),（1）自重輕，經(jīng)濟(jì)性好。目

3、前大部分空間結(jié)構(gòu)都采用鋼材、膜材等制作，輕質(zhì)高強(qiáng)材料的運(yùn)用使結(jié)構(gòu)自重大大減輕。（2）剛度好，抗震性能好。由于空間結(jié)構(gòu)具有三維受力特性，內(nèi)力均勻，對集中荷載的分散性較強(qiáng)，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(chǎn)。空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(jié)構(gòu)的形式豐富多彩，千變?nèi)f化，個(gè)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(jié)構(gòu)的建造和所采用的技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家建筑水平的重要標(biāo)志，許多宏偉而富有特色的大跨度建筑已成為當(dāng)?shù)氐南笳餍詷?biāo)志和著名的人文景觀。成為 標(biāo)志性建筑；（5）建筑、結(jié)構(gòu)和使用功能的統(tǒng)一。,,,第1章 緒論,三、空間結(jié)構(gòu)的分類,（1）剛性空間結(jié)構(gòu)剛性空間結(jié)構(gòu)體系是指剛性構(gòu)件構(gòu)成的具有很好剛度的空間結(jié)構(gòu)體系。包括薄殼結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及立體桁架結(jié)構(gòu)。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(dòng)量較大，費(fèi)用高，高空澆筑

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

6、其是構(gòu)筑圓拱和任意曲線形狀更有優(yōu)勢。,1、按空間結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)來劃分,,（a）南京會(huì)展中心,（b）沈陽奧體中心,圖1.3 立體桁架結(jié)構(gòu),（2）柔性空間結(jié)構(gòu) 柔性空間結(jié)構(gòu)體系是指由柔性構(gòu)件構(gòu)成，如鋼索、薄膜等，通過施加預(yù)應(yīng)力而形成的具有一定剛度的空間結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的形體由體系內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力來決定。包括懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)等。（3）雜交結(jié)構(gòu)體系 將幾種不同類型的結(jié)構(gòu)體系組合成為一種新的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系之間的組合，如組合網(wǎng)架、組合網(wǎng)殼、拱支網(wǎng)殼等；第二類為柔性結(jié)構(gòu)體系與剛性結(jié)構(gòu)體系的組合，屬于半剛性結(jié)構(gòu)，這種又可分為斜拉結(jié)構(gòu)、拉索預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、張弦結(jié)構(gòu)、支承膜結(jié)構(gòu)等。第三類為柔性體系之間的組合，如柔性拉索與索網(wǎng)的雜交，柔性拉索與膜材之間的組合形成的索-膜結(jié)構(gòu)。,,第1章 緒論,雜交結(jié)構(gòu)懸索、索膜、張拉 受拉為主，高強(qiáng)材料幾何非線性結(jié)構(gòu),,第1章 緒論,混合體系：

8、受壓剛性，受拉柔性；張弦桁架，預(yù)應(yīng)力索拱。,,第1章 緒論,,第1章 緒論,2、按單元?jiǎng)澐?將組成空間結(jié)構(gòu)的基本單元?dú)w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(gòu)成各種各樣具體形式的空間結(jié)構(gòu)，見圖表1。如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，單層網(wǎng)殼由梁單元組成，而雙層網(wǎng)殼由桿單元組成，這樣單雙層網(wǎng)殼分屬于兩種不同的結(jié)構(gòu)。另外，這種劃分對尚未出現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)形式留有較大空間。,表1.1

9、 空間結(jié)構(gòu)分類,表1 空間結(jié)構(gòu)分類,,圣彼得大教堂 羅馬萬神廟,古代空間結(jié)構(gòu),四、大跨度空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),當(dāng)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展,首都體育館，矩形平板網(wǎng)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(wǎng)架，焊接球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)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(jié)構(gòu)方面的又一大殊榮。機(jī)場的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由于建筑上的要求比較高，更是絢麗多彩。,首都機(jī)場四機(jī)位機(jī)庫,1994年建成的，放射狀布置的正放四角錐雙

11、層球形網(wǎng)殼，直徑有108m，網(wǎng)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(wǎng)殼組成，支承在三叉形格構(gòu)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(jié)構(gòu)，長軸211.9m，短軸143.2m，高45.2m,國家大劇院,,第1章 緒論,2008 奧運(yùn)會(huì)老山自行車賽館位于北京石景山區(qū)老山街，結(jié)構(gòu)跨度149.536m，矢高14.69m，矢跨比約為1/10．網(wǎng)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(wǎng)格尺寸約4m，網(wǎng)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(shè)玻璃采光帶．該網(wǎng)殼為目前我國跨度最大的雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。,老山自行車館采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),新奧爾良超級穹 D=205m 1975建成 球面網(wǎng)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(tái)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(gòu)成的三向網(wǎng)格，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn),日本名古屋單層網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)采用由中央圓柱面與兩端半圓球面組成的雙層網(wǎng)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(yùn)會(huì)省滑冰館建筑面積為8622平方米，擁有觀眾坐席2600個(gè)，是可供冰球、花樣滑冰、短道速度滑冰訓(xùn)練和比賽的國際性標(biāo)準(zhǔn)場地。2007亞冬會(huì)冰球比賽將在吉林省滑冰館舉行。場內(nèi)設(shè)有運(yùn)動(dòng)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(jì)時(shí)系統(tǒng)采用世界先進(jìn)設(shè)備。,吉林省滑冰館雙層懸索, 59m×77m ，1986,浦東國際機(jī)場：張弦桁架結(jié)構(gòu),,第1章 緒論,,,,世界上第一座現(xiàn)代懸索結(jié)構(gòu)是1953年建成體育館屋蓋，采用以兩個(gè)斜放的拋物線拱為邊緣構(gòu)件的馬鞍形正交索網(wǎng)，其平面尺寸92m×97m。該索網(wǎng)被公認(rèn)為第一個(gè)具有現(xiàn)代意義的大跨度索網(wǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)。,北卡羅來納州雷里（ Releigh）,為1988年第十五屆冬季奧運(yùn)會(huì)

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(wǎng)屋蓋，其圓形平面直徑135m，邊緣構(gòu)件采用弧形混凝土結(jié)構(gòu)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(wǎng),懸掛在兩個(gè)塔柱上的兩條中央懸索及分列兩側(cè)的兩片鞍形索網(wǎng)是屋蓋結(jié)構(gòu)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(dú)特新穎，象一只待飛的飛行器。體育場看臺(tái)主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜向框架?？磁_(tái)上空設(shè)一大型輕質(zhì)罩蓬，采用膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其外緣水平投影呈近似橢圓形，輪廓尺寸236m×209m，內(nèi)環(huán)尺寸205m×143m，罩蓬覆蓋面積約25000m2。罩蓬由44座傘型膜結(jié)構(gòu)單元連接而成，各傘形膜結(jié)構(gòu)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(diǎn)為白色、自重輕、經(jīng)濟(jì)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(tái)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(jié)構(gòu)作為骨架，最大懸挑長度73.5m。屋面共有57個(gè)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(gè)大跨度膜結(jié)構(gòu),雖然其技術(shù)與材料主要還依靠國外,但對中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展必然將起重

19、大推動(dòng)作用。,上海八萬人體育場,,佛山世紀(jì)蓮新穎輕巧的張拉膜結(jié)構(gòu)形式象一朵盛開的蓮花，是佛山市的標(biāo)志性建筑。,青島頤中體育場我國第一個(gè)自行設(shè)計(jì)和安裝、采用整體張拉式索膜結(jié)構(gòu)體育場工程 。,美國館,富士館,以16個(gè)輪胎狀的半圓形筒體組成50m直徑的圓頂，每個(gè)筒體直徑為4m，長78m，這一布置使房屋兩個(gè)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(gè)大跨度的氣承式膜結(jié)構(gòu)。,“鳥巢”,我國為2008年奧運(yùn)會(huì)修建的國家體育場游泳中心，是國內(nèi)首次采用膜結(jié)構(gòu)建設(shè)的國際上面積最大、功能要求最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的膜結(jié)構(gòu)體系。采用乙烯—四氟乙烯共聚物（ETFE）的膜材，該材料具有質(zhì)量輕、韌性好、耐候性好、透光性好特點(diǎn)，每天平均有近10個(gè)小時(shí)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(yùn)會(huì)主館 ——佐治亞穹頂 ，橢

21、圓形索膜結(jié)構(gòu)（235m?186m） 張拉索膜,,第1章 緒論,1999年建成， 張拉索膜結(jié)構(gòu) ，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(dāng)今世界上跨度最大的屋蓋結(jié)構(gòu)。,,第1章 緒論,格林威治千禧頂,柏林機(jī)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(wǎng)殼，可開啟,,第1章 緒論

22、,多倫多天空穹頂,①倉儲(chǔ)（72m剛架）、煤棚、機(jī)庫；②工業(yè)廠房：190×420m 網(wǎng)架；③體育場館、娛樂中心；④展覽，會(huì)議廳，影劇院；⑤車站、航空港；⑥超市、商場。,大跨建設(shè)高潮：機(jī)場、會(huì)展中心、體育館奧運(yùn)場館、世博館,,第1章 緒論,五、大跨度房屋結(jié)構(gòu)應(yīng)用,(1)社會(huì)需求：巨型場所，人工環(huán)境，然境觀保護(hù)；(2)高強(qiáng)輕質(zhì)材料：復(fù)合材料，碳纖維，有機(jī)材料，非金屬；(3)新結(jié)構(gòu)形態(tài)：雜交結(jié)構(gòu)，可開閉結(jié)構(gòu),多種體系

23、混合；建筑結(jié)構(gòu)“另類”化， “新建筑結(jié)構(gòu)”， 仿生學(xué)(4)非線性計(jì)算理論：高效算法，非線性，大變形，地震，風(fēng)振，顫振；,六、大跨結(jié)構(gòu)的發(fā)展,（5）設(shè)計(jì)①分析計(jì)算工作量大：結(jié)構(gòu)大，節(jié)點(diǎn)和桿件多；②高次超靜定，整體穩(wěn)定和幾何非線性分析復(fù)雜；,,第1章 緒論,③構(gòu)造復(fù)雜：考慮制造、運(yùn)輸、拼裝、安裝等因素；④高新技術(shù)： 新材料、新安裝工藝、機(jī)械和測控技術(shù)。,,第1章 緒論,（6）施工①制造：尺寸準(zhǔn)確，控制積累誤差，試拼裝，降低殘

24、余應(yīng)力和初始應(yīng)力；②運(yùn)輸：交通工具，限制尺寸，保證側(cè)向剛度；③安裝：拼裝次序合理，吊裝驗(yàn)算，防止傾覆。,,第1章 緒論,（7）分析和設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)問題①材料強(qiáng)度充分發(fā)揮作用；②基礎(chǔ)反力（推力?。虎郯惭b過程簡單；④結(jié)構(gòu)藝術(shù)性強(qiáng)。,,第1章 緒論,典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)—網(wǎng)架，網(wǎng)殼，懸索結(jié)構(gòu)，新體系；大跨結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)方法；大跨結(jié)構(gòu)非線性分析—網(wǎng)殼，索膜；大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)造和施工安裝。,,第1章 緒論,七、本課

25、程的主要內(nèi)容,1、董石麟，羅堯治，趙陽.新型空間結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社.20062、沈祖炎.空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[M]. 貴州：貴州人民出版社.19873、 張文福，空間結(jié)構(gòu)，科學(xué)出版社，2005年8月4 、完海鷹，黃炳生.大跨空間結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社. 6、2008.5 、杜文風(fēng)，張慧.空間結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國電力出版社. 2008.6 、張毅剛，薛素鐸.大跨空間結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械